重塑低液限粉土水盐迁移试验研究*

2021-03-27冉武平王亚强

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2021年2期

冉武平，李爽，王亚强，孙誉

(1.新疆大学建筑工程学院，新疆土木工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐830047；2.新疆民航专业工程质量监督站，新疆乌鲁木齐830016)

0 引言

中西部地区盐渍土分布十分广泛，加之气候环境复杂、盐渍化严重，故而在自然环境以及人为因素的影响下，路基易发生次生盐渍化，导致道路产生一系列病害，严重影响道路的稳定性和耐久性[1]．此外，中西部地区还广泛分布着低液限粉土，这类土具有稳定性差、力学性能不良以及毛细现象显著等不良工程特性．由于其促进毛细水上升，则会加速水盐迁移进程，使道路在短期内就出现各类工程病害[2,3]．且这些病害造成的路基损伤是不可恢复的，一旦发生，很难根治[4]．因此，开展低液限粉土路基的水盐迁移规律研究是十分必要的．

关于水盐迁移的研究主要针对农业用地，学者们大都借助试验手段研究盐渍土地区水盐迁移规律及其对农作物生长的影响[5-8]．随着1855年Fick扩散定律、1856年达西定律的提出，1931年Richards[9]把达西定律引入到多孔介质土壤非饱和流动，国内外学者将现有研究成果引入道路结构问题中，对路基土中水分、盐分的迁移开展了大量研究[10,11]．张宏[12]介绍了农业工程和路基工程领域关于水盐迁移与运移机理的有关成果，并对路基土的盐渍化问题进行了深入研究．邵磊[13]分别对非盐渍化粉土、弱盐渍化粉土及砾类土展开研究，得到了水盐在不同路基土中的迁移规律，并提出隔断层设置技术．毛爱民[14]调查了新疆硫酸盐渍土地区道路的中心线和左、右路肩部位的含盐量．张堃[15]通过填筑粉土路基试验段以及开展竖管试验，研究了不同地下水埋深及矿化度条件下的路基内水盐迁移及聚集规律．秦李林[16]研究了广源高速公路低液限粉土路基的施工关键技术，证明了低液限粉土作为高速公路路堤填料能够满足路基施工质量标准．另外，还有研究表明水的摩尔浓度和溶质的浓度也会对水盐迁移产生影响[17-21]．由于溶质对水分子的吸附作用，使得溶液的活度降低，溶质浓度越高，活度越小[22,23]．从已有的研究成果来看，影响水分迁移的外界因素主要包括温度、降水及地下水埋深等，内部因素主要是初始含水率、初始含盐量及压实度等，但都未涉及路基底部水盐供给源对其迁移的影响．

基于此，在国内外相关研究成果的基础上，本文从水盐迁移和扩散规律的表征入手，针对低液限粉土填料开展室内土柱试验，重点研究低液限粉土路基在不同水盐供给源下的水盐分布特性和规律．预期成果对于低液限粉土用于盐渍土地区道路的结构设计具有一定的学术意义和工程应用价值，并且能为路基工程预防路基盐渍化提供理论依据．

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自新疆乌鲁木齐市典型道路路基填料，按照《公路土工试验规程》（JTG E40―2007）要求进行比重试验、颗粒分析试验、界限含水率试验及击实试验，确定土样的基本物理参数，如表1所示．另外，为明确低液限粉土在不同水盐供给源下的迁移特性，采用“干土加盐溶液”法配置人工盐渍土，并将所有制备好的土样放入密封的塑料桶中以减少水分散失，静置一昼夜后备用．

表1 土样的基本物理性质指标Tab 1 Basic physical properties of test soil samples

1.2 试验方法

试验系统由PVC管材、传感器及底座组成．PVC管材的外径为20 cm，壁厚0.4 cm；沿高度方向每隔10 cm钻三个并排、直径为5 mm的监测孔；顶部用塑料袋封口，模拟路面结构引起的覆盖效应．传感器选用NH148土壤温-湿度-盐分传感器，其通过测量介电常数反映土壤的真实水分含量，再通过测定其电导率和温度求得盐度，温度测量精度为±0.5°C，湿度测量精度为±2%，盐分测量精度为±3 mg/L．数据可自动采集、记录．

盐渍土地区路基次生盐渍化的发生过程一般分为两种情况：一种是含盐地下水随着土体内的孔隙不断向上迁移，携带盐分进入全部换填后的素土路基中，导致盐分聚集在路基土中；另一种是盐渍土地基中的盐分进入换填后的素土路基，导致路基次生盐渍化．不同情况下的水盐迁移过程也不相同，因此，本次试验选择两种盐分供给源，分别为盐溶液供给源和盐渍土供给源．初始含水率控制为4%；压实度根据《公路路基施工技术规范JTG F10―2006》中的土质路基压实度标准，选用路基最低控制标准90%；盐分选用氯化钠分析纯试剂；人工配置盐渍土的含盐量根据《公路土工试验规程》（JTG E40―2007）中对盐渍土的划分标准，选择2%，属中盐渍土；盐溶液浓度同样控制为2%．

根据不同水盐供给源方式设置两个土柱：土柱A高150 cm，全部装填低液限粉土，底部每隔2 cm钻直径为5 mm的透水孔，并在底座内加入配置好的盐溶液，确保水位始终高于底部圆孔2 cm，以便盐溶液无压力地进入土柱中；土柱B高200 cm，下部50 cm装填人工配置盐渍土，上部150 cm装填低液限粉土．两个土柱的设计局部示意图如图1、图2所示．

图1 土柱A局部示意图（单位：cm）Fig 1 Local schematic diagram of Soil columns A(unit:cm)

图2 土柱B设计局部图（单位：cm）Fig 2 Local schematic diagram of Soil columns B(unit:cm)

在装样前先将所有土样烘干，然后按照对应的含水率进行配制，根据预设的压实度分层装入PVC管中，每层装土厚度为5 cm，利用标准击实锤对试验土体进行击实，以达到预设的压实度并能保证整个土体压实的均匀性．对压实后的土柱每孔位置处的水盐进行监测，以此状态作为水盐迁移的初始状态．数据监测在前12 h内每90 min进行一次，以后每12 h进行一次，每次都在数据稳定时进行读数，试验持续观测周期为15天．

2 结果与分析

2.1 盐溶液供给源下的水盐迁移特性分析

为探究在盐溶液供给源下低液限粉土的水盐迁移时空分布特性，对距离土柱底部不同高度处的水盐含量进行分析，作各孔位水盐时程曲线如图3所示，空间分布曲线如图4所示．

图3 土柱A各孔位水盐时程曲线Fig 3 The time curves of water and salt in each hole of the A soil column

由图3（a）可知，土柱A中20 cm、40 cm和60 cm处的水分迁移趋势随时间推移先是快速上升，达到峰值后开始上下波动，后出现缓慢下降趋势，这是因为该处距离盐溶液较近，水分在向上迁移积聚到一定程度后，致使该处与上部的湿度梯度不断增大，从而加剧了水分向上迁移，致使该位置处的湿度减小，出现下降；而80 cm、100 cm和120 cm处的质量含水率达到最大后没有出现下降趋势，究其原因主要是随着高度增加向上和向下迁移势都有所降低，从下部迁移来的水分和向上部迁移的水分几乎达到一致，这也说明水分迁移达到了平衡状态．由图3（b）可以明显地观察到盐分迁移趋势与水分迁移趋势一致．此外，土柱80 cm和100 cm处达到的水盐峰值较其他位置的大，这是由于在下部水盐不断向上迁移的过程中，随着高度的增加，基质吸力不断减小，导致土柱80 cm～100 cm处出现水盐积聚层，故水盐峰值较大．

图4 土柱A各孔位水盐空间分布曲线Fig 4 The distribution curves of water and salt in each hole of the A soil column

由图4（a）可知，质量含水率随土柱高度的增加呈现不断波动趋势，说明低液限粉土的水盐迁移过程受到基质吸力、溶质吸力与重力的多重影响，极不稳定；土柱A中的水分在3 d时的迁移高度达到60 cm，6 d达到80 cm，9 d达到100 cm，12 d达到110 cm，15 d达到130 cm，说明在低液限粉土中水分向上迁移的速度很快．由图4（b）可知，盐分在各时段的迁移高度与水分迁移高度一致；3 d和6 d的迁移速率大于其他三个时间点的迁移速率，说明低液限粉土前期盐分迁移速率较快，后逐渐减小，这是因为前期盐分随水分向上迁移产生较大的浓度梯度，随着盐分不断迁移，浓度梯度逐渐减小，导致盐分迁移速率减小．

2.2 盐渍土供给源下的水盐迁移特性分析

同样针对土柱B的水盐含量进行分析，得出盐渍土供给源下低液限粉土的水盐迁移时空分布特性，试验结果如图5、图6所示．由图5的时程曲线可知，土柱B的水盐迁移整体趋势与土柱A相比较不显著：水分几乎未发生迁移；而盐分虽发生了迁移，但迁移量较少，说明当土柱底部无水分供应、盐分仅由盐渍土供给时，低液限粉土在15 d内基本未发生明显迁移，即阻断地下水能够有效地阻碍低液限粉土水盐迁移进程．由图5（b）可知，随时间的推移，土柱高度越高，水盐含量越低，这是由于该状态下的盐分主要受重力影响，不能继续向上迁移，故出现高度越高，迁移量越少的现象．

图5 土柱B各孔位水盐时程曲线Fig 5 The time curves of water and salt in each hole of the B soil column

由图6的空间分布曲线可知，土柱B中水盐含量随土柱高度的增加波动显著，但各孔位质量含水率和盐浓度的变化量较少，说明土柱B内部存在迁移现象，只是由于没有水源供给，导致水盐含量波动范围较小．由图6（b）可知盐分整体有缓慢向上迁移的趋势，说明下部盐渍土中的盐分会缓慢迁移至上部无盐分的低液限粉土中，但迁移量较少，说明水分迁移是引起盐分迁移的最主要因素．