盐渍土盐胀特性与水热状态变化特征试验研究

黄雪峰，张沛然，杨校辉，刘自龙，朱中华(.兰州理工大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050； 2.解放军后勤工程学院 土木工程系, 重庆 403)

盐渍土盐胀特性与水热状态变化特征试验研究

黄雪峰1,2，张沛然1，杨校辉1，刘自龙1，朱中华1
(1.兰州理工大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050； 2.解放军后勤工程学院 土木工程系, 重庆 401311)

为了研究外界自然条件下的盐渍土盐胀特性与水热传递变化特征，进行了含盐量和干密度单向控制下的室内膨胀变形试验和为期一年的地基变形、地温和含水率综合监测现场试验。结果表明：盐渍土地基温度传递呈现正弦波式的周期性变化，自然环境温度对地基土体的有效影响深度为1.8 m，在0.8 m附近存在正负温度的过渡交界面；盐渍土地基水分迁移的基本动力来自于土层温度场的变化，距离地表0.6 m以上土体的含水率随温度变化的幅值最大；盐胀变形的主要分布区在地层1 m以上深度范围内，盐渍土盐胀变形主要受温度、分水、含盐量和干密度影响，盐胀变形快速发展的温度区间为10℃～-5℃，严寒期盐胀变形发展受毛细水的冻结影响而减缓，含盐量在2%以上的盐渍土对于温度变化的敏感性增强，盐胀增长趋势更为突出，盐渍土盐胀变形快速发展所需的降温幅值随干密度增大而减小。

盐渍土；盐胀；温度；含水率；变形

在公路工程界，通常把地表1 m以内易溶盐含量大于0.3%的土称为盐渍土[1]。盐渍土是一种对温度十分敏感且存在硫酸盐相变特性的地质体，当盐渍土发生相变时，如土中盐类遇水溶解后，就会影响土的物理力学性质，其强度随颗粒组成、含盐量、含盐类型、含水率、气候及环境条件等的变化而变化[2]。为全面认识盐渍土的盐胀特性，国内学者对盐渍土的盐胀机理进行了深入研究，其中高江平、王永刚[3]指出盐胀机理的研究主要是从土壤的微观结构和介质的运移角度来进行的，而介质运移规律的探索是深入研究盐渍土盐胀机理的根本途径。张莎莎等[4]通过室内大尺寸多次冻胀循环盐胀模型试验研究表明：冻融循环次数的增加会使粗颗粒盐渍土大颗粒骨架塌陷破坏及一维土柱体从上而下表现出热筛效应。李哲等[5]的室内盐渍土冻融循环试验结果表明，在负温下随着温度的升高盐胀量逐渐增大，当达到0℃后，盐胀量随温度的上升而开始回落。柴寿喜等[6]认为受蒸发和降水影响，地下水位以上土的盐渍土敏感深度为1 m左右,气候条件对土盐渍化的影响主要体现在热和水两方面。董晓明等[7]通过室内冻融循环试验研究表明硫酸盐渍土的盐胀变形与含水量及温度有重要的关系。赵德安等[8]研究了南疆铁路重塑盐渍土及改良盐渍土在一定环境下的水分迁移规律和盐分迁移现象。李炎等[9]对罗布泊天然亚硫酸盐渍土土体温度变化规律及盐冻胀特性进行了研究，结果表明在模拟该地区自然降温与升温过程中亚硫酸盐渍土温度变化随时间呈抛物线变化规律。欧阳斌强等[10]研究认为土体水分蒸发不同于纯水，具有非常复杂的过程，涉及到热—湿耦合条件下水分在非均质多孔介质中的迁移问题。吴道勇等[11]采用青藏高原粉质黏土进行了不同含盐量的模型试验，试验结果表明温度、水分、盐分以及土体变形是一个相互耦合的过程。

上述对于盐渍土的水热传递规律、盐分运移规律和盐胀变形的研究主要是基于模拟外界自然气候温度变化的室内试验，然而受室内试验条件的局限性影响，往往忽视了自然条件的诸多不确定因素，如自然降水、蒸发作用等，因此为全面认识盐渍土水热传递规律和盐胀特性，本文在宁夏扶贫扬黄灌溉工程病害严重地段进行了盐渍土含盐成分试验分析，地基变形、地温和含水率综合监测的现场试验以及盐渍土在不同含盐量、不同温度条件下的单向膨胀变形对比试验，所得研究成果对该地区的工程建设和盐渍土理论研究具有指导和参考价值。

1 室内盐渍土单向膨胀变形试验研究

1.1 试验方案设计及设备仪器

本试验结合宁夏南部气候条件特点，进行模拟该地区自然降温过程的室内试验，研究在单向降温过程中干密度、含盐量对本地区盐渍土盐胀变形的影响规律。共制备24个不同工况的土样，依据含盐量水平不同分为6组，其含盐量水平分别为0.5%、1%、2%、4%、6%、8%。每组含盐量水平相同情况下，按初始干密度水平不同分别制4个土样，分别为1.58 g/cm3、1.70 g/cm3、1.83 g/cm3、1.95 g/cm3。对24个不同工况的土样进行控制初始含盐量和干密度的室内单向膨胀变形试验。

不同含盐量土样的具体调配试验工序如下：

(1) 依据《土工试验规程》[12](SL 237-1999)对采集的天然土样进行标准化洗盐。在盛有蒸馏水的器皿中倒入一定质量的天然土样，使用搅拌工具对其进行反复滤洗。滤洗进行中，采用氯化钡溶液试管检测方法判断土样所含盐分的滤洗程度，合格标准为：在滴有氯化钡溶液的试管中加入滤洗溶液后无白色沉淀物产生，此时滤洗作业即可完成。

(2) 将滤洗后的土样进行自然脱水沉淀，并放入试验烘箱内进行烘干处理、待烘干完成，依次进行过筛、碾碎工序、其中所选用筛径为2 mm。

(3) 依据试验所需的土样含盐量，计算称量所需的无水硫酸钠粉末，随之加入到蒸馏水质量已知的喷雾器皿中，并振荡喷雾器皿，以配制均匀的硫酸钠溶液。对喷雾器皿进行压充气体，使硫酸钠溶液以气雾相态均匀渗入到一定质量的干土中，并根据含水率10%对土样进行差额水分补充。最终分别配制得到含盐量为0.5%、1%、2%、4%、6%、8%的试验土料。为保证盐分、水分渗透均匀，需对配好的土料进行密封养护处理。

为了创造降温过程中土样所需的单向一维温度场，在试验所用内径15 cm，高60 cm的钢桶外围包有一定厚度的保温材料，防止试验过程中钢桶内环境与外界发生热量流通，以此有效控制降温过程中土样同一水平面上的温度一致[13]。在试验钢桶的内壁表面上涂有凡士林，消除试验过程中由于土样膨胀变形挤压钢桶桶壁，并由此二者之间所产生的摩擦作用。将已养生好的土料在自然环境温度为30℃条件下，均分8次装入钢桶内，并单向击实到所设计的干密度。将试验仪器轻放入温控箱中，土样的顶端安置百分表，采用百分表进行盐胀量监测与读数，并以此推算每一个工况下的盐渍土盐胀变形量。单向降温过程为：降温从顶端温度30℃到底端温度最低-15℃，每间隔5℃为一个降温台阶。

1.2 试样含水率、盐分及酸碱度试验分析结果

1.3 单向膨胀变形试验结果与分析

1.3.1 温度对盐渍土盐胀变形的影响与分析

从图1～图4，可以看出，各个工况试样的盐胀变形均随温度的降低出现了增长趋势，且干密度越大，增长的速率和变形量越大，其原因在于土中硫酸钠溶液随着试样温度的降低产生了吸水结晶，硫酸钠溶液吸收10个水分子结晶析出硫酸钠晶体，其体积增大3.1倍，在土中孔隙被结晶体充满时，土粒间的黏聚力不足以抵抗较大膨胀力，引起土体粒间错动，进而在整个试样上表现为土体的膨胀变形。

图1 干密度1.58 g/cm3单次降温盐胀过程曲线

图2 干密度1.70 g/cm3单次降温盐胀过程曲线

图3 干密度1.83 g/cm3单次降温盐胀过程曲线

图4 干密度1.95 g/cm3单次降温盐胀过程曲线

从盐胀曲线可以看出，盐渍土盐胀变形的最优温度范围为15℃～-5℃，在15℃以上，盐渍土盐胀变形发展速率缓慢，-5℃以下盐渍土盐胀变形趋于稳定，其原因可以理解为在15℃以上时，试样中所形成的温度梯度较小，水分迁移过程比较平缓，进而可用于硫酸钠溶液结晶的水分量较少，生成的少量结晶体主要用于填充土粒间孔隙，而在-5℃以下时，一是土粒间可吸水结晶的硫酸钠溶液浓度降低，减缓了吸水结晶的发展速率，二是土体中的毛细水因为温度降低而变成冰晶，封闭了毛细通道，减缓了水的迁移速度，进而影响了硫酸钠溶液吸水结晶，因此综合表现为盐胀变形速率减缓。

1.3.2 干密度对盐渍土盐胀变形的影响与分析

通过盐胀曲线的对比分析，在水分、温度及含盐量相同的情况下，盐胀变形量随干密度的增大得以抬升，就干密度1.58 g/cm3和1.95 g/cm3的试样而言，在含盐量为8%的情况下，盐胀变形增量与干密度增量的比值在2.13左右，充分说明了干密度对于盐胀变形的促进作用。同时，试样盐胀变形快速增长的起始温度点随着干密度的增大而不断升高，说明干密度越大，盐渍土进入盐胀变形快速发展所需的降温幅值就越小。其机理在于：土粒间的接触随着干密度的增大而更加紧密，土粒间距变小，土体孔隙度降低。当温度降低时，所需填充土粒间孔隙的硫酸钠晶体数减少，则大量的结晶体扩张了土颗粒间距，土粒承受的膨胀力大幅度增大，进而对土体结构的损伤更为严重，宏观上表现为土体膨胀变形发展速度的加快和变形量的增大。

2 地基变形、地温和含水率综合监测的现场试验

2.1 现场试验方案

本次现场盐渍土盐胀变形规律研究试验在当地地表日平均气温高于10℃的5月至次年5月间进行。根据含盐量检测结果，选择一块直径为5 m的试验坑，坑内4.5 m深度范围内的土经挖松，拌匀处理，坑内埋设含水率、温度传感器各10套，竖向位移观测点20个，埋设深度分别为：0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.4 m、3.6 m和4.5 m，在含水率、温度传感器布置层安置1个竖向位移观测点，在0.2 m和0.4 m深度处安置两个竖向位移观测点。传感器、采集箱与无线传输模块相连接，以实现自动化网络采集试验数据。现场竖向位移观测用水准仪每隔四天测量一次。

2.2 现场盐渍土盐胀变形试验结果与分析

2.2.1 土层温度传递规律

从图5、图6可以看出，自试验设备埋设完成的5月起，试验坑内不同土层深度温度随外界气候环境温度变化呈现正弦波式的周期性变化，随着深度的增加各土层的温度振幅和相位减小，由此可以认为温度在土层中沿深度方向传播时，由于土体热阻影响，其传播速度和热量不断衰减，表现为土层温度变化滞后于外界环境温度变化。土层深度越浅，其受外界环境温度影响的程度越大，当土层深度在1.8 m以下时，土层间温度变化差值较小，而1.8 m以上土层温度受外界温度影响较大，特别对于浅层地表而言，更出现了温度的反复高低循环，其温度曲线形状如“S”型，说明1.8 m以上土层对于外界环境温度变化的响应更加积极。文献[2]认为浅层土体的热效应变化剧烈，温差幅值随着深度的下降而不断减小，即土体中热效应的变化也随之减弱。

图5 现场盐胀试验温度变化时程曲线

试坑地基土体在不同气候温度时段内分别形成了不同的温度梯度，大致以15℃为温度节点，当温度高于15℃时，土层温度沿深度方向降低，而当外界温度低于15℃时，则呈现反态，建议把15℃作为该地区盐渍土土层温度传递状态变异临界温度值。同时在试坑土层中存在正负温度过渡交界面，大致在土层深度0.8 m处，在该地区的地基处理时，应在正负温度交界面处设置隔热层，以阻止由于正负温度差值而形成温度梯度，控制盐渍土盐胀变形发展。

图6 降温阶段土层温度沿深度变化过程曲线

2.2.2 土层水分传递规律

从图7、图8可以看出，土体含水率分布基本随土层深度增加而增大。在整个监测过程中浅层土体的含水率随温度变化的幅值最大，特别是对于0.4 m以上土层而言，含水率波动幅值高达10%左右，原因在于当地气候干燥，水分蒸发作用强烈，地表浅层土层受外界气候和温度的影响更为严重。结合土体温度变化规律，分析认为当浅层土体温度降至12℃以下时，受温度分布的影响，在土体中存在较大温差的温度场，从而在温度梯度的作用下引起水分沿毛细通道向冷端迁移，并且地基土体中所形成的温度梯度越大，水分迁移速度越大，表现为该阶段盐渍土盐胀变形的快速发展。

图7 现场盐胀试验水分变化时程曲线

在次年2月中下旬起，含水率增大的位置略有下降，可以解释为：寒季表层土体受外界温度的影响冻结后，在冻结封面处的孔隙水压力为负值，而地下水位处的孔隙水压力为零，由此产生压力梯度，把下层的水源不断的吸入到上层土体，当外界温度逐渐回升，而土体表层温度仍处于负值，并且负温区有所扩大，未冻结水分将不断向冷端迁移，此时，在地基的封闭系统中的递补水分不断向上迁移而没有得到及时的补给。

图8 降温阶段不同土层水分沿温度变化过程曲线

各土层水分传递变化滞后于相应土层温度的变化，但总体而言，水分变化规律与温度变化规律有较好的对应关系，说明水分迁移的基本动力来自于土层温度场的变化，而水分又是盐渍土产生盐胀的必要条件，由此可以认为，温度是盐渍土盐胀变形的决定性因素。

2.2.3 竖向盐胀变形结果与分析

从图9可看出，在监测试验初期，试坑地基土体出现了明显的沉降变形，原因在于7月、8月为该地区雨季期，降雨所形成的地表水向土层内部渗流，对地基土体产生了拖曳作用，同时浸水后，盐渍土的土层结构遭到破坏，其强度降低[15]，加上上层土体的自重作用，致使地基总体下沉，地基变形值为负值，经过一段时间后土体逐步压密，在自身重力影响下的下沉量逐渐减小到零。

图9 现场盐胀试验不同土层盐胀量变化时程曲线

盐胀变形发育的最佳时期为11月初至次年2月间，当浅层土体温度在10℃～-5℃之间时，土体盐胀变形最为活跃。试坑地基土体盐胀变形主要分布在地层1 m以上深度范围内，盐胀变形量随深度的增加而减小，深度低于1.8 m的地基土层中盐胀量不明显。由温度场分布可以分析其原因，当土层深度低于1.8 m时，土层的温度区间相对比较稳定，即温度在各土层间的分布差值较小，因此在较小的温度梯度下，水分迁移的速度较为低稳，从而表现为深层土体盐胀变形的增长量比较小。

次年气候温度回升初期，该地区盐渍土表现出其特有的变形特性，即短时间内盐胀继续发展和土体回落沉降交织存在。其中土体盐胀量出现短暂的增长趋势。原因在于，土层温度的回升引起毛细通道内冰晶体融化，毛细水再次开始了迁移运动，催生了二次盐胀变形，这也应证了此阶段土体分水缓慢减少的变化情况；与此同时，地基土体出现明显的沉降变形，其机理主要在于盐渍土经过盐胀变形，土体结构遭到膨胀力破坏、土粒间距增大、土体粒间胶结程度降低，土体内部结构遭到破坏，引发土体的黏聚力降低[16]，地基土体承载力下降，当自然温度回升时结晶体重新释放结晶水，土粒组成的骨架因失去结晶体而形成空隙，土体孔隙度增加，土粒间作用力(如摩擦力及黏聚力)随着大颗粒骨架结构破坏而损失，同时细小颗粒在自重力作用下回落填充于大颗粒间，即存在文献[4]所提出的“热筛效应”，最终，地基土体经过盐胀作用产生了残余变形，可以认定的是残余变形是盐胀变形在周期时间内的积累。盐胀变形量的变化总体迟缓于不同土层深度的温度变化。

3 结 论

(1) 现场盐渍土盐胀变形试验表明，不同土层深度温度随外界气候环境温度变化呈现正弦波式的周期性变化，其传播速度和热量不断衰减；浅层土体对于外界环境温度变化的响应积极；可把15℃作为盐渍土土层温度传递状态变异临界温度值；在土层深度0.8 m附近存在正负温度过渡交界面，地基处理中，可在0.8 m深度范围处设置隔热层，控制盐胀变形的发展。

(2) 距离地表0.6 m以上土体的含水率随温度变化的幅值最大；各土层水分传递变化滞后于相应土层温度的变化，但水分变化规律与温度变化规律有较好的对应关系，说明水分迁移的基本动力来自于土层温度场的变化。

(3) 地基土体盐胀变形主要分布在地层1 m以上深度范围内，盐胀变形快速发展的温度区间为10℃～-5℃；气候温度回升初期阶段，盐渍土表现出短时间内盐胀继续发展和土体回落沉降交织存在的变形特性；地基土体在周期时间内经过盐胀作用产生了残余变形。

(4) 单向膨胀变形试验表明，盐胀变形量随干密度的增大得以抬升，盐渍土进入盐胀变形快速发展所需的降温幅值随干密度增大而减小；盐胀变形随试样含盐量增加而增大，含盐量在2%以上的盐渍土对于温度变化的敏感性增强，盐胀增长的趋势更为突出，建议将2%作为该地区盐渍土盐胀变形快速发展的起始含盐量值。

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Experimental Research on Salt Expansion Law of Saline Soil and the Change Characteristics Under Different Water Thermal Conditions

HUANG Xuefeng1,2， ZHANG Peiran1， YANG Xiaohui1， LIU Zilong1， ZHU Zhonghua1

(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China;2.DepartmentofArchitecturalEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

In order to acquire the salt expansion law of saline soil and the change characteristics under different water thermal conditions，the test of expansive deformation under uniaxial control of salt content and dry density and the field test of ground deformation, ground temperature and water content for one year were carried out. The results show that the periodic change of the saline soil temperature appears a sine wave form and the effective influence depth of natural environment temperature on foundation soil is 1.8 m, there is a transition interface between positive and negative temperatures in the depth of 0.8 m; the basic impetus of moisture migration of saline soil comes from the changes of soil temperature. Soil moisture less than 0.6m depth has the maximum change amplitude; salt-expansion deformation mainly occurs in the depth of 1 meter soil layer, the deformation of salty soil is mainly affected by temperature, water, salt and dry density. The temperature range of rapid development of salt expansion deformation is 10℃～-5℃, the development of salt expansion in freezing period is affected by the freezing capillary water. The sensitivity of saline soil with salt content more than 2% was enhanced and the trend of salt expansion was more prominent, the cooling amplitude required for the rapid development of salt deformation decreases with the increase of dry density.Keywords: saline soil; salt expansion; temperature; moisture content; deformations

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.036

2016-08-26

黄雪峰(1960—)，男，甘肃兰州人，博士，教授，高级工程师，主要从事湿陷性黄土地基处理、桩基工程等方面的设计和研究。 E-mail：hxfen60@163.com

张沛然(1991—)，男，陕西咸阳人，硕士研究生，研究方向为特殊土与非饱和土。 E-mail：zhangpr91@163.com

TU448

A

1672—1144(2016)06—0184—06