大温差荒漠区路面拱胀及路基盐分迁移规律研究

张梦媛,王选仓，丁龙亭，赵 伦，宋 亮

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530012；3.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006)

0 引言

近年来，在新疆、内蒙、甘肃等地不同程度地出现了水泥稳定基层拱胀现象[1-3]。尤其是新疆南部地区很多道路在建成通车进入运营期后(1～2年)，相继出现了沥青路面拱胀病害，横穿整个路面，且分布有规律可循，严重影响了道路使用性能，大大降低了行车安全性，提高了养护成本[4-5]。

国外沥青路面结构多采用柔性基层，很少选用半刚性基层，对于半刚性基层的研究主要是防治收缩裂缝方面[6]，半刚性基层沥青路面拱胀病害现象鲜有出现和研究。美国阿肯色州对水泥混凝土路面拱起研究中[7]，提出结构层的温度及湿度状况对路面拱起影响程度较大，路基细粒土含量高，塑性指数大且透水性良好的路面容易发生路面拱起现象。水泥稳定基层沥青路面拱胀病害是近几年在中国西北部出现的一种新的病害类型，影响日益显著，中国很多学者对拱胀病害的成因做了详细的研究。长安大学王军伟[8]调研了内蒙古地区病害路面拱起开裂状况，实地监测了路面结构温度分布规律，对地表水及路基土的易溶盐含量进行了取样监测，通过对比路基盐胀的主要病害特征，提出拱起开裂是由当地高温气候条件引起的；宋亮[9]等人从水泥稳定基层材料入手，通过探究材料的膨胀系数和渗透系数研究水泥稳定类材料的膨胀性，并通过电镜扫描详细观察了盐分在水泥稳定类材料内部结晶膨胀的微观形态；王智远[10]等人基于弹性力学理论，构建了路面结构在路基盐胀作用及其自重影响下隆起变形的挠度方程，得到了不引起路面结构层结构性破坏所能承受的临界隆起高度和临界盐胀作用。总而言之，前人研究重点多集中在水泥稳定基层内部盐分对基层拱胀的影响，然而有两个问题有待解决：(1)水泥稳定基层中的盐分来自哪里;(2)是否能阻断盐分迁移通道，防止盐分迁移至基层底部，从而避免盐分对路面拱胀病害的影响。

目前，盐分对半刚性基层拱胀的影响还存在争议，但是国内学者对盐渍土的研究较为广泛。高江平、包卫星等人[11-13]结合室内试验及理论分析系统研究了盐渍土盐胀、冻胀特性，得到了不同因素对盐渍土膨胀率的影响规律。赵天宇[14]理论研究分析了含氯硫酸盐盐渍土盐胀量，得到含水量及含盐量对盐胀量影响均呈现先增后减的规律。胡建荣等人[15]结合风积沙路基实际病害路段对水分盐分分布规律进行了研究。通过室内模拟试验，水盐场分布规律呈现“对勾状”。

本研究一方面通过对病害路段现场调查与检测，探究路面结构层内部盐的种类及含量，确定基层拱胀与路基内含盐量及水-盐迁移之间的关系；另一方面，通过现场实际状况设计路基盐分迁移室内试验模型及方案，得到温度梯度、盐分梯度、含水量、土体颗粒组成以及压实度对路基填料内部水-盐迁移的影响规律，并从阻隔盐分迁移的角度出发提出最佳盐分阻隔方案。

1 材料及试验方法

1.1 实地调查

新疆地域辽阔，占我国陆地面积1/6，属温带大陆性气候。年日照时间达2 500～3 500 h，年平均降水量为150 mm，气候干燥。同时，由于地域辽阔，新疆不同区域温度差异较大。此外，新疆地区昼夜温差大，许多地区最大昼夜温差可达20～25 ℃。依据《新疆公路沥青路面设计指导手册》，新疆地区可以分为4个一级气候分区、15个二级气候分区。依据现有新疆地区水泥稳定基层拱胀病害报告，此类病害基本上分布在一级分区“高低温过渡区(Ⅲ)”中的“塔里木盆地西北部及南缘区(Ⅲ2)”，中国最大的沙漠——塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地，周边环境是典型的西北荒漠区，因此首先在该分区内选取有代表性的路段进行现场勘探研究，具体勘察项目详见表1。

表1 水泥稳定基层拱胀病害调查路段

为了详细调查该地区病害发生规律及产生原因，收集并统计了病害路段拱胀总数量、拱胀高度以及宽度、每公里平均拱胀数量等基本信息。同时，选取11处典型病害位置以及6处非病害位置，对路面上、中、下面层和基层、底基层逐层切割、挖探，探坑面积大小约为1.5 m×0.8 m，探坑挖至路床顶部，并对各结构层所取填料进行颗粒筛分以及易溶盐含量检测等试验。

1.2 室内试验

1.2.1 原材料

试验用土样根据新疆地区实际道路路基填料特点进行配制，典型颗粒组成为表2中的级配1，选取其余3种级配进行对比试验。土样配制前进行洗盐处理，完成后将土样置于105 ℃的烘箱内放置不少于8 h，完全烘干后进行配比。

表2 不同土样的颗粒组成

依据土工试验规程中重型击实试验得到级配1的击实曲线，如图1所示。风积沙填料的击实曲线异于一般土类，其最大干密度存在两个值，表现出风积沙特有的“双峰”特性。基于最大干密度稳定性原则[16]，级配1最佳含水率取13.2%，对应最大干密度为1.90 g/cm3。其余级配类型的最佳含水率与最大干密度同样由重型击实试验得到，结果如表3所示。

图1 路基土样击实曲线(级配1)

表3 不同颗粒组成土样试验参数

1.2.2 试验设备

室内试验模拟系统主要由自动检测系统、冻融循环系统及亚加力试验箱组成。其中自动检测系统采用的是农业土壤领域应用较多的土壤墒情速测仪(HM-S8)，该系统可实时监测土体中的温度、含水率及含盐量(主要原理是电磁波传播反射原理测得介电常数和电导率，进而换算为含水率和含盐量)；冻融循环系统即采用加热制冷设备模拟路面内部温度的变化；试验箱尺寸149 mm×120 mm×450 mm，分别在距顶面50，150，250 mm及350 mm位置预留传感器孔，箱体壁厚1.5 cm，使用导热性较差的玻璃材料制成，隔绝外界环境中的热量，箱体顶面采用打孔的合成树脂薄膜覆盖。为了更加精确地得到试验规律，在关键时间节点采用EDTA间接配位滴定法，配合土壤墒情速测仪进行硫酸根离子的平行试验。

1.2.3 试验方法

为了得到温度梯度和盐分梯度作用下路基填料水盐迁移规律，以及含水量、颗粒组成、压实度等关键因素对水-盐迁移的影响规律，本研究设计了5种试验方案，每种试验方案取5组平行试验结果进行分析，具体内容如下：

(1)方案1(温度梯度试验)：为模拟路基次生盐渍化过程，下层10 cm盐渍土填料硫酸盐含量配制到2.0%，10 cm以上为非盐渍土，填料硫酸盐为0.25%，压实度依据路基施工技术规范取95%，土样颗粒组成选择级配1。研究温度变化条件在-5～60 ℃ 范围内的盐分迁移规律。

(2)方案2(盐分梯度试验)：按照从上到下初始状态为“非盐渍土-盐渍土”原则，配制盐分梯度为“0.0%～0.15%～0.25%～0.5%～2.0%”，压实度为95%，土样颗粒组成选择级配1。其他试验条件不变，研究盐分梯度作用下的盐分迁移规律。

(3)方案3(不同含水量对比试验)：土样颗粒组成选择级配1，参考南疆地区实际路基含水率年变化范围，含水率分别取10%，12.5%，13.2%及14% 4种情况，压实度为95%，其他试验条件不变，分析不同含水率对盐分迁移的影响。

(4)方案4(不同颗粒级配对比试验)：对比4种颗粒组成对盐分迁移规律的影响，试验参数通过击实试验确定，压实度为95%，其他试验条件不变。

(5)方案5(不同压实度对比试验)：依据路基设计及施工规范，分别研究95%，96%，97%，98%这4种水平压实度状况下盐分迁移规律，试验条件及颗粒组成的选择与方案1相同。

经调查可知，南疆地区路基结构年温度在-5～42 ℃范围内变化，且在路基结构120 cm以下波动范围慢慢减弱；年含水率在2.7%～8.3%变化，最大含水率在4月份和10月份。因此室内盐分迁移试验温度范围为-5～60 ℃，升温时间为1 h，恒温60 ℃保持11 h，降温时间1 h，低温-5 ℃保持11 h，如图2所示，数据采用数据采集仪自动采集，时间间隔为30 min。土样压实完成后静置3 h，采用烘干法和EDTA间接配位滴定法测得土样初始含水率及硫酸盐含量，以此作为试验初始状态。自动采集仪实时采集的同时，在1, 7, 14,28 d时间节点采用人工测量法进行对比试验。

图2 盐分迁移试验温度随时间变化规律

为了进一步探究盐分阻隔问题，研究隔断层厚度和位置对盐分阻隔效果的影响，参考路基设计规范中规定的盐渍土地区路基高度，试验箱尺寸大小更改为50 cm(φ×120 cm(h)。试验研究隔断层厚度分别取30, 40, 50 cm；隔断层位置分别位于路堤顶面以下0, 30, 50 cm。试验设计见表4。

表4 盐分阻隔试验方案

2 实地调查结果

2.1 拱胀变形概况

首先对G3012(AK)、S13以及G3012(MH)路面拱胀情况做了现场调查与统计。拱胀具体情况如表5所示。其中拱胀高度在2～4 cm的占90%以上，拱胀纵向分布间距变化较大，没有固定的规律；横向90%路段为一字形隆起贯穿整幅路面，部分段落分布有少量Z字形隆起。

表5 路面拱胀病害情况统计

2.2 易溶盐含量检测

该地区土壤盐渍化程度较为严重，为了分析该地区土壤盐分对拱胀病害的影响，在G3012(AK) 和S13路段开挖处取样破碎后进行易溶盐含量检测，水泥稳定上基层易溶盐含量如表6所示，底基层及路床易溶盐含量如表7所示(底基层标记为SB, 路基顶面以下50 cm标记为SG)。

表6 上基层易溶盐含量检测结果

病害路段基层与路基试样的化学成分试验结果说明：路面结构内部盐分发生迁移积聚，使原本非盐渍土的路基土和基层逐渐发生盐渍化。底基层中的含盐量明显高于上基层，底基层和路基中的含盐量相差不大，这说明路基土内的盐分迁移相较基层内部迁移更加明显，路基土中的水通过毛细上升作用携带盐分堆积在基层底部，在路面结构层内部形成明显的盐分梯度，基层底部含盐量较高，类似在基层底部形成了一层硫酸盐含量较高的水膜，新疆地区强烈的蒸发作用使得硫酸盐侵蚀基层材料导致材料劣化；另一方面，无水硫酸钠在32.4 ℃时溶解度最高，新疆地区较大的昼夜温差导致路面结构层内部温度梯度较为明显，当温度降低并且水分充足时，无水硫酸钠形成十水硫酸钠晶体，体积膨胀3.18倍[17]，使得基层发生盐胀向上隆起。由表7还可发现，部分无病害路段路基中的含盐量甚至高于病害路段，这说明无病害路段路基内部的盐分还未完全迁移至基层底部，所以探究路基内部水-盐迁移规律并采取有效措施阻隔路基内部盐分向上迁移可有效防止拱胀病害的发生。

表7 底基层及路床易溶盐检测结果

3 水-盐迁移规律

3.1 温度梯度的影响

对温度循环变化条件的路基土体进行了室内盐分迁移试验，温度循环变化下路基结构内部的温度分布如图3所示，初始状态含水量及含盐量如图4所示，不同时间段各深度位置的含水量及含盐量变化规律如图5所示。

图3 单温度循环土体内温度变化规律

图4 初始状态土体内部含盐量及含水率

图5 土基不同深度处含水率与含盐量变化规律

由图3～5对比分析初始状态及开始7 d内的水分盐分变化可以发现，土体压实完成后静置3 h，盐分及水分在重力势的作用下由均匀分布产生了显著的分层，表层的含盐量由0.25%变为0.21%，底部由2%增大为2.3%，10 cm以上土体部分在3 d以后水分减少速率明显下降，15 cm及25 cm位置含水量也在3～5 d渐渐稳定，35 cm处含水量在第3天达到峰值21.4%，随后慢慢减小。这说明初期重力势对水盐迁移的影响非常显著，且主要是水携盐向下移动，这是因为风积沙土类黏聚性较差，对水的吸引力小，所以工程上可用风积沙作为阻盐层。

外界温度梯度变化对水分盐分重分布影响显著，盐分和水分最终呈现出“抛物线”状分布，这表明盐分的迁移是以水为载体的，即“水携盐走”，含水率随深度最终变化为“7.8%～7%～9.8%～13.5%～8.7%”，盐分含量变化为“0.89%～0.6%～0.97%～1.2%～1.5%”。在外界温度变化时，底层的盐分会随着水分源源不断地向上迁移，使得原本非盐渍土转变为盐渍土；以5～10 cm为分界，上部和下部盐分含量均较高，出现“高-低-高”的现象。这是由于，当表层温度较高时，10 cm以上部分水分主要以气态形式向上运动，而盐分的迁移是盐溶解在液态水中发生的；土体下部分由于温度升高原因以薄膜水的形式存在，因此，在5～10 cm范围内，形成了一个“水盐补给过渡区”，使得虽然表层蒸发作用比较强烈，但是含水量并不会减少。与此同时，水分携带盐分上移，此阶段表现出冷区向暖区迁移。当表层温度较低时，根据布朗分子运动，高温区的粒子跳跃到低温区的概率要远高于低温区到高温区，下层水分主要以液态形式携盐向上部分迁移，表现为暖区向冷区迁移。

3.2 盐分梯度的影响

仅在盐分梯度作用下土体内部的水分盐分重分布规律，如图6所示。

图6 盐分梯度作用下土体含盐量沿深度变化规律

由图6可知：盐分梯度对土体含水率的影响程度较弱，初期由于重力势的作用，水分出现了显著的分层现象，表现为“上大下小”，但随着时间的推移，除了25～35 cm出现了水分由下层向上层补给外(幅度仅有2%)，其余部分含水量均处于减小状态，减小程度也不大，这说明盐分梯度对水分重分布的作用较小。主要原因在于在没有外界因素提供迁移动力的条件下，因浓度梯度提供的土水势是有限的，并不足以提供足够的水分迁移动力。盐分梯度的作用下，盐分迁移整体表现出由浓度高的地方向浓度低的地方迁移，但迁移量很小，盐分含量沿深度最终形成了“0.13%～0.2%～0.32%～1.0%～1.7%”梯度。在25～35 cm范围内，变化程度较大，其余上部分迁移量较小，并没有由非盐渍土转化为盐渍土，这表明仅在盐分梯度作用下，盐分迁移比较微弱，仅有温度梯度的17.3%左右。

3.3 含水量的影响

含水量对盐分迁移的影响规律图7所示。

图7 表层含水率与含盐量随初始含水率的变化

由图7可知：不同初始含水量对表层最终含盐量及含水量的迁移量影响显著，初始含水量14%相比于10%，表层含盐量增加了22.3%，表层含水量增加了38.1%，这表明含水量越大盐分迁移越明显，在表层集聚的盐分含量越高，而此时土体表层在降温的条件下硫酸盐有足够的水分条件发生水合反应，生成十水硫酸钠，造成土体体积膨胀。因此不论是路基还是基层基于防止盐分迁移进而减小盐胀考虑，含水量的大小应在最佳含水率的附近取其低限值。

3.4 颗粒组成的影响

细砂、中砂、粗砂及细砾4种土类对盐分迁移的影响规律如图8所示。

图8 不同土类对表层含水率与含盐量影响规律

由图8可知：土质类别对盐分迁移量有明显的影响，不同土质类别盐分迁移量大小排序为：细砂>中砂>粗砂>细砾，细砾的表层含盐量及含水量比细砂的降低了54%左右。4土类0.075 mm以下颗粒含量分别为12.16%，10.12%，8.65%和5.32%，表明在细料中水分迁移及盐分迁移能力、速度均越大，盐分表聚现象越明显。因此适当增加粗颗粒的比例，减小细颗粒的含量可有效降低盐分迁移程度。

3.5 压实度的影响

研究了压实度分别为95%，96%，97%，98%共4种状况的盐分迁移规律，如图9所示。

图9 表层含水率及含盐量随压实度的变化规律

由图9可知，随着压实度的增加，含水量和含盐量在不断减小，压实度每增加1%，含水率减少0.2%左右，含盐量降低约0.06%。压实度的增大减小了土颗粒之间的间隙，阻隔了水分盐分向上运移的通道，增大了迁移的阻力。因此可通过提升压实度一定程度减弱盐分迁移的能力和速度，但是压实度不宜过百，压实度过百后，造成风积沙路基稳定性下降，从预防盐分迁移的角度出发，压实度在满足要求的情况下取上限值。

3.6 盐分阻隔试验

根据盐分阻隔试验方案，得到试验结果见表8。

表8 盐分阻隔试验结果

上述试验结果可以看出，当厚度为30 cm，位置在路堤顶面以下30 cm时，盐分含量有0.17%；当厚度为50 cm，隔断层处于路堤顶面以下50 cm的时候，盐分含量仅有0.15%，这说明在初期重力势携盐下移后，后期盐分基本没有迁移上来，这两种组合阻隔效果基本相同，因此可认为这些组合属于较优组合。而这两种组合一种是位置处在盐分迁移的“水盐补给过渡区”，一种则是厚度较大，因此在盐分阻隔时可从厚度及位置两方面出发，合理选择隔断层方案。

4 结论

本文通过对新疆南部地区拱胀病害典型路段进行实地调查分析与室内试验，得到了沥青路面发生拱胀病害基层内盐分的来源以及不同因素影响下路基盐分迁移规律，主要研究结论如下：

(1)通过对新疆南部地区拱胀病害典型路段进行实地调查与检测，探究了病害路段基层及路基内部盐的种类以可溶性硫酸钠、钾盐为主，确定了基层内部含盐量升高及基层的拱胀、劣化是路基土发生“次生盐渍化”导致的。

(2)初期重力势对水盐迁移的影响非常显著。在温度梯度变化下，盐分和水分最终呈现出“抛物线”状分布，以5～10 cm以分界，出现“高-低-高”的分布规律，形成“水盐补给过渡区”。

(3)在盐分梯度作用下，盐分迁移整体表现出由高浓度向低浓度迁移，然而其影响较为微弱，仅有温度梯度的17.3%左右。提出选取风积沙作为隔断层材料阻隔水-盐迁移，推荐厚度40～50 cm之间，推荐位置在路堤顶面以下30～50 cm范围内。