重塑盐渍土冻融循环条件下盐分迁移的试验研究

吕晓佳 徐铭伯 魏旭东 张新雨 王昊洋

(吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130000)

盐渍土是一系列盐碱化土壤和其他不同程度盐化和碱化的土壤的总称，它们受土壤中盐碱成分的影响。对盐渍土的研究始于一个多世纪前，20世纪20年代和30年代，盐渍土的研究主要集中在土体中盐分的迁移；20世纪90年代，中国科学院兰州冰川冻土研究所对土壤冻融研究过程中的水分迁移、盐分迁移、成冰作用、土体冻胀、盐胀等进行了一系列深入的研究。吉林省西部地区处于典型的季节冻土区，盐渍土分布广泛。该地区土壤的盐渍化对农业生产造成极大的危害，季冻土中水分的迁移还会导致一系列的工程病害，如冻土膨胀。所以有必要对该地区盐渍土在冻融循环条件下的水盐迁移规律进行深入研究。

1.研究区概况

吉林西部位于松嫩平原的西南部，不仅是典型的季冻土区，又是盐渍土区。该地地下水埋藏深度较低，且矿化度较高。该地区冬季寒冷而漫长，导致土层在冻结过程中，水分随温度梯度而携带着盐分向上迁移；春秋两季，气候干燥多风，地表强烈蒸发，使接近地表的土层形成高湿度梯度，水分再次携带盐分向地表迁移。土体盐分的两次上升是导致该地区土体盐渍化的重要原因。

2.土样的物理化学性质

本次试验使用的土样深度到达80 cm，10~50 cm土层的天然含水率均在23%，50 cm以下天然含水率随着深度的增加有增大趋势。40 cm以上土层的天然密度均在1.92 g/cm3左右，40 cm以下土层的天然密度有所降低。除30 cm深度的土样易溶盐总量较低，其余深度土样的易溶盐总量均大于0.3%，属于盐渍土范畴。土体的pH值在7.63~8.45之间，天然状态下处于弱碱性。土的有机质含量在0.79%~1.36%之间，其中40 cm深度以上有机质含量均大于1%，且随深度增加而增大。

3.试验方案

3.1 土样的制备

试验土为野外距地面40cm的土样。本次试验制备了5个高20 cm，直径5 cm的圆柱形试样，编号为试样1、试样2、试样3、试样4和试样5，试验期间，分别经历了一次冻结（不包括融化过程）和一、三、五、七次冻融循环过程。

3.2 实验步骤

首先将制备好的试样两端密封，放入上部控温箱，将控温箱温度设置为5℃，恒温静置24小时，保证在进行冻结试验时，土样从上至下单向冻结，同时使试样内部水分更均匀。然后将试样放入隔温层内的通道，将试样上端仍然保持密封，防止蒸发，并将下端密封盖取下，供给取样点当地的地下水。试样安装完毕后，冻结时将上部控温箱温度设定为-15℃，下部控温箱温度设定为5℃，保证试样从上至下单向恒温冻结，冻结时间为48小时；融化时将上部控温箱温度设定为5℃，下部控温箱温度仍设定为5℃不变，保证试样从上至下单向恒温融化，融化时间为24小时，一次冻融循环时间一共72小时。本次试验的五个试样分别经历一次冻结过程和一、三、五、七次冻融循环过程，每个试样在试验结束后立即取出分割成厚度为2 cm的土样切片，用来测定含水率和易溶盐含量。

4.试验结果分析

在冻融循环之后，特别是在7次冻融循环之后，在约14cm的深度出现了一层含有更多冰晶的断层。断层的形成是由于冻结初期，冻结锋面从土样顶部不断向下移动，最终稳定在14 cm左右。冻结锋面上部的土壤已冻结，而下部的土壤未冻结。冻结锋面稳定后，下部的水分不断向冻结锋面迁移，导致该位置的含水量和冰含量较大，连续的冰透镜体切割土体，形成断层。

由于盐分的迁移是由水来进行的，因此分析盐分的迁移规律应结合含水量的变化规律。图1和图2分别为在不同冻融循环后试样2、3、4、5内各深度的含水率和易溶性盐总量的变化示意图。从图中可以看出:第一，随着冻融循环次数的增加，土体样品整体的含水率和易溶盐总量增加;第二，每个冻融循环样品在15 cm深度以下的部分都有明显的含水率随深度增加而增加，易溶性盐总量随深度增加而减少的变化规律，在15 cm深度以上，含水率随深度增加的变化相对稳定，易溶性盐总量随深度变化表现出不规律的波动性;第三，每次冻融循环后，在13 cm处都存在一个高含水率区，在13 cm和15 cm处存在易溶性盐含量高浓度区，在3 cm处存在一个易溶性盐含量低浓度区。

图1 不同冻融循环次数土样内各深度含水率变化图

图2 不同冻融循环次数土样内各深度易溶盐总量变化图

以第7次冻融循环后试样5的含水率和易溶盐总量的变化为例，分析水盐迁移规律。从图3可以看出，下部土体样本(12 ~ 20cm)含水率随递增的深度而增加、易溶盐总量随深度增加而降低，原因是冻结锋面稳定在14cm，底部的供应的水不断向冻结锋面处迁移，水分运动引起溶质对流和机械弥散作用，使易溶性盐也向冻结锋面处移动，同时，补水源地的水溶液与土样中液相水溶液的浓度差引起的浓度梯度，使土样中的盐分不断向下部水源移动，发生分子扩散运动。溶质对流、机械弥散和分子扩散共同导致12~20 cm土体样品中易溶盐总量上高下低。水分含量和易溶盐总量为13cm深度达到很高的状态，这是由于冻结锋面稳定后，不断有水分携带着盐分向附近迁移，导致这个位置存在一个高含水率和高盐浓度区。土样中部(4~12 cm)的含水率和易溶盐总量随深度变化不大，基本保持稳定。顶端的土样在3cm处，盐含量明显降低，因为土体样本顶端开始冻结的初期，顶端的水分和盐分供应只能由土体样本本身提供，3cm土层中的盐分迁移到1cm土层中。由于顶端冻结温度较低(-15℃)，冻结锋面向下移动的速度快于水盐向上迁移的速度。顶端的土层冻结得很快。冻结后，顶端土层的未冻水含量很低。此外，低温下盐分溶解度的降低，使得土体样品下部的盐分难以补给到3cm深度。

图3 第七次冻融循环结束后土样含水率与易溶盐总量随深度变化曲线

5.结论

5.1 随着冻融循环次数的增加，土样整体的含水率和易溶盐总量都升高。

5.2 单向冻结作用使水分向顶部冷端方向迁移；单向融化作用会使土样上部正融土的水分向下迁移，底端供给的水分向上迁移。冻结和融化作用都会使土样底端供给的水源向上大量迁移。

5.3 土样在冻结锋面稳定处附近出现一个水分和盐分的聚集带，此位置的含水率和易溶盐总量均高于相邻的上下土层。