亞硫酸鹽漬土各凍融周期鹽-凍脹規律試驗研究

潘 蕾， 張遠芳， 陳敬知， 張運海

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

鹽漬土是指含鹽量達到一定數量的鹽、堿化土的統稱。與非鹽漬土相比，鹽漬土除固、液、氣三相外還存在固液相可相互轉換的易溶鹽[1]，或可稱之為四相體，且易溶鹽的成分繁多、含量各異，導致鹽漬土具有極復雜的工程特性。

對于硫酸類鹽漬土的鹽脹規律和機理方面Blaser等[2]、Nixon等[3]最早進行了研究，認為芒硝(Na2SO4·10H2O)是引起材料體積膨脹的主要原因。我國對鹽漬土的病害防治研究開始于20世紀50年代，石兆旭等[4]初步研究了硫酸鹽漬土鹽脹率與干密度、含水率、含鹽量的關系；鄧友生等[5]指出鹽溶液需具有一定的濃度是鹽脹的前提條件；高江平等[6]對硫酸鹽漬土鹽脹的影響因素做了交互作用分析。

近年來，牛璽榮等[7]建立了硫酸鹽漬土體積變化關系式；文桃等[8]探討了硫酸鈉鹽漬土的擊實特性和壓實度評價方法；萬旭升等[9]對硫酸鈉溶液和鹽漬土的凍結溫度和晶體析出做出了試驗研究；王寧等[10]通過室內凍脹實驗探討了含水率、壓實度、含鹽量對鹽漬土凍脹規律的影響。新疆地區的鹽漬土研究方面，王海濤等[11]、石群等[12]對羅布泊、艾丁湖地區的天然鹽漬土進行了鹽-凍脹及水鹽運移等研究；包衛星等[13-14]探究了喀什等地區公路工程的天然鹽漬土在凍融循環條件下的鹽脹、水鹽運移、強度變化規律。但鹽漬土的工程特性即使在同一區域也存在較大的差異性，且對不同條件下的鹽-凍脹增長速率和凍融循環各周期的變化規律分析較少。本文針對新疆羅布泊地區的天然亞硫酸鹽漬土進行鹽-凍脹試驗，研究在多次凍融循環條件下，初始含水率和初始干密度對鹽-凍脹特性的影響及相互作用關系，為羅布泊地區基礎設施的鹽漬土病害防治提供一定依據。

2 試驗方法與方案

2.1 試驗方法

2016年6月對羅布泊地區省道S235沿線K532處天然鹽漬土進行了取樣分析，在此基礎上選擇深度0.5 m處土體取樣作為本次試驗研究對象。試驗模擬了自然界冬季至回暖時期的凍融循環過程，考慮到羅布泊地區冬季平均氣溫，將試驗土樣放置于設定溫度為-20℃的冰箱中模擬寒凍季節的氣候環境；在溫控空調的調節下，設定室內恒定溫度為20℃模擬回暖升溫時的氣候環境，經反復試驗證明在上述環境中各歷經12 h后土體可達到完全的凍結與融化。

為保證土樣的均勻性減少含水率和密度的誤差，將充分拌和的土料置于塑料袋內悶樣24 h成型，試驗按照《土工試驗方法標準》[15]采用輕型擊實法，土樣共分3層采用單向分層法擊實制備試樣。試驗裝置如圖1所示，試驗儀器采用標準固結儀中的金屬盒部件作為一個密封環境且不設補水裝置，依次放入透水石、濾紙、環刀、大孔洞有機玻璃板及百分表，為消除邊界效應造成的誤差，于玻璃板內壁涂抹凡士林減小摩擦作用。

圖1 試驗裝置示意圖

2.2 試驗方案

為研究羅布泊地區鹽漬土在多年季節性凍融環境下的鹽凍脹規律，試驗設定共計7個凍融循環周期，單次凍融循環周期設定為48 h，降溫和升溫各24 h，在每次凍融循環周期結束后，觀察并記錄百分表的示數作為試驗數據。為研究鹽-凍脹各凍融循環周期內的影響因素，采用控制初始含水率和干密度的方法進行試驗，共計12組試驗，參數設定及分組如表1所示。

表1 試驗分組

2.3 試驗土體的基本性質

對試驗地不同地點及深度的土樣進行分析，發現當取土地點、深度發生很小變化時，鹽漬土的基本物理性質都會發生改變。本次試驗土樣為埋深0.5 m處的亞硫酸鹽漬土，土樣參數及易溶鹽離子含量如表2、3所示。

3 含水率對鹽-凍脹的影響分析

試驗采用凍融循環的方法模擬鹽漬土的鹽-凍脹過程，經前人試驗證明凍融循環7周期后鹽漬土的鹽-凍脹作用已趨于平緩，故設計7個凍融循環周期，記錄每個周期凍融循環結束后的累計鹽-凍脹率作為原始試驗數據。

3.1 累計鹽-凍脹率變化規律分析

圖2為干密度分組下不同含水率的鹽-凍脹累計曲線。由圖2可以看出，在含水率等差變化下鹽-凍脹率曲線的間距相近，可以直觀地看出在控制相同壓實度條件下含水率與鹽-凍脹率呈正相關的近似線性關系，土體含水率由10%增大到19%，其累計鹽-凍脹率可由最小3.23%上升至最大8.42%，鹽-凍脹率大幅增加。分析原因，土體發生鹽-凍脹現象主要是由于在超低溫環境下易溶鹽晶體的析出和冰晶體的形成導致粒間孔隙增加，故鹽-凍脹率的大小與易溶鹽含量和含水率有密切的關系，這與很多學者得出的結論一致，證明羅布泊地區亞硫酸鹽漬土具有普遍的鹽-凍脹特性。

表2 試驗土樣參數

表3 試驗土樣易溶鹽離子含量

圖2 干密度分組下不同含水率的鹽-凍脹累計曲線

表4為干密度分組下不同含水率7周期后的累計鹽-凍脹率比值。如表4所示當控制干密度為1.50和1.70 g/cm3時，鹽-凍脹率與含水率呈較好的線性關系：含水率等差遞增時，對應的鹽-凍脹率比值在1.35～1.38之間，幾乎沒有發生變化。但當控制干密度為1.60 g/cm3的分組時，鹽-凍脹率隨含水率出現了一些波動性的變化：如表5所示，含水率從10%上升到19%的過程中累計鹽-凍脹率比值分別為1.43、1.27和1.26，可以看出在初始干密度1.60 g/cm3下，含水率的增長對鹽-凍脹的作用效果呈減弱趨勢。

張莎莎等[16]對硫酸類鹽漬土的微觀研究發現，硫酸類鹽漬土的鹽結晶體以包裹土顆粒的形式存在，填補了粒間孔隙。故分析在控制密度1.60 g/cm3時出現鹽-凍脹增長速率變緩的原因：土體內部的孔隙結構容納了一部分的鹽結晶體或冰晶體，體積膨脹量相對減小，鹽-凍脹宏觀上表現為增長速率減弱。而密度過大(1.70 g/cm3)土體過于密實孔隙結構不足，或密度過小(1.50 g/cm3)土體結構相對疏松孔隙易膨脹，則不會表現出鹽-凍脹率增長速率變緩的現象。天然亞硫酸鹽漬土在某一干密度下，土體的內部結構性會影響含水率對鹽-凍脹的作用效果。相應的王寧等[11]同樣指出同一壓實度下，存在一界限含水率會影響其凍脹量和凍縮量。

3.2 各周期鹽-凍脹率變化規律分析

圖3所示為干密度分組下各凍融周期的鹽-凍脹曲線。由圖3可知，無論含水率和干密度如何改變，在單次凍融周期內的最大鹽-凍脹率總是發生在第4周期。

表4 干密度分組下7周期后的累計鹽-凍脹率(%)

表5 干密度分組下7周期后的累計鹽-凍脹率比值

如圖3所示，在前4次凍融循環周期內各周期的鹽-凍脹率總體呈增加的趨勢，在第4凍融周期達到峰值后開始下降，說明在前4周期內土體的鹽-凍脹處于發展期。這主要是因為在前4周期內，溶陷作用比鹽-凍脹作用效果弱，土體孔隙率增大結構性降低，部分大孔隙結構形成，較為疏松的土體結構為下一凍融周期的鹽-凍脹提供了有利的內部環境，如圖4(a)凍融循環過程中土樣內部微觀形態所示；當再次進入低溫環境時，鹽結晶體析出(主要成份為Na2SO4·10H2O)加之冰晶體低溫下重新生成，在有利的內部環境下，鹽-凍脹率隨之提高并形成一個鹽-凍脹發展的惡性循環過程。直到第四周期凍融循環結束時，土體內部的鹽結晶體在持續析出作用下，鹽溶液濃度降低鹽結晶體析出數量開始變少、速率減緩，此外土體內部結構達到一定的臨界點，溶陷時滑落的土顆粒和累計析出的鹽結晶體起到了填補大孔隙的作用，形成了不利于鹽-凍脹再次發生的內部環境，因而在第4凍融周期后各周期內的鹽-凍脹率開始降低，如圖4(b)所示。

圖3 干密度分組下不同含水率的各凍融周期鹽-凍脹曲線

圖4 凍融循環過程中土樣內部微觀形態

4 干密度對鹽-凍脹的影響分析

4.1 累計鹽-凍脹率變化規律分析

圖5為含水率分組下不同干密度的鹽-凍脹累計曲線，可以看出當干密度控制在1.60 g/cm3時，無論含水率如何變化，其鹽-凍脹率始終大于其余兩組，表現出了在某一干密度下鹽-凍脹率增大的特殊性。可以初步認為，在設定試驗密度下證明了羅布泊亞硫酸鹽漬土存在某一最易發生鹽-凍脹的初始干密度。

如圖5所示，干密度1.50、1.70 g/cm3兩組的累計鹽-凍脹率在含水率為10%和13%時近似相同，差值為0.1%左右；當含水率上升至16%和19%時，干密度1.50 g/cm3的工況表現出鹽-凍脹率增長速度加快，說明當干密度較低時，含水率大幅增加對鹽-凍脹的增強作用顯著，相對地在土體密實情況下，含水率的增加對鹽-凍脹作用并無顯著影響。

4.2 各周期鹽-凍脹率變化規律分析

圖6為含水率分組下不同干密度的各凍融周期的鹽-凍脹率曲線。

圖5 含水率分組下不同干密度的鹽-凍脹累計曲線

圖6 含水率分組下不同干密度的各凍融周期鹽-凍脹曲線

圖6中的各曲線表現出不同程度的交叉關系，且曲線貼合較為緊密，說明相比含水率，干密度的變化對亞硫酸鹽漬土的鹽-凍脹率影響相對較小，且含水率分組下當土體達到最大干密度1.7 g/cm3時，各凍融周期鹽-凍脹曲線的波動幅度和頻率都有較大提升。這是由于土體密實度增加，鹽-凍脹作用在改變土體的孔隙、結構時所需的能量增加，各周期的鹽-凍脹率表現出波動性的變化。

如圖6所示，在第2次凍融循環周期時鹽-凍脹率增長速度整體減緩，而在第3、第4凍融循環周期時，鹽-凍脹率又呈現較大的增長速度。分析原因，首先第3、4周期時鹽-凍脹率大幅提高，說明鹽溶液濃度在前四周期是充足的；其次雖然在第2周期時鹽-凍脹率增長速度減緩，但總體仍保持上升的趨勢，因此可以認為在第1、第2周期時土體鹽-凍脹所處環境近似相同，即土體內部結構未發生明顯的變化，鹽溶液濃度足以維持一個均勻的結晶析出速度。由于第1、2周期的凍融循環作用使土體密度減小、結構性降低，土體抵抗鹽-凍脹力的能力削弱，當進入第3、4次凍融循環周期后，鹽-凍脹率增長速度大幅提升，土體結構性的損傷是前期鹽-凍脹增長速度提升的主要原因。

隨含水率的增加，上述第2次凍融循環周期時鹽-凍脹率的增長速度降低的規律表現越明顯。含水率較高時，土體中的自由水較多且以液相存在的易溶鹽含量增多，在第1次凍融周期時鹽-凍脹作用已較明顯(初期鹽-凍脹率較大)，故初期土體結構性的損傷較嚴重，大孔隙相繼出現。當進入第2次凍融循環周期時，土中的大孔隙容納了一部分重生成的冰晶體與析出的鹽晶體，導致鹽-凍脹增長速度減緩，且隨含水率的增大而表現愈明顯。

5 結論與展望

(1)亞硫酸鹽漬土各周期的鹽-凍脹率為先增后減的二次函數形狀。在持續的析出作用下土體內部結構達到一定的臨界點，大孔隙被部分填充，形成了不利于鹽-凍脹發展的內部環境，表現為在第4次凍融周期后各周期鹽-凍脹率開始降低。

(2)前4周期鹽-凍脹率的增長呈先減速后加速趨勢，且隨含水率的增大表現明顯，土體結構性損傷是前期鹽-凍脹速率提升的主要原因。隨土體干密度的增加，鹽-凍脹作用在改變土體的孔隙和結構時所需的能量增加，各周期的鹽-凍脹率表現為波動性的變化，表明亞硫酸鹽漬土各凍融周期的鹽-凍脹率與各周期土體所呈現的結構狀態有密切關系。

(3)含水率與干密度對鹽-凍脹的影響是相互促進、相互制約的過程：隨含水率的增大，鹽-凍脹對干密度的敏感性增強；相應地干密度決定了土體結構性，在特定干密度下含水率對鹽-凍脹的影響效果也會發生變化。故在后續天然鹽漬土的試驗研究中，各因素之間的交叉耦合作用還有待進一步拓展。

[1] 徐攸在.鹽漬土地基[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1993.

[2]BLASERHD，SCHEREROJ.Simultaneoustransportofsolutesandwaterundertransientunsaturatedflowconditions[J].WaterResourcesResearch, 1973,9(4):975-986.

[3]NIXONJF，LEMG.Creepandstrengthtestingoffrozensalinefinegrainedsoils[J].CanadianGeotechnicalJournal,1984,21(3):518-529.

[4] 石兆旭,李 斌,金應春.硫酸鹽漬土膨脹規律及影響因素的試驗分析[J].西安公路學院學報,1994，14(2):15-21.

[5] 鄧友生,周成林.硫酸鈉溶液的鹽脹與凍脹[J].冰川凍土,2009,31(5):920-924.

[6] 高江平,吳家惠,楊榮尚.硫酸鹽漬土鹽脹特性各影響因素間交互作用規律的分析[J].中國公路學報,1997,10(1):10-15.

[7] 牛璽榮,高江平.綜合考慮鹽脹和凍脹時硫酸鹽漬土體積變化關系式的建立[J].巖土工程學報,2015,37(4):755-760.

[8] 文 桃,米海珍,馬連生,等.硫酸鈉鹽漬土擊實特性與壓實度評價試驗研究[J].巖土力學,2016,36(12):3455-3462+3471.

[9] 萬旭升,賴遠明.硫酸鈉溶液和硫酸鈉鹽漬土的凍結溫度及鹽晶析出試驗研究[J].巖土工程學報,2013,35(11):2090-2096.

[10] 王 寧,王 清,霍珍生,等.鹽分與壓實度對鹽漬土起始凍脹含水率的影響[J].工程地質學報,2016,24(5):951-958.

[11] 王海濤,張遠芳,成 峰,等.凍融循環作用下鹽漬土抗剪強度變化規律研究[J].地下空間與工程學報,2016,12(5):1271-1276.

[12] 石 群,張遠芳,李 炎,等.羅布泊天然鹽漬土凍融循環條件下水鹽遷移規律[J].工程勘察,2016,44(4):1-4+10.

[13] 包衛星,李志農.喀什地區不同鹽漬土凍融變形特性試驗[J].長安大學學報(自然科學版),2008,28(2):26-30.

[14] 包衛星,楊曉華,謝永利.天然鹽漬土凍融循環時水鹽遷移規律及強度變化試驗研究[J].工程地質學報,2006,14(3):380-385.

[15] 中華人民共和國交通部公路科學研究院.JTGE40-2007 公路土工試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2007.

[16] 張莎莎,謝永利,楊曉華,等.典型天然粗粒鹽漬土鹽脹微觀機制分析[J].巖土力學,2010,31(1):123-127.