硫酸盐渍土盐冻胀机理研究现状与进展

王景辉 张卫兵，2

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021 2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏银川 750021）

0 引言

盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土的统称，当岩土中易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性时，应判断为盐渍土[1]。我国盐渍土广泛分布在新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古、吉林等地[2-3]。含氯盐、硫酸盐或碳酸盐的不同粒径的盐渍土在不同外界条件下（温度、水分运移等）对工程建筑造成不同程度的危害。随着城市化进程的不断深入，修筑渠道、公路、铁路、桥梁和飞机跑道等工程建筑的需求进一步增加，盐渍土引起的土体盐胀和冻胀造成工程破坏问题越来越明显，因此深入研究盐渍土盐冻胀机理对保证工程建筑的安全尤为重要。本文分别从微观结构、单次降温、冻融循环、水盐运移和构建机理模型等几个方面，对国内外近年来关于盐渍土中盐胀和冻胀机理的研究进行了全面的回顾和总结，并对今后相关研究进行了展望，以期待能够对盐渍土盐冻胀的机理与实践研究提供一点参考。

1 盐冻胀影响因素

盐胀主要受两个因素的影响：其一，土的微观结构，即土的基本物理性质；其二，介质的运移。介质的运移包括土壤中的水、盐、热等相体的传输和运动，以及盐分结晶机理的应用和考虑上覆荷载作用下的盐胀规律。

冻胀也受两个因素的影响：其一，土的基本物理性质，包括渗透系数等，而影响渗透系数的因素有土级配、矿物组成、干密度等。这些物理性质影响土水分的迁移以及盐分的迁移；其二，外界条件，比如温度梯度和外界荷载等。现实生活中遇到冻胀融陷、汽车、火车、飞机荷载下的路面变形等都是外界条件作用下土的冻胀的实例。

负温下，盐胀的产生往往伴随着冻胀的产生，它们相辅相成，相互促进。本文从它们的共性中出发，探究盐冻胀机理研究进展。

2 盐冻胀机理研究现状

2.1 基于微观结构方面考虑盐渍土盐冻胀

洪明海等（2017）[4]为了探明盐渍土盐分对土的微观特征的影响，采用CT 扫描技术获取了土分层剖面图像，并结合Image J软件提取分析了土的微观数目、微观面积等参数在土的剖面上的分布特征，同时采用杨培岭模型计算了土的分形维数。马君泽等（2018）[5]、文 桃等（2016）[6]通过扫描电子显微镜（SEM）等室内试验开展硫酸盐渍土的微观结构的研究。另外Jianhong Fang等（2018）[7]用商用OLS 4100扫描显微镜观察了盐渍土样品的结构，用扫描电子显微镜（日立S-3000 N）观察盐渍土样品结晶前后的表面。高江平等（1997）[8]、曹亚鹏等（2018）[9]通过含水率单次递减下的盐胀试验，探究在含水率递减下硫酸盐渍土的微观结构。Xusheng Wan（2017）[10]在实验基础上对盐渍土盐晶体的位置和形态变化进行了分析，阐明了盐结晶与冰水相变之间的相互作用，最后给出了盐膨胀力和冻胀力的计算公式。Yuanming Lai等（2017）[11]建立了盐渍土中分子扩散和晶体生长的动力学模型。然后根据结晶压力和沉淀晶体的量，提出了宏观结晶应力（MCS）的简单表达，以研究盐渍土变形。

2.2 基于单次降温方面考虑盐渍土盐冻胀

钱晓明等（2017）[12]采用WZ-2型膨胀仪研究单侧降温条件下干密度、含水率、含盐量对硫酸盐渍土盐冻胀特性的影响。米合热古丽·塔什卜拉提等（2018）[13]以于田绿洲为研究区，借助ENVI 5.1、Arc Map 10.2、Origin 8.5、SPSS 20.0，同时结合野外实测数据，对盐渍土不同土层的含水量、温度、电导率的变化规律及相关性进行了研究。张沛然等（2018）[14]通过使用温度等传感器，对坑内不同深度土层的温度场、水分场和盐胀变形随季节性变化状况进行了为期1年的动态监测和分析研究，得到了西北干旱地区盐渍土在自然气候条件下的水-热场变化特征与盐胀变形规律。张 彧等（2012）[15]进行了气温、地温和现场土体不同深度位置含水率和含盐量试验和研究。张莎莎（2015）[16]基于过5 mm筛法的易溶盐含量配制方法，首先针对粗粒硫酸盐渍土、粗粒氯盐渍土开展温度改变下的盐胀规律试验，其次针对粗粒硫酸盐渍土、粗粒亚硫酸盐渍土开展盐分、土类、水及上覆荷载等条件改变下的盐胀规律研究。万旭升等（2013—2018）[17-21]通过室内试验，研究了盐渍土中硭硝的析出规律及各自的冻结温度，温度对未相变含水率的影响，降温速率对晶体初始析出温度的影响，以及建立了负温下未冻含水量与温度的关系。邴 慧（2011.10）[22]通过采用不同土体添加不同的盐分，对不同含水量和含盐量土体进行盐渍土的冻结温度试验，考虑了不同因素对土体冻结温度的影响。张 磊（2018）[23]探究伊朗德黑兰至伊斯法罕高速铁路沿线盐渍土的盐胀临界温度及其相对应的盐胀量。

2.3 基于冻融循环方面考虑盐渍土盐冻胀

文 桃等（2018）[24]完成了不同含盐量下硫酸盐渍土的多次冻融循环盐—冻胀试验，得到了硫酸盐渍土多次冻融循环下的峰值盐一冻胀量计算表达式。刘 凯等（2018）[25]对罗布泊地区天然亚氯盐渍土进行多次冻融循环试验，研究成果可为分析含硫酸盐亚氯盐渍土的盐胀机理和治理盐胀病害提供参考。董晓明等（2011）[26]采用室内冻融循环试验，在不同含水率、不同温度条件下，对硫酸盐渍土的盐胀性进行分析研究。张莎莎等（2010）[27]研究了经多次冻融循环后天然粗粒盐渍土的盐胀特性及盐胀机制。李国玉等（2009）[28]选取几种典型的盐渍土进行室内冻融循环试验来研究它们在周期波动温度条件下冻胀、盐胀和融沉特性，进一步探讨盐渍土地区道路病害产生的机制。肖泽岸等（2017）[29]以青藏高原粉质黏土为研究对象，对洗盐后的素土分别加入质量分数为0%、1%、2%、3%的Na2SO4盐，研究了封闭系统下Na2SO4盐渍土在冻融循环作用下的变形规律。邴 慧等（2011.08）[30]选择土样底端温度相同情况下的单向冻结、正弦波曲线冻融循环和负温循环冻结3种冻结作用模式，对青藏高原铁路沿线红色粉质黏土进行了试验研究，分析了3种冻结模式下土体的冻胀量的变化、水分和盐分的重分布状况以及土体干密度的变化规律。马君泽等（2017）[31]通过查阅了盐渍土的相关研究，尤其是冻融循环条件下盐渍土工程特性的研究并予以综述，为解决盐渍土问题提供参考与借鉴。钱晓明等（2018）[32]为研究冻融条件下硫酸盐渍土的强度特性，采用正交试验方案，对不同压实度、含水率、含盐量及冻融循环次数的硫酸盐渍土试样进行三轴剪切试验，分析各因素对土体抗剪强度的影响。Sarsembayeva Assel等（2017）[33]提供了一种易实现的研究盐渍土的实验方法，可以模拟寒冷环境中公路土可能遇到的缓慢冻结等条件，用于评估潜在的冻融影响，以及除冰剂对道路下方土的影响。Chong Wang等（2018）[34]基于Pitzer离子模型和热力学机理，提出了估算盐渍土冻结点和熔点的机理模型，讨论了相变温度滞后和未冻结水含量的机制。肖泽岸等（2018）[35]通过单向冻结试验研究盐分在土体冻结过程中对水分重分布与变形的影响，并结合模型试验分析冻融、蒸发、辐射和降水过程中的水盐迁移规律。潘 蕾等（2018）[36]为研究罗布泊地区天然亚硫酸盐渍土盐-冻胀各冻融循环周期内的变化规律及影响因素，采用控制初始含水率和干密度的方法进行冻融循环试验。刘 伟等（2017）[37]开展单次降温盐胀试验和多次冻融循环盐胀试验及结果分析，研究现行粗粒盐渍土易溶盐试验方法的合理性。

2.4 基于水盐运移方面考虑盐渍土盐冻胀

杨帆等（2015）[38]以苏打盐化草甸土和苏打碱土2种土类型为研究对象，研究苏打盐渍土水分特征，并对土的水分特征曲线进行模拟。罗金明等（2010）[39]运用小波变换和室内化学分析分析了微域尺度苏打盐渍土水盐空间和时间变化特征。罗金明等（2009）[40]通过野外定位观测和室内分析，分别探讨了苏打盐渍土微域特征（32 m 长的横截面）及其水分和地下水之间的转化规律；探讨了苏打盐渍土的水分和盐分的变化规律；探讨了冻融季节苏打盐渍土的热力构型及对苏打盐渍土的水盐变化的影响。高玉佳等（2010）[41]通过地温测试仪对野外不同深度处的土层温度进行测量，并在不同时间相应深度取土样，测其含水率，通过比较不同时间不同深度处的含水率的变化情况来分析温度变化对水分迁移现象的影响。张浩等（2011）[42]从水盐运移的角度揭示盐渍土发生的机理及学科前沿进展。肖泽岸等（2017）[43]通过单向冻结试验，研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。

2.5 基于构建机理模型方面考虑盐渍土盐冻胀

曾桂军等（2015）[44]把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量，模拟了与天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。张莎莎等（2016）[45]基于过5 mm 筛的易溶盐试验方法，依据二次正交回归设计原理安排试验和设置试验因素水平，通过25组盐胀试验，建立细粒土质砂亚硫酸盐渍土盐胀率回归方程和砂类亚硫酸盐渍土简化的盐胀率预报模型。Dongyong Wang等（2016）[46]基于多孔介质中的溶质运移机理，水流机理和热传导机理，建立了盐结晶、盐分传输和水流的耦合微分方程。Daoyong Wu（2017）[47]针对盐渍土多孔介质中流体流动、传热、结晶和变形之间的耦合效应，提出了一种包含相变的饱和盐水冻土的水-热-盐-应力耦合模型。冯瑞玲等（2017）[48]针对硫酸盐渍土盐胀过程中较为欠缺的四场耦合机理，在已有的冻土三场耦合模型的基础上，建立了盐渍土水-盐-热-力四场耦合动力学模型。Yan Han等（2018）[49]通过对吉林省西部盐渍土进行固结-不排水（UU）三轴压缩试验，研究了中国东北地区盐渍土的应力-应变特性建立了高可靠性的经验数学方程。XiaoYin 等（2018）[50]在现有饱和冻土冻胀模型的基础上，建立了水、蒸汽、应力和热运动耦合的数学模型，即不饱和冻土冻胀模型。

3 存在问题及不足

盐渍土盐冻胀机理自提出以来，在单因素作用下通过室内试验开展了大量的研究，已经取得了较丰硕的研究成果，但限于研究条件、地区土质差异、实验方法等方面的不同，致使相关研究成果还不完善，具体如下：

（1）为研究盐渍土微观结构特征，从使用仪器的角度考虑，大家基本采用CT 扫描仪和扫描电子显微镜两种仪器进行研究。在使用这两种仪器之外，结合Image J软件和杨培岭模型进行研究是该领域的第一大亮点；结合盐冻胀机理，探究相应的数学计算公式是该领域的第二大亮点。但是，仅用CT 扫描仪和电镜这两种仪器进行研究，还不足以完全解释清楚盐渍土发生盐冻胀后土壤孔隙结构变化的所有机理。

（2）基于单次降温条件下盐渍土盐冻胀的研究，采用细粒和粗粒两种土体和不同类型的传感器，在室内试验中研究了干密度、含水率和含盐量等因素对盐冻胀的影响；在室外试验中研究了含水量、温度和电导率等因素对盐冻胀的影响。值得注意的是为期一年的自然温度循环下的室外试验研究，对试验仪器的稳定性和试验员的考验非常大，可为今后做室外试验研究提供参考。虽然已有学者做了自然温度循环下的室外试验研究，但是单次升温过程中各因素对盐渍土盐冻胀的影响还从未有人做过，值得重点关注。关于硭硝的析出规律、温度与未相变含水率和应力应变的关系、盐胀临界温度、冻胀温度以及盐冻胀量已经有了深入的研究，并就相关研究，已经给出的相应的经验公式，但对于盐胀量和冻胀量的数学公式研究正在进行中，并没有统一的标准。

（3）不同粒径（细颗粒和粗颗粒），不同含盐成分（氯盐、硫酸盐、碳酸盐）和不同含盐量的盐渍土，通过冻融循环试验，得到了盐胀量规律及计算表达式、水分和盐分重分布规律、土体干密度规律以及土体受力影响，并为治理盐胀病害提供参考。该方面的研究颇具地域性，即一般只适应于特定区域，不具有代表性。土体的冻结特征曲线和融土的土水特征曲线的机理研究已取得一定成果，但仍需要大量试验数据的支持，同时这两者的区别研究还需进一步深化。另外总结了以后研究值得关注的点：①对于不同冻结模式下，盐胀机理有一定的差异；②冻结和融化过程中的滞后效应；③水盐运移作用和多场耦合作用下土体冻融特征。

（4）基于水盐运移在单因素作用下，通过室内外试验研究盐渍土土体的力学性质、发生机理以及水热耦合作用下的盐冻胀机理。所以对在单因素作用下盐分迁移过程通过大量实验在不同程度取得了研究成果。但是限于实验设备及实验手段，多因素耦合作用下，考虑水盐运移对盐渍土的研究做的还远远不够。

（5）关于盐渍土盐冻胀数学计算模型的构建，已经建立了水-盐-热-力四场耦合机理模型、砂类亚硫酸盐渍土盐胀率预报模型、考虑水盐运移作用下的冻胀模型以及不饱和冻土冻胀模型，但是这远远还不能完全描述盐渍土的盐冻胀过程，因此建立多重物理场的耦合模型仍然是盐渍土领域的焦点。

4 展望

本文主要阐述了国内外学者对盐渍土盐冻胀的研究，总结归纳了盐渍土研究的现状和目前存在的问题，鉴于对盐渍土研究中所存在的问题，笔者认为应开展的相关研究工作进行阐述：

（1）土体微观结构的定量改变可以解释土体宏观物理力学性质的表现，所以时刻关注科技前沿，不断改进试验仪器设备（如X射线等），更加详细的了解认识盐渍土微观结构，是今后对该领域研究的必然趋势。在借助试验器材的基础上，结合相关最新的机理和技术进行研究，可得到意想不到的惊喜。

（2）单次降温条件下对盐渍土盐冻胀的机理研究已趋于完整，但是对于盐胀和冻胀没有特定物理量来划分它们的区别，它们之间的相互影响还不是非常明确，需要进一步探究。对于单次升温条件下盐渍土盐冻胀机理研究还需要完善。

（3）在单一物理场下土体冻融循环特征对盐渍土影响的研究已经非常多，对于单因素作用下水盐运移对盐渍土影响研究较多。但考虑多场耦合下土体冻融特征和水盐运移对盐渍土影响的研究较少，这已成为目前研究的焦点。

（4）国内外对单因素作用下盐渍土盐冻胀数学模型的构建较多，多场耦合作用下数学模型的构建较少。这些数学模型还需要大量的试验数据进行支撑，以增加其准确性。