粗粒盐渍土水盐迁移试验研究

王 亚 强， 冉 武 平， 阎 首 名， 邱 永 峰， 毛 永 鑫

( 新疆大学 建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830047 )

0 引 言

随着国家“丝绸之路经济带”的推进，新疆以公路建设为代表的基础设施建设不断加大，加上新疆地区盐渍土分布十分广泛，并且在特殊气候环境影响下，次生盐渍化导致道路结构产生的各类病害现象显著，盐渍土地区路基的病害防治问题引起了国内外学者的高度重视[1]．粗粒土是目前路基结构的主要填料之一，因此明确盐渍土地区粗粒土路基水盐迁移时空分布特性，有针对性地选择填筑材料是控制路基病害的关键所在．

关于水盐迁移的研究主要分为三大类：基于理论研究、基于试验研究和基于数值模拟研究．水分迁移最早是通过描述水位线以上水体迁移的毛细现象开始，也即水气交界面处水的势能梯度引起的．18世纪初，Hauksbee[2]首次提出了毛细现象．20世纪后，Washburn[3]认为不饱和多孔介质中的液体流动遵循普通流体动力学定律，提出了毛细管流方程．不饱和多孔介质中的液体流动必然遵循普通流体动力学定律，Richards[4]用Darcy定律解析了多孔介质中液体的毛细运动，并建立了Richards方程，至此国内外学者全面开展水汽迁移的研究．

水盐迁移的研究始于农业土壤学，法国科学家Darcy最早研究了土壤水分运动过程[5]，得到了渗流速度与水力梯度的关系，并解释了土壤中饱和水分的运动机理．Skopp等[6]和Corwin等[7]通过试验研究构建了水、热、盐迁移规律的运动方程，完善了水盐迁移的基本理论．Swami等[8]利用示踪剂追踪了溶质在黏土基质间砂层中的运动特性，对分层多孔介质中溶质迁移行为进行了研究．Nielsen等[9]通过室内试验推导了水盐迁移的经验公式．Bear等[10]研究了非饱和土的盐分迁移，证明了水盐平衡与温度有关．Nassar等[11]通过封闭土柱试验，验证了水-热-盐耦合下的水盐迁移一维计算模型．在国内，郑冬梅[12]研究了盐渍土在温度梯度作用下的水盐迁移规律，得出温度梯度和湿度梯度是盐渍土在冬季发生水盐积聚的主要驱动力．王卓然[13]通过现场观测，得到了水盐空间变化规律，建立了土壤盐碱化动态变化模型．马博[14]以兰州黄土为研究对象，研究不同条件下非饱和压实黄土的氯盐和硫酸盐毛细迁移特征．王莉杰[15]通过室内人工配制氯盐渍土，对不同含盐量盐渍土进行补水条件下的冻融循环试验，并根据试验结果对盐渍土中水盐迁移特性进行分析研究．丁兆民[16]通过均匀设计法与冻融循环结合，从多个方面分析粗粒盐渍土盐胀及迁移特性，并采用多种改良剂进行盐渍土路基改良试验，研究其力学性能和路用性能，最终结合数值模拟计算，分析盐渍土路基在冻融循环下的力学特性和合理断面形式．温小平等[17]对不同材料的隔断层阻水效果进行数值模拟，分析了不同粒料组成的材料不同压实度、含水量和含盐量对毛细水迁移规律的影响，结果表明砂砾石和卵石作为隔断层材料能有效阻断毛细水作用．吕擎峰等[18]用土柱毛细水上升试验，模拟全开放自然条件下盐渍土的水盐迁移特征，开展了固化土的水盐迁移特性研究，说明固化土具有稳定持水作用以阻滞盐分迁移的特性．

目前对粗粒盐渍土的研究主要集中在盐胀及溶陷特性、冻融剪切和路用性能等方面，对其水分和盐分迁移及时空分布特性研究较少，本文针对新疆地区典型区域的粗粒土，通过开展室内土柱试验，采取两种不同盐分供给形式，重点分析水盐在短期、长期内的迁移规律，并明确盐分的迁移方向和迁移速率，为新疆盐渍土地区道路设计与施工提供一定的理论依据，为后续的水盐迁移理论研究提供参考．

1 试验概况

1.1 试验材料

试验材料取自乌鲁木齐市典型道路路基填料，按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)要求进行筛分，试验结果如表1所示．

由表1可知，原路基填料的主要粒径在5～40 mm，不含粒径小于0.075 mm的细粒成分．因此，为明确不同细粒含量的粗粒土水盐迁移特性，在原路基填料中掺一定含量的细粒土，细粒含量分别为10%、20%和30%，对其余级配进行设计使其连续，如图1所示．

表1 路基土的颗粒组成

1.2 试验模型及仪器

土柱采用内径19.2 cm、外径20 cm的硬PVC管材，高度设计为80 cm，土柱下端用套头封堵；土柱底部每隔2 cm打一个直径为0.5 cm的渗水孔，沿高度方向每隔10 cm设置一组数据采集孔，局部设计如图2所示．

本次数据采集使用NH148-40～80WSY土壤水分、温度、电导率数据采集仪，通过土壤水分FDR方法与土壤电导率交流桥法测量，该采集仪已自动将电导率换算为盐含量．通过验证，常温条件下测试基本稳定，采集仪如图3所示．

2 试验过程

2.1 试验方案

由于氯盐渍土具有吸湿性和保湿性，路基浸水后易软化，并且盐分溶解后使土体孔隙增大、密度减小，降低路基强度和稳定性，导致路面产生病害[19]，因此，本文针对氯盐渍土展开研究．初始含水率控制为5%，接近10%细粒含量土样的最佳含水率；试验温度为25 ℃，压实度控制为94%．选择两种盐分供给：

(1)盐溶液供给源：土柱整体装填素土，素土为不掺配盐分的土样，底座内放置2%的盐溶液，编号为R组．

(2)盐渍土供给源：土柱下部40 cm为干盐土加水法人工配制的盐渍土，上部40 cm为素土，底座内放置纯净水，编号为T组．

试验分组如表2所示．

表2 试验分组

2.2 试验步骤

(1)将3组试验土样烘干，按试验方案中的初始含水率和盐渍土浓度配制素土和盐渍土，密封12 h以使水分和盐分均匀分布在土体中，如图4所示．

(2)采用分层压实法进行装填，每层填筑高度为5 cm，每层击实完需对层间进行拉毛处理，使层间连续．

(3)填筑完成后将土柱顶端密封，模拟路面覆盖效应．

(4)按表2要求分别在底座中加入盐溶液或纯水，如图5所示．

(5)前12 h内每2 h采集一次数据，然后每12 h 采集一次数据，监测时长为25 d．

3 试验结果及分析

3.1 短期水盐迁移规律

为明确短期粗粒土水盐迁移规律，选择12 h 内的实测数据，对于盐溶液供给源情况，试验结果如图6、7所示；对于盐渍土供给源情况，试验结果如图8、9所示．

由图6(a)可知：R-1柱10 cm处的体积含水率在12 h内快速增加，峰值达到54.4%；20 cm和30 cm处的体积含水率也略有增大，不过增幅逐渐减小，说明R-1柱12 h内迁移高度达30 cm．由图6(b)可知：R-2柱的体积含水率在整个土柱高度范围内不断波动，10 cm处的体积含水率峰值为15.3%，70 cm处的体积含水率峰值为12.5%，说明此时水分迁移速率较小，但迁移高度较高．由图6(c)可知：R-3柱的体积含水率变化不大，说明水分几乎未发生迁移．

由图7可知：R-1柱10 cm处的盐浓度峰值为1 037 mg/L，远大于R-2柱和R-3柱的，说明盐分迁移量随水分迁移量的增加而增加，即盐分的运动是随着水分的迁移变化而进行的．并且与水分迁移趋势一致的是：R-1柱的盐分迁移高度也为30 cm；R-2柱70 cm处的盐浓度略有增加，说明盐分迁移到了70 cm处．不同的是R-3柱10 cm 处的盐浓度在4 h和8 h时较大，说明测量值有瞬时的突增．

综上可知，当盐分来源于盐溶液时，短期内随着粗粒土中细粒含量的增加，水分和盐分迁移量逐渐减小，迁移量最大的是细粒含量为10%的土柱，这是由于随着细粒含量不断增加，土体内部孔隙率不断减小．盐分分子主要以水分为载体迁移，随着孔隙率减小，水分迁移受阻愈来愈显著，故而水盐迁移总体下降．且水分和盐分迁移运动规律具有一致性，说明了盐随水走的迁移模式．

由图8(a)可知：T-1柱0～30 cm的体积含水率在2 h内达到100%，而30 cm以上体积含水率几乎没有变化，说明水分迅速向上迁移到30 cm处；且到12 h时含水率无明显差异，说明水分向上与向下迁移量几乎相等，处于稳定状态．由图8(b)可知：T-2柱处于饱和状态的高度较T-1柱低；水分迁移高度达到40 cm，且该处体积含水率波动较大，其峰值为85%．由图8(c)可知：T-3柱在20 cm以下范围内土体处于饱和状态；迁移高度也达到40 cm，但该处体积含水率峰值为29.5%，远小于T-2柱的．

由图9(a)可知：T-1柱10 cm处的盐浓度小于20 cm处的盐浓度，这是10 cm处盐渍土中盐分在浓度梯度作用下向底座中的纯净水中迁移所致．由图9(b)和(c)可知：T-2柱和T-3柱盐分迁移趋势相似，但T-2柱的迁移过程波动较剧烈；T-2柱2 h时20和30 cm处由于试验误差导致了盐浓度明显差异，理应接近整体变化趋势．由图9(a)、(b)和(c)对比可知：T-1柱的盐浓度峰值为3 277 mg/L，T-2柱为3 824 mg/L，T-3柱为5 084 mg/L，说明随着细粒含量的增加，短期内盐分迁移速率逐渐增大．

综上可知，当盐分来源于盐渍土时，随细粒含量的增加，水分迁移量逐渐减少，盐分迁移量增大，土体处于饱和状态的高度逐渐降低，但迁移高度有所增加．此时由于下部土柱中存在大量盐分，短期内具有很大的溶质势，并且随着细粒含量的增加颗粒间的孔隙减小，导致土体基质吸力增大，使水分有较大的迁移动力，水分向上迁移后形成较大的浓度梯度，使盐分在基质吸力和溶质吸力的耦合作用下不断向上迁移，并且随着高度的增大，迁移能逐渐减小，导致高处的体积含水率较小．

3.2 长期水盐迁移规律

为明确长期粗粒土水盐迁移规律，选取每个土柱6、12、18和24 d的盐浓度，分析水盐迁移分布特性．对于盐溶液供给源情况，试验结果如图10(a)、(b)、(c)所示；对于盐渍土供给源情况，试验结果如图10(d)、(e)、(f)所示．

由图10(a)、(b)、(c)可知：当盐分来源于盐溶液时，R-1柱的盐浓度峰值出现在20～30 cm处；R-2柱的盐浓度峰值出现在20 cm处，说明盐分向20～30 cm处进行迁移聚集；R-3柱在整个土柱高度范围内均有盐分迁移；3个土柱盐浓度变化范围分别为0～1 300 mg/L、0～600 mg/L、0～460 mg/L，可说明当细粒含量逐渐增加时，长期盐浓度迁移量逐渐减小．由R-1柱中24 d的盐浓度变化趋势可知盐浓度峰值在向30 cm处迁移；而40 cm处盐浓度分界明显，其上部虽有盐分迁移，但迁移幅度大幅减小；同时对比R-1柱10 cm处短期和长期的盐浓度变化值可以发现，该处的盐浓度值呈先增大后减小的趋势．由图10(b)可以看出R-2柱在40 cm处也有一个明显的分界线，即40 cm以下盐分呈先增大后减小的趋势，40 cm 以上呈逐渐增大的趋势，预测24 d后该柱的盐浓度峰值区域会出现在50～70 cm．由图10(c)可知：R-3柱两端的盐浓度呈减小趋势，中部的盐浓度呈增大趋势，这主要是由于水盐从下部向中部迁移，而中部再向上部迁移，但随着高度增加，迁移势逐渐减小，从而导致盐分向中部聚集．

由图10(d)、(e)、(f)可知：当盐分来源于盐渍土时，T-1柱和T-2柱的盐分均迁移至40 cm处，而T-3柱则迁移至50 cm处，说明细粒含量越大，长期水盐迁移的高度越高；对比3个土柱的盐分迁移量可以发现，T-1柱6 d到24 d盐浓度由1 631 mg/L到950 mg/L，T-2柱由2 639 mg/L到1 493 mg/L，T-3柱由4 618 mg/L到1 473 mg/L，减少的迁移量分别为681、1 146和3 145 mg/L，说明盐分迁移量随细粒含量的增加而增大，水盐迁移剧烈程度也逐渐增大．

综上可知，随着细粒含量的增加，盐溶液供给源长期水盐迁移量逐渐减小，盐渍土供给源则不断增大．

3.3 盐分迁移方向

针对土柱10、30、50和70 cm高度处的盐浓度变化值，探究盐浓度与时间的关系，分析盐分迁移方向试验结果如图11所示．

由图11(a)可明显看出：R-1柱10和30 cm处的盐浓度呈先增后减的趋势，50 cm处的盐浓度呈波动增长的趋势，70 cm处的盐浓度缓慢增长；10 cm处的盐浓度峰值为1 065 mg/L，峰值出现时间在6 d；30 cm处的盐浓度峰值为1 440 mg/L，出现在14 d；30 cm处的盐浓度在8 d 时超越了10 cm处，说明盐分向上迁移．由图11(b)可知：R-2柱10 cm处的盐浓度峰值为564 mg/L，出现在4 d；30 cm处盐浓度波动剧烈，波动范围为100～300 mg/L；其余高度处的盐浓度呈先增大、后减小、再增大的趋势，盐分迁移在15 d左右出现低谷．由图11(c)可知：R-3柱各个高度处盐浓度波动剧烈，整体呈逐渐增大的趋势；且均在24 d后有所减小，说明盐分迁移势能在24 d时有所减小，导致盐分迁移量逐渐减小．

由图11(d)、(e)、(f)可以看出，盐渍土供给源的3个土柱10和30 cm处的盐浓度都是迅速增大再缓慢减小，再逐渐趋于平稳；T-1柱50和70 cm 处的盐浓度基本没有变化，T-2柱50 cm处盐浓度有微弱的增大，说明该处盐分向上迁移量很少；T-3柱50和70 cm处的盐浓度缓慢增大，说明下部盐分在不断向上迁移．此外，通过测定底座中水的含盐量可知其盐浓度由初始时的0 mg/L 增至后期约10 000 mg/L，说明盐渍土中的盐分在较大浓度梯度作用下，不断向底部水中迁移，其中盐浓度梯度是其主要迁移动力．

综上可知，盐溶液供给源时，盐分主要向上迁移；盐渍土供给源时，盐分大量向下迁移，少量向上迁移，且随细粒含量增加迁移量增多；当非盐渍土路基遇到矿化程度高的地下水位上升时，其矿物盐会逐渐向路基上部迁移聚集，此时应在路基底部设置隔断层，避免路基与矿物盐溶液的直接接触，或者控制路基填料的细粒含量．盐渍土路基下地下水上升时，其盐分会大量向下溶解，可通过控制细粒含量来控制水盐迁移．

3.4 盐分迁移速率

以盐浓度测量值为对应高度处横截面的盐浓度，并且每个截面的面积相同，则认为截面的盐分流量是相邻两次测量的结果之差，其与时间的比值可认为是其迁移速率的直观表达，如下式所示，其结果如图12所示．

vs=(Qn+1-Qn)/Δt

其中vs表示盐浓度流速(mg·L-1·h-1)，Qn表示盐浓度值(mg·L-1)，Δt表示时间(h)．

由图12(a)可见：盐溶液供给源10 cm处初始迁移速率最快的是R-1柱，其次是R-3柱和R-2柱，初始时刻迁移速率为正值，说明盐分以迁入为主；在5 d开始，R-2柱和R-3柱的迁移速率首先出现负值，而R-1柱在7 d出现，此时盐分主要以迁出为主；10 cm高度处前期迁移速率整体大于后期迁移速率，而R-3柱迁移速率呈正弦式波动，说明整个周期盐分在不断迁移．由图12(b)可见：R-1柱30 cm处迁移速率波动性加大，大于10 cm处，说明R-1柱在此处迁移最为剧烈；R-2柱和R-3 柱的迁移速率波动性相同．由图12(c)可见：50 cm处的迁移速率都有所减小，R-1柱在16～22 d时迁移速率有突增，其余土柱迁移速率波动性都较小．由图12(d)可见：70 cm处前期迁移速率都很小，R-1柱迁移速率几乎不变，R-2柱和R-3 柱在16 d开始迁移速率有小范围的升高．由图12(a)、(b)、(c)和(d)可见：随着高度的上升，迁移速率逐渐减小；R-1柱迁移速率的峰值随高度增加有延后趋势，其次波动性最小的为R-3柱．

由图12(e)可以看出：T-1柱起始迁移速率为65.71 mg·L-1·h-1，T-2柱为102.21 mg·L-1·h-1，T-3柱为161.92 mg·L-1·h-1，可见其初始速率逐渐增大．由图12(f)可见：30 cm处迁移速率在正负间交替波动，说明此处盐分迁移在反复经历一个迁移、补充、平衡的过程；迁移速率随时间的增加逐渐减小，此时迁移速率变化波动最大的依旧是T-3柱．由图12(g)和(h)可见：整体迁移速率明显减小，迁移速率波动性最强的仍是T-3柱；高度增加时，T-3柱迁移速率峰值的出现也有延后趋势．

综上所述，随着土柱高度的增加，整体迁移速率减小，盐溶液供给源迁移速率出现峰值的延后趋势越明显；盐溶液供给源时，迁移速率随着细粒含量的增加先减小后增大；盐渍土供给源时，迁移速率随着细粒含量的增加而增大．

4 结 论

(1)短期内，盐溶液供给源水分和盐分迁移量随着细粒含量的增加而减小；盐渍土供给源随着细粒含量的增加，水分迁移量逐渐减少，迁移高度增加，盐分迁移量逐渐增大．

(2)长期内，盐溶液供给源盐分迁移量随着细粒含量的增加而减小；而当盐渍土为供给源时细粒含量越多，其盐分迁移越剧烈，迁移高度越高，与短期规律一致．

(3)盐溶液供给源盐分迁移速率随着细粒含量的增加先减小后增大，迁移速率最快的为10%细粒含量土柱，而盐渍土供给源时，随着细粒含量的增加其迁移速率逐渐增大，30%细粒含量土柱最显著；随着时间的增加，迁移速率逐渐减小并趋于平缓；土柱高度升高，整体迁移速率减小，盐溶液供给源迁移速率出现峰值的时间逐渐延后．

(4)对于盐分来源于含盐地下水情况，提高填筑粗粒土的细粒含量可有效控制水盐迁移；对于盐分来源于盐渍土情况，宜采用细粒含量较少的粗粒土进行填筑，可以有效阻止水盐迁移．