摘 要：

为了探寻季节性冻土区盐渍化路基土水盐迁移及变形规律，利用极端环境荷载测试系统，在开放条件下进行室内冻融循环试验。研究结果表明：土体的温度随上覆荷载的增大呈现出先降低后升高的特点，离冷源越近，土体温度变化越明显；上覆荷载作用下，土体在顶部密度增大，对水分迁移有抑制造用，盐分则在该处出现聚集现象，在其他高度处，由于土颗粒的重陈列程度不同，水分盐分变化亦不尽相同；上覆荷载是导致土体发生压缩变形的直接缘由，在同一循环周期内压缩变形随上覆荷载的添加而增大，在同一荷载作用下，压缩变形随冻融周期的添加而增大；通过微观结构对土体变形机理分析表明，晶须生成量减少，盐胀压力减弱是引起膨胀变形减少的次要缘由，土颗粒破碎及土粒间隙减小是土体发生压缩变形的因素。

关键词：

冻融循环;上覆荷载;盐渍土;水盐迁移;变形机理;

作者简介：

王玉龙(1991—),男，硕士研究生，次要从事盐渍化冻土方面的研究。

*常立君(1981—),女，副教授，硕士，次要从事黄土、盐渍土工程力学特性的研究与土力学教学工作。

基金：

岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放基金(2019005);

引用：

王玉龙，常立君，李舒洁． 冻融循环作用下上覆荷载对盐渍土水盐迁移及变形规律的影响研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ， 2022，53( 2) : 142-153.

WANG Yulong，CHANG Lijun，LI Shujie． Influence from overlying load on law of water-salt migration and deformation of salinized soil under effect of freeze-thaw cycle［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 2) : 142-153.

0 引 言

中国多年冻土、季节冻土及瞬时冻土面积共约8.81×106 km2,而在西北地区的季冻区内又广泛分布有盐渍土，在冻融循环作用下，该区域内修建的公路、铁路等因温度的变化、上覆荷载及地下水的补给的影响常出现各种病害(见图1),给施工及运营带来了一定的影响。为处理季节性盐渍化冻土区路基的工程问题，国内外学者对盐渍土水盐迁移和变形影响规律展开了一系列的研究。

现有研究发现基质吸力梯度是水盐迁移的驱动力,而在周期性的冻融作用会导致土体中水分和盐分的重新分配,并且经多次冻融循环，试样中水分重分布与盐分重分布有很大的一致性，水分和盐分自下而上迁移。肖泽岸等认为盐分的存在会减弱土体在冻结过程中水分迁移。李生伟等提出水盐迁移会加剧盐胀和冻胀的发生。CHAMBERLAIN等认为垂直渗透率大幅添加是冻结和融化引起土体结构变化所导致的。ALKIRE等指出冻融构成的结构在单调加载下保持稳定。LAI等建立了成核、分子扩散和晶体生长的动力学模型，并通过土体在冻结过程中结合相变的变形行为的实验研究，实验结果表明：土壤变形是由宏观结晶应力超过土壤材料的抗拉强度时破坏孔隙结构导致的。色麦尔江·麦麦提玉苏普等认为前期冻融作用对变形参数的影响大于后期冻融作用。包卫星等选择典型天然盐渍土在开放系统中进行了反复冻融循环条件下的试验研究，试验结果表明黏土质砂在冻融循环过程中的变形次要为冻胀和沉降变形。付黎明等研究了不同因素对盐渍土毛细水上升的影响及变化规律，研究表明，上覆荷载越大毛细水上升速度越慢且上升高越低。刘凯等通过对天然亚氯盐渍土进行冻融循环试验，结果表明，外界压力对盐-冻胀有明显的抑制造用。张立新等利用核磁共振仪和加压安装对兰州黄土和皖北黏土进行试验，结果发现，冻结温度随压力增大而呈线性降低；对应不同温度的未冻水含量随压力的增大而增大。明锋等利用粉质黏土在开放系统中进行了不同荷载条件下的水分迁移试验得出，随着荷载的逐步增大，水分迁移量逐步减小，开始补水的时间也推后。张莎莎等对天然粗颗粒盐渍土分别进行室内模仿季节交替和昼夜温差变化的多次冻融循环试验及有无附加荷载时的单次降温盐胀试验研究，从不同角度对天然粗颗粒盐渍土进行盐胀规律分析，结果表明，天然粗颗粒氯化物硫酸盐渍土在多次冻融循环时具有明显的体缩现象，附加荷载对盐胀有显著的抑制造用。肖东辉等通过模型试验，研究冻融循环作用和冻融与静荷载双重作用下土体中水分场的变化规律，试验结果表明，两种情况下，土体内部水分含量都随冻融循环次数的添加而逐步增大。刘莹等根据吹填土堆积固化后的压缩试验对不同固结压力下的土样进行微观结构的定向性分析得出随着压力的添加，结构单元体和孔隙的定向程度越来越好。白林杰等对经历不同冻融次数的粉土进行扫描电子显微镜试验，研究表明冻融循环次数越多，孔隙度越大，孔隙分布越明显，微观结构的变化是影响宏观力学响应的内在。韩志强等对粗颗粒盐渍土进行多次冻融循环盐胀并微观结构机制研究分析指出随着冻融循环次数的添加土体结构逐步疏松，孔隙增大。

从上述研究可以看出，国内外学者对盐渍土水盐迁移做了大量工作并取得了一定的成果。这些成果次要集中在温度变化引起水盐迁移及变形规律特性方面，但大多数研究对于冻融循环作用下上覆荷载对水盐迁移及变形规律的影响并未涉及。由于盐渍化地区的路基不同位置处有一定的填土高度和路面结构两者重力的作用，其在冻融循环作用下的水盐迁移及变形规律势必会遭到影响，因而，研究上覆荷载作用下水盐迁移及变形的规律是很有必要的。

本文在前人已有的研究成果上，利用极端环境荷载测试系统，在开放条件下通过室内冻融循环试验，较为全面地探寻了上覆荷载作用对盐渍土的水盐迁移及变形规律的影响，并利用扫描电子显微镜技术分析了土体发生变形机理，研究成果可为对寒区盐渍化冻土公路、铁路的路基设计、施工等提供一定的参考。

1 土样的物理化学性质试验

试验土样取自青海省海西地区乌兰县境内，依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)得到土样的基本物理性质目标如表1所列，土样的颗粒级配累积曲线如图2所示，土中各离子含量如表2所列。

2 试验设计

2.1 试验仪器

本次试验采用TMS9018-MTS型极端环境温度荷载测试系统(见图3),顶板和底板温度通过可控温酒精冷浴提供，恒温箱温度采用风冷式空压机降温，上覆荷载由液压机提供，试样的变形由位移计测量，试样的体积含水率、温度和电导率由美国生产的5TE型三合一传感器和实时采集仪进行量测和采集。仪器控制精度如表3所列，均可满足试验要求。

①—试样；②—温度水分电导率传感器；③—试样筒；④—保温材 料；⑤—顶板；⑥—恒温箱；⑦—底板；⑧—底板冷浴；⑨—补水 器；⑩—顶板冷浴；(11)—位移计；(12)—液压机

2.2 试验方案

先将试验土样放入烘箱中烘干后碾碎过2 mm筛，接着按照物性试验的最优含水率将土样加水拌和均匀后在恒温恒湿的条件下湿润一昼夜。配置好的土样分5层装入高30 cm, 直径15 cm的无机玻璃筒中，装样前在筒壁内侧涂抹一层凡士林减少试样与筒壁摩擦，装样时控制土样的压实度为94%,所需的干密度由每层土的质量和高度控制，装完土样后将传感器插入预留孔中。为防止试样与恒温箱发生热量传递，在试样筒外壁包裹一层2 cm厚的保温材料并用橡皮泥密封传感器与保温材料之间的空隙。为减小传感器之间相互影响，其布设位置示意如图4所示。

依据研究地区气温材料，顶板(冷源)采用升温降温方式来模仿路基土在自然条件下的气温变化，试验参数如表4所列。本试验设置7个冻融循环周期，一个冻融循环周期为24 h, 冻结12 h, 融化12 h。先施加1 kPa荷载使顶板与试样表面紧密接触，开启恒温箱、试样顶，底板冷浴温度均为20 ℃恒温6 h使各传感器显示20 ℃左右时开始试验，降温的同时进行施加轴向荷载。微观试验的试样，将两头4 cm土柱细心制成尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的长条状试样，放入铝盒中，在105 ℃条件下烘干后表面喷金进行扫描电镜试验，分别放大100倍、400倍、800倍、1 200倍、1 500倍。

2.3 5TE传感器的标定

根据试验土样所测得的基本物性目标和易溶盐含量，对标定土样选干密度为1.8 g/cm3,含盐量取0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%,含水率为7%、9%、11%、13%、15%。先将该试验土样洗盐至0.1%,然后将预备好的NaCl溶解在去离子水中。标定时5TE传感器监测试样的体积含水率和电导率，通过数据采集器自动采集试验数据。采集时间间隔设置为1 min, 每个标定试样布设3个传感器并采集20 min, 监测数据波动不大时标定完成，取20 min内监测数据的平均值作为该形态下土样的监测值。为减小温度对试验结果的影响，标定试验温度控制在20 ℃左右。

对测得的质量含水率与体积含水率、含盐量和电导率的数据分别进行拟合(见图5和图6),以试验土样相近的含水率11%和含盐量1%为例对标定结果进行分析，得到质量含水率与体积含水率的关系为y=12.62+2.74x,相关系数R2=0.996 33;含盐量和电导率的关系为y=0.237+5.655x,相关系数R2=0.996 15。从这两个关系式可以发现质量含水率与体积含水率、含盐量和电导率均具有显著的线性关系，这为试验数据的精确性提供了无力的支持。

3 试验结果分析及讨论

3.1 试样温度随冻融循环时间的变化

试样不同高度处的温度随时间的变化趋势如图7所示。从图7中可以看到，在试样的不同高度处温度随时间变化曲线图均呈波浪形，出现该现象的缘由是顶板(冷源)进行升降温的过程中，土体随冷源温度变化亦出现升降变化。这说明冷源升降温方式决定了土体的温度变化方式并且离冷源越近温度变化越明显。从图7中还发现，当顶板温度发生变化时，由于土体温度向下传递需要一定的时间，因而最低温度和最高温度的变化要迟于12 h、24 h。为了更直观地说明上覆荷载对温度的影响，将图7(d)中最低温度在图8列出。从图8可以看出，在不同上覆荷载作用下7个冻融循环周期内土样顶部的温度随时间的变化趋势略有不同，其中100 kPa作用下温度随时间的添加有明显地逐步降低趋势，次要有两个缘由：其一，上覆荷载作用下土体被压缩引起热传导功能得到较大的提高；其二，试样顶部土体的含水率和含盐量亦随时间的添加逐步增大，从而使温度降低。同时，上覆荷载为100 kPa时最低温度是4个荷载中最低的，这表明：上覆荷载影响土体的温度变化并存在一个最大影响荷载。土体温度随上覆荷载添加呈现出先降低后升高的特点，这是由于在荷载作用下因土体被压缩其导热性增大温度降低，而当上覆荷载超过最大影响荷载时由于土颗粒的定向陈列程度增大使得土体的导热性减小，从而导致温度升高。试样底部、中部和试样顶部最低温度的变化规律是类似的，在此不再赘述。

3.2 上覆荷载作用对含水率的影响

冻融循环作用下，受上覆荷载影响的土样含水率变化如图9所示。试样不同高度处的体积含水率随上覆荷载和冻融循环次数的变化而变化的规律不尽相同。由图9(a)可见，试样底部含水率在50 kPa荷载作用下最低，这是由水分向上迁移量较大形成的，这说明在该级荷载作用下，土颗粒移动的过程中构成的通道有较好的连通性，可提供较好的水分迁移通道，从而有利于水分的迁移。从图9(b)和图9(c)可以看出，试样中部的含水率在100 kPa时较小，此时土颗粒的重新分布并没有构成连通性较好的通道，导致毛细管作用不显著，使得水分不能发生较多的迁移。当荷载添加至150 kPa时含水率有所添加，是因为随着压力的添加，孔隙的定向性提高，为水分迁移提供了连通性较好的通道导致含水率变大。图9(d)中显示在第5个冻融循环周期内，100 kPa作用时试样顶部的含水率反而有所降低，在第7个循环周期含水率又明显添加，究其缘由可能是在后期的冻融循环中盐晶和冰晶的结晶压力将土粒推开，给水分迁移提供了连通的通道。如图10所示可以看出，在相同冻融周期内，上覆荷载的存在对水分迁移起到了一定的抑制造用，尤其在试样中部较为明显。顶部土体中由于盐分的集聚，水分的黏度增大，在相同的吸力作用下，荷载对水分迁移的抑制造用不明显。

3.3 上覆荷载作用对电导率的影响

上覆荷载作用下不同位置处电导率随循环周期变化曲线如图11所示。从图11(a)和图11(d)可以看出，试样底部和顶部电导率的变化是最显著的，底部由于盐分向上迁移，而顶部是因为盐分随水分向上迁移形成的。在图11(b)和图11(c)中看到，试样中部在100 kPa上覆荷载作用下电导率是最小的，这说明在此荷载作用下土颗粒的重陈列引起孔隙定向性减弱，导致孔隙的连通性较差，不利于盐分的迁移。从图11(d)中可发现，试样顶部的电导率随循环周期添加有增大的现象，次要缘由是土样顶部受温度影响较大，土体在降温过程中，孔隙中未冻结水溶解盐的能力随着温度的降低而下降，使得盐分浓度在相对较短的时间内升高，引起电导率增大。由图可知在100kPa上覆荷载的作用下电导率变化要明显高于其他荷载，说明在该级荷载作用下，土体的冻结温度最低，未冻结水含量溶解盐的能力亦最小，使得离子浓度增大从而引起电导率增大。如图12所示不难看出，当冻融循环次数一定时，在土样两头(9.5 cm、17 cm)位置处上覆荷载对电导率变化的影响较小，顶部(24.5 cm)在有载作用下的电导率明显较无载作用下的电导率大，分析其缘由可能是在上覆荷载作用下，土样顶部密度增大，土颗粒之间孔隙减小，且在冻融循环过程中最低温度降低，未冻水含量减小，孔隙溶液中离子浓度的增大导致的，这也充分说明上覆荷载对盐分迁移起到积极作用。

3.4 上覆荷载对土体累计变形量的影响

在上覆荷载作用下土体的累计变形随冻融循环周期的变化如13所示 。图13中正值表示土体高度大于初始值，负值表示土体高度小于初始值。

从图13(a)可见，无上覆荷载作用时，试验过程中土体处于膨胀形态，膨胀变形随循环周期的添加而增大且最大膨胀变形量达7 mm。从图13(b)—图13(d)中明显看出，上覆荷载作用下试样高度小于初始值，使土体处于压缩形态，并且第1个循环周期是土体发生压缩变形的次要阶段。这说明此时土粒之间相互作用较弱、孔隙较大，上覆荷载作用下土粒产生了显著的重分布现象。从图13(b)和图13(c)中发现，在50 kPa和100 kPa作用下，降温过程中随着冰晶和盐晶逐步生长产生的冻胀和盐胀使土体发生了膨胀变形导致土体压缩变形减小，但这种膨胀变形较微弱。这说明，上覆荷载对土体膨胀有抑制造用，同时对压缩变形起主导作用。在同一荷载作用下，产生的累计压缩变形随冻融周期的添加而增大，即土体变形具有累加性。这次要有两点缘由：其一，降温过程中，上覆荷载的作用破坏了土体原有结构，引起土粒重新陈列；其二，土粒间的结合水膜变薄，加剧了压缩变形的发生。试验结果表明变形梯度随冻融周期的添加而减小，次要是因为荷载作用下前一个冻融循环后土体密度得到提高，土颗粒之间的孔隙进一步减小，摩擦力亦进一步增大，当荷载不变时，克服土粒之间的摩擦发生移动的能力减弱，不能使较多的土粒参与到其中，也就使得土颗粒从不稳定形态逐步向稳定形态转变，所以随着冻融循环周期的添加变形梯度逐步减小。在升温阶段，冰晶和盐晶缓慢消失，膨胀力减弱压缩变形随之增大，但土颗粒发生的热膨胀会引起压缩变形减小，因而变形曲线呈现出先增大后较小的趋势。总的来说，在上覆荷载作用下土体在温度变化过程中的变形符合热胀冷缩的原理。从图13(d)中可看出，与上覆荷载50 kPa、100 kPa不同，当上覆荷载为150 kPa时在第1个循环周期后土体发生了较为明显的膨胀变形，这表明此时产生的膨胀力较大。如图14所示可知，在冻融循环次数一定时，土样的压缩变形量随着上覆荷载的添加而增大，这说明随着上覆荷载的增大，土粒克服摩擦阻力而产生移动的能力增大，从而引起更多的土粒发生了位置的改变。

3.5 冻融循环后土体微观结构分析

不同上覆荷载作用下冻融循环后土体微观结构如图15所示。对烘干后的试样进行扫描电子显微镜试验，成像后选取具有代表性的部分进行拍摄，每个试样分别得到了100、400、800、1 200、1 500四种不同放大倍数下的观测图像。通过将这4 种不同放大倍数的图像进行对比发现，土体中晶须及颗粒裂缝十分微小，放大1 500倍的图像中能够更为清晰地展现出土体的晶须及颗粒破碎情况，因而选取放大1 500倍的图像进行分析。从图15中可见，土颗粒表面吸附晶须的数量随上覆荷载的增大而逐步减少，至150 kPa时几乎看不到有晶须生成，这说明上覆荷载对晶须生成有抑制造用。这些晶须产生的晶胀压力会引起土体发生盐胀，当有荷载作用时，由于晶体生成的数量减少同时产生的晶胀压力也会减弱，从而使土体的膨胀变形减小，压缩变形逐步增大。这也就不难理解上覆荷载抑制了土体的盐胀变形。从图15(b)中发现，外形扁平的土粒发生了断裂，这是因为土颗粒被架空，一端镶嵌在其他颗粒中，自在端在盐晶或冰晶挤压作用使该土粒断裂，而在图15(c)、图15(d)中由于土体较密实结晶压力使土粒发生移动并没有导致土粒断裂，这充分表明了土粒断裂并不是上覆荷载引起，而是由盐结晶和冰晶体共同产生的压力所导致。土颗粒破碎是土体发生压缩变形的一个因素。从图15中可以看出，随着上覆荷载的增大土颗粒间隙逐步减小，并且大孔隙向细微孔隙转变，土体由疏松逐步变为密实，结构变得紧密。综上所述，晶须减少，盐胀压力减弱是引起膨胀变形减少的次要缘由，土颗粒破碎，颗粒陈列紧密及孔隙减小是土体发生压缩变形的因素。这就验证了土体经过冻融循环在上覆荷载作用下压缩变形逐步添加的结论。

3.6 上覆荷载作用下对补水含量的影响

试验补水量随循环周期变化曲线如图16所示。从图16可以看出，上覆荷载为50 kPa时土体补水量最大，这是因为在首次冻融循环上覆荷载作用引起土颗粒和孔隙的重分布，使得孔隙构成毛细作用显著，水分能发生较多的迁移，进而使其补水量最大。上覆荷载为150 kPa时土粒的定向陈列从而构成的毛细作用较强，有利于水分的迁移使土体补水量较多。而在上覆荷载为0 kPa、100 kPa试验过程中补水量并没有显著添加，这是因为水分迁移的通道连通性较差，使得水分在试验过程中不能发生较多的迁移所导致。另外，补水曲线出现波动情况是由冻融循环过程中上覆荷载作用下土体发生了补水排水所导致的。

4 结 论

(1)土体温度随上覆荷载添加呈现出先降低后升高的特点，并在100 kPa时最低；离冷源越近，土体温度变化越明显。

(2)上覆荷载作用下，土体顶部密度增大，对水分迁移有抑制造用，盐分则在该处出现聚集现象。在其他高度处，由于土颗粒的重陈列程度不同，水分盐分变化亦不尽相同。当上覆荷载为50 kPa时土样中的水分盐分迁移量和补水量最大。上覆荷载作用下土颗粒的重分布改变土体中孔隙的连通性进而间接影响盐渍土的水盐迁移。

(3)上覆荷载是导致土体发生压缩变形的直接缘由。在同一循环周期内压缩变形随上覆荷载的添加而增大。在同一荷载作用下，压缩变形随冻融周期的添加而增大。第1个循环周期是土体发生压缩变形的次要阶段。在上覆荷载作用下发生压缩变形的过程中降温阶段土体遇冷收缩压缩变形增大，升温阶段受热膨胀压缩变形减小，土体变形符合热胀冷缩的规律。

(4)通过电镜扫描试验结果分析表明，晶须生成量减少，盐胀压力减弱是引起膨胀变形减少的次要缘由，土颗粒破碎及土粒间隙减小是土体发生压缩变形的因素。

实际工程中在条件允许的情况下建议路基的填土高度应与上覆荷载为100 kPa所对应。此外，为了减小地下水对路基的影响，应在路基填筑时严格控制压实系数，这可起到减弱毛细作用，从而延长路基使用寿命的目的。

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