摘要: 在西北地区广泛分布的冻土及盐渍土中，作为铁路路基C类填料的粉细砂在冻融方面少有研究，本文结合阿拉尔市的实际情况，采用粉细砂为研究对象，进行多次冻融循环后水盐迁移及变形试验研究。结果表明，冻融循环过程中，越靠近冷端，温度变化越剧烈，水盐也向冷端迁移，越靠近顶部水，盐聚集越多；粉细砂素土在冻融循环中变形为融沉，而盐渍土变形为先盐胀后融沉，素土与盐渍土累积变形均表现为沉降的趋势。
Abstract:
In the northwest region widely distributed frozen soil and saline soil, as railway subgrade class C filler, there is little research on the freeze-thawing aspects of silty fine sand. In this paper, combined with the actual situation of Aral City, silty fine sand was used as the research object to carry out experimental research on the water-salt migration and deformation after several freeze-thaw cycles. The results show that during the freeze-thaw cycle, the closer to the cold end, the more severe the temperature changes, the water salt also migrates to the cold end, and the closer to the top, the more water salt accumulates. In the freeze-thaw cycle, the silty fine sand was deformed into thaw sedimentation, while the saline soil was deformed by salt expansion and then thaws sedimentation, and the cumulative deformation of the prime soil and the saline soil showed a tendency of settlement.
1. 引言
在工程实践中，冻土问题广泛存在于岩土工程领域，如路基的冻胀与融沉，我国是季节性冻土占国土面积50%以上的冻土大国，尤其在我国西北地区，更是因其土体矿化度高而使土体盐渍化 [1] [2] [3] 。土体盐渍化所带来的工程灾害使得经济遭受严重损失 [4] [5] 。
盐渍土的形成与冻融变化有关，冻融循环使得土体水盐迁移，进而造成土壤盐渍化。早在上世纪30年代，Richards提出多孔介质中水流运动的基本方程，开创水盐迁移理论研究先河 [6] ；Bear等通过试验研究非饱和土的盐分迁移，结果表明，温度会影响土体的水分性能和相平衡 [7] 。在国内，Zhang等通过室内冻融试验，发现在冻融过程中，土壤的水分和盐分经历两次迁移，形成了特殊的水盐运动规律 [8] 。王玉龙以上覆荷载下的盐渍土为研究对象，探究其在开放系统下的水盐迁移及变形规律 [9] 。张恒进行了不同硫酸钠含量、不同温度梯度及溶液补给条件下室内单向冻结试验，研究了硫酸盐渍土的水盐迁移特征，阐明了水–热–盐耦合作用下硫酸钠盐渍土的变形规律 [10] 。张留俊通过人工配制盐渍土，研究了降水入渗条件下氯盐渍土的水盐迁移规律 [11] 。刘健鹏采用开放系统下对盐渍土进行单向冻结试验，认为低含盐土中发生更多的冰水相变 [12] 。目前，关于冻土及盐渍土冻融的研究限于黏质土，而南疆广泛分布的粉细砂应用于铁路路基的C类土在冻融方面却少有研究 [13] 。本次试验采用室内土柱试验，探究粉细砂在多次冻融循环后的水盐迁移及变形规律，为南疆地区基础工程建造与次生盐渍化治理提供理论依据。
2. 试验材料与试验方案
2.1. 试验材料
试验用土取自新疆阿拉尔市塔里木大学。试验土样中含有可溶性盐，参考《公路土工试验规程》中测得土样总盐为0.069%，小于0.3%的盐渍土标准，同时为避免洗盐带来的土体破坏，故不对试验土样进行洗盐处理，土样各离子含量如表1所示。参考《土工试验方法标准》进行基本物理力学性质试验，采用击实试验测得最大干密度为1.63 g·cm−3，最优含水率为15.54%，采用液塑限试验测得塑限为15.5%，液限为30%，经测定本试验土样为粉细砂。
2.2. 试验方案及装置
粉细砂在工程中易产生沉降，而硫酸盐渍土则具有盐胀特性，本文主要研究粉细砂在冻融作用下的水盐迁移及变形规律，对比得出硫酸盐对粉细砂的影响。土样最大干密度为1.63 g/cm3，最优含水率为15.54%，压实度为95%，因此土柱控制干密度为1.55 g/cm3，控制含水率为15%。本次试验采用素土与1%含硫酸盐土样对照作为试验土样进行室内模拟实验，根据阿拉尔市气象数据降温过程采用顶端−20℃，底部采用5℃，升温过程顶端设置为20℃，采用降温12 h，升温12 h为一个循环，往复进行5次循环，采用传感器检测试验时的水、盐、温及位移变化。试验中将试验土样装入密封袋中闷料24 h以上 [14] ，然后间隔5 cm分层装入有机玻璃筒并压实，并按图1所示将传感器安装到位。
Table 1. Content table of soluble salt ions in soil samples
表1. 土样易溶性盐离子含量表
3. 试验结果及分析
将第n次循环记为T-n，n = 1、2、3、4、5，变形以盐冻胀为正值，沉降为负值。
3.1. 温度变化分析
如图2所示，距底部不同高度土层温度随时间的变化基本一致，呈现高度越高，温度变化越大，越靠近底部则温度变化越不明显。
由图2可以看出，素土与1%含盐土样温度变化大致相同，各循环周期内冻结与升温阶段温度均表现自上而下逐级变化。
3.2. 水盐迁移规律
冻融循环后，土柱不同高度体积含水率变化曲线如图3所示。
由图3可以看出，素土与1%含盐土不同高度体积含水率的变化基本一致，在土柱上半部分表现为随冻融循环次数增加，体积含水率随之增加，且越靠近顶板越明显；在土柱下半部分则表现为随冻融次数的增加，体积含水率随之降低。试验结果表明，冻融循环过程中，水分向冷端迁移。这是由于土壤基质势造成冻结过程未冻水不断向冻结锋面迁移且冻结，使得上部含水率增加，融化时虽会在重力作用下向下迁移，但基质势大于重力势，使得上部水分变化剧烈但整体表现向上迁移。
Figure 2. Variation curves of the temperature of soil column along depth during freeze-thaw process
图2. 土柱冻融过程温度沿深度变化曲线
Figure 3. Variation curves of volume moisture content at different heights
图3. 不同高度体积含水率变化曲线
图4为冻融循环后土柱不同高度电导率变化曲线。
由图4可得，素土与1%含盐土不同高度电导率变化与不同高度体积含水率的变化趋于一致，也表现为随冻融次数增加，上部电导率增加，下部电导率降低，但相对于水分迁移有一定的滞后性，素土电导率主要在37~40 cm范围变化，1%含盐土电导率则在25~40 cm范围变化较大，随冻融次数增加，二者在顶端电导率均不断变大。结果表明，冻融循环加剧水分迁移，水分迁移带动盐分向顶端迁移，使得土样顶部盐碱化加剧。这是水在冻结后，盐从冰相析出，使得土壤盐分增加，水分的迁移带动了盐分的聚集，这就是“盐随水走”。
Figure 4. Variation curves of conductivity at different heights
图4. 不同高度电导率变化曲线
3.3. 变形分析
如图5，土柱盐–冻胀变形呈现阶梯式反复发展，素土持续变形沉降，而1%含盐土则表现先上升后下降的趋势，但总体表现为沉降。素土变形冻融循环前半周期表现为平稳基本无变化，后半周期表现为快速沉降后趋于平稳；1%含盐土样变形在前半周期表现为持续盐–冻胀，在后半周期与素土表现一致。可见盐–冻胀变形发生在降温阶段，沉降变形则主要发生于升温阶段，素土因自身含盐量低在降温阶段以冻胀变形为主，且由于制冷顶板有一定荷载，造成素土降温时变形不明显。由图中可见，素土与1%含盐土在升温或降温发生一段时间后变形量趋于稳定，这与季节性冻土区变形相似 [15] 。
冻融循环后素土与1%含盐土的残余变形与累积变形如图6所示，由图6(a)可知，素土主要以融沉为主，最大融沉量0.35 mm；而1%含盐土在第一次循环盐胀，盐胀量0.16 mm，而后为融沉变形，最大融沉量为0.41 mm。在第三个循环后，两个土柱变形均表现为趋于减小，素土的残余变形较1%含盐土更为稳定。由图6(b)看出，素土随冻融循环次数增加变形表现为融沉趋势，1%含盐土随冻融次数增加变形表现为先盐胀后融沉趋势。
土柱在冻融循环后产生变形的主要原因是冻融循环使砂砾重分布，土体孔隙率增大，在自重作用下发生沉降，并且土颗粒之间存在内摩阻力、粘结力等作用，使得结构产生小幅度变形。
4. 结论
针对粉细砂进行在冻融循环下的水盐迁移及变形规律研究，通过素土与人工配制含硫酸盐土对照开展不同周期冻融试验，得出以下结论：
1) 土柱在各循环周期内，冻结与升温阶段表现为自上而下逐级变化，越靠近冷端，温度变化越剧烈；
2) 经过多次冻融循环，水分不断地向冷端迁移并带动盐分迁移，且随冻融次数增加，电导率值不断变大；
Figure 5. The relationship between soil column deformation and time
图5. 土柱变形与时间的关系
Figure 6. The development trend of soil column deformation follows freeze-thaw cycle
图6. 土柱变形随冻融循环发展趋势
3) 在冻融循环过程中，粉细砂素土以沉降变形为主，1%含盐土则表现为先盐胀后融沉，随冻融次数增加，二者累积变形呈现不断沉降的趋势，这是由于经过冻融循环，粉细砂内部砂砾重分布，孔隙增大，在自重作用下产生沉降；
4) 本次试验表明，粉细砂素土在冻融循环过程中与1%含盐土水盐迁移主要发生在上部，累积变形为沉降；在工程中，应注意对上部采取阻盐及防沉降措施。
基金项目
本研究由塔里木大学校长基金(TDZKSS202151)资助。
NOTES
*通讯作者。