冻融循环条件下重塑硫酸盐渍土变形试验研究

黄佑芬， 吴道勇，2， 吴诗雨

（1.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州贵阳550025； 2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025）

0 引言

盐渍土广泛分布于西北季节冻土区，受气温周期波动的影响，寒区活动层内土体会产生反复的冻结和融化，冻融循环改变了土体的内部结构，宏观上表现为土体位移的变化。盐渍土的冻胀、盐胀是一个复杂的问题，其性质受温度、水分、盐分、土质等多种因素的影响［1-3］，冻融过程中涉及多相之间的转变及土体自身结构的调整。相较于其他类型盐渍土，硫酸盐渍土的盐冻胀破坏最为严重［4］。在极端气候环境条件下，常发生公路、铁路、石油管道等工程变形破坏［5-7］，造成巨大经济损失，甚至引发严重的安全问题。因此，开展硫酸盐渍土的冻胀、盐胀研究工作对于保障西北季节冻土区工程建筑物的安全是十分必要的。

许多学者对冻融作用下盐渍土的盐胀性质开展了研究［8-9］，重点开展室内试验，少数学者进行了室外试验［10］。主要涉及以下几个方面的研究：（1）冻融作用下盐渍土中的水盐迁移。徐学祖等［11］通过室内试验研究了水分和盐分在正冻土中的迁移，表明试样体积增大是由于水分的迁移、冻结及盐离子与土颗粒相互作用引起的，但没有阐明水盐迁移的驱动力。随着科学技术的发展，许多高精度传感器被用于研究土体的变形机理［12-13］，发现基质吸力梯度是水盐迁移的驱动力［14］。陈肖柏等［15］发现，降温及蒸发过程中，盐分从暖端向冷端、从湿区向干区迁移、聚集并结晶，是盐胀产生的主要原因。吴道勇等［16］研究了盐分、水分重分布过程对土体变形的影响，发现含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素，含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。（2）冻融作用下土体的变形规律。包卫星等［17］对天然盐渍土进行反复冻融循环试验研究，表明低液限黏土冻融循环过程中盐胀具有较好累加性，其盐胀率与冻融周期之间的关系符合二次抛物线变化规律。肖泽岸等［18］从盐渍土盐胀的影响因素着手，对盐渍土盐胀的变形规律有了较为深入的认识。高江平等［19］、张莎莎等［20］利用回归分析得到多因素盐胀率计算公式。邴慧等［21-22］为了探究硫酸钠盐对土体冻胀的影响，开展了室内开放系统下粉质黏土冻结试验，表明土体变形主要是由冻胀引起，但对于多次反复冻融过程中，参与到土体变形中的盐胀变形及冻胀变形到底有多大，还需进一步研究。也有学者［23-26］基于溶液相图计算了降温过程中晶体的体积变化，提出仅适用于正温时的盐胀计算模型，对于负温下土体的盐胀、冻胀研究还较少［27］。盐渍化土体在冻融循环作用下的变形是一个复杂的水热盐力耦合过程，不同种类的盐分和不同含盐量的土体在冻融循环作用下会表现出不同的变形特性［18］。（3）由于不同盐分的存在，冻融过程中涉及到的冻结温度也发生变化。邴慧等［28］考虑了不同因素对土体冻结温度的影响，表明土体的冻结温度随含盐量的增加而降低，随含水率的增加而增大。Wan 等［29］进一步研究了盐渍土的冻结温度，提出青藏高原粉质黏土冻结温度的一般计算公式。

上述研究成果为正确认识盐渍土水盐迁移、变形特性奠定了良好的基础，为盐渍土地区工程建设提供了理论依据。但硫酸盐渍土中存在多种稳定和亚稳定晶型，导致冻融循环等特殊的温湿环境条件下其变形破坏机理尚不十分明确。而针对冻融土体内部孔隙水压力的试验测试，相关研究较少［30］。针对这些问题，本文开展不同含盐量硫酸盐渍土的多次冻融循环试验，探究冻融过程中盐胀和冻胀对土体变形的贡献，分析冻融过程中温度、水分、盐分等量与土体变形的关系，阐明冻融过程中孔隙水压力与基质吸力对土体变形的影响，为进一步认识冻结盐渍土变形机理提供试验依据。

1 材料与方法

试验土样为采自青海省海南藏族自治州共和县大水桥镇的粉土，根据《土工试验方法标准》［31］进行基本物理力学试验，结果见表1。天然土体中含有大量可溶盐，各离子含量见表2，其中主要阳离子为Na+，主要阴离子为Cl-和SO42-。首先，将天然盐渍土与蒸馏水充分搅拌，待溶液澄清后抽出澄清液体，即完成一次清洗。然后，再加入蒸馏水，反复清洗，直到溶液电导率与蒸馏水接近。此时认为土体中的盐分已清洗干净，降低了多种离子相互作用对试验结果的影响。将去除盐分的土体在105 ℃条件下烘干、碾碎，并过2 mm的筛备用。

表1 土体的基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of the soil

表2 天然盐渍土中各离子含量（单位：mg·L-1）Table 2 Ion contents in the natural saline soil（umit：mg·L-1）

冻融试验装置如图1所示，主要包括冷冻箱（量程为-40～10 ℃）和数据采集装置。分别采用温度传感器（精度为0.01 ℃）、pF-Meter 土壤水势传感器和HC-25微型孔隙水压力传感器测量试验过程中的土体温度、基质吸力和孔隙水压力，采用Hydra ProbeⅡ土壤水分盐分温度三参数传感器测量土柱中未冻水含量（体积含水率）和电导率，位移传感器测量冻融过程中的土柱位移。数据采集系统可以实时记录各测量参数的变化情况。

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

本试验主要研究不同含盐量条件下硫酸盐渍土的变形规律，设置了5组不同含盐量条件，分别为0、1%、2%、3%和4%。天然土体的最优含水率为17%，最大干密度为1.8 g·cm-3，因此试验过程中控制含水率和干密度分别为21%和1.7 g·cm-3，以减小含水率和干密度对试验结果的影响。然后，将5组试样编号为S0、S1、S2、S3 和S4，其中S0 代表0 含盐量，S1代表1%含盐量，以此类推。试验开始前根据设置的试验条件称取对应质量的Na2SO4（纯度≥99%）、蒸馏水和上述去除盐分的土体，将盐加入蒸馏水中充分搅拌完全溶解后加入土中搅拌均匀，然后装入密封袋中静置24 h 以保证土体与盐溶液充分混合，最后分三层装入内径为115 mm、高为98 mm的圆柱形试样筒中。试样制作完成后安装相应传感器（竖直和水平方向尽可能保持居中），并在试样筒周围缠绕保鲜膜减少试验过程中的水分蒸发。准备就绪之后将试样放入冷冻箱内，设置冷冻箱温度为10 ℃，恒温静置12 h左右。待土柱中温度恒定后，设置冷冻箱环境温度为-20 ℃，持续降温12 h，然后在室温下升温12 h，如此反复进行5 次冻融循环。采用传感器持续监测试验过程中土柱的温度、水分、电导率、孔隙水压力、基质吸力以及土体位移等变化情况。

2 试验结果

如前所述，试验过程中测试了土体中温度、位移和未冻水含量等参数的变化过程，结果如图2 所示。由图中可知各参数之间存在良好的相关性，试验开始后试样温度逐渐降低，土体出现小幅沉降变形，当土体温度达到相变温度后，土体中的未冻水含量和溶液电导率迅速减小，而土体位移迅速增大。冻结点附近土体温度保持恒定，当土体中的液态水完全结冰后，土体温度再次降低，但土体位移几乎不变。升温过程中，土体温度逐渐升高，达到融化温度附近其温度几乎不变，当土体中的冰完全转化为液态水后，土体温度再次升高。随着温度的变化过程，未冻水含量、溶液电导率和土体位移均发生相应变化。

图2 S0～S4试样在冻融循环过程中未冻水含量和位移的变化Fig. 2 Variations of unfrozen water content and displacement of soil samples during freeze-thaw cycles：Sample S0（0 salt content）（a），Sample S1（1%salt content）（b），Sample S2（2%salt content）（c），Sample S3（3%salt content）（d）and Sample S4（4%salt content）（e）

为了进一步研究试验过程中土体温度、未冻水含量、电导率和位移的变化规律，本文着重分析S0和S3 的第2 个冻融循环过程。根据各测试参数随土体温度的变化过程（表3），将不含盐土体冻融循环过程中的变形行为分为5 个阶段，含盐土体冻融循环过程分为6个阶段（图3）：

表3 冻融过程中土体在各阶段的温度参数（单位：℃）Table 3 Temperature parameters of soil in each stage during freeze-thaw cycles（unit：℃）

（1）阶段Ⅰ

土体温度从冻融循环最高温度开始下降至盐分相变温度。在这一阶段，由于未达到相变温度，土体S0和S3中均没有冰晶体产生。S3中电导率逐渐增大是由于土体中盐溶液的饱和度随着温度的降低而增大，但未达到晶体析出的临界过饱和比，孔隙中也无盐晶体生成，即使温度持续降低，液态水的含量也保持恒定，因此，此阶段土体产生轻微变形主要由冷收缩造成。

（2）阶段Ⅱ

土体温度继续降低，直至土体冻结温度。在这一阶段，土体温度未达到冻结温度，但土体盐分处于过饱和状态，土体孔隙中1 mol 硫酸钠结合10 mol 水分子析出十水硫酸钠晶体，使得土体变形快速增大，电导率和未冻水含量迅速降低，当土体中的温度达到吸放热平衡时，土体温度保持不变［图3（b）中A 点］。之后，盐结晶导致溶液过饱和比逐渐减小，盐结晶速率减小，液态水的降低幅度变缓，土体变形速率也逐渐减小。因此，此阶段土体变形主要由盐结晶引起。

图3 S0试样与S3试样在第2个冻融循环中位移、未冻水含量和电导率的变化Fig. 3 Variations of displacement，unfrozen water content and conductivity of soil samples in the second freeze-thaw cycle：Sample S0（0 salt content）（a）and Sample S3（3%salt content）（b）

（3）阶段Ⅲ

土体温度从冻结温度下降到冻融循环的最低温度。当土体温度达到冻结温度时，大孔隙中的自由水率先结冰，释放潜热。水分结冰后液态水含量减少，含盐土体中盐分浓度逐渐增大并处于过饱和状态，土体孔隙内盐晶体伴随着冰晶体产生共同析出，土体应变快速增大。最后，当土中的液态水含量很低且硫酸钠溶液未达到饱和时，温度继续降低，试样处于冷冻状态，土体变形也保持基本稳定。

（4）阶段Ⅳ

土体温度从冻融循环过程的最低温度逐渐上升至融化温度。温度升高时，小孔隙中的冰先融化，未冻水含量逐渐增加，但土体仅产生较小的沉降变形。

（5）阶段Ⅴ

土体温度由融化温度继续升高直至晶体完全融化/溶解。此阶段，土体孔隙中冰完全融化，盐晶体逐渐溶解，未冻水含量和电导率恢复至初始值，土体发生明显融沉现象。

（6）阶段Ⅵ

土体温度继续上升。此阶段，未冻水含量和电导率保持不变。随着温度逐渐升高，位移仅小幅度变化，土体变形主要为温度应变。

3 变形机理分析

此外，冻融过程中，温度的变化会导致土体中孔隙压力的变化。孔隙压力的变化受孔隙中未冻水、冰晶体和盐晶体等多种物质及其含量的影响，是引起相变过程中土体变形的重要因素。图4反映冻融过程土体孔隙水压力、位移等变化情况。降温阶段，溶液溶解度逐渐降低，盐溶液结晶，未冻水膜厚度减小导致孔隙水压力减小，土体产生压缩变形；达到冻结温度时，土体中水结冰产生的热量导致系统温度升高，少量冰核融化为水，孔隙水压力轻微上升，土体变形快速增大；然后，由于冰水相变过程中毛细势和吸附势降低而引起孔隙水压力迅速降低［32］，此时，土体中只存在少量吸附于土颗粒表面的束缚水，较大的负孔隙水压力使得土体产生轻微的固结变形。升温阶段，孔隙水压力、位移等量的变化与降温阶段呈现相反过程。随着温度升高，孔隙水压力逐渐增大，土体变形轻微增大；温度刚达到融化温度时，土体中的冰晶体融化为水是一个吸热过程，导致系统温度降低，液态水分子处于过冷状态而结晶，孔隙水压力小幅度减小，位移减小；随着系统温度的升高，大量冰晶融化为水，孔隙水压力急剧增大，土体发生融沉变形；此后，未冻水含量和孔隙水压力趋于稳定，土体不会产生明显的变形。

图4 S1试样（1%含盐量）在第3个冻融循环中孔隙水压力和位移的变化Fig. 4 Variations of pore water pressure and displacement of Sample S1（1%salt content）in the third freeze-thaw cycle

为了进一步明确冻融过程中基质吸力对土体变形的影响，本文以S0 和S2 的第3 个冻融周期（图5）进行分析。基质吸力与未冻水含量的变化呈现相反的过程，与位移变化曲线相似。随着温度的降低和未冻水含量的减少，基质吸力以升高为主；随温度升高，未冻水含量的增加，基质吸力以下降为主。

由上述试验现象可知，结晶相变和未冻水含量变化会引起土壤结构及基质吸力的变化。Bishop［33］提出非饱和土的有效应力公式，为

很多学者［34-35］将饱和正冻土的基质吸力与非饱和土基质吸力进行类比，认为饱和正冻土中冰压力与空气压力具有类似的效果，是冻土中基质吸力产生的主要原因。因此，可将冻结盐渍土的有效应力写为

式中：σ'为粒间有效应力；σ为总应力；ua为孔隙气压力；um为非液相压力；uw为孔隙水压力；χ为有效应力参数，其值取决于液态水饱和度。其中，非液相压力um包括孔隙气压力ua、冰晶体压力ui和盐晶体压力uc。通过上述类比可知，对于冻结盐渍土，（σum）为净法向应力，（um-uw）为基质吸力。

式（2）反映了盐渍土中孔隙水压力和基质吸力对有效应力的贡献。由图4～5可知，冷缩压密阶段，孔隙水压力在较短的时间内首先由正孔隙水压力减小为负孔隙水压力，基质吸力小幅增加，导致有效应力减小，但有效应力方向不变，仍为压应力，最终土体发生压缩变形（图6）。在进一步降温过程中，盐溶液过饱和比达到初始结晶过饱和比时，盐晶体开始析出，基质吸力迅速增大［图5（b）］，有效应力方向发生变化，为拉应力，当超过土体间连接强度后土颗粒被盐晶体推开，导致土体变形逐渐增大；达到冻结温度后，水分开始结冰，冰压力的作用使基质吸力进一步增加，土体变形进一步增大（图6）。反之，升温后基质吸力逐渐减小，孔隙水压力逐渐增大，土体中有效应力增大（压应力），土体变形减小。

图5 S0试样与S2试样在第3个冻融循环中基质吸力和位移的变化Fig. 5 Variations of matrix suction and displacement of soil samples in the third freeze-thaw cycle：Sample S0（0 salt content）（a）and Sample S2（2%salt content）（b）

图6 基质吸力对土体变形的影响示意图Fig. 6 Schematic diagram of influence of matrix suction on soil deformation

根据上述冻融循环过程中盐渍土变形特征，进一步分析冻融过程中引起土体变形的主要因素包括温度、水分和盐分。如图7所示，将土体应变分为温度应变、盐胀、冻胀、融沉、溶陷和残余应变。温度应变为升降温过程引起的变形，与土体的热膨胀系数有关，当土体温度变化量最大时，温度应变达到最大值；由于盐晶体主要在温度达到冻结温度之前产生，则盐胀为冻结温度之前盐晶体析出时产生的应变；冻胀是当土体温度达到冻结温度后，土体内水分结冰产生的应变；升温过程中，融沉为冰晶体融化产生的应变；溶陷为盐晶体溶解产生的应变；残余应变是冻融循环发生后，温度升到初始温度时，土体变形仍未完全恢复的应变，残余应变反映了土体在冻融循环过程中的累计变形效应。因此，应变可表示为

图7 S0试样与S3试样在第3个冻融循环中典型的应变-温度曲线Fig. 7 Typical strain-temperature curves in the third freeze-thaw cycle：Sample S0（0 salt content）（a）and Sample S3（3%salt content）（b）

由于土体盐溶液浓度的不同，土体达到饱和的温度也有所不同。为了进一步分析冻结过程中温度、水分、盐分对土体变形各阶段产生的贡献，以冻结温度为界，不含盐土体应变在冻结之前由温度引起（εT），冻结之后由水结冰和温度共同产生（εiw+εT）；而含盐土体应变在冻结之前由温度和盐结晶引起（εT+εsc），冻结之后由水结冰和温度引起（εiw+εT）。由此，可分别估算不同含盐土体冻融循环过程中各应变量的值。

由图8（a）可知，降温过程中盐胀随含盐量的增大显著增大，低含盐量时土体盐胀变形不显著，变形主要由冻胀引起。随着溶质含量增大，溶液达到饱和的温度逐渐升高，冻结温度之前的盐胀变形曲线明显由缓变陡，盐胀对土体变形的贡献随着溶质含量的增加显著增大。此外，含盐量越高，冻融次数对盐胀的影响越明显，从第一冻融周期到第五冻融周期，含盐量为4%时土体盐胀由23.5 mm·m-1变化为41.7 mm·m-1。而冻结过程中，土体冻胀变形随着含盐量的增加有减小的趋势，且在含盐量为1%处最小，表明含盐量为1%时可以在一定程度上抑制土体的冻胀变形［图8（b）］。

融沉与冻胀的变化趋势基本一致，呈现出随着含盐量增加而减小的趋势［图8（c）］；而溶陷与盐胀的变化趋势较为一致，随着含盐量增大，盐晶体对土体溶陷变形的贡献有增大趋势［图8（d）］。降温与升温过程中由于水结冰与融化、盐结晶与溶解使得土体结构不断调整，随着含盐量的增加，残余应变逐渐增大［图8（e）］。由此可见，高含盐量时温度变化引起水分和盐分相变对土体结构的调整剧烈，严重影响了该区域建筑物的稳定性。

图8 升降温过程中各种土体应变随含盐量的变化Fig. 8 Variations of various soil strains with salt content during warming and cooing：salt expansion（a），frost heave（b），thaw settlement（c），dissolve collapse（d）and residual strain（e）

4 结论

论文研究了冻融循环条件下硫酸盐渍土变形规律，通过温度、未冻水含量、电导率和孔隙水压力及基质吸力的变化过程，对硫酸盐渍土变形机理进行了探讨，得到以下结论：

（1）冻融过程中孔隙水压力和基质吸力的变化受多种因素的共同作用，由于相变点处于非平衡状态，孔隙水压力具有一定程度的波动特征，基质吸力变化显著。类比于非饱和土有效应力表达式，给出了冻结盐渍土的有效应力方程。阐明了冻融过程中孔隙水压力及基质吸力的变化对土体变形过程的影响。

（2）对应于土体温度变化，可将冻融循环中土体变形过程分为六个阶段，并计算了温度应变、盐胀、冻胀、溶陷、融沉和残余应变对总变形的贡献量。发现冻融过程中土体的含盐量较低时，土体应变以冻胀和融沉为主；含盐量较高时，土体应变以盐胀和溶陷为主；含盐量为1%时土体应变最小，表明适当控制含盐量能够有效防止冻融循环对土体的变形破坏作用。