硫酸盐渍土在单向升温时的室内融沉试验研究

张卫兵， 刘臻祥， 任亚军， 周鑫磊， 李晓， 雷过

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 银川 750021； 2.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)

在中国西北干旱-半干旱地区分布有大量区域性硫酸盐渍土，硫酸盐渍土在气温降低的过程中，因其所含硫酸钠结晶析出及土壤中的水产生冰晶共同作用下使土体产生一定体积膨胀的现象称为盐冻胀[1]，过量的盐冻胀将引发地基的破坏。

近年来，许多学者针对于硫酸盐渍土的盐冻胀进行了大量试验研究并取得了较为丰富的研究成果。如张莎莎等[2]、丁兆民等[3]的研究表明了影响硫酸盐渍土盐胀的主要因素是含盐量和含水率。基于单次降温条件，张卫兵等[4]研究了压实度、含盐量、含水率对盐冻胀率的影响；张莎莎等[5]分析了盐渍土变形量随时间的变化特点和影响机理。文桃等[6]、李炎等[7]、王景辉等[8]研究了冻融循环次数对硫酸盐渍土盐冻胀的影响。

硫酸盐渍土产生盐冻胀后在升温过程中会出现融沉现象，体积减小，从而造成地基的二次破坏。王景辉等[8]研究了在单向冻结条件下的硫酸盐渍土融沉特性。梁波等[9]研究得出冻融次数是总融沉量的主要影响因素并分析了其与融沉系数的关系。此外，许多学者的研究表明，含水率也是影响融沉的主要因素[10-12]。徐明忻等[13]的研究得出在封闭系统下融沉系数与融化温度呈先增大后减小的二次函数关系。

综上所述，结合近年来国内外研究学者对硫酸盐渍土的研究，发现大多是对单次降温[4-5]、冻融[6-8, 14-15]、干湿循环[16]条件下的溶陷、盐胀、土体强度等的研究，而对在单向升温条件下硫酸盐渍土融沉特性方面的研究尚且不足。且以往研究多进行定性分析融沉的特性及影响因素，而对硫酸盐渍土融沉的定量预测有待补充。因此，以宁夏吴忠红寺堡地区的硫酸盐渍土为研究对象，探究在单向升温条件下不同含盐量和含水率对硫酸盐渍土融沉特性的影响规律，进而建立硫酸盐渍土融沉率的定量预测模型，进一步为硫酸盐渍土融沉变形的精确预测提供理论基础。

1 试验材料

试验所用土样取自宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区，该地区地处宁夏中部干旱带，年平均降雨量不到300 mm，且蒸发量较大，在此气候条件的影响下，土壤盐渍化十分严重。将所取原状土样进行筛分，作出土颗粒级配曲线如图1所示，由曲线图可知，试验用原状土的不均匀系数Cu=5.045、曲率系数Cc=1.95，根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)判定该试验用土属于良好级配砂土。

图1 试验用土颗粒级配曲线Fig.1 Particle gradation curve of the test soil

试验用土的易溶盐含量如表1所示，根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)中对盐渍土的分类标准，该土样属于中亚硫酸盐渍土。通过击实试验，得到试验用土的最大干密度ρd,max=1.65 g/cm3，最优含水率wop=17.64%。

表1 原状土易溶盐离子含量Table 1 Content of soluble salt ions in the original soil

2 试验方案

2.1 试验仪器设备及变温方案

使用GDJS-225型高低温交变湿热试验箱(控温范围-40～150 ℃)模拟温度变化，依据宁夏地区气候条件，同时考虑所设温度能使得试样土样充分盐胀，设置试验温度区间为-24～24 ℃。变温过程为：经过24 h由室温降温至-24 ℃，保持-24 ℃冻结24 h使土样完全冻结，最后经过24 h升温至24 ℃，试验时间为72 h。进行冻胀融沉试验的仪器内径为100 mm，土样高250 mm，使用YHD-20型位移计测量采集土柱高度变化，从试样顶部开始每隔60 mm设立土壤温度传感器测量土体内部温度数据，同时在土样外部设立温度传感器测量环境温度变化。为实现单向升温的试验条件，将试验仪器周围及底部包裹上保温材料，使得土样仅能从顶部向底部升温，试验仪器实物如图2所示。融沉试验阶段土样内部不同位置处温度及土体外部温度随试验时间变化情况如图3所示。从图3所示的温度变化来看，土体内部温度和土体外部温度存在明显差异，同一时间土体内部不同位置处也存在一定的差异，越靠近土体底部温度越低，随着试验时间的增加，土体内部和外部温差在逐渐减小。

图2 仪器实物图Fig.2 Physical diagram of the instrument

图3 不同位置处温度随时间变化情况Fig.3 Temperature variation with time at different locations

2.2 融沉试验方案

用蒸馏水将原状土进行充分洗盐、风干、过2 mm筛，采用干法配置试验土样。设置土样含水率(w)分别为15%、17%、19%和21%，含盐量(s)分别设置为0、1%、2%、3%和5%，将各组试样所需硫酸钠充分溶解于适量蒸馏水中，与适量干土拌和均匀，并密封闷料24 h以保证土中水分布均匀。将闷料后的土样装入试验装置桶内，分三层压实，考虑人工压实条件，设置试验土样压实度为90%(以90%压实度和试样桶体积计算所需土样质量，每次压实时将确定质量的土样锤击至桶内壁刻度尺1/3处，刨毛后进行第二层压实，以此类推，完成土样装填后，其压实度为90%)。以此试验探究单向升温条件下含水率、含盐量对硫酸盐渍土体融沉特性的影响规律，每组试验做1组平行试验(对于两组试验结果差距较大的工况进行重做以保证试验数据的可靠性)，共做40组。

3 试验结果与分析

测量经历48 h冻结后的土样在升温过程中的融沉量，为方便分析试验结果，定义融沉率为融沉量与土柱初始高度的比值，其表达式为

(1)

式(1)中：η为融沉率；δ为融沉量；h为试样土柱高度，h=250 mm。

3.1 环境温度变化对融沉的影响

环境温度的变化会对硫酸盐渍土的融沉产生较大影响。相同压实度，不同含水量条件下融沉率与环境温度间的变化关系如图4所示。

图4 不同含水率条件下含盐量随温度变化对融沉量的影响Fig.4 Effect of salt content with temperature on the amount of melt and sink under different water content conditions

由图4可以看出，硫酸盐渍土的融沉率随着环境温度的上升呈现出由缓慢到快速上升的变化过程。在升温初期(-24～5 ℃)，土体的融沉率很小，均低于0.15%。这是由于单向升温试验条件，土体内部不同位置处温度和土体外部温度存在较大的延迟现象，如图3所示，升温初期土体内部的温度显著低于外部温度，最大温差可达到19.7 ℃，此时土体内部仍处于负温阶段，因而土中水和盐大部分还是以晶体状态填充着土壤孔隙，只有靠近试样顶端的少部分盐溶解造成融沉，因此，在升温初期土样的融沉率较小且增长缓慢；升温中期(5～20 ℃)，土样内部温度和环境温度差值减小，随着温度上升未冻水含量不断增加，在含水量和温度上升的双重影响下，硫酸钠开始快速溶解。土中的孔隙由于没有盐晶和冰晶的支承，在重力的作用发生下沉；升温后期(20～24 ℃)，此时低含盐量土体内部的硫酸盐完全溶解于水中，融沉量也趋于稳定，而高含盐量土体因温度尚且较低，硫酸钠的溶解程度不高，因而呈现出继续缓慢增加的趋势。

由图4(a)、图4(b)还可看出，在含水率小于最优含水率时(15%和17%)，2%含盐量的土体融沉率在环境温度为20 ℃时达到最大，分别为0.75%和0.92%。究其原因，当含盐量高于2%时，温度升高后土中的未冻水含量不足以溶解硫酸钠晶体使得一部分的结晶硫酸钠仍填充着孔隙并起着一定的支承作用；含盐量低于2%时，在冻胀过程中，土样的盐冻胀量较小，而冻胀和融沉往往具有正相关联性[17]，因此融沉量也比较小。而当含水率大于最优含水率时(19%和21%)，如图4(c)、图4(d)，融沉率最高的是含盐量为5%的土样，此时环境温度为24 ℃。这是因为在含水量较高的情况下，在升温的过程中硫酸钠晶体的溶解程度也在增加，因此，在高于最优含水率时融沉率随着含盐量的增加而增大。此外，随着含水量的逐渐增大，含有硫酸钠土样的融沉率均呈现随着含盐量的增加而增大，而不含盐的土样随含水率的增加其融沉率略有增大，这是由于在没有硫酸盐的情况下，土体的冻胀量均是由水结晶成冰产生体积膨胀造成，故而在温度升高的过程中土体下沉量会随着含水率的升高有所增大。

3.2 含盐量对最大融沉率的影响

含盐量是影响硫酸盐渍土盐冻胀的主要因素之一，而融沉与盐冻胀也有着密切的关联[17]。图5展示了不同含盐量、含水率时硫酸盐渍土的最大融沉率。

图5 不同含盐量下的最大融沉率Fig.5 Maximum melting and sinking rates at different salt contents

融沉率的大小取决于冻胀量的大小，而冻胀量是由盐结晶和水结晶成冰造成的体积膨胀叠加而成。从图5可以看出，随着含盐量的增大，土体的最大融沉率总体呈现出增大的变化趋势。以含盐量2%为界，当含盐量低于2%时，融沉率随着含盐量的增大近似呈线性增大的变化趋势，且上升速率较快，说明含盐量较低(<2%)时硫酸钠含量是影响融沉率的主要因素。当含盐量大于2%后，随着含盐量的增长，高含水率(高于最优含水率)继续缓慢增加，而低含水率(低于最优含水率)开始下降并趋于稳定。究其原因，含水率较高时，硫酸钠溶液吸水结晶为十水硫酸钠时体积扩大3.18倍[18]，土体盐冻胀量会随着含水率的增大而增大，在升温过程中，相对而言土中有充足的水溶解硫酸盐晶体，土体没有了盐晶的支撑便会在重力的作用下下沉，因而在表现为融沉率随着含水率的增大而增大；当含水率较低时，在环境温度较低的情况下，土壤中的未冻水含量较少，其溶解硫酸钠晶体的能力较小，使得部分硫酸钠在土壤孔隙中继续充当土颗粒并起支承作用，含盐量越大时，起到该做用的盐晶越多，因此最大融沉率出现低含盐量增加，而高含盐量降低的现象。而当含盐量为5%时，由于其盐胀量较大，导致土壤结构相较于含盐量为3%时更为疏松，在升温过程中随着部分盐晶的溶解，破坏了土壤原有的支承结构，使得土颗粒下沉，因此出现了最大融沉率小幅增大的现象。

3.3 硫酸盐渍土的融沉率计算公式的建立

由前文可知，含盐量和含水率对硫酸盐渍土融沉率的影响各有不同，为了定量地分析硫酸盐渍土融沉率和含盐量、含水率之间的关系，将含盐量和含水率与融沉率分别进行线性和二次多项式拟合，结果如表2所示。从表2可以看出，当含盐量在0～5%变化时，其与融沉率之间的定量关系接近于开口向下的二次抛物线关系，而含水率与融沉率之间更接近于线性关系。

表2 融沉率拟合结果比较Table 2 Comparison of the fitting results of the melting and sinking rate

含盐量和含水率共同影响最大融沉率，基于拟合结果，构建最大融沉率预测计算模型为

ηmax=af(s)+bf(w)+c

(2)

式(2)中：f(s)为含盐量函数；f(w)为含水率函数；a、b、c为计算系数。

将各工况下最大融沉率实测值代入式(2)，使用全局优化法计算得

ηmax=-0.735+0.889f(s)+0.673f(w)

(3)

将表2中所得关于不同含盐量、含水率计算最大融沉率计算式代入式(3)得

ηmax=-0.698+0.343s-0.04s2+0.056w

(4)

将各工况含盐量和含水率数值代入式(4)得到硫酸盐渍土最大融沉率预测值，并与实测值进行比较，比较结果如图6所示，由图6可以看出，各试验组别的实测值和计算值相关性很高，因此该计算式可以用来计算硫酸盐渍土的最大融沉率，其对预测和评价硫酸盐渍土的融沉具有一定的参考价值。

图6 最大融沉率计算值和实测值对比Fig.6 Comparison of calculated and measured values of maximum melting and sinking rate

4 结论

通过对宁夏地区硫酸盐渍土在单向升温条件下的室内融沉试验研究，得出如下主要结论。

(1)冻结完成后的试样土体在融沉时可根据环境温度的不同分为三个阶段：升温初期(-24～5 ℃)，融沉率增长较为缓慢，且最大不超过0.15%；升温中期(5～20 ℃)，土体融沉率增长速率显著，最大增长幅度接近671.16%；升温后期(20～24 ℃)，在含盐量较低时融沉率基本达到稳定，含盐量较高时增长幅度渐缓。

(2)受含水率的影响，随含盐量的增加，达到融沉率最大值时的温度有所滞后。含水率低于最优含水率时，2%含盐量土样在升温中期时融沉率达到最大；高于最优含水率时，5%含盐量土样的融沉率在升温后期达到最大。

(3)含盐量较低(<2%)时，土体的融沉率呈现随着含盐量的增大而快速增长的趋势；含盐量较高(>2%)时，土体因含水率的高低呈现两种不同的变化趋势：随着含盐量的继续增加，低含水率(小于最优含水率)土体融沉率开始出现下降并趋向于稳定的变化趋势，而高含水率(大于最优含水率)的土体融沉率继续缓慢增加。

(4)含盐量与融沉率之间的定量关系近似呈二次抛物线关系，而含水率与融沉率之间更接近与线性关系。通过建立的硫酸盐渍土最大融沉率预测计算式所得的计算值和实测值有较高的相关性，对预测和评价硫酸盐渍土地区地基的融沉具有一定的参考价值。