孫 小 平

(中鐵建甘肅投資有限公司， 甘肅 蘭州 730060)

鹽漬土作為一種特殊土，在我國西北干旱地區(qū)廣泛分布，如新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地[1-2]均有分布。鹽漬土是一種對溫度變化比較敏感的地質(zhì)體[3]，由于溫度變化所引起的鹽漬土地基鹽脹、溶陷變形對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生了嚴重損害，嚴重影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟的正常發(fā)展，鹽漬土地基的處理和改良業(yè)已成為工程建設(shè)中密切關(guān)注和亟需解決的難題。多年來，學(xué)者們[4-12]對鹽漬土進行了大量研究，研究方向主要集中在鹽漬土的水熱場變化規(guī)律、水鹽運移規(guī)律、鹽脹特性以及力學(xué)強度四個方面，另外在凍土區(qū)還存在著鹽漬土凍脹與鹽脹耦合研究的問題。其中室內(nèi)凍融循環(huán)鹽脹試驗以及土工三軸剪切試驗等對于定量化研究鹽漬土與水、鹽及溫度的關(guān)系特征具有一定意義；同時隨著鹽漬土地區(qū)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對鹽漬土地質(zhì)地基處理的迫切理論和技術(shù)指導(dǎo)需要，以及基于自然條件的室外試驗研究對于揭示自然氣候條件下的鹽漬土力學(xué)和工程特性具有較大的應(yīng)用價值[3]，針對于不同區(qū)域的自然條件鹽漬土鹽脹變形試驗研究逐漸增多。建立考慮多場耦合條件的鹽漬土鹽脹變形計算理論方法始終是學(xué)者們不斷探索的重要方向。提出基于隔水阻熱條件的鹽漬土地基處理及鹽脹變形控制方法成為不可避免的鹽漬土工程實踐關(guān)鍵技術(shù)難題。

本文嘗試對近年來鹽漬土的鹽脹特性、溫度場分布及水鹽分布特征試驗研究成果進行總結(jié)、對比分析，特別在綜合比較室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)之上，指出鹽漬土研究中現(xiàn)存的關(guān)鍵性問題并對其進行探討，以期為鹽漬土的進一步研究提供參考。

1 鹽漬土鹽脹特性室內(nèi)試驗研究

1.1 鹽漬土鹽脹特性影響因素研究

已有研究表明，鹽漬土鹽脹變形的產(chǎn)生需要最基本的溫度、水分和鹽分條件，其中水分和鹽分是鹽脹變形的內(nèi)在先決因素，溫度則是鹽脹發(fā)生的外在因素和直接誘因。對于鹽脹特性的研究應(yīng)該從最基本的因素效應(yīng)分析出發(fā)，現(xiàn)有的鹽漬土研究也的確如此，國內(nèi)學(xué)者首先從定性的角度，既以對鹽脹變形發(fā)展起抑制或促進作用為判斷基準，對影響鹽脹變形的各因素進行了單因素控制下的鹽脹特性室內(nèi)研究試驗。隨著認識水平和測試試驗技術(shù)的提高，研究深度逐步從定性的層面發(fā)展到定量的水平，并且結(jié)合實際工況下的水、熱、鹽、力四場耦合室內(nèi)鹽脹試驗也正加深著研究人員對于鹽漬土鹽脹特性的認識。從黃雪峰等[4-5]、張莎莎等[7-8]和董曉明等[9]的現(xiàn)有研究成果來看，對鹽漬土鹽脹特性影響因素的效應(yīng)分析基本達成以下共識：

(1) 鹽漬土地基鹽脹變形的產(chǎn)生條件和發(fā)展程度受溫度、水分、初始干密度、含鹽量和上覆荷載的變化所影響。其中鹽脹變形的溫度效應(yīng)表現(xiàn)為在不同溫度區(qū)間上，鹽漬土的鹽脹發(fā)展速度以及所產(chǎn)生的鹽脹量不盡相同。鹽脹變形主要發(fā)展的適宜溫度區(qū)間為15℃～-5℃，此溫度范圍與鹽分(硫酸鈉)的相變溫度和鹽漬土水分相態(tài)變化溫度相關(guān)聯(lián)，而在-5℃以下或15℃以上時，鹽脹作用較為平緩。其機理在于當溫度高于15℃時，鹽漬土土樣內(nèi)部所形成的溫差幅值較小，水分遷移過程因而相對趨于平緩，硫酸鈉溶液結(jié)晶活動受限，生成結(jié)晶體較少；而當溫度降至-5℃以下時，鹽漬土內(nèi)部硫酸鈉溶液濃度以及毛細水的相變(冰晶體生成)都會影響硫酸鈉溶液得吸水結(jié)晶發(fā)展，因此綜合表現(xiàn)為鹽脹變形速率減緩。

(2) 水分對鹽漬土鹽脹變形的影響效應(yīng)體現(xiàn)在兩個方面：① 一般情況下，硫酸鹽漬土的鹽脹率隨含水率的增加而增加，而當一旦達到最佳含水率后，鹽脹率反而呈現(xiàn)降低，即鹽脹率的峰值一般出現(xiàn)在最佳含水率附近[9]；② 水分對鹽漬土的鹽脹變形影響與溫度場不可獨立分析，因為水分的相態(tài)以及遷移變化受溫度場的耦合影響，近年來關(guān)于非飽和土介質(zhì)的“鍋蓋效應(yīng)”揭示了其中重要特性[13]，值得鹽漬土研究者的重視。

(3) 鹽漬土初始干密度和硫酸鈉含鹽量的增加均對鹽脹變形產(chǎn)生促進作用，而上覆荷載與鹽脹變形保持著反比關(guān)系。其中干密度的影響機理在于：隨著鹽漬土干密度增大，其土粒間的接觸聯(lián)結(jié)密切，土粒凈距減小。當溫度降低后，鹽漬土硫酸鈉晶體生成填充粒間孔隙，對鹽漬土的骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞力，使其結(jié)構(gòu)損傷，發(fā)生體變，進而在宏觀上表現(xiàn)為鹽漬土鹽脹變形發(fā)展。干密度對鹽漬土鹽脹的促進作用從現(xiàn)場試驗結(jié)果中也得以證實[14]。

值得注意的是，對于鹽漬土鹽脹特性的影響因素效應(yīng)分析不應(yīng)局限于單因素控制下的試驗研究。原因在于，雖然上述因素的單獨變化會對鹽漬土的鹽脹發(fā)展起到了一定的促進或抑制作用，然而在各因素同時發(fā)生變化之時，會存在主要的鹽脹變形控制因素，研究表明隨著上覆荷載壓力的增加或含水率的減小，含鹽量的促進作用會有所降低[7]，說明各因素之間存在著耦合影響。因此研究水、熱、鹽、力等因素耦合作用下的鹽脹變形對于更好的揭示和認知鹽漬土的鹽脹特性將具有重要的理論意義和實踐價值。

1.2 鹽漬土鹽脹凍融循環(huán)試驗研究

為了模擬外界氣候溫度循環(huán)條件下的鹽漬土地基鹽脹變形特性，探討溫度交替變化下的水鹽運移規(guī)律，國內(nèi)學(xué)者[8，10-12,15]開展了基于不同試驗條件的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗研究。如張莎莎等[8]對粗粒鹽漬土進行了室內(nèi)大尺寸多次凍融循環(huán)鹽脹試驗；李炎等[10]對羅布泊地區(qū)亞硫酸鈉鹽漬土在開放系統(tǒng)中進行了多次凍融循環(huán)試驗。已有凍融循環(huán)試驗研究表明：

(1) 在鹽漬土凍融循環(huán)初期，鹽脹變化特征主要以鹽脹累加為主，而在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后期，鹽脹變形速度明顯趨緩，以鹽脹回落或以溶陷累加為主；降溫初期鹽脹變形增長速度持續(xù)增加，而后保持一個較為平穩(wěn)的鹽脹發(fā)展速率[16]，升溫后鹽脹變形停滯，而土體出現(xiàn)鹽脹量消沉回落現(xiàn)象。

(2) 凍融循環(huán)過程中，水鹽運動呈現(xiàn)多態(tài)變化。對凍融循環(huán)前后的鹽漬土水鹽分布變化進行試驗對比發(fā)現(xiàn)，水鹽整體具有從熱端向冷端遷移和富集的規(guī)律特征，表明溫度(差)是驅(qū)動水鹽運移的主要動力。然而水鹽的分布不具有完全對應(yīng)的分布關(guān)系，即鹽分場遷移速率低于水分遷移速度，在遷移高度上，鹽分遷移高度低于水分活動層高度。同時鹽分也對鹽漬土凍結(jié)特性(凍結(jié)溫度)存在影響[17]。

目前，針對不同類鹽漬土的試驗表明，鹽漬土的鹽脹特性受土樣類別、土粒顆粒分布級配、含鹽種類及對應(yīng)含鹽量等的影響而具有一定的差別特征，如鹽漬土中細粒土含量對其體變(體縮現(xiàn)象)特征的影響。上述鹽漬土鹽脹特性影響因素對于深入分析溫度(凍融)循環(huán)條件下的鹽漬土鹽脹特性和水鹽遷移分布規(guī)律固有不可言喻的研究意義，然而現(xiàn)有的凍融循環(huán)試驗存在幾點值得關(guān)注的問題：

(1) 為定量化研究硫酸鈉鹽對鹽脹變形的影響規(guī)律，排除土體中原有其他類別鹽分對試驗結(jié)果的干擾。試驗所用鹽漬土多經(jīng)人工洗鹽等工序后定量摻加硫酸鈉鹽而配制成的試驗用土。因此對于含氯鹽較高的鹽漬土而言，試驗所得鹽漬土鹽脹量往往較實際工況下的鹽脹量大，原因在于氯鹽對于鹽脹發(fā)展具有一定的抑制作用。因此在有關(guān)鹽漬土凍融循環(huán)試驗中，應(yīng)合理考慮實際工況下的鹽漬土鹽分構(gòu)成及含量，以期得到反映多鹽分耦合條件下的鹽漬土鹽脹變形規(guī)律特征。

(2) 試驗所設(shè)計的凍融循環(huán)主要是通過控制土樣上下端界面溫度變化而實現(xiàn)的，降溫具有單向性。降溫的速率較自然氣候溫度對土體溫度變化的影響速度快得多，因此當溫度以一個較快的水平快速降至負溫以下時，極易在鹽漬土內(nèi)引起冰晶體的形成，堵塞土體內(nèi)部聯(lián)通孔隙及毛細孔道，阻礙水鹽從熱端向冷端的遷移活動，進而影響了試驗對于揭示鹽脹變形和水鹽遷移分布規(guī)律的客觀性。因此開發(fā)設(shè)計具有全天候條件下的凍融循環(huán)試驗裝置，開展對應(yīng)試驗研究具有重要意義。

2 鹽漬土鹽脹特性現(xiàn)場試驗研究

由于鹽漬土室內(nèi)試驗研究在試驗開展方面具有易于進行、定量化研究的優(yōu)勢而成為鹽漬土鹽脹特性、溫度狀態(tài)分布規(guī)律、水鹽遷移分布規(guī)律研究的主要方式。但是面對重大工程的需要，基于特殊自然氣候條件的鹽漬土地基變形特征現(xiàn)場試驗研究具有不可替代性和緊要性。以期反映完全真實諸多不確定自然氣候條件(如自然風(fēng)力、季節(jié)性降水和蒸發(fā)等)下的現(xiàn)場鹽脹變形及水分、鹽分及溫度場變化特征監(jiān)測試驗不斷出現(xiàn)，加深了對鹽漬土諸多力學(xué)和工程特性的認識。因此基于室外實際自然條件下的現(xiàn)場鹽漬土鹽脹特性和水、熱、鹽狀態(tài)分布試驗研究將具有重要的理論研究價值，更對于特定的鹽漬土地區(qū)的工程建設(shè)應(yīng)用而言具有不可替代的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

(1) 現(xiàn)場鹽漬土地基溫度場分布整體隨季節(jié)性更替而呈現(xiàn)規(guī)律性變化。值得關(guān)注的是，溫度傳遞存在深度效應(yīng)，即淺層土體溫度隨外界氣候溫度變化更為劇烈。隨著深度加深，溫度變化幅值減小[20]，而對應(yīng)變化周期延長。例如，從文獻[3]可以看出，大致以鹽漬土地基土層深度1.8 m左右為界，土層溫度變化隨氣候溫度變化可以分為兩個狀態(tài)區(qū)，在1.8 m以下土層溫度變化相對較為平穩(wěn)，而1.8 m以上至地面土層溫度變化劇烈。即淺層土體的熱效應(yīng)變化劇烈，隨著深度的下降溫差幅值在減小[18]。并且沿土層深度方向所形成的溫差幅值在寒期隨著降溫期的深入而不斷增大，淺層土體較其以下土層對于外界自然溫度變化的響應(yīng)速度更快、程度更大。上述關(guān)于鹽漬土溫度場的變化規(guī)律揭示結(jié)果對于鹽漬土地基工程的處理應(yīng)用具有重要現(xiàn)實意義。

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(2) 鹽漬土水分分布規(guī)律受多方面因素影響，其中包括氣候溫度、濕度、日照(蒸發(fā))強度及持續(xù)時間、降雨等。與鹽漬土地基土溫度變化特征規(guī)律類似，其水分分布也表現(xiàn)出深度效應(yīng)，即靠近地表土體的水分變化幅度及變化周期較其它土層而言更為顯著。在西北等地寒季期，鹽漬土靠近地表一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)凍土層，凍脹變形不可避免與鹽脹變形同時產(chǎn)生，但是冰晶體在土體內(nèi)的產(chǎn)生抑制了一定程度的鹽脹變形發(fā)展[20]。土體水分遷移沿深度方向表現(xiàn)出分帶現(xiàn)象。

(3) 從上述分析可以得知，鹽漬土的變形受溫度場、水分場及鹽分場[21]的影響，其中在自然氣候條件下還受降水、蒸發(fā)等的影響。從現(xiàn)有試驗結(jié)果可以看出，鹽漬土鹽脹變形以及融陷變形存在深度效應(yīng)，即鹽漬土的鹽脹變形主要發(fā)生在距地表的淺層土體內(nèi)[10]，這與溫度場在鹽漬土地基中的分布變化規(guī)律相關(guān)聯(lián)，淺層土體的熱效應(yīng)更加明顯，鹽脹變形的產(chǎn)生主要受土體熱狀態(tài)和水分遷移的耦合影響[22]，在土體溫度為10℃～-5℃時鹽脹變形發(fā)展最為明顯[23]。鹽脹變形存在明顯的時間效應(yīng)，其中在寒季主要發(fā)生鹽脹變形，而溫度回升鹽漬土地基以融陷變形為主，鹽漬土長期變形是鹽脹變形和融陷變形交替發(fā)展變化的累積結(jié)果。

對于鹽漬土的水、熱、鹽分布規(guī)律和鹽脹變形的現(xiàn)場試驗研究總體上相較室內(nèi)模擬試驗而言更能準確反映自然氣候環(huán)境下的鹽漬土地基相關(guān)特性。其中所得出的鹽脹變形發(fā)展的主要土層深度對于工程上用于地基土換填或改良而言具有直接的指導(dǎo)意義；溫度傳遞變化特征、水鹽遷移分布規(guī)律對于鹽漬土地基的隔熱、隔水、阻鹽處理同樣具有積極的工程應(yīng)用價值[24]。值得關(guān)注的是，溫度對水鹽遷移分布的驅(qū)動力影響從室內(nèi)外試驗結(jié)果中都有所體現(xiàn)，水熱鹽三者的耦合效應(yīng)分析應(yīng)當成為鹽漬土研究中的一個熱點問題，許多學(xué)者[25-30]對此也進行了一些試驗研究和分析。

3 鹽漬土力學(xué)強度研究及新技術(shù)應(yīng)用

3.1 鹽漬土力學(xué)強度研究

目前，對于鹽漬土的力學(xué)強度研究可分為三個方面：

(1) 對影響鹽漬土力學(xué)強度的基本因素(如含鹽量、含水率、溫度)進行(定量化)研究探析[31-32]，如陳煒韜等[31]研究了含鹽量及含水率對氯鹽鹽漬土抗剪強度參數(shù)的影響。試驗結(jié)果表明：隨著CaCl2含量的增加，氯鹽鹽漬土的抗剪強度參數(shù)值先減小后增大。含水率在低水平狀態(tài)變化時，鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角降低程度比較大，而在高水平時，衰減程度降低。其中鹽分對抗剪強度參數(shù)的影響主要在于其土中易溶鹽相態(tài)的變化。

(2) 研究凍融循環(huán)條件下的鹽漬土力學(xué)強度變化特征，如文獻[33]研究了凍融條件下的鹽漬土抗剪強度特性。結(jié)果表明，經(jīng)歷凍融循環(huán)后鹽漬土土體的黏聚力隨著凍融次數(shù)的增加而降低；同時土體黏聚力隨凍融次數(shù)的變化特征與土體中氯鹽的濃度存在關(guān)聯(lián)[34]。對鹽漬土強度參數(shù)造成影響的主要因素有凍融循環(huán)次數(shù)、水分遷移、晶體析出等。在溫度變化過程中，鹽分會發(fā)生相態(tài)變化，從而導(dǎo)致起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，引起土體抗剪強度變化[34]。

至今為止，對于鹽漬土力學(xué)強度和固化改良鹽漬土的力學(xué)強度的研究達成了一些基本的共識[37]，但與此同時還存在著一些值得探討和解決的試驗研究問題：

(1) 凍融循環(huán)條件下的鹽漬土力學(xué)強度變化，可以基于鹽分含量、水鹽相態(tài)變化特征以及鹽脹和凍脹變形發(fā)展程度等方面進行分析。其中鹽分含量和鹽分相態(tài)對力學(xué)強度的影響分析還應(yīng)與凍融循環(huán)程度緊密結(jié)合起來，原因在于鹽分在凍融循環(huán)試驗過程中的含量和相態(tài)會直接影響土體結(jié)構(gòu)及其所含膠結(jié)物的含量；另外二者還對鹽漬土力學(xué)強度[38]和鹽脹的發(fā)展發(fā)揮著控制因素的作用。水分相態(tài)變化會影響鹽脹和凍脹變形的累加量，并且水分相態(tài)的變化控制著土體內(nèi)易溶鹽含量和冰晶體數(shù)量的多少，如冰晶體的產(chǎn)生將導(dǎo)致土體體積膨脹，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致抗壓強度降低。鹽脹和凍脹的產(chǎn)生使土體結(jié)構(gòu)擾動，土體孔隙增多，結(jié)構(gòu)趨于疏松，導(dǎo)致其力學(xué)強度降低。因此通過試驗研究，揭示鹽漬土力學(xué)強度在多重因素耦合影響條件下的變化特征具有重要意義[39]，可為相關(guān)鹽漬土地基的處理提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

(2) 對于固化改良鹽漬土的凍融循環(huán)和剪切試驗研究表明，經(jīng)固化后的鹽漬土力學(xué)強度較原鹽漬土得到了提升，抗變形性能增強。然而固化土在經(jīng)歷浸濕作用后或者受泛鹽漬化的影響，其力學(xué)強度會產(chǎn)生折損。因此對于固化土的工程應(yīng)用應(yīng)該結(jié)合完善的隔水工程處理措施，阻止水鹽遷移，同時研究可提高抗凍融性能的固化改良土，以增強固化土的強度壽命，發(fā)揮其應(yīng)有的工程效用。通過試驗研究，特別是微宏觀試驗技術(shù)的聯(lián)合，探析加固處理對鹽漬土的結(jié)構(gòu)、土粒聯(lián)結(jié)的影響，揭示加固處理的微觀機理，從而從改變鹽漬土的結(jié)構(gòu)性出發(fā)改善其力學(xué)強度。

(3) 受剪切試驗速度的影響，鹽漬土的力學(xué)強度會產(chǎn)生差異變化。剪切速度較快時所得到的鹽漬土強度較低，而速度較慢時則反之，因此應(yīng)以實際工程的力學(xué)簡化特征為基，建立與研究問題相匹配的試驗加載、剪切試驗標準[40]，完善鹽漬土土工試驗方法。

(4) 不同地區(qū)的鹽漬土由于所處的氣候環(huán)境、水環(huán)境等因素的不同，使其力學(xué)特征表現(xiàn)不一，因此對于不同區(qū)域或不同類別的鹽漬土力學(xué)強度應(yīng)予以區(qū)別性對待和研究。

3.2 CT技術(shù)在鹽漬土力學(xué)強度研究中的應(yīng)用

由于巖土微宏觀試驗研究可以全面揭示巖土(石)的強度、變形等變化特征及其機理而逐漸備受關(guān)注和推崇，不斷受到重視。而CT技術(shù)可以動態(tài)、定量和無損地量測巖土(石)材料在受力過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化特征，近年來，CT技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用發(fā)展較快[41]，亦逐步引入到鹽漬土的力學(xué)特征研究中[42]。其中鄧友生等[43]率先利用CT技術(shù)對凍結(jié)過程中鹽漬土的結(jié)構(gòu)變化特征進行了試驗研究，認為土的類型和含鹽量是決定鹽漬土鹽脹的主要因素。張偉等[44]利用與CT機配套的多功能土工三軸儀，對硫酸鈉鹽漬土在三軸剪切試驗過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)量測，得到了硫酸鈉鹽漬土結(jié)構(gòu)演化的CT圖形和數(shù)據(jù)，包括不同圍壓及含鹽量下鹽漬土土樣不同斷面在剪切過程中的所得CT掃描圖像，并利用所得CT數(shù)值(灰白值)分析了鹽漬土土樣的剪切結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

關(guān)于CT三軸等新試驗技術(shù)在鹽漬土力學(xué)強度研究中的應(yīng)用，進一步的研究應(yīng)明確建立微觀定量參數(shù)與宏觀力學(xué)強度之間的關(guān)聯(lián)性，建立鹽漬土微宏觀土力學(xué)。通過新試驗技術(shù)觀察、記錄及統(tǒng)計分析鹽漬土內(nèi)部水分、鹽分的遷移變化特征，探討溫度變化條件下的孔隙通道結(jié)構(gòu)尺寸變化，豐富鹽漬土的力學(xué)強度和結(jié)構(gòu)特征研究。

4 結(jié) 論

(1) 鹽漬土鹽脹變形的產(chǎn)生需要最基本的溫度、水分和鹽分條件，其中水分和鹽分是鹽脹變形的內(nèi)在先決因素，溫度則是鹽脹發(fā)生的外在直接誘因。水、熱、鹽、力等因素下的耦合效應(yīng)研究應(yīng)成為鹽脹特性研究的新方向。

(2) 凍融循環(huán)條件下的鹽漬土特性研究定量化地揭示了鹽漬土的變形和水鹽遷移特征。凍融循環(huán)初期，主要以鹽脹累加為主，經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，鹽脹變形速度趨緩。

(3) 反映自然氣候條件的現(xiàn)場鹽脹變形及水分、鹽分及溫度場變化特征監(jiān)測試驗不斷出現(xiàn)，加深了對鹽漬土諸多力學(xué)和工程特性的認識。鹽漬土長期變形是鹽脹變形和融陷變形交替發(fā)展變化的累積結(jié)果。

(4) 凍融循環(huán)條件下的鹽漬土力學(xué)強度變化，可以基于鹽分含量、水鹽相態(tài)變化特征以及鹽脹和凍脹變形發(fā)展程度等方面進行分析。應(yīng)進一步建立與研究問題相匹配的試驗加載、剪切試驗標準，完善鹽漬土土工試驗方法。同時對于不同區(qū)域或不同類別的鹽漬土力學(xué)強度應(yīng)予以區(qū)別性對待和研究。

CT三軸技術(shù)在鹽漬土研究方面的應(yīng)用為更加細觀的研究鹽漬土結(jié)構(gòu)特征提供了先進手段。