大溫差荒漠區路面拱脹及路基鹽分遷移規律研究

張夢媛,王選倉，丁龍亭，趙 倫，宋 亮

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530012；3.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引言

近年來，在新疆、內蒙、甘肅等地不同程度地出現了水泥穩定基層拱脹現象[1-3]。尤其是新疆南部地區很多道路在建成通車進入運營期后(1～2年)，相繼出現了瀝青路面拱脹病害，橫穿整個路面，且分布有規律可循，嚴重影響了道路使用性能，大大降低了行車安全性，提高了養護成本[4-5]。

國外瀝青路面結構多采用柔性基層，很少選用半剛性基層，對于半剛性基層的研究主要是防治收縮裂縫方面[6]，半剛性基層瀝青路面拱脹病害現象鮮有出現和研究。美國阿肯色州對水泥混凝土路面拱起研究中[7]，提出結構層的溫度及濕度狀況對路面拱起影響程度較大，路基細粒土含量高，塑性指數大且透水性良好的路面容易發生路面拱起現象。水泥穩定基層瀝青路面拱脹病害是近幾年在中國西北部出現的一種新的病害類型，影響日益顯著，中國很多學者對拱脹病害的成因做了詳細的研究。長安大學王軍偉[8]調研了內蒙古地區病害路面拱起開裂狀況，實地監測了路面結構溫度分布規律，對地表水及路基土的易溶鹽含量進行了取樣監測，通過對比路基鹽脹的主要病害特征，提出拱起開裂是由當地高溫氣候條件引起的；宋亮[9]等人從水泥穩定基層材料入手，通過探究材料的膨脹系數和滲透系數研究水泥穩定類材料的膨脹性，并通過電鏡掃描詳細觀察了鹽分在水泥穩定類材料內部結晶膨脹的微觀形態；王智遠[10]等人基于彈性力學理論，構建了路面結構在路基鹽脹作用及其自重影響下隆起變形的撓度方程，得到了不引起路面結構層結構性破壞所能承受的臨界隆起高度和臨界鹽脹作用。總而言之，前人研究重點多集中在水泥穩定基層內部鹽分對基層拱脹的影響，然而有兩個問題有待解決：(1)水泥穩定基層中的鹽分來自哪里;(2)是否能阻斷鹽分遷移通道，防止鹽分遷移至基層底部，從而避免鹽分對路面拱脹病害的影響。

目前，鹽分對半剛性基層拱脹的影響還存在爭議，但是國內學者對鹽漬土的研究較為廣泛。高江平、包衛星等人[11-13]結合室內試驗及理論分析系統研究了鹽漬土鹽脹、凍脹特性，得到了不同因素對鹽漬土膨脹率的影響規律。趙天宇[14]理論研究分析了含氯硫酸鹽鹽漬土鹽脹量，得到含水量及含鹽量對鹽脹量影響均呈現先增后減的規律。胡建榮等人[15]結合風積沙路基實際病害路段對水分鹽分分布規律進行了研究。通過室內模擬試驗，水鹽場分布規律呈現“對勾狀”。

本研究一方面通過對病害路段現場調查與檢測，探究路面結構層內部鹽的種類及含量，確定基層拱脹與路基內含鹽量及水-鹽遷移之間的關系；另一方面，通過現場實際狀況設計路基鹽分遷移室內試驗模型及方案，得到溫度梯度、鹽分梯度、含水量、土體顆粒組成以及壓實度對路基填料內部水-鹽遷移的影響規律，并從阻隔鹽分遷移的角度出發提出最佳鹽分阻隔方案。

1 材料及試驗方法

1.1 實地調查

新疆地域遼闊，占我國陸地面積1/6，屬溫帶大陸性氣候。年日照時間達2 500～3 500 h，年平均降水量為150 mm，氣候干燥。同時，由于地域遼闊，新疆不同區域溫度差異較大。此外，新疆地區晝夜溫差大，許多地區最大晝夜溫差可達20～25 ℃。依據《新疆公路瀝青路面設計指導手冊》，新疆地區可以分為4個一級氣候分區、15個二級氣候分區。依據現有新疆地區水泥穩定基層拱脹病害報告，此類病害基本上分布在一級分區“高低溫過渡區(Ⅲ)”中的“塔里木盆地西北部及南緣區(Ⅲ2)”，中國最大的沙漠——塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地，周邊環境是典型的西北荒漠區，因此首先在該分區內選取有代表性的路段進行現場勘探研究，具體勘察項目詳見表1。

表1 水泥穩定基層拱脹病害調查路段

為了詳細調查該地區病害發生規律及產生原因，收集并統計了病害路段拱脹總數量、拱脹高度以及寬度、每公里平均拱脹數量等基本信息。同時，選取11處典型病害位置以及6處非病害位置，對路面上、中、下面層和基層、底基層逐層切割、挖探，探坑面積大小約為1.5 m×0.8 m，探坑挖至路床頂部，并對各結構層所取填料進行顆粒篩分以及易溶鹽含量檢測等試驗。

1.2 室內試驗

1.2.1 原材料

試驗用土樣根據新疆地區實際道路路基填料特點進行配制，典型顆粒組成為表2中的級配1，選取其余3種級配進行對比試驗。土樣配制前進行洗鹽處理，完成后將土樣置于105 ℃的烘箱內放置不少于8 h，完全烘干后進行配比。

表2 不同土樣的顆粒組成

依據土工試驗規程中重型擊實試驗得到級配1的擊實曲線，如圖1所示。風積沙填料的擊實曲線異于一般土類，其最大干密度存在兩個值，表現出風積沙特有的“雙峰”特性。基于最大干密度穩定性原則[16]，級配1最佳含水率取13.2%，對應最大干密度為1.90 g/cm3。其余級配類型的最佳含水率與最大干密度同樣由重型擊實試驗得到，結果如表3所示。

圖1 路基土樣擊實曲線(級配1)

表3 不同顆粒組成土樣試驗參數

1.2.2 試驗設備

室內試驗模擬系統主要由自動檢測系統、凍融循環系統及亞加力試驗箱組成。其中自動檢測系統采用的是農業土壤領域應用較多的土壤墑情速測儀(HM-S8)，該系統可實時監測土體中的溫度、含水率及含鹽量(主要原理是電磁波傳播反射原理測得介電常數和電導率，進而換算為含水率和含鹽量)；凍融循環系統即采用加熱制冷設備模擬路面內部溫度的變化；試驗箱尺寸149 mm×120 mm×450 mm，分別在距頂面50，150，250 mm及350 mm位置預留傳感器孔，箱體壁厚1.5 cm，使用導熱性較差的玻璃材料制成，隔絕外界環境中的熱量，箱體頂面采用打孔的合成樹脂薄膜覆蓋。為了更加精確地得到試驗規律，在關鍵時間節點采用EDTA間接配位滴定法，配合土壤墑情速測儀進行硫酸根離子的平行試驗。

1.2.3 試驗方法

為了得到溫度梯度和鹽分梯度作用下路基填料水鹽遷移規律，以及含水量、顆粒組成、壓實度等關鍵因素對水-鹽遷移的影響規律，本研究設計了5種試驗方案，每種試驗方案取5組平行試驗結果進行分析，具體內容如下：

(1)方案1(溫度梯度試驗)：為模擬路基次生鹽漬化過程，下層10 cm鹽漬土填料硫酸鹽含量配制到2.0%，10 cm以上為非鹽漬土，填料硫酸鹽為0.25%，壓實度依據路基施工技術規范取95%，土樣顆粒組成選擇級配1。研究溫度變化條件在-5～60 ℃ 范圍內的鹽分遷移規律。

(2)方案2(鹽分梯度試驗)：按照從上到下初始狀態為“非鹽漬土-鹽漬土”原則，配制鹽分梯度為“0.0%～0.15%～0.25%～0.5%～2.0%”，壓實度為95%，土樣顆粒組成選擇級配1。其他試驗條件不變，研究鹽分梯度作用下的鹽分遷移規律。

(3)方案3(不同含水量對比試驗)：土樣顆粒組成選擇級配1，參考南疆地區實際路基含水率年變化范圍，含水率分別取10%，12.5%，13.2%及14% 4種情況，壓實度為95%，其他試驗條件不變，分析不同含水率對鹽分遷移的影響。

(4)方案4(不同顆粒級配對比試驗)：對比4種顆粒組成對鹽分遷移規律的影響，試驗參數通過擊實試驗確定，壓實度為95%，其他試驗條件不變。

(5)方案5(不同壓實度對比試驗)：依據路基設計及施工規范，分別研究95%，96%，97%，98%這4種水平壓實度狀況下鹽分遷移規律，試驗條件及顆粒組成的選擇與方案1相同。

經調查可知，南疆地區路基結構年溫度在-5～42 ℃范圍內變化，且在路基結構120 cm以下波動范圍慢慢減弱；年含水率在2.7%～8.3%變化，最大含水率在4月份和10月份。因此室內鹽分遷移試驗溫度范圍為-5～60 ℃，升溫時間為1 h，恒溫60 ℃保持11 h，降溫時間1 h，低溫-5 ℃保持11 h，如圖2所示，數據采用數據采集儀自動采集，時間間隔為30 min。土樣壓實完成后靜置3 h，采用烘干法和EDTA間接配位滴定法測得土樣初始含水率及硫酸鹽含量，以此作為試驗初始狀態。自動采集儀實時采集的同時，在1, 7, 14,28 d時間節點采用人工測量法進行對比試驗。

圖2 鹽分遷移試驗溫度隨時間變化規律

為了進一步探究鹽分阻隔問題，研究隔斷層厚度和位置對鹽分阻隔效果的影響，參考路基設計規范中規定的鹽漬土地區路基高度，試驗箱尺寸大小更改為50 cm(φ×120 cm(h)。試驗研究隔斷層厚度分別取30, 40, 50 cm；隔斷層位置分別位于路堤頂面以下0, 30, 50 cm。試驗設計見表4。

表4 鹽分阻隔試驗方案

2 實地調查結果

2.1 拱脹變形概況

首先對G3012(AK)、S13以及G3012(MH)路面拱脹情況做了現場調查與統計。拱脹具體情況如表5所示。其中拱脹高度在2～4 cm的占90%以上，拱脹縱向分布間距變化較大，沒有固定的規律；橫向90%路段為一字形隆起貫穿整幅路面，部分段落分布有少量Z字形隆起。

表5 路面拱脹病害情況統計

2.2 易溶鹽含量檢測

該地區土壤鹽漬化程度較為嚴重，為了分析該地區土壤鹽分對拱脹病害的影響，在G3012(AK) 和S13路段開挖處取樣破碎后進行易溶鹽含量檢測，水泥穩定上基層易溶鹽含量如表6所示，底基層及路床易溶鹽含量如表7所示(底基層標記為SB, 路基頂面以下50 cm標記為SG)。

表6 上基層易溶鹽含量檢測結果

病害路段基層與路基試樣的化學成分試驗結果說明：路面結構內部鹽分發生遷移積聚，使原本非鹽漬土的路基土和基層逐漸發生鹽漬化。底基層中的含鹽量明顯高于上基層，底基層和路基中的含鹽量相差不大，這說明路基土內的鹽分遷移相較基層內部遷移更加明顯，路基土中的水通過毛細上升作用攜帶鹽分堆積在基層底部，在路面結構層內部形成明顯的鹽分梯度，基層底部含鹽量較高，類似在基層底部形成了一層硫酸鹽含量較高的水膜，新疆地區強烈的蒸發作用使得硫酸鹽侵蝕基層材料導致材料劣化；另一方面，無水硫酸鈉在32.4 ℃時溶解度最高，新疆地區較大的晝夜溫差導致路面結構層內部溫度梯度較為明顯，當溫度降低并且水分充足時，無水硫酸鈉形成十水硫酸鈉晶體，體積膨脹3.18倍[17]，使得基層發生鹽脹向上隆起。由表7還可發現，部分無病害路段路基中的含鹽量甚至高于病害路段，這說明無病害路段路基內部的鹽分還未完全遷移至基層底部，所以探究路基內部水-鹽遷移規律并采取有效措施阻隔路基內部鹽分向上遷移可有效防止拱脹病害的發生。

表7 底基層及路床易溶鹽檢測結果

3 水-鹽遷移規律

3.1 溫度梯度的影響

對溫度循環變化條件的路基土體進行了室內鹽分遷移試驗，溫度循環變化下路基結構內部的溫度分布如圖3所示，初始狀態含水量及含鹽量如圖4所示，不同時間段各深度位置的含水量及含鹽量變化規律如圖5所示。

圖3 單溫度循環土體內溫度變化規律

圖4 初始狀態土體內部含鹽量及含水率

圖5 土基不同深度處含水率與含鹽量變化規律

由圖3～5對比分析初始狀態及開始7 d內的水分鹽分變化可以發現，土體壓實完成后靜置3 h，鹽分及水分在重力勢的作用下由均勻分布產生了顯著的分層，表層的含鹽量由0.25%變為0.21%，底部由2%增大為2.3%，10 cm以上土體部分在3 d以后水分減少速率明顯下降，15 cm及25 cm位置含水量也在3～5 d漸漸穩定，35 cm處含水量在第3天達到峰值21.4%，隨后慢慢減小。這說明初期重力勢對水鹽遷移的影響非常顯著，且主要是水攜鹽向下移動，這是因為風積沙土類黏聚性較差，對水的吸引力小，所以工程上可用風積沙作為阻鹽層。

外界溫度梯度變化對水分鹽分重分布影響顯著，鹽分和水分最終呈現出“拋物線”狀分布，這表明鹽分的遷移是以水為載體的，即“水攜鹽走”，含水率隨深度最終變化為“7.8%～7%～9.8%～13.5%～8.7%”，鹽分含量變化為“0.89%～0.6%～0.97%～1.2%～1.5%”。在外界溫度變化時，底層的鹽分會隨著水分源源不斷地向上遷移，使得原本非鹽漬土轉變為鹽漬土；以5～10 cm為分界，上部和下部鹽分含量均較高，出現“高-低-高”的現象。這是由于，當表層溫度較高時，10 cm以上部分水分主要以氣態形式向上運動，而鹽分的遷移是鹽溶解在液態水中發生的；土體下部分由于溫度升高原因以薄膜水的形式存在，因此，在5～10 cm范圍內，形成了一個“水鹽補給過渡區”，使得雖然表層蒸發作用比較強烈，但是含水量并不會減少。與此同時，水分攜帶鹽分上移，此階段表現出冷區向暖區遷移。當表層溫度較低時，根據布朗分子運動，高溫區的粒子跳躍到低溫區的概率要遠高于低溫區到高溫區，下層水分主要以液態形式攜鹽向上部分遷移，表現為暖區向冷區遷移。

3.2 鹽分梯度的影響

僅在鹽分梯度作用下土體內部的水分鹽分重分布規律，如圖6所示。

圖6 鹽分梯度作用下土體含鹽量沿深度變化規律

由圖6可知：鹽分梯度對土體含水率的影響程度較弱，初期由于重力勢的作用，水分出現了顯著的分層現象，表現為“上大下小”，但隨著時間的推移，除了25～35 cm出現了水分由下層向上層補給外(幅度僅有2%)，其余部分含水量均處于減小狀態，減小程度也不大，這說明鹽分梯度對水分重分布的作用較小。主要原因在于在沒有外界因素提供遷移動力的條件下，因濃度梯度提供的土水勢是有限的，并不足以提供足夠的水分遷移動力。鹽分梯度的作用下，鹽分遷移整體表現出由濃度高的地方向濃度低的地方遷移，但遷移量很小，鹽分含量沿深度最終形成了“0.13%～0.2%～0.32%～1.0%～1.7%”梯度。在25～35 cm范圍內，變化程度較大，其余上部分遷移量較小，并沒有由非鹽漬土轉化為鹽漬土，這表明僅在鹽分梯度作用下，鹽分遷移比較微弱，僅有溫度梯度的17.3%左右。

3.3 含水量的影響

含水量對鹽分遷移的影響規律圖7所示。

圖7 表層含水率與含鹽量隨初始含水率的變化

由圖7可知：不同初始含水量對表層最終含鹽量及含水量的遷移量影響顯著，初始含水量14%相比于10%，表層含鹽量增加了22.3%，表層含水量增加了38.1%，這表明含水量越大鹽分遷移越明顯，在表層集聚的鹽分含量越高，而此時土體表層在降溫的條件下硫酸鹽有足夠的水分條件發生水合反應，生成十水硫酸鈉，造成土體體積膨脹。因此不論是路基還是基層基于防止鹽分遷移進而減小鹽脹考慮，含水量的大小應在最佳含水率的附近取其低限值。

3.4 顆粒組成的影響

細砂、中砂、粗砂及細礫4種土類對鹽分遷移的影響規律如圖8所示。

圖8 不同土類對表層含水率與含鹽量影響規律

由圖8可知：土質類別對鹽分遷移量有明顯的影響，不同土質類別鹽分遷移量大小排序為：細砂>中砂>粗砂>細礫，細礫的表層含鹽量及含水量比細砂的降低了54%左右。4土類0.075 mm以下顆粒含量分別為12.16%，10.12%，8.65%和5.32%，表明在細料中水分遷移及鹽分遷移能力、速度均越大，鹽分表聚現象越明顯。因此適當增加粗顆粒的比例，減小細顆粒的含量可有效降低鹽分遷移程度。

3.5 壓實度的影響

研究了壓實度分別為95%，96%，97%，98%共4種狀況的鹽分遷移規律，如圖9所示。

圖9 表層含水率及含鹽量隨壓實度的變化規律

由圖9可知，隨著壓實度的增加，含水量和含鹽量在不斷減小，壓實度每增加1%，含水率減少0.2%左右，含鹽量降低約0.06%。壓實度的增大減小了土顆粒之間的間隙，阻隔了水分鹽分向上運移的通道，增大了遷移的阻力。因此可通過提升壓實度一定程度減弱鹽分遷移的能力和速度，但是壓實度不宜過百，壓實度過百后，造成風積沙路基穩定性下降，從預防鹽分遷移的角度出發，壓實度在滿足要求的情況下取上限值。

3.6 鹽分阻隔試驗

根據鹽分阻隔試驗方案，得到試驗結果見表8。

表8 鹽分阻隔試驗結果

上述試驗結果可以看出，當厚度為30 cm，位置在路堤頂面以下30 cm時，鹽分含量有0.17%；當厚度為50 cm，隔斷層處于路堤頂面以下50 cm的時候，鹽分含量僅有0.15%，這說明在初期重力勢攜鹽下移后，后期鹽分基本沒有遷移上來，這兩種組合阻隔效果基本相同，因此可認為這些組合屬于較優組合。而這兩種組合一種是位置處在鹽分遷移的“水鹽補給過渡區”，一種則是厚度較大，因此在鹽分阻隔時可從厚度及位置兩方面出發，合理選擇隔斷層方案。

4 結論

本文通過對新疆南部地區拱脹病害典型路段進行實地調查分析與室內試驗，得到了瀝青路面發生拱脹病害基層內鹽分的來源以及不同因素影響下路基鹽分遷移規律，主要研究結論如下：

(1)通過對新疆南部地區拱脹病害典型路段進行實地調查與檢測，探究了病害路段基層及路基內部鹽的種類以可溶性硫酸鈉、鉀鹽為主，確定了基層內部含鹽量升高及基層的拱脹、劣化是路基土發生“次生鹽漬化”導致的。

(2)初期重力勢對水鹽遷移的影響非常顯著。在溫度梯度變化下，鹽分和水分最終呈現出“拋物線”狀分布，以5～10 cm以分界，出現“高-低-高”的分布規律，形成“水鹽補給過渡區”。

(3)在鹽分梯度作用下，鹽分遷移整體表現出由高濃度向低濃度遷移，然而其影響較為微弱，僅有溫度梯度的17.3%左右。提出選取風積沙作為隔斷層材料阻隔水-鹽遷移，推薦厚度40～50 cm之間，推薦位置在路堤頂面以下30～50 cm范圍內。