长江科学院院报

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2025 , Vol. 42 >Issue 8: 118 - 127

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240691

岩土工程

不同补给条件下盐渍土水盐迁移及变形特性

  • 杨保存 , 1, 2 ,
  • 江建兵 , 1, 2, 3 ,
  • 杨晓松 1, 2 ,
  • 李博一 3, 4
展开
  • 1 塔里木大学 水利与建筑工程学院,新疆 阿拉尔 843300
  • 2 塔里木大学 南疆岩土工程研究中心,新疆 阿拉尔 843300
  • 3 山西省地质勘查局 二一四地质队有限公司,山西 运城 044000
  • 4 中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院, 武汉 430074
江建兵(1996-),男,安徽安庆人,硕士,主要从事寒旱区环境岩土工程防灾减灾方面的研究。E-mail:

杨保存(1975-),男,甘肃庆阳人,教授,硕士,主要从事盐渍土工程灾害灾变理论与控制技术方面的研究。E-mail:

Copy editor: 陈敏

收稿日期: 2024-07-01

  修回日期: 2024-12-13

  网络出版日期: 2025-01-23

基金资助

国家自然科学基金项目(52068062)

新疆生产建设兵团一师横向项目(SWJ2022KT23)

塔里木大学校长基金项目(TDZKSS202151)

收起

Water-Salt Migration and Deformation Characteristics of Saline Soil under Different Replenishment Conditions

  • YANG Bao-cun , 1, 2 ,
  • JIANG Jian-bing , 1, 2, 3 ,
  • YANG Xiao-song 1, 2 ,
  • LI Bo-yi 3, 4
Expand
  • 1 College of Hydraulic and Architectural Engineering, Tarim University, Aral 843300, China
  • 2 Research Center of Southern Xinjiang Geotechnical Engineering, Tarim University, Aral 843300, China
  • 3 Shanxi Provincial Geological Exploration Bureau 214 Geological Department Co., Ltd., Yuncheng 044000, China
  • 4 School of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

Received date: 2024-07-01

  Revised date: 2024-12-13

  Online published: 2025-01-23

Fold

摘要

为探究南疆盐渍土在不同补给条件下的水盐迁移及变形特性,依据南疆某市实际环境,选取粉砂土为研究对象,人工配制硫酸盐渍土,开展盐渍土补给与盐溶液补给条件下的盐渍土水盐迁移及变形试验,分析不同补给条件下盐渍土水盐迁移及变形规律。结果表明:与盐溶液补给相比,盐渍土补给条件下土体温度敏感性较大;两种补给条件下,土体水盐迁移均在3次循环后达到平衡;盐渍土补给条件下,土体竖向变形与循环次数呈线性分布关系,基本表现为冻胀融沉;盐溶液补给条件下,盐溶液浓度影响土体竖向变形,补给液浓度为5%时影响最大;盐溶液补给条件下土体水盐迁移与变形破坏趋势均快于盐渍土补给。盐渍土上设置非盐渍土可有效达到抑制土体变形的目的,但非盐渍土土层厚度应大于温度影响较大的深度,对于粉砂土这类易产生沉降的土体,覆盖至一定盐渍化的土体上,可抑制土体沉降。工程中应做好相关措施降低地下水位,减少一定土层深度中的盐分,可避免土壤次生盐渍化扩张。研究成果可为南疆地区次生盐渍化研究与工程防治研究提供理论支撑。

关键词： 粉砂质硫酸盐渍土; 冻融循环; 水盐迁移; 变形特性; 南疆地区

本文引用格式

杨保存 , 江建兵 , 杨晓松 , 李博一 . 不同补给条件下盐渍土水盐迁移及变形特性[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(8) : 118 -127 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240691

Abstract

[Objective] This study aims to investigate the water-salt migration and deformation characteristics of desert saline soil in southern Xinjiang under the combined effects of water-salt replenishment conditions and salt-freeze-thaw cycles. [Methods] According to the types of saline soil and the distribution characteristics of groundwater and salt in the Aral region of southern Xinjiang Autonomous Prefecture, we selected silty sand as the research subject and prepared synthetic sulfate saline soil specimens to conduct cyclic salt-freeze-thaw experiments under two different salt replenishment conditions to simulate secondary soil salinization, namely, groundwater (saline solution) replenishment and engineering replacement (underlying saline soil) replenishment. The water-salt migration features, phase changes, and deformation characteristics of silty sulfate saline soil under the two conditions were analyzed. [Results] Under saline solution replenishment condition, as the concentration of the replenishment solution increased, the migration height of water and salt decreased. The soil deformation characteristics exhibited initial salt-induced swelling followed by settlement, with the maximum salt-induced swelling deformation of 0.21 mm occurring at a 5% solution concentration. Under saline soil replenishment condition, as the sodium sulfate content in the soil increased, the reduction in water and salt content in the lower layer increased, and the soil deformation was characterized by settlement. The maximum settlement deformation of -1.37 mm occurred at a saline soil content of 1%. [Conclusion] Compared to saline solution replenishment, saline soil replenishment results in greater thermal sensitivity of the soil. Under saline solution replenishment condition, the migration of water and salt in soil pores and the trends of deformation and failure occur more rapidly than those under saline soil replenishment condition. Therefore, replacing the sulfate saline soil foundation with an overlying layer of salt-free silty sand can suppress the sulfate-induced frost heave. However, the thickness of the salt-free silty sand layer should exceed the critical depth of thermal influence. In engineering practice, when silty sand—a soil type prone to settlement deformation—is used as an overlying replacement layer to suppress salt-induced frost heave deformation of sulfate saline soil, attention should be paid to particle gradation and compaction of replacement soil, and the implementation of salt-blocking and drainage measures. This research provides a reference for the engineering prevention and control of secondary soil salinization in southern Xinjiang.

Key words： silty sulfate soil; freeze-thaw cycle; water and salt migration; deformation characteristics; Southern Xinjiang

0 引言

工程上把含盐量>0.3%且具有盐胀、溶沉、翻浆等危害的一类特殊土称盐渍土[1]。在温度、降水等多重环境因素作用下,盐渍土产生盐胀、溶沉变形,并对房屋建筑、道路等基础设施产生破坏。盐结晶压力作用下,土体的内部水分、盐分含量以及温度等因素会导致土体发生变形乃至破坏[2]。
迄今为止,学者们针对盐渍土水盐迁移及变形特性开展了众多研究。最早Richards[3]为研究土壤水分迁移而提出水流运动基本方程,开创了水盐迁移研究的先河。Corwin 等[4]指出盐渍土形成的关键机制在于水分和盐分的迁移,Nassar等[5]研究得出了土体中水分、盐分、温度迁移规律。
此后学者们在此基础上对盐渍土水盐迁移展开研究。包卫星等[6]以新疆喀什天然盐渍土为原材料,采用开放系统进行研究,试验表明经多次冻融,易溶盐随水分向冷端迁移;王景辉等[7]揭示出盐渍土水分、盐分随温度变化具有“滞回”现象;田秋林等[8]对南疆典型路段含水率与含盐量进行观测,并通过室内水盐迁移试验,发现盐分梯度影响水盐迁移,含水率的差别则是水盐迁移的主要动力;Moreira 等[9]对水盐迁移特性进行了理论分析;Overduin 等[10]发现盐渍土水盐迁移运动在土体冻结后仍持续进行;冉武平等[11]根据新疆实际工况研究低液限粉土路基水盐迁移规律,发现低液限粉土路基不适合用于地下水位较浅的盐渍土地区;任亚军等[12]研究发现初始含水率与含盐量影响盐渍土冻结温度;张恒[13]选取青藏高原盐渍土进行研究,揭示盐渍土变形机理,并提出电化学防治技术。
盐渍土对工程的主要危害在于冻融变形破坏,现行规范也对盐渍土作为路基填料进行了相关规定[14]。在南疆地区,工程建设采用远运填料等方式将增加工程投资。对于盐渍土作为路基填料的可行性,目前学者们也做了一定研究。张莎莎等[15]研究发现盐渍土在多次冻融后出现体缩现象;雷过等[16]发现冻融-干湿循环对硫酸盐渍土强度劣化有影响。慈军等[17]发现盐渍土盐冻胀力与含水率有关;李治斌等[18]研究发现盐冻耦合会影响盐渍土强度;应赛等[19]研究发现盐渍土盐胀比与总变形存在变化规律;王玉龙等[20]在进行盐渍土冻融循环试验研究中发现,土体变形的主要影响因素是施加在土体上的荷载以及由盐分引起的膨胀压力;陈伟志等[21]开展粗粒盐渍土水盐迁移试验,发现温度与压实度影响盐渍土水盐迁移与变形响应;肖泽岸[22]通过单向冻结试验探讨了盐渍土冻结过程中盐-冻胀变形的成因;杨晓华等[23]指出,在将盐渍土用作路基填料时,应考虑含水率与含盐量等因素对土体性质的影响,并在实际工程中充分利用这些因素来抑制路基变形。
目前对于盐渍土中水盐迁移与变形特性的研究主要局限于特定类型的土壤,粉砂质硫酸盐渍土目前鲜有人进行研究。与其他类型的盐渍土相比较,粉砂质硫酸盐渍土颗粒更为细腻,水盐迁移速率较高,其土体结构较疏松,因此更容易出现变形。本文结合南疆实际条件,以粉砂质硫酸盐渍土为研究对象,开展盐溶液补给与盐渍土补给条件下水盐迁移与变形特性研究,并初步提出粉砂质硫酸盐渍土路基结构设计对策,研究成果可为盐渍土地区次生盐渍化病害防治提供理论基础。

1 材料与方案

1.1 试验材料

试验用土选自南疆岩土工程中心试验基地,对所取土样进行风干、去杂等系列操作后,依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)对土样开展颗粒分析、击实试验、离子测定等试验,得出土样基本物理化学性质。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)判断该土样为粉砂土,土样总含盐量为0.069%,<0.3%,为非盐渍土。土样基本特性见表1。
表1 土样基本特性

Table 1 Basic characteristics of soil samples

土
类		 不同筛孔颗粒级配/% 最优
含水
率/
%		 最大
干密度/
(g·cm-3)		 盐渍
土类
别
<
0.075
mm		 [0.075,
0.25)
mm		 [0.25,
0.5)
mm		 [0.5,
1]mm		 >1
mm
粉
砂
土		 22.17 49.39 9.25 15.49 3.70 15.54 1.63 非盐
渍土

1.2 试验方案

采用由有机玻璃筒、制冷板、高低温循环装置、数据采集装置等组成的冻融循环试验系统研究不同补给条件下粉砂土水盐迁移及变形特性,试验装置见图1。高低温循环装置分别控制上下制冷板温度以实现对土样的温度控制,采用5TE传感器与DN-15位移传感器测量试验时的电导率、体积含水率、温度与土体变形,采用CR1000数据采集器收集数据。
图1 试验装置示意图与实物

Fig.1 Schematic and on-site photo of test apparatus

参照研究地气象数据,模拟自然环境中温度从上至下的传递过程,通过调整制冷顶板的温度,使其在升温阶段达到20 ℃,在降温阶段降至-20 ℃,而底板的温度保持不变,维持在5 ℃,采用升温12 h、降温12 h为1次循环,共进行6次循环。试验前将上下制冷板温度设置为20 ℃并恒温至各传感器温度均为20 ℃。
次生盐渍化在盐渍土区域的主要诱因可以归结为以下2个方面:①地下水水位较高且具有一定矿化度,通过毛细上升作用,水盐分子在土壤剖面中迁移和累积,导致非盐渍土发生盐碱化;②土体不受地下水影响,上部换填后的非盐渍土在下部盐渍土影响下盐渍土化。
针对这2种不同次生盐渍化分别设计盐溶液补给与盐渍土补给2种工况:①在开放系统下,通过马氏瓶对土样实施无压补水,探讨不同盐浓度溶液补给条件下土体的水盐运移规律及其相应的变形特征;②在封闭系统环境中,通过构建玻璃筒内上部20 cm厚的非盐渍土与下部20 cm厚的盐渍土层状结构,模拟实际工程中部分挖除盐渍土并换填非盐渍土的过程,进而探究该过程中土体界面的水盐迁移及其变形特性。团队前期调研得出[24-25],研究地分布硫酸盐渍土,含盐量在5.94%~9.06%范围内,以强盐渍土与超盐渍土为主,故试验时设定含盐量为1%、2%、5%、8%。试验工况见表2,传感器测量精度及测量范围见表3。本试验共设定了8种不同的工况组合。盐溶液补给方式下,土柱均为非盐渍土,通过底座外接马氏瓶向土柱供给盐溶液;盐渍土补给方式下,土柱上层20 cm为非盐渍土,下层20 cm为盐渍土,且在试验过程中不进行外部水分补给。土柱装填时严格按照每层5 cm的厚度和95%的压实度进行分层装填,预定孔位处安装5TE传感器,并使用密封胶对孔隙进行密封处理,以确保试验过程中水盐不发生流失。当土体在恒温装置中达到20 ℃的均匀温度后,开始进行冻融循环试验。
表2 试验工况

Table 2 Test conditions

编号 含盐量/% 补给方式 编号 含盐量/% 补给方式
WS-1 1 盐溶液补给 TS-1 1 盐渍土补给
WS-2 2 TS-2 2
WS-3 5 TS-3 5
WS-4 8 TS-4 8
表3 传感器精度与测量范围

Table 3 Accuracy and measurement range of sensors

测试项目 体积含水
率/%		 电导率/
(dS·m-1)		 温度/℃ 位移/mm
精度 0.1 0.01 0.01 0.01
测量范围 0~100 0~20 -40~80 0~50

1.3 5TE传感器标定

5TE传感器标定方案:①盐分标定,利用无水硫酸钠晶体配制硫酸钠盐溶液,质量分数0~2%(按0.2%梯度递增),记录不同浓度盐溶液的电导率;②水分标定,试验土样干密度设定为1.55 g/cm3,采用控制变量法设定土体内硫酸钠含量0、0.5%、1%、1.5%、2%、5%、8%,质量含水率为11%~19%(按2%梯度递增),利用数据采集器间隔1 min采集土样含水率,至数值变化较小时停止采集(最小采集时间为20 min)并记录体积含水率。图2、图3分别为盐溶液质量分数与电导率、试验土样质量含水率与体积含水率关系曲线,结果显示曲线均呈线性关系,标定结果可为后续试验准确度提供有力支撑。
图2 盐溶液质量分数与电导率关系曲线

Fig.2 Curve of mass fraction of salt solution versus electrical conductivity

图3 土样质量含水率与体积含水率关系曲线

Fig.3 Curves of mass moisture content versus volumetric moisture content of soil samples

2 结果与分析

为便于分析,设定第n次循环为T-n,n=1,2,3,…。如T-0表示初始阶段,T-1表示第一次循环周期。各土柱均设置6次循环周期,即T-0至T-6。

2.1 温度循环分析

如图4所示,各工况不同土层温度随时间变化基本一致,即随冻融周期的进行整体呈现正弦曲线。
图4 不同补给条件下典型土柱不同土层温度随时间变化

Fig.4 Variation of temperature at different heights of soil columns over time under different replenishment conditions

文献[19]认为冻融循环时温度变化为“温度波”,定义温度波幅值TA为

TA=0.5(Tmax-Tmin) 。

式中:Tmax为单次循环周期土层最高温;Tmin为单次循环周期土层最低温。
图5为不同补给条件下典型土柱(WS-3和TS-3)温度波幅值分布。由图5可知,随循环周期的进行,盐溶液补给与盐渍土补给条件下土柱TA沿土柱高度降低呈现衰减趋势,第一次循环周期时各层TA显著高于其余周期同层TA,即温度波幅值随土柱高度降低而衰减且土柱在第一次循环周期时温度变化最大;同一土柱第2至6次循环周期TA分布变化较小,土柱高度2.5 cm时,TA趋向于0,该位置为冻融循环的影响深度。在对比中,盐渍土补给条件下的土柱受温度影响比盐溶液补给条件下的更敏感。
图5 不同补给条件下典型土柱温度波幅值TA分布

Fig.5 Distribution of temperature wave amplitude (TA) in typical soil columns under different replenishment conditions

2.2 水盐迁移规律

2.2.1 盐溶液补给下含水率与电导率分布

图6、图7分别为盐溶液补给条件下土柱内部体积含水率与电导率沿玻璃筒分布。由图6和图7可知,盐溶液补给条件下T-0(初始状态)时土柱体积含水率与电导率沿玻璃筒分布均匀,随循环周期的进行,盐溶液补给条件下土柱内体积含水率与电导率沿高度呈现非均匀分布。
图6 盐溶液补给条件下水分迁移规律

Fig.6 Water migration patterns under salt solution replenishment

图7 盐溶液补给条件下盐分迁移规律

Fig.7 Salt migration patterns under salt solution replenishment

图6(a)中T-1时WS-1土柱体积含水率整体产生较大变化,呈自下而上逐渐降低的趋势;T-2至T-3阶段2.5 cm处含水率变化较小,但沿土柱高度的上升含水率变化逐渐加大;T-3时土柱各点位处含水率大致相等,此后循环周期内土柱含水率变化幅度较小,说明WS-1土柱在水分自下向上迁移且在第3次循环周期时达到平衡状态。图6(b)中T-1时WS-2土柱9.5 cm处体积含水率出现峰值,为43.7%;T-3时2.5 cm处出现较大增幅,整体呈现“C”字型,土柱内体积含水率表现为上部显著低于下部,表明WS-2土柱在冻融循环影响下水分较快地产生平衡且呈现非均匀分布。图6中(c)和(d)分别表示WS-3土柱与WS-4土柱的水分变化,二者曲线较为一致,均在T-1阶段达到平衡,此后循环周期内变化较小,但在16.5~9.5 cm间产生较大落差,分析认为是高浓度盐分在此位置产生结晶堵塞水分迁移通道抑制水分向上迁移所致。
图7(a)中T-1时WS-1土柱上半部电导率变化较小,但下半部电导率出现较大增长,9.5 cm与2.5 cm处达峰值,约1.89 dS/m,此后增长较缓,30.5 cm与23.5 cm处在T-2时产生较大变化,整体曲线变化与水分变化相似,说明WS-1土柱冻融过程中盐分在下部迅速集聚,但在水分带动下向上部迁移。图7(b)中T-1时WS-2土柱在电导率向上至23.5 cm处变化降低,T-2至T-6阶段各点位电导率变化不大,表明WS-2土柱盐分迁移至23.5 cm处,且在二次循环后基本达平衡状态。图7(c)、图7(d)分别表示WS-3土柱与WS-4土柱的盐分变化,与WS-2土柱不同的是WS-3土柱与WS-4土柱电导率在16.5 cm与9.5 cm之间存在较大差值,分析认为是作为盐分迁移动力的水分得不到有效迁移进而在9.5 cm处盐分大量累积。
试验结果表明:当盐分补给方式为盐溶液补给时,随补给液浓度的增加,盐分结晶在某一位置聚集,堵塞迁移通道,水盐迁移高度有所下降。土体内水分变化曲线与盐分变化曲线相似,体积含水率与电导率在3次循环时基本达到平衡,说明粉砂土在补给液影响下内部水盐能够较快地向上迁移并平衡,同时水分与盐分迁移具有一致性。

2.2.2 盐渍土补给下含水率与电导率分布

图8、图9分别为盐渍土补给条件下土柱内部体积含水率与电导率沿玻璃筒分布。由图8和图9可知,盐渍土补给条件下T-0时土柱上半部与下半部体积含水率与电导率有较大差值且相同硫酸钠含量土体体积含水率与电导率均匀分布(高含盐下含水率准确度受影响,硫酸钠含量8%盐渍土补给下体积含水率数值偏小);T-6后土柱内部水盐较初始产生较大变化。
图8 盐渍土补给条件下水分变化规律

Fig.8 Moisture variation under saline soil replenishment

图9 盐渍土补给条件下盐分变化规律

Fig.9 Salt content variation under saline soil replenishment

图8(a)中T-1时TS-1土柱23.5~2.5 cm处体积含水率均出现一定程度下降,随循环周期的进行,37.5 cm处体积含水率由16.9%升至22.7%,在T-2时整体水分变化幅度降低,至T-3时整体变化不明显,说明在第3次循环时达到平衡状态。图8(b)中T-1时TS-2土柱下半部含水率下降趋势更为明显,上半部含水率变化不明显,在T-2时顶部含水率出现一定的增长,表明TS-2土柱在冻融循环过程中仅有少量水分向上迁移。图8中(c)和(d)分别表示TS-3土柱与TS-4土柱的水分变化,对比发现二者下半部含水率均出现一定降幅,其中TS-3土柱体积含水率降至29%,TS-4土柱体积含水率降至15%,在23.5 cm处含水率出现明显增长。分析认为土中硫酸钠晶体在低温状态下吸水结晶使得盐渍土区含水率在冻融后产生一定降幅,土体含盐量越高,其内部盐分所需水分越多,使得下降幅度越大。在盐渍土补给条件下上部含水率增幅不明显,原因是水分迁移的动力之一是温度,低温可使土体内基质势增大进而影响水分向上迁移,试验中设置非盐渍土土层较厚,温度传递至盐渍土与非盐渍土交界处时均为正温,且温度波较小温度变化幅度不大使得下部水分未能有效向上迁移。
图9(a)中T-1时TS-1土柱整体电导率出现细微下降,自T-2起上半部电导率出现轻微上升而下半部电导率随冻融循环周期进行而持续下降,整体与水分变化趋势相似。图9(b)中T-1时TS-2土柱与TS-1土柱相似,整体电导率下降,其中下半部电导率下降幅度明显高于上半部分非盐渍土区电导率下降幅度;自T-2起37.5 cm处电导率出现一定增长,由0.31 dS/m增至0.44 dS/m,下部盐渍土区在T-3后变化幅度不大,表明TS-2土柱在3次循环时即达到平衡状态。图9中(c)和(d)分别表示TS-3土柱与TS-4土柱的盐分变化,与TS-2土柱相同的是TS-3土柱与TS-4土柱下半部盐渍土区电导率经冻融循环后出现一定下降,在3次循环后基本处于平衡状态;TS-4土柱两端电导率均出现一定程度降低,23.5 cm处电导率随循环周期的进行出现一定增大。分析认为土中盐分随水分自下往上迁移,随高度的增加土水势降低,在土中某一位置出现盐分聚集,而23.5 cm处土层受温度变化影响的较深处,其下位置受温度影响并不剧烈,因此表现为23.5 cm处电导率上升。
试验结果表明:当盐分补给方式为盐渍土补给时,盐渍土区硫酸钠因温度降低吸水结晶使得下部盐渍土内水盐出现一定程度降低,具体降幅表现为随盐渍土内硫酸钠含量升高而升高。相同土柱水分变化与盐分变化曲线相似,且在3次循环后基本处于平衡状态,说明土体在温度影响下能够较快地完成水盐迁移。

2.3 变形特性分析

图10为不同补给条件下土柱变形随时间变化曲线,负值表示变形以沉降为主,正值表示变形以盐-冻胀变形为主。
图10 不同补给条件下土柱变形随时间变化曲线

Fig.10 Variation of soil column deformation over time under different replenishment conditions

图10(a)为盐溶液补给条件下土柱随时间变化曲线,试验条件下WS-1土柱变形前期出现剧烈沉降,第4次循环后沉降缓解,此后变形变化较小,基本达到变形平衡。WS-2土柱与WS-4土柱累积变形为先增长后下降,WS-2土柱在第3次循环、WS-4土柱在第4次循环时累积变形有所抑制,以沉降为主。WS-3土柱累积变形则表现为随循环周期而叠加。盐溶液补给条件下盐渍土变形与封闭系统条件下情况一致[24]。对比4种土柱变形情况,补给液浓度对土体变形有影响,溶液中硫酸钠质量分数为5%时对土柱变形影响最大,当盐溶液浓度达到8%时,盐分阻塞土中孔隙,抑制水盐迁移,降低变形幅度。
图10(b)为盐渍土补给条件下土柱随时间变化曲线,试验条件下TS-1、TS-2、TS-3和TS-4土柱随着冻融次数的增加以融沉变形为主。其中TS-1土柱未表现出盐冻胀变形,TS-2、TS-3和TS-4土柱表现为融沉变形大于盐-冻胀变形,随循环周期进行累积变形表现为沉降变形;TS-2、TS-3土柱在第1次循环中升温时出现盐胀变形,分析认为是由于土体硫酸钠含量为2%与5%时盐分迅速向表层积聚,以致升温时仍有盐胀变形。
图11为不同补给条件下土柱竖向变形变化率随循环次数变化曲线。经拟合,盐溶液补给条件下土柱竖向变形与循环次数呈多项式关系,补给液对土柱竖向变形影响具有不稳定性;盐渍土补给条件下土柱竖向变形变化与循环次数呈线性关系,变形随循环次数的增加发生相应变化。
图11 不同补给条件下土柱竖向变形变化率随循环次数变化曲线

Fig.11 Variation of vertical deformation rate of soil columns versus number of cycles under different replenishment conditions

2.4 盐溶液补给与盐渍土补给对比分析

图12为盐溶液补给与盐渍土补给下土体水盐迁移随时间分布,分别选取具有代表性的WS-2土柱与TS-2土柱在37.5 cm处的体积含水率与电导率进行分析。WS-2土柱与TS-2土柱初始电导率与体积含水率相同,在外部盐溶液补给下,第一次升温至6 h时WS-2土柱电导率与体积含水率均超过TS-2土柱,并在后续循环过程中,WS-2土柱始终保持领先。试验表明:盐溶液补给下土体水盐迁移速率高于盐渍土补给。
图12 不同补给条件下水盐迁移随时间分布

Fig.12 Temporal variation of water and salt migration under different replenishment conditions

图13为盐溶液补给与盐渍土补给下土体累积变形随循环次数变化,分别选取具有代表性的WS-2土柱与TS-2土柱累积变形进行分析。随循环次数的增加,WS-2土柱累积变形表现为先膨胀后沉降,TS-2土柱则表现为持续沉降,但WS-2土柱沉降速率高于TS-2土柱。试验表明:盐溶液补给下土体变形破坏趋势强于盐渍土补给。
图13 不同补给条件下累积变形随循环次数变化

Fig.13 Variation of cumulative deformation versus number of cycles under different replenishment conditions

3 讨论

在南疆地区,独特的水文地质及气候条件使得境内盐渍土广泛分布,严重影响该地区工程建设。相关规范提出不宜采用盐渍土作为路基填料,但远程运料则会使工程造价升高。本文结合南疆实际情况,开展盐溶液补给与盐渍土补给条件下水盐迁移与变形特性试验,结合试验结果,探讨粉砂质硫酸盐渍土构筑路基的工程对策。

3.1 结构分层

盐渍土在冻融循环作用下,盐分随水分向上迁移,盐分在土层上方集聚,使得土层强度降低,产生盐胀、融沉变形。如图10(b)与图11(b)所示,下部盐渍土硫酸钠含量为1%时,土体变形随冻融循环以沉降为主,当下部盐渍土硫酸钠含量逐步升高时,土体沉降变形降低,逐渐趋于盐胀变形。此外温度波幅值随土层深度增加而降低,温度是盐渍土产生变形破坏的因素之一,因此在考虑使用非盐渍土上覆盐渍土抑制土体变形时,非盐渍土土层应具有一定厚度方可减小温度辐射变化,降低水盐迁移,从而达到抑制变形的目的。笔者团队此前研究得出,粉砂质硫酸盐渍土在封闭系统中随土体硫酸钠含量增加而盐-冻胀变形越剧烈,其中土体硫酸钠含量为5%时,5次循环后变形量为8.53 mm[24]。
综上可知,结构分层可有效缓解土体变形,此外,对于粉砂土这类易产生沉降变形的土体,一定盐渍化的盐渍土可有效降低土体沉降变形,实现二者互补。在工程实践中,必要情况下可加强结构层,如设置不含细颗粒的大粒径卵石层作为缓冲层,可降低变形破坏。

3.2 路基防水与排水

强盐渍化与高地下水位路段水盐会对路基造成侵蚀与盐分积聚,当地下水位高于盐渍化临界深度,地下水则会通过土的毛细作用上升,地下水中的易溶盐则会随着水分向上迁移,进而使得地表土层次生盐渍化,发生盐胀、溶陷等变形破坏。
如图10(a)与图11(a)所示,补给液浓度为1%时,土体变形在第3次循环后趋于稳定,随着补给液浓度的增加,土体竖向变形波动变大。当地下水矿化度和地下水位超过一定限值时,土体可能会发生变形,因此在工程实际中应当做好地下水防水与排水工作。如在距路基坡脚2 m之外处开挖排水沟进行排水降盐,此外还可采取生态措施,如栽种具有耐盐、降盐作用的苗木降低地下水位,同时吸收一定土层深度中的盐分,进而避免土壤次生盐渍化扩张。

4 结论

本研究探讨了冻融循环后不同盐分补给状况下粉砂质硫酸盐渍土的水盐迁移与变形特征,得出以下规律:
(1)盐分补给方式为盐渍土补给时,盐渍土区硫酸钠因温度降低吸水结晶使得下部盐渍土内水盐出现一定程度降低,土体内水盐在温度作用下向上部非盐渍土区迁移。土柱竖向变形与循环次数呈现线性关系,变形随冻融次数的增加先增后减。
(2)盐分补给方式为盐溶液补给时,随补给液浓度的增加,盐分结晶在某一位置聚集,堵塞迁移通道,水盐迁移高度有所下降,土体在补给液影响下内部水盐能够较快地向上迁移并平衡。土柱竖向变形与循环次数的关系呈现多项式分布,补给液浓度对土柱竖向变形有影响。
(3)盐溶液补给条件下,土体的水盐迁移速率及其变形破坏的趋势均高于盐渍土补给条件下的土体。
(4)结构分层可有效缓解土体变形,如土体硫酸钠含量为5%且不进行换填时,土体5次循环后变形为8.53 mm,而采用非盐渍土换填时,土体变形量控制在0.2 mm范围内。此外,对于粉砂土这类易产生沉降变形的土体,一定盐渍化的盐渍土可有效降低土体沉降变形,必要时可设置结构缓冲层。
(5)地下水矿化度、地下水位高度超过一定限值时将会对土体产生变形破坏,如在试验中采用无压补水,经冻融循环后盐溶液快速上升至土柱20 cm高度处,且补给液浓度为5%时对土体变形影响最大。在工程实际中应当做好地下水防水与排水工作,如开挖排水沟或采取生态措施。

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