李 玲， 李 爽， 艾贤臣

(新疆大学建筑工程学院， 乌鲁木齐 830047)

盐渍土作为一种特殊土质，在新疆地区分布十分广泛[1]。有学者对发生盐渍化病害土壤的成分、基本物理性质、化学性质和力学性质以及盐渍土作建筑地基填筑材料后工程特性展开了较为系统研究[2-3]。目前，盐渍土路基通常采用粗粒土换填方式处置。而在新疆特殊的气候环境及路面覆盖效应的影响下，盐渍土中的水盐持续迁移，使换填的非盐渍粗粒土路基发生次生盐渍化，进而导致路基在水-热-盐耦合作用下产生不协调变形及强度衰变，严重影响道路的使用性能。因此，针对路基填土易发生次生盐渍化问题，在不同的边界条件下，开展新疆盐渍土地区粗粒土水盐迁移时空特性的试验研究，对于揭示盐渍土路基病害的发生以及次生盐渍化的机理解析具有一定的指导意义。

另外，还有学者研究了蒸发、降雨、地下水埋深及矿化度条件等外界因素对水盐迁移的影响[24-26]。冬季土体中的水盐会向浅层土体或地表发生迁移，而春季在蒸发作用的驱使下盐分会在地表聚集。张堃[27]通过室内外试验，研究了不同地下水埋深及矿化度条件下的路基内水盐迁移及聚集规律，但并未考虑路基施工时所需压实度对水盐迁移的影响。李生伟[28]认为通过地基加固、固化剂加固和温度控制等措施能够阻断水盐迁移通道、减小温度对土体的干扰。张明亮等[29]认为水盐迁移会降低粉土和砾类土路基路用性能，但次生盐渍化对粉土路基路用性能的影响更大。田秋林[30]发现新疆地区路基含水量最大的时期为自然环境下蒸发量较小的4—6月。吴明洲等[31]研究了沿海滩涂淤泥质黏土的水盐迁移规律。Muyen等[32]研究了不同土质在高矿化度的地下水中的迁移规律。上述研究均未考虑粗粒土中细粒土含量的影响，对含盐土体中水盐迁移规律和变形机理研究具有局限性。

鉴于此，在已有研究成果的基础上，以新疆典粗粒土为研究对象，制备不同细粒土掺量的土样进行室内土柱试验，分析在不同压实度及不同水盐供给源条件下的水盐迁移时空分布特性，为构建盐渍土地区道路结构设计方法和预防路基次生盐渍化提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择新疆典型的粗粒土路基填料，其级配组成如表1所示。考虑细粒土掺量对水盐迁移的影响显著，故本文在典型的粗粒土样中分别掺配10%、20%和30%的细粒土(<0.075 mm)，其级配组成如图1所示。经过物性试验分别得出掺配10%、20%和30%细粒含量的粗粒土土样，其最大干密度(ρdmax)和最佳含水量(ωop)分别为2.29 g/cm3和5.8%，2.31 g/cm3和6.2%，2.23 g/cm3和7.8%。

表1 土样颗粒含量

图1 试验土样级配曲线

1.2 试验方案

为考虑不同盐分供给源和不同密实状态的工况，采用φ200 mm的聚氯乙烯(PVC)组成试验系统，该试验系统高度800 mm，管壁沿高度每100 mm钻三个φ5 mm的传感器插入孔，监测土柱不同高度处的水盐状况；此外还有底座，底座上每20 mm钻φ5 mm的水盐渗流孔，具体如图2所示。为模拟覆盖效应影响，顶部用塑料袋封口，防止水分蒸发。传感器选用NH148土壤传感器，依据土壤水分故障检测率(FDR)方法及土壤电导率交流桥法，在数据监测过程中，将传感器的探针部分全部插入土柱中不同高度处的预留孔中，其能够通过测量介电常数反映土壤的真实水分含量，再通过测定其电导率和温度求得盐度，温度测量精度为±0.5 ℃，湿度测量精度为±2%，盐分测量精度为±3 mg/L。数据可自动采集、记录。

图2 试验装置局部示意图

考虑到新疆氯盐盐渍土分布广泛，故本研究选择氯化钠分析纯试剂，配置氯盐溶液和氯盐渍土。试验温度控制为25 ℃，初始含水率则取各土样的最优含水率。试样的密实度则根据土质路基施工压实度标准[33]，分别为94%和96%。

盐渍土地区路基发生次生盐渍化的过程主要表现为两种现象：一是地下水埋深较浅且矿化程度较高，毛细作用剧烈，水盐受环境影响下的自下而上迁移，逐渐导致上部非盐渍土盐渍化；二是不含盐地下水向上迁移，经过盐渍土区域，携带盐分迁移至上部路基。基于此，本研究设计盐溶液供给源与盐渍土供给源两种工况，具体为：①土柱为不含盐的素土，而底座中加浓度为30 g/L的氯化钠溶液，形成盐溶液供给源；②土柱下部40 cm装填人工配置浓度为4%的氯化钠盐渍土，上部则为不含盐的素土，此时底座中加纯水， 形成盐渍土供给源。按照此工况，设计土柱实验，具体如表2所示。

表2 试验工况

按照上述工况组合，共有12种工况土柱，各土柱分层装入PVC管中。为达到预设压实度，分层装填高度5 cm，利用标准击实锤进行击实，以保证压实的均匀性，每层填筑土体质量可通过式(1)计算，不同压实度加入的土体质量不同，通过测量每层击实后到顶部的距离来控制每层的压实度。由于土柱制作、环境控制、水盐控制是严格按照研究方案执行，水盐迁移的峰值稍有差异，但总体规律没有较大偏差，故每个工况仅有一个土柱试件。装填完成后，从监测孔监测土柱不同高度处水盐含量，并作为初始状态。然后根据设定的水盐供给源类型，在底座中加盐溶液或纯水，使液面没过进水孔2 cm，并在底座上覆盖保鲜膜抑制水分蒸发，控制水位保持不变。考虑到水盐迁移的速度，采集频率为12 h。

m=ρVK=ρd(1+0.01ω)VK

(1)

式(1)中：m为分层土体质量，g；ρ为土样湿密度，g/cm3；V为分层土柱体积，cm3；K为压实度，%；ρd为土样最大干密度，g/cm3；ω为土样含水量，%。

由于传感器所测含水率为体积含水率，体积含水率与质量含水率之间的关系如式(2)所示，由此可进行转换。

(2)

式(2)中：θω为体积含水率，%；ρd为土的干密度，g/cm3；ρw为4 ℃时水的密度，ρw=1 g/cm3；ω为质量含水率，%；ρdmax为土的最大干密度，g/cm3。

2 结果与分析

2.1 盐溶液供给源下的水盐迁移分析

对距离土柱底部不同高度处土体水分、盐分含量的测量结果进行分析，探究在盐溶液供给源下细粒土含量和压实度对粗粒土水盐迁移的影响，选择A-1、B-1、C-1、A-2、B-2和C-2土柱为研究对象，并采集18 d的实验数据，结果如图3、图4所示。

图3 压实度为94%的水盐空间分布特性

图4 压实度为96%的水盐空间分布特性

2.1.1 细粒掺量对粗粒土水盐迁移的影响

细粒土作为粗粒骨架的填充材料，由于改善填料的空隙特性，进而对水盐的迁移速度和特性显著影响。

由图3可知：在压实度为94%及盐溶液供给条件下， 40 cm以下A-1、B-1及C-1土柱的水盐迁移均较显著，且C-1土柱在40 cm以下质量含水率为46.8%，换算后已达到饱和状态；而在40 cm以上，较下部土柱内水盐迁移明显减缓。在水盐迁移范围内，随着细粒土掺量从10%增至30%，总体来讲C-1土柱水盐含量最大，其次是A-1号土柱，而B-1土柱则最小，说明细粒土含量对水盐迁移影响较显著水盐迁移过程的发生，究其原因主要是随着细粒土含量增加孔隙率不断减小由此引起水盐迁移阻力也增加，但随着细粒土含量继续增加，尽管空隙率继续减小，但细粒土含量增加对水盐的基质吸力影响更显著，进而出现上述水盐迁移规律。

由图4可知：在压实度为96%及盐溶液供给源条件下， A-2号土柱水盐含量几乎没有变化，说明没有迁移；随着细粒土含量的增加，土柱水盐迁移趋势逐渐增强，其中C-2号土柱的水盐迁移趋势最显著。C-2土柱在40 cm以下依然湿度处于饱和状态；在20～40 cm范围内盐浓度几乎没有变，可认为是盐分积聚；在40～50 cm范围内出现较大的盐浓度梯度，说明水盐迁移量很小，逐渐出现迁移衰减。

2.1.2 压实度对粗粒土水盐迁移的影响

对比图3和图4可知：当细粒土掺配量为10%时，A-1土柱的水盐迁移水平较A-2土柱显著，且A-2号土柱的水盐几乎没有迁移，说明细粒土含量较少时，增加压实度能够有效抑制水盐迁移现象；当细粒土掺量为20%时，水盐含量均发生明显变化，B-2土柱较B-1号土柱的水盐迁移显著，说明压实度越高，水盐迁移越剧烈；当细粒土掺量为30%时，C-2土柱的水盐迁移水平依然较C-1土柱的显著，这说明细粒土含量增加后降低压实度可减小水盐迁移。

2.2 盐渍土供给源下的水盐迁移分析

为探究盐渍土供给源下的细粒土含量和压实度对粗粒土水盐迁移的影响，选用细粒土掺配量分别为10%、20%和30%，压实度分别为94%和96%的A-3、B-3、C-3、A-4、B-4和C-4工况土柱为研究对象，试验结果如图5、图6所示。试验数据为18 d的监测结果。

2.2.1 细粒土含量对粗粒土水盐迁移的影响

由图5可知：在压实度为94%及盐渍土供给源条件下，30%细粒土掺配的C-3柱土水盐迁移显著高于20%和10%细粒土掺配量的B-3和A-3土柱，说明细粒土含量对水盐迁移影响显著；就C-3土柱而言，在50 cm以湿度基本达到饱和状态；而A-3土柱水盐含量总体较小，且沿深度变化不明显；B-3土柱则在50 cm以下水盐含量变化显著，这说明了随细粒土掺配量增加，盐渍土供给源的水盐迁移越显著。

图5 压实度为94%的水盐空间分布特性

由图6可知：当土柱压实度为96%时，A-4土柱水盐含量沿高度出现了波动，这说明土体中的水盐发生迁移现象，但总体迁移不显著。而B-4号土柱水盐在40 cm以下迁移速率较快，在40 cm以上迁移较微弱；C-4土柱的水盐迁移出现了显著的波动性，说明水盐是分阶段迁移-集聚-再迁移的运移模式。究其原因主要是由于随着土柱高度的增加，盐分向上迁移的能力逐渐削弱随着下部水盐迁移使水盐势能增加后则继续向上迁移，致使该位置水盐势能降低，从而形成了波动显著的水盐含量分布特征。

2.2.2 压实度对粗粒土水盐迁移的影响

由图5和图6对比分析可知：当粗粒土中的细粒土掺配量为10%时，A-4土柱水盐迁移较A-3土柱显著，由此说明，当细粒土掺配量为20%时，40 cm以下B-4土柱水盐梯度分布明显高于B-3土柱。当细粒土掺配量为30%时，C-3和C-4土柱的水盐含量沿深度分布特性基本一致，只是C-3土柱在相同深度处的水盐含量略高于C-4号土柱，即压实度越大，水盐含量越小。说明细粒土含量较多时，压实度的增加会抑制盐渍土供给源下的水盐迁移。

图6 压实度为96%的水盐空间分布特性

2.3 不同供给源下的粗粒土水盐迁移分析

为探究不同供给源下的粗粒土水盐迁移特性，选用压实度为96%的两种供给源影响下的细粒土掺量为10%、20%和30%的A-2和A-4土柱、B-2和B-4土柱、C-2和C-4土柱展开研究。通过在各土柱的10、40和70 cm处的水盐实时监测统计数据分析，绘制水盐迁移时程曲线，如图7～图9所示。

图7 细粒土掺量为10%的土柱水盐时程分布特性

图8 细粒土掺量为20%的土柱水盐时程分布特性

图9 细粒土掺量为30%的土柱水盐时程分布特性

由图7可知，当细粒土掺量为10%时，不同水盐供给源条件下的水盐时程分布不同。A-2土柱在三个高度处，水盐时程曲线总体较平缓，说明水盐迁移几乎未发生。而A-4土柱水盐时程曲线波动显著，总体规律为：湿度和盐分变化趋势具有一致性；10 cm高度处的湿度和盐分浓度总体水平最高；尽管40 cm和70 cm处的湿度和盐分含量的峰值比较接近，但水盐时程曲线的波动形态大不相同， 40 cm高度处水盐含量分布波动剧烈，这是由于不断的水盐向上迁移和不断的下部水盐补给所造成的。而在5～10 d时间段内10 cm处的高含水率25%左右，而盐浓度为800～1 600 mg/L，均为最显著水平。70 cm处的水盐含量从2 d开始急剧增加，在5 d达到最大值，随后迅速下降，到8 d就维持在较低的水平。

由图8可知：当细粒土掺量为20%时，两种供给源条件下各土柱在不同高度处的水盐均开始迁移；B-4土柱在70 cm处水盐含量低于B-2土柱，由此说明B-2土柱的水盐迁移现象显著，故而造成水盐在土柱顶部的含量显著增加。但二者的盐浓度时程曲线总体较平缓，而湿度时程曲线则相对波动性较大；在10 cm和40 cm处B-4土柱的水盐含量均高于B-2土柱，且B-4土柱在10 cm处湿度已达饱和状态，水分不发生迁移，但盐分仍在迁移。

由图9可知：当细粒土掺量为30%时，两种水盐在土柱10 cm高度处，C-2号土柱与C-4号土柱水盐时程曲线的波动形态与量值几乎一致，且湿度在1 d内均达到了饱和状态，盐浓度也在1 d内迅速增至峰值，且峰值相差不大，总体呈现先增长后减小的趋势特征。在40 cm处，两土柱的湿度都达到了饱和状态，但C-4土柱先达到饱和，这说明纯水较盐溶液在土体中迁移速度快；就盐浓度而言，C-4土柱较C-2土柱不仅峰值高且波动也显著，这是由于C-2土柱的水盐是从外界进入土柱底部而后逐渐开始迁移，故而盐分时程曲线波动较小。而C-4号土柱下部40 cm范围内是盐渍土，盐分供给源较近，且由于盐分致使纯水迁移更加迅速，因此快速的水分迁移携带盐分迁移，致使上部盐含量增加较显著，而下部盐含量逐渐减小，供给能力下降，因此盐分时程曲线波动显著。在土柱70 cm处，水盐含量较10 cm和40 cm处显著降低，但C-4土柱水盐含量较C-2略高，说明盐渍土供给源下水分迁移高度更高，进而携带更多盐分向上迁移。

综上所述，供给源不同，水盐迁移有所不同，盐分迁移水平很大程度上取决于水分迁移水平；在相同工况条件下，就黏滞性纯水低于盐溶液，同时受到盐分梯度影响，故而纯水在盐渍土和素土中的迁移能力总体高于盐溶液在素土中的迁移能力；此外，细粒土含量也显著影响水盐迁移能力。

3 结论

(1)总体来说，水、盐迁移趋势具有一致性，盐分迁移水平取决于水分迁移水平；当土体湿度处于饱和状态时，盐分依然会发生迁移；纯水在土中的迁移速度大于盐溶液的迁移速度；水盐迁移速率随时间的变化呈先快后慢的趋势。

(2)盐溶液供给源下的水盐迁移速率较小，但迁移高度较高；细粒土含量越多，水盐迁移越剧烈；压实度越高，细粒土含量对水盐迁移的影响越显著。当细粒土含量为10%时，压实度的增大使得水盐迁移高度增加；而当细粒土含量为20%和30%时，压实度提高增加了底部的水盐含量，但有效地抑制了水盐迁移的高度。

(3)盐渍土供给源下的受纯水补给，水盐前期迁移速率较大，但后期迁移速率有所减小；细粒土含量越多，水盐迁移越剧烈，但压实度为96%时60 cm以上细粒土含量越少，水盐迁移越剧烈。当细粒土含量为10%时，压实度的增加促进水盐迁移过程；当细粒土含量为20%和30%时，压实度的增加反而抑制水盐迁移过程。

(4)明确粗粒土中细粒土含量与压实度在不同水盐供给源条件下的水盐迁移特性对于盐渍土地区路基结构设计十分重要，研究成果可应用于新疆盐渍土地区的路基结构设计中，为其提供理论依据和技术支持。