水盐运移对硫酸盐渍土盐-冻胀规律的影响

2021-06-12王景辉张卫兵赵文娟

长江科学院院报 2021年6期

王景辉，张卫兵，2，唐莲，2，赵文娟，3

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021； 2.宁夏大学旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021； 3.宁夏大学节水灌溉与水资源调控宁夏工程技术研究中心，银川 750021)

1 研究背景

我国盐渍土体面积占国土总面积一半以上，目前已将盐渍土分为八区和二十七片[1]，盐渍土受环境气候影响，土中水不断结冰与融化，伴随土体盐分不断结晶和溶解，从而引起土体反复发生盐-冻胀及融沉，其结果将造成土体结构破坏，强度和稳定性下降，进而使土建工程遭到破坏[2]，同时西北地区的盐渍土在冬季兼有冻土属性，因此盐渍土的研究非常复杂。本文为科学、合理地解决盐渍土工程问题，决定将深入研究和把握水盐运移规律及其对盐渍土盐-冻胀的影响作为突破关键。。

国内外学者对水分和盐分迁移进行了大量的研究，Cary等[3](1972)提出离子在迁移过程中具有Soret效应，使土体溶液形成浓度梯度。Gilpin[4](1979)提出用于研究二次冻结的数学模型。Watanabe等[5](2002)通过电解质作用解释多孔介质中的滞回机理，并得出未冻水量随溶质浓度的增加而增加，顺序为NaCl

国内学者在盐-冻胀量方面的研究层出不穷，邴慧等[20](2011)研究了3种冻结模式下土体盐-冻胀量的变化规律和水分、盐分的迁移规律。赖远明等[21-22](2014—2016)建立了冻胀数学模型，肖泽岸等[23](2017)研究了封闭系统下Na2SO4盐渍土在冻融循环作用下的变形规律。潘蕾等[24](2018)发现亚硫酸盐渍土各周期的盐-冻胀率曲线为先增后减的趋势。张卫兵等[25](2019)通过电镜扫描试验得出土体结构破坏和细颗粒含量增加的主要原因是由冻融循环引起的。

上述研究在分析水盐运移和盐-冻胀量方面具有重要作用，但很少考虑补水条件下的水盐运移情况下盐-冻胀规律。本文以宁夏地区典型的硫酸盐渍土为研究对象，为模拟自然条件下补水的情况，制作下层含水量比上层含水量高的异层土，实现对水分、盐分、温度及变形进行不间断监测，研究它们之间的关系，探索硫酸盐渍土水分盐分变化的特征和竖向变形的规律，为进一步研究冻土地区盐渍土盐胀和冻胀规律提供参考。

2 试验方法及原材料

2.1 试验装置

试验是在圆柱形的有机玻璃土柱中进行的，试样高度为260 mm，直径为100 mm，具体尺寸见图1。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

用DH3816N 静态应力应变测试系统和YHD-20型位移传感器，采集土柱竖向变形量。用EM50和teros-12采集不同位置处(测点1— 测点4)的温度、体积含水率和电导率。土柱冻结装置为冰柜，为保证冻结方式为从上往下单向冻结，在土柱侧壁和底板采用双层保温棉包裹。

2.2 试验方法和试验工况

土样采用粉质砂土，经室内试验测得最大干密度为1.65 g/cm3，颗粒组成见表1。

表1 颗粒组成Table 1 Particle composition

试验步骤如下：①将土样用去离子水反复清洗，直到清洗后的溶液通过BaCl2溶液鉴定后无白色沉淀为准；②根据表2，将洗盐后的土配制成所需盐渍土，然后在恒温下静置24 h使盐渍土中的水分盐分均匀分布；③控制土体压实度为90%，将盐渍土分8层装入有机玻璃容器中，每层土体间刮毛处理使每层土体充分接触；④应力应变采集仪与位移传感器连接，EM50与teros-12传感器连接，teros-12传感器有4个测点，分别在距底板222、162、98、38 mm位置处，后文中分别称为测点1、2、3、4；⑤将土柱置入冰柜，温度控制在-21 ℃进行冻结过程，持续16 h，然后打开冰柜，室温下进行融化过程，静置8 h，完成一个冻融周期，共进行冻融循环9次。试验结束后，导出实时监测的数据，清洗传感器和试验装置以备下次使用。

表2 试验工况Table 2 Test conditions

2.3 teros-12传感器标定

首先制备不同质量分数的硫酸钠溶液。然后把teros-12传感器探头浸入溶液中，最后通过电脑软件ECH2O读取电导率值[26]。

采用Origin处理测量数据，拟合teros-12测得的电导率与含盐量之间的相关性，如图2所示。由图2发现其相关性显著且为正比关系，其回归方程为

图2 teros-12测得的电导率与含盐量关系Fig.2 Relation between conductivity measured by teros-12 and salt content

y=0.494 9x+0.12,R2=0.993。

(1)

式中：y为配制好的盐溶液的质量分数；x为teros-12测得的电导率；R2为拟合系数。

2.4 试验温度场标定

图3为土体不同位置处温度分布，测点1—测点4分别代表距离土样底部222、162、98、38 mm处土体的温度。冻结过程中，随着土样深度的增加，土体温度依次升高，真正实现了从土柱顶部向下冻结的目的，即单向冻结。融化过程，随着土样深度的增加，土体温度依次降低。

图3 土体不同位置处温度分布Fig.3 Temperature distribution at different positions in the soil

3 结果与分析

3.1 冻融循环中土体水分盐分的运移和温度的变化对盐-冻胀的影响

3.1.1 土体盐分的运移

工况一与工况二土体水分盐分和温度的变化对盐-冻胀的影响一致，因篇幅所限，以工况一为例。图4为工况一中第1、3、5、9次冻融周期中不同位置处电导率随温度变化。

图4 不同位置处电导率随温度变化Fig.4 Changes of conductivity at different positions with temperature

由图4可知，冻结阶段，从右往左看，在10～-7 ℃时电导率持续增加，其原因是结冰导致水分和盐分迁移，但更多由盐分迁移所导致；在-7～-15 ℃时电导率呈现“断崖式”降低，其原因是大量土体水相变为冰，水分迅速减少，土体溶液溶解的电解质减少，导电性降低所致。总体来看，在0 ℃以下，测点3处土体电导率值始终大于测点4处，其原因是冻结锋面在测点2、3之间出现，水分从土体底部向上移动，测点4处土体盐分随着水分移向测点3处，使测点3处土体盐分累积所致。

图5为工况一冻结阶段-5 ℃时不同高度处土柱电导率关系。从图5可看出，测点3处电导率明显大于测点4处，这是由于盐分向测点3移动所致，说明冻结锋面的存在会使盐分从底部向上移动[26]。

图5 -5 ℃时不同高度土柱电导率变化Fig.5 Changes of conductivity at different heights of soil column at -5 ℃

融化阶段，-15～0 ℃时电导率变化呈“弧形”变化趋势，即微弱减少后微弱增加；0～5 ℃时冰相变为水，电导率明显升高，5 ℃以后电导率快速增加至最大值，且测点3、4处土体盐分增长较快。

综上所述，土体冻结时土体盐分会向冻结锋面移动，而土体融化时先从小孔隙中的冰晶开始融化，呈现出底层电导率上升的现象，这与周家作等[27]研究成果一致。

3.1.2 土体水分的运移

图6为工况一不同位置处含水率随温度的变化。由图6(a)可看出测点2、3、4处土体初始含水率基本一致，但依据试验工况设置，测点2处土体初始含水率应与测点1处保持一致，出现该现象的原因是测点2处土体体积含水率比测点3处低，制样完成后土体水分从测点3处向测点2处运移，使得测点2处水分增多，体积含水率增大。

图6 不同位置含水率随温度变化Fig.6 Variation of water content at different positions with temperature

冻结阶段，随着温度的降低，各层体积含水率均不断减小，在-8～-10 ℃体积含水率降幅最大，在-10～-15 ℃时体积含水率缓慢降低至最小值。特别地，图6(a)中测点1、2处土体温度低于0 ℃以后，体积含水率出现明显降低，而测点3、4处土体体积含水率变化不明显，说明测点1、2处土体孔隙水结冰，冻结锋面在测点2、3间出现。由图6中的(b)、(c)、(d)图可知：测点2、3土体初始体积含水率基本保持在35%左右，测点4土体初始体积含水率保持在45%左右；同时温度降低至-5 ℃以前，测点3土体体积含水率随温度降低而升高，说明测点4土体水分向测点3迁移，即水分向冻结锋面移动，再次证明冻结锋面在测点2和测点3之间出现[26]。

融化阶段，从左往右看， -15～-5 ℃时体积含水率无变化； -5～0 ℃时底层有缓慢变化； 0～5 ℃时顶层与底层均有明显变化，说明融化阶段是双向融化，这与戴黎聪等[28]研究成果一致； 5 ℃以后迅速增长，可以认为土体中冰的融化温度为5 ℃左右[26]。

总体来看，第1次冻融循环，冻结阶段和融化阶段含水率受温度影响曲线不闭合，但随着冻融次数的增加，该曲线趋于闭合。冻结阶段和融化阶段该曲线为2条不同走势曲线，依据电解质效应，冻结阶段孔隙溶液逐渐冻结，冰的“纯化”作用使溶液浓度增大，冻结温度进一步降低；融化阶段盐晶体溶解吸热，土体温度回升变缓，体现出明显“滞回效应”，该研究成果可为进一步研究滞回效应提供参考[26]。

图7为工况一冻结阶段-5 ℃时不同高度处土柱含水率变化。土体在-5 ℃时，测点1处体积含水率极低，其原因是该处水分大部分冻结，测点2处水分部分冻结，测点3、4处水分基本未冻结。第1次冻融后含水率降低明显，其原因是融化阶段历时短，且融化末期土体温度只有10 ℃，土体中冰未完全溶解所致[26]。

图7 -5 ℃时不同高度土柱含水率变化Fig.7 Changes of moisture content at different heights of soil column at -5 ℃

3.2 冻融循环中盐-冻胀与溶陷的变化规律

3.2.1 工况一

图8为工况一第1次冻融周期水分、盐分、温度、变形规律。由图8(a)可知冻结时段出现3个变化区(调整区、快速增长区和缓慢增长区)，融化时段出现1个变化区(快速融陷区)。

图8 第1次冻融土体水分、盐分、温度变形规律 (工况一)Fig.8 Deformation of soil varying with water content, salt content and temperature in the first freeze-thaw cycle in working condition 1

从调整区看出，土体竖向变形量出现微小降低，之后出现缓慢回升现象。产生微小降低现象的原因是温度的降低使土颗粒间空隙缩小，土颗粒间隙趋于紧密，即为冻缩现象；出现缓慢回升现象的原因是芒硝从土体溶液中析出，芒硝首先填补土体空隙，然后破坏土体骨架，最后土体发生膨胀变形，宏观表现为缓慢回升。

在快速增长区，由图8(b)土体变形量与土体温度关系看出温度从5.5 ℃降为-10 ℃，由图8(c)土体变形量与土体含水率关系看出体积含水率减小60%，由图8(d)土体变形量与土体电导率关系看出电导率减少36%。此区域土体变形量大有2方面原因：一方面硫酸钠溶解度快速降低，会析出大量芒硝；另一方面负温下水分相变为冰，体积膨胀，同时土体水分的减少会增加土体溶液的浓度，促使芒硝进一步析出。此区域土体中同时产生芒硝和冰晶体，导致土体骨架发生剧烈变形，在宏观表现为竖向变形快速增长[26]。

在缓慢增长区，此区域土体体积含水率为20%，极低的含水率致使竖向变形变缓。

在融化阶段只出现快速融陷区，此区域融陷量随时间增加而降低，融陷速度基本一致，但降温初期(10 min左右)土体融陷量稍大于其他时间段。对比冻结阶段土体温度下降速度，融合阶段土体温度上升速度要快很多[26]。

图9为第2—第9次冻融周期土体变形分区(工况一)，从中可知第1次冻融周期调整区历时3 h，而第2—第9次冻融周期调整区历时1.5 h，产生该现象的原因是前者冻结阶段初始温度高，而后者经过一次冻融后初始温度变低所致，因此初始温度高则调整区历时长，初始温度低则调整区历时短。

图9 第2—第9次冻融土体变形分区(工况一)Fig.9 Zoning of deformation from the second to the ninth cycles in working condition 1

总体来说，冻胀阶段分为调整区、快速增长区和缓慢增长区3个区域。融化阶段只有快速融陷区。单次冻融周期中，由图8(a)、图9可看出，时间与竖向盐-冻胀量的关系图呈现“桃尖型”趋势，每次冻融盐-冻胀量均大于融陷量;且冻融次数越多，盐-冻胀量越大(本文冻融总时间为9 d，若增加冻融时长，盐-冻胀量会趋于一定值)，反映出盐-冻胀量的累加性。

3.2.2 工况二

在工况二中上下层土体含水率不同，含盐量相同。图10(a)为第1次冻融周期土体变形分区(工况二)，与工况一相比该冻结阶段无调整区。此现象出现的原因是工况二土体含盐量大，温度降低后硫酸钠晶体析出并充分填充土体空隙，使土骨架没时间出现冻缩现象就立刻发生膨胀变形所致[26]。

图10(b)为第2—第9次冻融周期土体变形分区(工况二)，发现第2—第9次冻融均出现调整区，原因是第1次冻融时土体第1层、第2层的初始含盐量高，经过冻融循环后土体中的的初始含盐量降低，降温时土体产生的芒硝晶体减少，对土体骨架的破坏程度同样减小，故而出现调整区[26]。