粗粒鹽漬土水鹽遷移試驗研究

王 亞 強， 冉 武 平， 閻 首 名， 邱 永 峰， 毛 永 鑫

( 新疆大學 建筑工程學院， 新疆 烏魯木齊 830047 )

0 引 言

隨著國家“絲綢之路經濟帶”的推進，新疆以公路建設為代表的基礎設施建設不斷加大，加上新疆地區鹽漬土分布十分廣泛，并且在特殊氣候環境影響下，次生鹽漬化導致道路結構產生的各類病害現象顯著，鹽漬土地區路基的病害防治問題引起了國內外學者的高度重視[1]．粗粒土是目前路基結構的主要填料之一，因此明確鹽漬土地區粗粒土路基水鹽遷移時空分布特性，有針對性地選擇填筑材料是控制路基病害的關鍵所在．

關于水鹽遷移的研究主要分為三大類：基于理論研究、基于試驗研究和基于數值模擬研究．水分遷移最早是通過描述水位線以上水體遷移的毛細現象開始，也即水氣交界面處水的勢能梯度引起的．18世紀初，Hauksbee[2]首次提出了毛細現象．20世紀后，Washburn[3]認為不飽和多孔介質中的液體流動遵循普通流體動力學定律，提出了毛細管流方程．不飽和多孔介質中的液體流動必然遵循普通流體動力學定律，Richards[4]用Darcy定律解析了多孔介質中液體的毛細運動，并建立了Richards方程，至此國內外學者全面開展水汽遷移的研究．

水鹽遷移的研究始于農業土壤學，法國科學家Darcy最早研究了土壤水分運動過程[5]，得到了滲流速度與水力梯度的關系，并解釋了土壤中飽和水分的運動機理．Skopp等[6]和Corwin等[7]通過試驗研究構建了水、熱、鹽遷移規律的運動方程，完善了水鹽遷移的基本理論．Swami等[8]利用示蹤劑追蹤了溶質在黏土基質間砂層中的運動特性，對分層多孔介質中溶質遷移行為進行了研究．Nielsen等[9]通過室內試驗推導了水鹽遷移的經驗公式．Bear等[10]研究了非飽和土的鹽分遷移，證明了水鹽平衡與溫度有關．Nassar等[11]通過封閉土柱試驗，驗證了水-熱-鹽耦合下的水鹽遷移一維計算模型．在國內，鄭冬梅[12]研究了鹽漬土在溫度梯度作用下的水鹽遷移規律，得出溫度梯度和濕度梯度是鹽漬土在冬季發生水鹽積聚的主要驅動力．王卓然[13]通過現場觀測，得到了水鹽空間變化規律，建立了土壤鹽堿化動態變化模型．馬博[14]以蘭州黃土為研究對象，研究不同條件下非飽和壓實黃土的氯鹽和硫酸鹽毛細遷移特征．王莉杰[15]通過室內人工配制氯鹽漬土，對不同含鹽量鹽漬土進行補水條件下的凍融循環試驗，并根據試驗結果對鹽漬土中水鹽遷移特性進行分析研究．丁兆民[16]通過均勻設計法與凍融循環結合，從多個方面分析粗粒鹽漬土鹽脹及遷移特性，并采用多種改良劑進行鹽漬土路基改良試驗，研究其力學性能和路用性能，最終結合數值模擬計算，分析鹽漬土路基在凍融循環下的力學特性和合理斷面形式．溫小平等[17]對不同材料的隔斷層阻水效果進行數值模擬，分析了不同粒料組成的材料不同壓實度、含水量和含鹽量對毛細水遷移規律的影響，結果表明砂礫石和卵石作為隔斷層材料能有效阻斷毛細水作用．呂擎峰等[18]用土柱毛細水上升試驗，模擬全開放自然條件下鹽漬土的水鹽遷移特征，開展了固化土的水鹽遷移特性研究，說明固化土具有穩定持水作用以阻滯鹽分遷移的特性．

目前對粗粒鹽漬土的研究主要集中在鹽脹及溶陷特性、凍融剪切和路用性能等方面，對其水分和鹽分遷移及時空分布特性研究較少，本文針對新疆地區典型區域的粗粒土，通過開展室內土柱試驗，采取兩種不同鹽分供給形式，重點分析水鹽在短期、長期內的遷移規律，并明確鹽分的遷移方向和遷移速率，為新疆鹽漬土地區道路設計與施工提供一定的理論依據，為后續的水鹽遷移理論研究提供參考．

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗材料取自烏魯木齊市典型道路路基填料，按照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)要求進行篩分，試驗結果如表1所示．

由表1可知，原路基填料的主要粒徑在5～40 mm，不含粒徑小于0.075 mm的細粒成分．因此，為明確不同細粒含量的粗粒土水鹽遷移特性，在原路基填料中摻一定含量的細粒土，細粒含量分別為10%、20%和30%，對其余級配進行設計使其連續，如圖1所示．

表1 路基土的顆粒組成

1.2 試驗模型及儀器

土柱采用內徑19.2 cm、外徑20 cm的硬PVC管材，高度設計為80 cm，土柱下端用套頭封堵；土柱底部每隔2 cm打一個直徑為0.5 cm的滲水孔，沿高度方向每隔10 cm設置一組數據采集孔，局部設計如圖2所示．

本次數據采集使用NH148-40～80WSY土壤水分、溫度、電導率數據采集儀，通過土壤水分FDR方法與土壤電導率交流橋法測量，該采集儀已自動將電導率換算為鹽含量．通過驗證，常溫條件下測試基本穩定，采集儀如圖3所示．

2 試驗過程

2.1 試驗方案

由于氯鹽漬土具有吸濕性和保濕性，路基浸水后易軟化，并且鹽分溶解后使土體孔隙增大、密度減小，降低路基強度和穩定性，導致路面產生病害[19]，因此，本文針對氯鹽漬土展開研究．初始含水率控制為5%，接近10%細粒含量土樣的最佳含水率；試驗溫度為25 ℃，壓實度控制為94%．選擇兩種鹽分供給：

(1)鹽溶液供給源：土柱整體裝填素土，素土為不摻配鹽分的土樣，底座內放置2%的鹽溶液，編號為R組．

(2)鹽漬土供給源：土柱下部40 cm為干鹽土加水法人工配制的鹽漬土，上部40 cm為素土，底座內放置純凈水，編號為T組．

試驗分組如表2所示．

表2 試驗分組

2.2 試驗步驟

(1)將3組試驗土樣烘干，按試驗方案中的初始含水率和鹽漬土濃度配制素土和鹽漬土，密封12 h以使水分和鹽分均勻分布在土體中，如圖4所示．

(2)采用分層壓實法進行裝填，每層填筑高度為5 cm，每層擊實完需對層間進行拉毛處理，使層間連續．

(3)填筑完成后將土柱頂端密封，模擬路面覆蓋效應．

(4)按表2要求分別在底座中加入鹽溶液或純水，如圖5所示．

(5)前12 h內每2 h采集一次數據，然后每12 h 采集一次數據，監測時長為25 d．

3 試驗結果及分析

3.1 短期水鹽遷移規律

為明確短期粗粒土水鹽遷移規律，選擇12 h 內的實測數據，對于鹽溶液供給源情況，試驗結果如圖6、7所示；對于鹽漬土供給源情況，試驗結果如圖8、9所示．

由圖6(a)可知：R-1柱10 cm處的體積含水率在12 h內快速增加，峰值達到54.4%；20 cm和30 cm處的體積含水率也略有增大，不過增幅逐漸減小，說明R-1柱12 h內遷移高度達30 cm．由圖6(b)可知：R-2柱的體積含水率在整個土柱高度范圍內不斷波動，10 cm處的體積含水率峰值為15.3%，70 cm處的體積含水率峰值為12.5%，說明此時水分遷移速率較小，但遷移高度較高．由圖6(c)可知：R-3柱的體積含水率變化不大，說明水分幾乎未發生遷移．

由圖7可知：R-1柱10 cm處的鹽濃度峰值為1 037 mg/L，遠大于R-2柱和R-3柱的，說明鹽分遷移量隨水分遷移量的增加而增加，即鹽分的運動是隨著水分的遷移變化而進行的．并且與水分遷移趨勢一致的是：R-1柱的鹽分遷移高度也為30 cm；R-2柱70 cm處的鹽濃度略有增加，說明鹽分遷移到了70 cm處．不同的是R-3柱10 cm 處的鹽濃度在4 h和8 h時較大，說明測量值有瞬時的突增．

綜上可知，當鹽分來源于鹽溶液時，短期內隨著粗粒土中細粒含量的增加，水分和鹽分遷移量逐漸減小，遷移量最大的是細粒含量為10%的土柱，這是由于隨著細粒含量不斷增加，土體內部孔隙率不斷減?。}分分子主要以水分為載體遷移，隨著孔隙率減小，水分遷移受阻愈來愈顯著，故而水鹽遷移總體下降．且水分和鹽分遷移運動規律具有一致性，說明了鹽隨水走的遷移模式．

由圖8(a)可知：T-1柱0～30 cm的體積含水率在2 h內達到100%，而30 cm以上體積含水率幾乎沒有變化，說明水分迅速向上遷移到30 cm處；且到12 h時含水率無明顯差異，說明水分向上與向下遷移量幾乎相等，處于穩定狀態．由圖8(b)可知：T-2柱處于飽和狀態的高度較T-1柱低；水分遷移高度達到40 cm，且該處體積含水率波動較大，其峰值為85%．由圖8(c)可知：T-3柱在20 cm以下范圍內土體處于飽和狀態；遷移高度也達到40 cm，但該處體積含水率峰值為29.5%，遠小于T-2柱的．

由圖9(a)可知：T-1柱10 cm處的鹽濃度小于20 cm處的鹽濃度，這是10 cm處鹽漬土中鹽分在濃度梯度作用下向底座中的純凈水中遷移所致．由圖9(b)和(c)可知：T-2柱和T-3柱鹽分遷移趨勢相似，但T-2柱的遷移過程波動較劇烈；T-2柱2 h時20和30 cm處由于試驗誤差導致了鹽濃度明顯差異，理應接近整體變化趨勢．由圖9(a)、(b)和(c)對比可知：T-1柱的鹽濃度峰值為3 277 mg/L，T-2柱為3 824 mg/L，T-3柱為5 084 mg/L，說明隨著細粒含量的增加，短期內鹽分遷移速率逐漸增大．

綜上可知，當鹽分來源于鹽漬土時，隨細粒含量的增加，水分遷移量逐漸減少，鹽分遷移量增大，土體處于飽和狀態的高度逐漸降低，但遷移高度有所增加．此時由于下部土柱中存在大量鹽分，短期內具有很大的溶質勢，并且隨著細粒含量的增加顆粒間的孔隙減小，導致土體基質吸力增大，使水分有較大的遷移動力，水分向上遷移后形成較大的濃度梯度，使鹽分在基質吸力和溶質吸力的耦合作用下不斷向上遷移，并且隨著高度的增大，遷移能逐漸減小，導致高處的體積含水率較?。?/p>

3.2 長期水鹽遷移規律

為明確長期粗粒土水鹽遷移規律，選取每個土柱6、12、18和24 d的鹽濃度，分析水鹽遷移分布特性．對于鹽溶液供給源情況，試驗結果如圖10(a)、(b)、(c)所示；對于鹽漬土供給源情況，試驗結果如圖10(d)、(e)、(f)所示．

由圖10(a)、(b)、(c)可知：當鹽分來源于鹽溶液時，R-1柱的鹽濃度峰值出現在20～30 cm處；R-2柱的鹽濃度峰值出現在20 cm處，說明鹽分向20～30 cm處進行遷移聚集；R-3柱在整個土柱高度范圍內均有鹽分遷移；3個土柱鹽濃度變化范圍分別為0～1 300 mg/L、0～600 mg/L、0～460 mg/L，可說明當細粒含量逐漸增加時，長期鹽濃度遷移量逐漸減?。蒖-1柱中24 d的鹽濃度變化趨勢可知鹽濃度峰值在向30 cm處遷移；而40 cm處鹽濃度分界明顯，其上部雖有鹽分遷移，但遷移幅度大幅減??；同時對比R-1柱10 cm處短期和長期的鹽濃度變化值可以發現，該處的鹽濃度值呈先增大后減小的趨勢．由圖10(b)可以看出R-2柱在40 cm處也有一個明顯的分界線，即40 cm以下鹽分呈先增大后減小的趨勢，40 cm 以上呈逐漸增大的趨勢，預測24 d后該柱的鹽濃度峰值區域會出現在50～70 cm．由圖10(c)可知：R-3柱兩端的鹽濃度呈減小趨勢，中部的鹽濃度呈增大趨勢，這主要是由于水鹽從下部向中部遷移，而中部再向上部遷移，但隨著高度增加，遷移勢逐漸減小，從而導致鹽分向中部聚集．

由圖10(d)、(e)、(f)可知：當鹽分來源于鹽漬土時，T-1柱和T-2柱的鹽分均遷移至40 cm處，而T-3柱則遷移至50 cm處，說明細粒含量越大，長期水鹽遷移的高度越高；對比3個土柱的鹽分遷移量可以發現，T-1柱6 d到24 d鹽濃度由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，減少的遷移量分別為681、1 146和3 145 mg/L，說明鹽分遷移量隨細粒含量的增加而增大，水鹽遷移劇烈程度也逐漸增大．

綜上可知，隨著細粒含量的增加，鹽溶液供給源長期水鹽遷移量逐漸減小，鹽漬土供給源則不斷增大．

3.3 鹽分遷移方向

針對土柱10、30、50和70 cm高度處的鹽濃度變化值，探究鹽濃度與時間的關系，分析鹽分遷移方向試驗結果如圖11所示．

由圖11(a)可明顯看出：R-1柱10和30 cm處的鹽濃度呈先增后減的趨勢，50 cm處的鹽濃度呈波動增長的趨勢，70 cm處的鹽濃度緩慢增長；10 cm處的鹽濃度峰值為1 065 mg/L，峰值出現時間在6 d；30 cm處的鹽濃度峰值為1 440 mg/L，出現在14 d；30 cm處的鹽濃度在8 d 時超越了10 cm處，說明鹽分向上遷移．由圖11(b)可知：R-2柱10 cm處的鹽濃度峰值為564 mg/L，出現在4 d；30 cm處鹽濃度波動劇烈，波動范圍為100～300 mg/L；其余高度處的鹽濃度呈先增大、后減小、再增大的趨勢，鹽分遷移在15 d左右出現低谷．由圖11(c)可知：R-3柱各個高度處鹽濃度波動劇烈，整體呈逐漸增大的趨勢；且均在24 d后有所減小，說明鹽分遷移勢能在24 d時有所減小，導致鹽分遷移量逐漸減?。?/p>

由圖11(d)、(e)、(f)可以看出，鹽漬土供給源的3個土柱10和30 cm處的鹽濃度都是迅速增大再緩慢減小，再逐漸趨于平穩；T-1柱50和70 cm 處的鹽濃度基本沒有變化，T-2柱50 cm處鹽濃度有微弱的增大，說明該處鹽分向上遷移量很少；T-3柱50和70 cm處的鹽濃度緩慢增大，說明下部鹽分在不斷向上遷移．此外，通過測定底座中水的含鹽量可知其鹽濃度由初始時的0 mg/L 增至后期約10 000 mg/L，說明鹽漬土中的鹽分在較大濃度梯度作用下，不斷向底部水中遷移，其中鹽濃度梯度是其主要遷移動力．

綜上可知，鹽溶液供給源時，鹽分主要向上遷移；鹽漬土供給源時，鹽分大量向下遷移，少量向上遷移，且隨細粒含量增加遷移量增多；當非鹽漬土路基遇到礦化程度高的地下水位上升時，其礦物鹽會逐漸向路基上部遷移聚集，此時應在路基底部設置隔斷層，避免路基與礦物鹽溶液的直接接觸，或者控制路基填料的細粒含量．鹽漬土路基下地下水上升時，其鹽分會大量向下溶解，可通過控制細粒含量來控制水鹽遷移．

3.4 鹽分遷移速率

以鹽濃度測量值為對應高度處橫截面的鹽濃度，并且每個截面的面積相同，則認為截面的鹽分流量是相鄰兩次測量的結果之差，其與時間的比值可認為是其遷移速率的直觀表達，如下式所示，其結果如圖12所示．

vs=(Qn+1-Qn)/Δt

其中vs表示鹽濃度流速(mg·L-1·h-1)，Qn表示鹽濃度值(mg·L-1)，Δt表示時間(h)．

由圖12(a)可見：鹽溶液供給源10 cm處初始遷移速率最快的是R-1柱，其次是R-3柱和R-2柱，初始時刻遷移速率為正值，說明鹽分以遷入為主；在5 d開始，R-2柱和R-3柱的遷移速率首先出現負值，而R-1柱在7 d出現，此時鹽分主要以遷出為主；10 cm高度處前期遷移速率整體大于后期遷移速率，而R-3柱遷移速率呈正弦式波動，說明整個周期鹽分在不斷遷移．由圖12(b)可見：R-1柱30 cm處遷移速率波動性加大，大于10 cm處，說明R-1柱在此處遷移最為劇烈；R-2柱和R-3 柱的遷移速率波動性相同．由圖12(c)可見：50 cm處的遷移速率都有所減小，R-1柱在16～22 d時遷移速率有突增，其余土柱遷移速率波動性都較?。蓤D12(d)可見：70 cm處前期遷移速率都很小，R-1柱遷移速率幾乎不變，R-2柱和R-3 柱在16 d開始遷移速率有小范圍的升高．由圖12(a)、(b)、(c)和(d)可見：隨著高度的上升，遷移速率逐漸減??；R-1柱遷移速率的峰值隨高度增加有延后趨勢，其次波動性最小的為R-3柱．

由圖12(e)可以看出：T-1柱起始遷移速率為65.71 mg·L-1·h-1，T-2柱為102.21 mg·L-1·h-1，T-3柱為161.92 mg·L-1·h-1，可見其初始速率逐漸增大．由圖12(f)可見：30 cm處遷移速率在正負間交替波動，說明此處鹽分遷移在反復經歷一個遷移、補充、平衡的過程；遷移速率隨時間的增加逐漸減小，此時遷移速率變化波動最大的依舊是T-3柱．由圖12(g)和(h)可見：整體遷移速率明顯減小，遷移速率波動性最強的仍是T-3柱；高度增加時，T-3柱遷移速率峰值的出現也有延后趨勢．

綜上所述，隨著土柱高度的增加，整體遷移速率減小，鹽溶液供給源遷移速率出現峰值的延后趨勢越明顯；鹽溶液供給源時，遷移速率隨著細粒含量的增加先減小后增大；鹽漬土供給源時，遷移速率隨著細粒含量的增加而增大．

4 結 論

(1)短期內，鹽溶液供給源水分和鹽分遷移量隨著細粒含量的增加而減??；鹽漬土供給源隨著細粒含量的增加，水分遷移量逐漸減少，遷移高度增加，鹽分遷移量逐漸增大．

(2)長期內，鹽溶液供給源鹽分遷移量隨著細粒含量的增加而減??；而當鹽漬土為供給源時細粒含量越多，其鹽分遷移越劇烈，遷移高度越高，與短期規律一致．

(3)鹽溶液供給源鹽分遷移速率隨著細粒含量的增加先減小后增大，遷移速率最快的為10%細粒含量土柱，而鹽漬土供給源時，隨著細粒含量的增加其遷移速率逐漸增大，30%細粒含量土柱最顯著；隨著時間的增加，遷移速率逐漸減小并趨于平緩；土柱高度升高，整體遷移速率減小，鹽溶液供給源遷移速率出現峰值的時間逐漸延后．

(4)對于鹽分來源于含鹽地下水情況，提高填筑粗粒土的細粒含量可有效控制水鹽遷移；對于鹽分來源于鹽漬土情況，宜采用細粒含量較少的粗粒土進行填筑，可以有效阻止水鹽遷移．