0 引言

盐渍土作为一种特殊土体，在新疆分布十分广泛，总面积约为11万km^2[1]。随着“一带一路”倡议的持续推进，公路等基础设施建设进程不断提速^[2]，新疆作为战略关键省份，其公路建设将不可避免的穿越盐渍土地区。南疆地区以粗粒硫酸盐渍土为主，硫酸盐吸水会造成路基盐胀^[3], 同时会对道路基层材料造成侵蚀^[4]，从而导致道路结构稳定性降低及道路病害产生，因此明确粗粒硫酸盐渍土的水盐迁移规律可为盐渍土地区公路设计及病害防止提供一定依据。

针对盐渍土中的水盐迁移规律，国内外许多学者进行了相关研究。张留俊^[5]采用人工配置的氯盐渍土开展降水入渗条件下的室内试验，结果表明，随着降水入渗次数的增多，盐分在土柱中底部积聚。刘建鹏^[6]以粉质黏土为研究对象开展单向冻结试验，结果表明，含盐量越低，水盐迁移越明显。张彧^[7]结合氯盐地区的水热与蒸发量变化，通过现场勘测与试验发现热效应为水盐变化的主导因素，寒季土体会出现2个盐分聚集区。肖泽岸^[8]通过室内试验研究了粉质黏土中盐分对水分重分布的影响，结果表明，盐分会削弱土体冻结过程中的水分迁移。包卫星^[9]对天然盐渍土进行了多次冻融循环试验，结果表明，低液限黏土的水分与盐分重分布具有一致性。吕擎峰^[10]以固化后的细粒土为研究对象，开展了全开放自然条件下的毛细水上升试验，结果表明，Cl^―迁移速率大于SO₄^2-。关于水盐迁移规律的研究已有许多成果，但关于粗粒硫酸盐渍土中水盐迁移特性的相关研究还相对较少。

现有研究多集中于不同外部环境下的水盐迁移机制研究，对工程施工中的控制参数研究较少。李玲^[11]、王亚强^[12]研究了不同供给源下氯盐渍土的水盐迁移特性，结果表明盐渍土为供给源比盐溶液供给源下的迁移速率大，盐溶液为供给源时迁移高度更高。田秋林^[13]研究了含水率与含盐量对硫酸盐渍土水盐迁移规律的影响，结果表明，相同含水率下，盐分梯度是水盐迁移的主导因素。Liu^[14]研究了冻融条件下含盐量对水盐迁移的影响，结果表明，水分迁移速率与未冻结水量相关。温小平^[15]以数值模拟的方式分析了含水量与含盐量对毛细水迁移的影响。张建勋^[16]研究了粉质黏土和砂土在冻结条件下的水分迁移规律，结果表明，两种土体均在冻结区形成两处水分聚集区域。上述研究多集中于盐分供给源、含水量及含盐量等条件，关于压实度及颗粒级配的研究还相对较少。根据研究区域设定不同的外部试验条件，Yang^[17]研究了粗粒硫酸盐渍土在冻融循环下的水盐分布。周凤玺^[18]通过数值模结合室内试验，探究了砂土在封闭环境下冻结过程中的水盐变化，结果表明，暖端的水分会向冷端迁移。余云燕^[19]对河西走廊地区的硫酸盐渍土进行了无压补水冻融循环试验，结果表明，溶液补给量与温度呈反比关系。Zhang^[20]研究了反复冻融对硫酸盐渍土盐胀性质的影响，结果表明多次冻融会增大土体变形。李萍^[2]开展了强蒸发条件下的“黄土+砂”换填层水盐迁移试验，结果表明，蒸发条件下的水盐迁移速率比常温条件下更快。上述关于硫酸盐渍土研究多为冻融循环条件下的，关于单向升温条件下的水盐迁移特性研究相对较少。同时考虑路基上覆条件下的研究更为少见。

新疆喀什地区夏季极端气温达到40 ℃，每年有4个月平均高温在30 ℃以上，因此高温对实际工程的影响不可忽视。部分学者指出，高温会加剧水盐迁移现象^[21]。Zhang^[22]研究了裸土在蒸发条件下的水盐变化，结果表明蒸发过程中裂缝和孔隙为水汽迁移提供了通道。综上所述，本研究选用喀什地区典型粗颗粒硫酸盐渍土为研究对象，通过模拟路基的上覆效应与实际温度，开展室内水盐迁移试验，探究不同级配土料在不同压实度条件下的水盐聚集区域，从而为该地区的路基设计及病害防治提供一定的理论参考。

1 试验材料与设备 1.1 试验材料

试验材料取自南疆G314改扩建项目喀什过境段K6附近，根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2020)对土料进行筛分及易溶盐检测，结果见表 1和表 2。根据《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)，结合Cl^―与SO₄^2-比值可判定该土料为弱硫酸盐渍土；曲率系数与不均匀系数分别为41.176和0.21，为级配不良含细粒土砾。

由于实际工程中路基填料的颗粒级配并不固定，因此，为了明确不同级配下的粗粒土水盐迁移规律，在原级配的基础上分别增大了2 mm粒径以下颗粒含量10%与20%，同时对其余颗粒含量进行调配使其连续，级配曲线如图 1所示。

1.2 试验装置

试验采用自制水盐迁移装置进行，主要由温控系统、水盐迁移系统、数据监测系统构成。其中温控系统可控制上、下导温盘温度，温度控制范围为―40~100 ℃；传感器采用CS655，可同时监测土体的温度(精度±0.1 ℃)、水分(精度±1%)、电导率(精度±0.05 dS/m)；数采仪采用CR1000X；试筒内径50 cm，高度80 cm，外壁由5 cm的有机玻璃制成，能最大限度的减少热量损失，整体装置如图 2所示。

1.3 试验方案

试验采用喀什地区典型硫酸盐渍土开展研究，调配3种不同级配土样，初始含水率控制为最佳含水率。参照《公路路基施工技术规范》(JTG/T3610—2019)结合当地实际工程，最大压实度取为94%，同时设置90%与86%压实度为对照组，在补水条件下对其水盐迁移规律进行探究。结合现场监测路基温度，如图 3所示，上部导温盘设置为30 ℃。为减小外界温度变化对试验造成影响，保持恒温实验室为室温不变。实际路基高度约为1.8 m，根据模型缩尺比例原则，缩尺比例为1∶2.23，模型高度定为80 cm；30 ℃持续时间约为30 d，时间比采用1∶5，故土柱填装完成静置1 d后，30 ℃持续6 d。试验分组见表 3。

土样控制为最佳含水率，同时为保证水分分布均匀，配置好的土样在密封盒中闷料不少于12 h。依据JTG/T3610—2019，采用质量法控制压实度分别为86%，90%，94%。分16层填装土柱，每层5 cm，每层击实完成后进行拉毛处理，确保接触面密实。

上导温盘与试筒间的缝隙用保温棉密封，以此模拟路面的覆盖效应。传感器自10 cm处开始，自下往上每10 cm布置一个，每30 min采集一次温度、水分、电导率。由于采集的含水率为体积含水率，故采用式(1)将其转为质量含水率。

$ \omega=\frac{\rho_\omega}{\rho_{\mathrm{d}}} \theta_\omega=\frac{\rho_\omega}{K \rho_{d \max }} \theta_\omega, $

(1)

式中，θ_ω为体积含水率；ρ_d为土样的干密度; ρ_ω为4 ℃时水的密度；ω为质量含水率；ρ_dmax为土样的最大干密度。

试验前对传感器进行盐分标定。将洗盐后的土体分别配置为含水率7.4%，含盐量分别为0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%的6组样品，充分混合后密封静置24 h，随后进行烘干。烘干后的土样按照1∶5的土水比配置为混合液，取其悬浊液对传感器进行标定^[19]，并将其测试结果进行线性拟合。如图 4所示，相关系数为0.989，电导率与含盐量呈现良好的相关性，故采用电导率来反映盐分的变化。试验采用马氏瓶进行补水，瓶中液面保持在高于试筒底部(3±1)cm处。

2 试验结果与分析 2.1 粗粒盐渍土传热分析

为探究水盐迁移过程中的热量传递过程，选取A-2，B-2，C-2土柱为研究对象，对土柱中各层温度变化进行分析。如图 5所示，试验前土柱各层温度在18.4 ℃左右，接近室温。试验开始一天后，土柱温度显著升高，上层温度依次为26.22，26.85，27.43 ℃，下层温度分别为19.49，20.05，20.54 ℃，由于土体孔隙存在差异^[23]，从而在垂直方向形成了明显的温度梯度。上部温度增长较快，是因为距离热源近，热量随时间的增长，层层传递，同时，传热过程中伴随着水气相变、能量消耗，因而其传递热量逐层下降。由此形成的温度梯度，为土柱的水分变化提供了驱动力。如图 5(a)所示，在试验初始的2 d内，温度增加较快，自第3天开始，温度变化速率逐渐变缓慢。这是因为土体表面具有许多负电荷，可以吸附大量的结合水，与自由水相比，束缚水的气化需要更多的能量^[22]。

如图 5(b)、(c)所示，级配1土柱在试验开始3 d时，温度变化幅度较大，而级配2土柱温度大幅度变化时间为4 d，温度大幅度变化的时间随着土体粒径减小而增大；且温度变化的范围减小。经分析，这是由于细颗粒越多，其表面积越大，其束缚水的能力越强^[24]，吸收的热量越多，因而其温度变化幅度减小。试验结束时，土柱顶部的温度分别为28.42，28.58，28.97 ℃，相比于热源温度30 ℃，分别降低了1.58，1.42，1.03 ℃，这是由于上部土体与热源接触，水气相变更为剧烈，造成了一定量的能量消耗。其顶部最终温度呈增长趋势，这与雷华阳^[25]提出的土体比热容与干密度、含水率为正比关系相符合。自试验开始第2天，10 cm处的温度变化出现低点，相比曲线原有的变化处于较低的温度，是因为，下部与纯净水接触，强烈的毛细作用在水分上升的同时会消耗一定的能量。综上所述，热量向下传递的过程中，初期温度变化剧烈，随着时间的增加，升温速率会逐渐降低。细颗粒含量的增加，会导致温度随时间的变化速率降低。

由于3种土体粒径不同，导致在温度向下传递的过程中，土柱顶部与底部的温度产生差异。原级配土柱以2 mm以上粒径占据主体，从而其孔隙较大。随着2 mm以下颗粒逐渐增大，细粒将砾组颗粒完全包裹，土柱中的孔隙不断减少，从而导致土柱底部的温度呈现增加趋势，这与黄献文^[26]提出的孔隙率越低，导热系数越大相吻合。而细颗粒含量增大，其束缚水的能力增强，从而温度随时间的变化速率减小。

2.2 不同压实度下水盐迁移规律分析

为明确压实度对粗粒土水盐迁移特性的影响，对距离试样底部不同高度处的含水率与电导率进行监测，选A、B、C共3组土柱为研究对象，采集6 d的监测数据进行分析。图 6所示为原级配土样分别在86%，90%，94%压实度下的含水率、电导率变化曲线。由图 6(a)可知，60 cm以下时，随着压实度的增高，原级配土柱的含水率逐渐下降，同时由于，砾类土的粒径较大，其含水率波动较大。压实度为86%和90%时，40 cm处出现水分聚集区域，分别为13.46%和12.11%。压实度为94%时在50 cm处出现水分聚集区，含水率达到9.98%，相比前两个土柱水分聚集区域有明显升高。土柱下部水分增大较多是由于与水直接接触，在毛细作用的影响下，水分湿润峰面不断上升^[27]，同时造成土体上下产生含水率差异，上部土体的基质吸力大于下部土体，两者共同作用下，水分不断上升。

图 6(b)为原级配土柱不同压实度下电导率分布曲线。如图所示，原级配土柱压实度为86%、90%时，电导率在40 cm处出现峰值，分别为941，836 μS/cm，表明盐分在此处积聚。94%压实度时，电导率在50 cm处出现峰值，达到700 μS/cm，盐分聚集高度有明显升高，总体盐分分布位置与水分分布相似，呈现“盐随水走”的现象^[18]。在60 cm以下时，电导率随着压实度的增大而降低，表明压实度在一定程度上限制了盐分在土体中的迁移。分析认为，土体中压实度增大，会导致其中的孔隙减少^[28]，限制了盐分迁移；同时在盐分迁移的过程中会有一定量的盐分析出，造成孔隙进一步减小，在两者的共同作用下导致土体盐含量降低。

图 7为不同压实度下原级配土柱10 cm处含水率和电导率变化曲线。由图可知，压实度为86%时，10 cm处含水率与电导率在试验前静置的1 d里迅速下降了0.54%，自试验开始后下降变缓，3 d内下了0.32%，而后在188 μS/cm上下浮动。压实度为90%时，含水率与电导率在静置的1 d内迅速下降，试验开始2 d内下降变缓，而后水分与电导率分别在6.85%、201 μS/cm附近小范围波动。压实度为94%时，水分与电导率下降时间大幅减小，仅在静置时间与试验开始1 d内下降低，随后含水率与电导率分别在7.04%、219 μS/cm附近小范围波动。经分析，砾类土的持水性较差，部分水分在重力的作用下会向下迁移。同时试验开始1 d后土柱上部温度为26.22 ℃，使得少量液态水产生汽化，同时土柱70 cm与80 cm处的温度差为1.99~2.7 ℃，具有较大的温度梯度，此时气态水向下迁移。在重力和温度梯度的共同作用下，液态水与少量的气态水共同向下迁移，直到土体的持水能力与重力达到平衡。

图 8(a)为级配1土柱不同压实度下的含水率分布曲线。如图所示，86%与90%压实度时水分聚集区域高度相近，均在50 cm附近；在50~60 cm处出现了较大的水分梯度，说明此时水分迁移逐渐减弱。94%压实度时，水分聚集区域出现在60 cm处，高度有显著增加。

图 8(b)为级配1土柱不同压实度下的电导率分布曲线。如图所示，50 cm以下处电导率分布与原级配相似，总体呈现为压实度越大电导率越小。86%与90%压实度土柱电导率峰值均在50 cm处，分别为857, 780 μS/ cm；94%压实度时电导率峰值出现在60 cm处，为753 μS/cm，相比前2个土柱，盐分的聚集区域明显升高。

不同压实度下级配1土柱10 cm处含水率与电导率变化曲线如图 9所示。3种压实度下土柱10 cm处电导率处于小范围内波动状态，数值变化并不大，经分析是由于在试验开始1 d后，级配1土柱中上层温度已达到26.81 ℃，温度升高会导致少量未溶解的硫酸盐溶于水，故认为盐分在此处未发生迁移。含水率相比于电导率而言，在试验结束后存在少量增大。随着压实度的增大，3种压实度下的最终含水率分别为8.05%，8.15%，8.19%，相比初始含水率其分别增大了0.15%，0.25%，0.29%。级配1土柱70 cm与80 cm处的温度差为1.25~1.84 ℃，且仅在试验开始1 d时温差为1.84 ℃，随后其温差逐渐减小，总体温度梯度小于原级配土柱，此时土体主要受到上部温度的影响，水分转化为气态水向上迁移，顶部密封导致其在顶部少量积聚。

图 10(a)为级配2土柱不同压实度下的水分变化曲线。由图可知，86%与90%压实度下土柱在50 cm处出现峰值，含水率分别为14.92%和14.36%。94%压实度时，由于试验误差，导致其在50 cm处较大。60 cm处随压实度的增大，含水率依次增大了21.48%，38.02%，57.41%，此时94%压实度土柱水分增加最多。综上所述，在不同压实度的粗粒土中，94%压实度使得土体更加密实，粗粒土中孔隙减小，反倒增加了细小毛细通道数量，从而毛细作用增强，水分上升高度增加，但孔隙变小削弱了土体蓄水能力。90%与86%压实度时，水分的迁移高度差异不显著。

图 10(b)为级配2土柱不同压实度下电导率分布曲线。如图所示86%与90%压实度土柱在50 cm附近出现电导率峰值，而94%压实度时，电导率峰值在50~60 cm之间，表明盐分积聚高度有明显升高。70 cm处电导率依次增加了39，54，70 μS/cm，这是由于60~70 cm处形成了较大的浓度梯度，导致盐分向上少量迁移。

综上所述，不同压实度的粗粒土中盐分迁移总体呈现“盐随水走”的规律，94%压实度下盐分的聚集高度最大，86%与90%压实度时盐分聚集高度相近；同时随着压实度的增大，限制了土体孔隙，导致其盐分迁移量减小。

图 11为不同压实度下级配2土柱10 cm处的水分与电导率变化曲线。如图所示，其电导率变化曲线与图 9相似，均在初始电导率附近小范围内波动，表明此时未发生盐分的迁移。而含水率变化较为明显，含水率整体随时间持续增大。自试验开始6 d后，随着压实度的增大，各土柱最终含水率分别为8.86%，8.59%，8.38%，分别增长了0.56%，0.49%，0.28%。表明此时，压实度越低，水分迁移越多。经分析，在温度梯度下，液态水向冷端迁移^[29]，而土体80 cm与70 cm处的的温度差在0.61~1.11左右，温度梯度的影响可以忽略^[30]。土柱顶部温度在试验1 d后达到27.41 ℃，促进了水分的汽化。同时，压实度较低时，孔隙中存在较多的水分子，此时温度水分子的运动越剧烈，导致更多的水分子脱离出水体，成为水蒸气^[31]，在上部覆盖效应的影响下，在土体顶部积聚。因此，压实度较低时，气态水迁移的量越大，最终含水率与压实度呈现为反比关系。

综上所述，土体2 mm以下颗粒在50%左右时，由于大粒径颗粒较多，持水能力较弱，盐分随水分向下迁移；随2 mm以下颗粒含量增至60%时，土体顶部温度增大，70 cm与80 cm处温度梯度逐渐减小，水分以气态水的形式逐渐开始向上迁移，增大至70%时，迁移最为明显。

2.3 不同级配下水盐迁移规律分析

为探究相同压实度下不同颗粒级配对水盐迁移的影响，选取A-1，B-1和A-2，B-2这2组土柱为研究对象，绘制其含水率分布曲线如图 12所示。图 12(a)为86%压实度下3种级配土柱的水分分布曲线。如图所示，原级配土柱的含水率在40 cm处达到峰值13.46%，级配1与级配2土柱在50 cm处达到峰值13.05%与14.92%，级配1与级配2土柱中水分的上升高度更为显著。同时，60 cm处级配1与级配2土柱含水率分别为8.86%和9.84%，级配2土柱中的水分增长更大，表明级配2土柱相比级配1土柱水分上升高度有所提升。

图 12(b)为86%压实度下各级配土柱电导率分布曲线。由图可知，压实度为86%时原级配土柱在40 cm附近达到峰值941μS/cm，级配1、级配2土柱在50 cm附近出现峰值，分别为857，1 120 μS/cm，表明其盐分聚集区域升高。70 cm处级配1与级配2土柱电导率相比初始电导率分别增加92，163 μS/cm，表明盐分在浓度梯度的作用下发生迁移。压实度较低时的电导率处于较高水平是由于，原级配土体粒径较大且压实度处于较低水平，土体间的孔隙过大，存蓄了大量水分，盐分同时蓄留在其中造成的。级配1与级配2土体中，砾组颗粒大量减少，同时细颗粒含量逐渐增多，此时细颗粒含量是导致电导率增大的主要因素。

图 13(a)为90%压实度下不同级配土体的水分分布曲线。如图所示，原级配土柱含水率在40 cm处达到峰值12.11%，级配1与级配2土柱含水率在50 cm处到达峰值，分别为12.79和%14.36%。同时级配1与级配2土柱在60 cm处的含水率分别为10.24%和11.18%，表明其水分上升高度有所提升。其整体水分分布趋势与图 12(a)相同。综上所述，2 mm以下颗粒增大10%时，水分的上升高度增加显著；增大20%时，其水分上升高度减弱。经分析，粗粒土的粒径较大，随着细颗粒的含量增多，土体的毛细作用增强，故其水分上升高度增大。级配2土柱中水分上升高度没有级配1上升明显是由于，原级配中砾组颗粒含量较多，增大10% 2 mm以下颗粒含量时，其大粒径颗粒的影响不再是主要影响因素，故增大20%时，对其水分的上升高度影响降低。

图 13(b)为90%压实度下各级配土柱电导率分布曲线。图 13(b)为90%压实度下各级配电导率分布曲线。如图所示，原级配土柱在40 cm处达到电导率峰值836 μS/cm，级配1土柱在50 cm处达到峰值780 μS/cm，表明随着2 mm以下颗粒增大10%，盐分迁移的高度增加显著。级配1与级配2土柱60 cm处的电导率分别为515，678 μS/cm，级配2增长幅度较大。这是由于随着2 mm以下颗粒含量增大，土体中的温度增大，硫酸盐溶解度增大，在一定程度上促进了盐分的向上迁移。综上所述，砾组颗粒较多时，2 mm以下颗粒占比增大10%，盐分的迁移高度增加显著；2 mm以下颗粒含量占据主体时，继续增大其含量时，盐分迁移高度变化不大，但盐分浓度显著增加。

3 结论

通过模型试验对粗粒硫酸盐渍土中的水盐迁移规律进行了研究，主要分析在单向升温条件下压实度、颗粒级配对粗粒硫酸盐渍土路基中的水分、盐分迁移高度的影响，从而为粗粒硫酸盐渍土路基的设计提供一定的参考。

(1) 单向升温条件下，粗粒盐渍土中随着细颗粒含量的增大，土体温度随时间的变化速率减缓。

(2) 相同级配下86%与90%压实度时，水分与盐分聚集高度相近，压实度为94%时，水分与盐分聚集高度显著增加，且压实度增大会抑制土体中的水分与盐分迁移的量，实际工程中压实度建议不超过90%。

(3) 砾组颗粒较多时，2 mm以下颗粒增加至60%以上，盐分的聚集高度增加显著；继续增大至70%以上，盐分聚集高度变化不大，但盐分浓度显著增加。

(4) 实际工程中，可通过控制粗粒土中2 mm以下颗粒含量来限制盐分迁移高度，其含量建议控制在50%以下。