氯鹽漬土在凍融循環條件下的水鹽遷移試驗及規律研究

摘要：為了深入了解凍融條件下氯鹽漬土的水鹽遷移規律，利用室內土柱試驗模型，研究在飽和鹵水補給下經多次凍融循環的氯鹽漬土水鹽運動規律，考察不同鹽含量、不同凍融循環次數、設置隔斷層對其的影響，目的是深化對水鹽遷移機理的認識，為鹽漬土路基的治理提供理論依據。結果表明：凍融循環顯著加劇了水鹽的遷移，效果隨著凍融循環次數的增加而更加明顯；復合土工膜隔斷層有效限制了下方水分的上行遷移。

關鍵詞：氯鹽漬土 凍融循環 隔斷層 水鹽遷移

Experimental Study on Water and Salt Migration and Law of Chlorine Saline Soil Under Freeze-Thaw Cycle Conditions

LI Weifu

CCCC Third Highway Engineering Bureau Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518000 China

Abstract： In order to deeply understand the water salt migration law of chlorine saline soil under freeze-thaw conditions， the indoor soil column test model was used to study the water salt movement law of chlorine saline soil after repeated freeze-thaw cycles with saturated brine replenishment， and the effects of different salt content， different freeze-thaw cycles， partition layer were investigated to deepen the understanding of water salt migration mechanism and provide theoretical basis for the treatment of saline soil subgrade. The results show that： Freeze-thaw cycles significantly intensified the migration of water and salt， and the effect becomes more obvious with the increase of freeze-thaw cycles; The composite geomembrane partition layer effectively limits the upward migration of moisture below.

Key Words： Chlorine saline soil; Freeze-thaw cycle; Partition layer; Water and salt migration

在自然環境中，季節更替和日夜溫差導致鹽漬土路基經歷凍融循環，此過程伴隨著水分與鹽分含量的持續變化，鹽分常隨水分向較冷區域移動。凍融作用使土粒間的水發生結凍和融化，鹽分則結晶或溶解，這改變了土體的內部結構，降低了其強度、穩定性，長期效應可能破壞路基的結構，影響其工程特性。萬健^[1]通過控制溫度梯度的方法對鹽漬土進行了水鹽遷移試驗，與無溫度梯度的水鹽遷移試驗結果進行對比，結合工程實際和水鹽遷移受其他因素的影響效果，提出提升路基穩定性的辦法。郭瑞等人^[2]從模型建制的原理、優缺點、適用范圍等方面，對如今國內使用的大多數水鹽遷移模型進行分析，指出當前廣泛使用的模型中存在的弊端，并且預測了未來水鹽遷移模型的發展。趙德安等人^[3]以豎管法為基礎，自主研發設計了大口徑玻璃管水鹽遷移試驗設備，經過反復試驗，發現了含鹽量較低的鹽漬土的水鹽遷移規律，并且對試驗中設置的多種隔斷層效果進行分析評價；研究還結合工程實際給出了不同地區隔斷層設置的參考建議，為實際工程中的隔斷層設計和施工提供了有益的參考和指導。

1工程概況

某鐵路是新疆鐵路網絡的關鍵一環，途徑哈密市的伊吾縣、巴里坤縣、昌吉州的木壘縣、奇臺縣等區域，全長約429.9 km，設有27個站點，設計速度為120 km/h。區域內廣泛分布著鹽漬土、膨脹土等特殊性巖土，沿線地表土體松軟且可見白色鹽霜。雨季時，隨著降雨量的增多，鹽漬土中的可溶鹽遇水溶解，在自身重力與外部荷載的作用下，會導致路基土體出現溶陷現象。冬季時，由于晝夜溫差較大，路基土體不斷經歷凍融循環的過程，會導致路基土體出現凍脹現象。因此，鹽漬土地區路基施工的質量要求與沉降的控制要求比一般鐵路項目路基的要求要高，對路基填料的選取及與工過程中的質量把控更為嚴格。

2 實驗方案

2.1 試驗儀器

2.1.1溫度控制設備

本研究使用的低溫恒溫循環槽（型號LT50DD）能夠在-60～90 ℃范圍內控制溫度，精確度達到0.1 ℃。試驗前，確保循環液的流出和接收端口相連，以實現有效的制冷循環。循環制冷系統采用乙二醇防凍液，防止凍結和管道堵塞。使用常溫補給條件下水鹽遷移試驗中基于豎管法原理自主設計的大口徑有機玻璃管系統^[4]。

2.2 試驗不同工況設置

本文主要探究凍融循環次數、隔斷層及粉煤灰摻入氯鹽漬土改良后在凍融循環條件下對水鹽遷移規律的影響。工況一、二、三的設置情況與常溫補給條件下的水鹽遷移試驗工況設置情況一致。

2.3實驗步驟

2.3.1設備調試

首先設置好低溫恒溫槽的溫度，并且通過軟管連接制冷頭以啟動制冷循環。同時，對外露軟管進行保溫，確保制冷效率。試驗前，設備將進行空運行，以檢驗達到預定溫度的能力與排除潛在故障。

（1）土樣制備。根據需求，計算所需的水和鹽的量。隨后，根據不同試驗條件，準備相應的土樣。

（2）土柱安裝。首先，密封有機玻璃管的孔洞；其次，按10 cm分層將土樣壓實到規定密度，確保每層平整緊密。完成填裝后，用絕緣材料對管體進行保溫，特別加強孔洞部分的保溫，并且在底部使用保溫棉以隔絕外界影響。之后，安裝制冷頭，以確保與土柱表面良好接觸。

（3）凍融循環參數設置。凍融循環的溫度設置基于《國家氣象科學數據中心》的氣溫數據，選取-15～15 ℃作為試驗溫度范圍。設定一個凍融周期為48 h，包括24 h的凍結和24 h的自然融化，分別進行3、5、7次凍融循環^[5]。

（4）觀測數據并分析。數據觀測和分析旨在探索鹽漬土在不同凍融循環次數對各工況的水鹽遷移規律的影響。試驗結束后，逐層取土樣，使用烘箱烘干法和洗鹽法測定其含鹽量和含水率。

3實驗結果與分析

進行凍融循環條件下氯鹽漬土的水鹽遷移試驗后，對進行不同凍融循環次數的土柱模型進行分層取樣，獲得了每個工況在不同凍融循環次數下含水率和易溶鹽含量與土柱模型高度的關系曲線。選取初始含鹽量為5%的土柱模型進行對比，分析了各工況在凍融循環補水條件下的試驗結果，進一步探討了凍融循環對水分和鹽分遷移的影響。

3.1實驗數據與分析

通過對模型不同高度處的土體進行分層取樣和含水率測量，繪制出模型垂直方向上含水率隨高度的變化曲線，如圖1所示。結果顯示：3次凍融循環后水分遷移高度為48.8 cm，5次凍融循環后水分遷移高度為54.3 cm，7次凍融循環后，水分遷移高度為59.9 cm，相較于常溫補給條件下的水分遷移高度，分別高了3.0 cm、8.5 cm、14.1 cm。在經歷3輪凍融循環后，相較于初始狀態，土柱各層含水率普遍上升。這突顯了尤其是在凍融循環初期，凍融過程對水分從溫暖區域向冷區域遷移具有顯著促進作用^[6]。

如圖2所示，設置在70 cm深的兩布一膜復合土工布隔斷層有效阻止了下方水分向上遷移，導致70 cm以上含水率僅為14.01%。由于這層隔斷的存在，隔斷層下方的土體無法為上方土體進行水源供給，導致75 cm和80 cm深度的土壤含水率分別降低2.89%和0.87%，均低于起始的25%含水率，說明復合土工布隔斷層具有顯著的阻水效果^[7]。

從圖3中不難看出，當溫度變化時，鹽分會跟隨溫度梯度遷移。觀察到70 ～100 cm區間內的鹽分增長不超過0.1%，表明鹽分在土體凍融周期中不能穿過兩布一膜復合土工布隔斷層，導致土層上部幾乎無鹽分。顯示出，無論是氣態還是液態遷移，兩布一膜復合土工布均能有效隔斷水分和鹽分^[8]。

4結論

（1）研究了凍融循環下氯鹽漬土的水鹽遷移特性，分析了遷移高度與土柱模型在不同高度的含水率和含鹽量之間的關系，發現凍融循環顯著加劇了水鹽的遷移。

（2）分析在常溫與凍融循環條件下氯鹽漬土的水鹽遷移，發現凍融循環顯著增強了水分和鹽分的遷移。隨凍融循環次數增加，試件含水率普遍上升。

（3）通過試驗，研究了凍融循環條件下復合土工膜隔斷層的效果。結果表明，該隔斷層有效限制了下方水分的上行遷移。此外，在凍融周期中，鹽分也未能穿越復合土工膜，這證明了復合土工膜能夠有效隔斷水分和鹽分的遷移，無論是氣態還是液態遷移，進而保護上層土體避免受到鹽堿化的威脅。

參考文獻

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