黃泛區(qū)粉土路基次生鹽漬化臨界高度研究

姚占勇，滕顯飛，畢玉峰，趙 慶，于君彥

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250000)

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黃泛區(qū)粉土路基次生鹽漬化臨界高度研究

姚占勇1，滕顯飛1，畢玉峰2，趙 慶1，于君彥1

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250000)

為了分析粉土路基次生鹽漬化的臨界高度，在室內(nèi)試驗(yàn)和COMSOL Multiphysics多場(chǎng)耦合數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，研究了黃泛鹽漬土區(qū)非鹽漬粉土路基次生鹽漬化鹽分遷移規(guī)律。研究結(jié)果表明，若路基頂部尚未形成聚鹽，則路基內(nèi)部不會(huì)形成明顯的聚鹽夾層，路基內(nèi)鹽分分布從底部向上整體呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)；建立了黃泛鹽漬土區(qū)非鹽漬粉土路基內(nèi)部弱鹽漬土形成的臨界高度與地下水礦化度、地下水位至路基頂部距離的回歸公式，估算粉土路基次生鹽漬化內(nèi)部弱鹽漬土形成的臨界高度；地下水礦化度對(duì)粉土路基次生鹽漬化的影響程度較地下水埋深或路基填高更為顯著。

道路工程；次生鹽漬化；數(shù)值模擬；臨界聚鹽高度；回歸分析

0 引言

在黃河沖積平原區(qū)，地下水埋深較淺且礦化程度較高，氣候干燥，蒸發(fā)量大，毛細(xì)作用劇烈，土壤鹽漬化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。為了防止路基內(nèi)鹽分聚集而造成次生鹽漬化病害，《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[1]規(guī)定，鹽漬土地區(qū)地下水埋深較淺、毛細(xì)水上升較高或易受地表水影響的路段，采取抬高路基、設(shè)置隔斷層、地基換填、路基換填砂礫等技術(shù)措施，以抑制或隔斷毛細(xì)水上升。研究黃泛鹽漬土區(qū)路基內(nèi)鹽分遷移規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化路基處置措施，防止黃泛鹽漬土區(qū)路基次生鹽漬化并引發(fā)路基病害，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外的研究者針對(duì)鹽漬土區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)了大量研究。柴壽喜、楊寶珠等[2]研究了渤海灣濱海鹽漬土區(qū)的鹽漬化特征及規(guī)律。李新舉、張志國(guó)等[3]研究表明地面覆蓋量可明顯控制鹽分的表面聚集。通過(guò)研究溫度梯度對(duì)于土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的影響，得出溫度與土壤水勢(shì)呈正相關(guān)。宋長(zhǎng)春[4]針對(duì)吉林西部地區(qū)地下水特征，探討了潛水埋深、礦化度、組成、徑流條件等對(duì)內(nèi)陸鹽漬化土壤形成的影響。張堃[5]研究了黃泛區(qū)地下水埋深、地下水礦化度等對(duì)路基水分和鹽分運(yùn)移的影響。朱登元、管延華[6]研究了毛細(xì)水對(duì)粉土路基穩(wěn)定性的影響。劉廣明等[7]建立了地下水累積蒸發(fā)量與地下水埋深、地下水礦化度的關(guān)系。以上研究均未涉及鹽漬土區(qū)非鹽漬粉土路基次生鹽漬化規(guī)律系統(tǒng)的定性分析。

本文在室內(nèi)試驗(yàn)和COMSOL Multiphysics多場(chǎng)耦合數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，研究了黃泛鹽漬土區(qū)路基內(nèi)部鹽分的遷移聚集規(guī)律，并得出了路基內(nèi)部臨界聚鹽高度和地下水礦化度、地下水埋深、路基填高等之間的回歸關(guān)系式，對(duì)黃泛鹽漬土區(qū)的公路建設(shè)具有重要的理論價(jià)值。

1 豎管法試驗(yàn)研究

1.1 豎管法試驗(yàn)原理及方法

張堃[5]指出，路基模型與豎管模型在毛細(xì)水上升高度隨時(shí)間的變化規(guī)律、含水率及含鹽量隨高度的變化規(guī)律上基本一致，因此可以使用豎管來(lái)近似替代路基模型對(duì)路基內(nèi)水分和鹽分的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。基于此，本文利用豎管法來(lái)近似代替路基模型模擬黃泛區(qū)粉土路基的鹽分遷移聚集規(guī)律，同時(shí)與豎管數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者相互驗(yàn)證。

豎管內(nèi)的土體采用分層填筑的方法，豎管填筑過(guò)程中土的平均含水率保持最佳含水率15.4%，與道路分層鋪筑的高度相同，每層壓實(shí)后層高25 cm，豎管內(nèi)土柱的高度為3.9 m，豎管填裝完畢后，豎管底面放置在含鹽量為30 g/L的鹽水中，檢測(cè)90 d后豎管內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的含水率和含鹽量。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，豎管模型做兩組平行試驗(yàn)，分別記為S1、S2。

1.2 試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[8]可得試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)，如表1、表2所示。

表1 土的顆粒組成Tab.1 Composition of soil particle

表2 土的物性指標(biāo)Tab.2 Physical property indexes of soil

從表1、2可以看出，黃泛區(qū)粉土粒徑小于0.075的粉黏粒含量占66.5%，各粒徑含量所占比例不均勻。該類(lèi)土具備發(fā)達(dá)的毛細(xì)通道，毛細(xì)作用強(qiáng)烈。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

豎管內(nèi)含水率、含鹽率隨高度的變化如圖1、圖2所示。由圖1可以看出，隨著高度的增加，豎管土體的含水率逐漸減小。在豎管模型的最下部，粉土的含水率在29%左右，達(dá)到粉土的液限值，接近飽和狀態(tài)。在豎管模型的頂部，土的含水率在10%左右，土的含水率與填筑時(shí)含水率有明顯的下降，說(shuō)明豎管頂部已經(jīng)離開(kāi)毛細(xì)水的影響范圍，在蒸發(fā)作用影響下，頂部含水率有所下降，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[8]毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)，可得所用粉土毛細(xì)水最大上升高度約為2.35 m。

圖1 含水率隨高度的變化圖Fig.1 Water content varying with height

圖2 含鹽量隨高度的變化圖Fig.2 Salt content varying with height

由圖2中可以看出，水中的鹽分在毛細(xì)水的帶動(dòng)下向上遷移，隨著高度的增加，土中的含鹽量呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，由下至上鹽分的含量逐漸減少，且豎管內(nèi)部沒(méi)有形成聚鹽層。在地下水含鹽量為30 g/L的條件下，高度100 cm以上的部分，土的含鹽量均在0.3%以下，最后穩(wěn)定在0.2%左右。由圖2可知，在豎管80 cm以上的區(qū)域并未形成鹽漬土。豎管試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明當(dāng)?shù)叵滤V化度為30 g/L時(shí)，弱鹽漬土90 d形成的臨界高度為地下水位以上80 cm左右，內(nèi)部也未形成聚鹽層。

對(duì)比圖1與圖2，由豎管底部向上含水率和含鹽量逐漸降低，到1～1.2 m高度處后含水率與含鹽率均開(kāi)始趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在豎管土中的含水率和含鹽量的遞減規(guī)律具有一致性，毛細(xì)水的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)于鹽分遷移有著明顯影響。

2 弱鹽漬土形成臨界高度的數(shù)值分析

粉土路基在鹽漬土地基區(qū)發(fā)生次生鹽漬化的過(guò)程可以分為兩個(gè)物理場(chǎng)：水分在非飽和土體的路基中在毛細(xì)作用(基質(zhì)吸力)影響下的運(yùn)動(dòng)、鹽分作為溶質(zhì)隨水分運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的溶質(zhì)運(yùn)移。為了更準(zhǔn)確地揭示黃泛鹽漬土區(qū)非鹽漬粉土路基內(nèi)部的鹽分遷移聚集規(guī)律，本文擬采用COMSOL Multiphysics進(jìn)行兩個(gè)物理場(chǎng)(基于理查德方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程)的耦合，對(duì)粉土路基在鹽漬土地基區(qū)發(fā)生次生鹽漬化的規(guī)律做進(jìn)一步的研究，同時(shí)將室內(nèi)豎管試驗(yàn)結(jié)果與豎管數(shù)值模擬90 d的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬的合理性。

2.1 豎管法數(shù)值模擬

2.1.1 計(jì)算模型

建模構(gòu)造豎管模型見(jiàn)圖3，模型采用較細(xì)化網(wǎng)格劃分。其中，1和4邊界為無(wú)流通邊界，2邊界為含鹽地下水流入邊界，3邊界為流出蒸發(fā)邊界。

圖3 豎管模型圖(單位:m)Fig.3 Standpipe model(unit:m)

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

圖4為模擬的豎管鹽分濃度分布圖，從圖中可以看出豎管底部鹽濃度為30 kg/m3，隨著毛細(xì)水的上升和上邊界的持續(xù)蒸發(fā)作用，鹽分進(jìn)一步向上擴(kuò)散。土的最大干密度為1 785 kg/m3，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[1]取含鹽量0.3%為鹽漬土和非鹽漬土的分界點(diǎn)，則對(duì)于模型內(nèi)部臨界值為鹽分含量5.355 kg/m3，以此值作為分界線(xiàn)在圖4中標(biāo)記出。在數(shù)值模擬中，弱鹽漬土形成的臨界高度于105 cm處，鹽分自下而上濃度逐漸降低且內(nèi)部沒(méi)有形成聚鹽層。

圖4 鹽分濃度分布圖(單位：kg/m3)Fig.4 Salt concentration distribution (unit：kg/m3)

2.1.3 與室內(nèi)豎管試驗(yàn)對(duì)比

為了方便對(duì)比，統(tǒng)一將含鹽量試驗(yàn)值與計(jì)算值轉(zhuǎn)化為百分比，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental and calculated values

從圖5中可以看出，豎管1 m以下測(cè)點(diǎn)模型內(nèi)的含鹽量與數(shù)值模擬所得含鹽量基本吻合，對(duì)于1～3.9 m段模型實(shí)測(cè)含鹽量穩(wěn)定在0.2%，數(shù)值計(jì)算含鹽量向上逐漸遞減為0，豎管頂部未形成聚鹽。使用數(shù)值模擬來(lái)模擬豎管內(nèi)鹽分遷移變化規(guī)律與試驗(yàn)得出的變化規(guī)律是基本一致的。隨著毛細(xì)水的上升鹽分由下部向上部遷移，隨著高度的增加，土中的含鹽量在逐漸減小，土體內(nèi)部無(wú)明顯鹽分聚集帶。路基聚鹽層形成的兩個(gè)必要條件：含鹽地下水、毛細(xì)水上升高度高于路基。當(dāng)毛細(xì)水上升高度高于路基時(shí)，在蒸發(fā)作用下，鹽分在路基頂部不斷析出，最終形成聚鹽層；當(dāng)毛細(xì)水上升高度低于路基頂部時(shí)，在毛細(xì)水的作用下，鹽分不會(huì)析出，最終形成一種自下而上的濃度梯度。

圖5中試驗(yàn)值和計(jì)算值之間的些微差別，主要原因有：(1)含鹽量測(cè)量試驗(yàn)中由于儀器精度限制；(2)在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，偏于安全的將邊界蒸發(fā)條件的設(shè)置為恒定值區(qū)域最大蒸發(fā)強(qiáng)度10 mm/d[9-10]，與實(shí)際情況不同產(chǎn)生的誤差，尤其是蒸發(fā)邊界條件在實(shí)際情況中比較復(fù)雜，很難準(zhǔn)確在模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)定義；(3)豎管試驗(yàn)中水中的含鹽量并不是一個(gè)恒定值，水中含鹽量的波動(dòng)對(duì)鹽分的遷移也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在誤差允許的范圍內(nèi)可通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究黃泛鹽漬土區(qū)非鹽漬粉土路基次生鹽漬化的鹽分遷移規(guī)律。

2.2 路基模型模擬

在豎管試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了COMSOL Multiphysics多場(chǎng)耦合數(shù)值分析的合理性，并對(duì)次生鹽漬化臨界聚鹽高度進(jìn)行了初步探討，通過(guò)建立路基模型借助數(shù)值模擬對(duì)黃泛鹽漬土區(qū)路基次生鹽漬化的臨界聚鹽高度做進(jìn)一步的探究。

2.2.1 基本假定

(1)地基土體與路基土體是均質(zhì)同性的；

(2)路基填筑過(guò)程中鹽分的遷移作用忽略不計(jì)；

(3)蒸發(fā)強(qiáng)度、溫度、地下水埋深等外界條件維持穩(wěn)定；

(4)降雨條件對(duì)路基內(nèi)部鹽分的影響忽略不計(jì)。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)所得試驗(yàn)用土基本性質(zhì)、COMSOL使用手冊(cè)及VG模型參數(shù)[11-15]，可得數(shù)值模擬時(shí)所需參數(shù)如下：

飽和滲透系數(shù)Ks=0.02 cm·h-1=4.8×10-3m/d；飽和含水量θs=0.36；殘余含水量θr=0.07；模型參數(shù)a=0.005 cm-1= 0.5 m-1；模型參數(shù)n=1.09；模型參數(shù)m=0.083；最佳含水率ω=0.154，體積含水量θ=0.235；鹽分縱向擴(kuò)散系數(shù)0.005，鹽分橫向擴(kuò)散系數(shù)0.001；鹽分液相擴(kuò)散系數(shù)Dl=3.74×10-2m2/d；依托試驗(yàn)路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，蒸發(fā)強(qiáng)度保持區(qū)域最大蒸發(fā)強(qiáng)度10 mm2/d；模擬時(shí)長(zhǎng)365 d。

2.2.3 影響因素的取值：

對(duì)于黃泛鹽漬土區(qū)，影響地下水鹽分上升的因素較為復(fù)雜，主要有路基高度、地下水埋深、地下水礦化度、蒸發(fā)強(qiáng)度等，蒸發(fā)強(qiáng)度的年際變化較不規(guī)則，因此此處擬用路基高度、地下水埋深、地下水礦化度作為參變數(shù)，研究其對(duì)弱鹽漬土形成高度的影響。

為方便計(jì)算，基于基本假定，此處做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化處理，將影響因素中的路基高度和地下水深度合并為地下水位到路基頂部的距離，此時(shí)主要影響因素為：

總高度H：2～11 m

地下水礦化度：10～38 g/L。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 弱鹽漬土臨界高度計(jì)算表Tab.3 Calculation table of critical height of weak saline soil

注：臨界高度以地下水位為零參考面。

假設(shè)回歸估算表達(dá)式為：

h=b0+b1H+b2C+b3HC+b4H2+b5C2,

試對(duì)其回歸系數(shù)進(jìn)行估算并進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果如表4～表6所示。

表4 回歸統(tǒng)計(jì)Tab.4 Regression statistics

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

表6 回歸參數(shù)Tab.6 Regression parameters

從表4中可以看出，MultipleR(復(fù)合相關(guān)系數(shù))為0.994 6，表明弱鹽漬土內(nèi)部臨界高度與地下水礦化度和地下水位到路基頂部的總距離高度相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.047 5，說(shuō)明擬合程度非常高。表5中的SignificanceF(F顯著性統(tǒng)計(jì)量)的P值為7.46×10-22，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，表明該回歸方程效果非常顯著。據(jù)此，由表6可以得出估算的回歸方程為：

h=0.436 1-0.096 3H+0.119 8C+0.000 2HC+

0.006 2H2-0.001 52C2。

(1)

2.3.2 方程分析

進(jìn)一步分析回歸方程(1)可得到：回歸方程(1)中的一次項(xiàng)H的系數(shù)為負(fù)，表明單獨(dú)增加路基高度或降低地下水位能夠降低弱鹽漬土形成的內(nèi)部臨界高度；一次項(xiàng)C的系數(shù)為正，表明地下水礦化度的增大會(huì)提高弱鹽漬土形成的內(nèi)部臨界高度；交互項(xiàng)的系數(shù)為0.000 2(t=-0.420 1，P>0.25，不顯著)，表示總高度和地下水礦化度的交互作用是微弱的正效應(yīng)；二次項(xiàng)H2的系數(shù)為正，表明路基頂部到離地下水位距離達(dá)到一定的高度后，隨著距離的進(jìn)一步增加對(duì)弱鹽漬土形成的內(nèi)部臨界高度具有微弱的促進(jìn)作用，對(duì)于黃泛區(qū)路基來(lái)說(shuō)其二次項(xiàng)作用可忽略不計(jì)；二次項(xiàng)C2的系數(shù)為負(fù)，表明過(guò)大的地下水礦化度會(huì)抑制弱鹽漬土形成的內(nèi)部臨界高度，因?yàn)榈叵滤兴柠}分及濃度影響著毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度，一般來(lái)說(shuō)隨著地下水礦化度的增加，毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度有所降低，而土中鹽分的遷移聚集是以毛細(xì)水作為載體，因此當(dāng)?shù)叵滤V化度過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)鹽分的向上遷移產(chǎn)生一定的抑制作用。這與客觀現(xiàn)象相符合，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

在回歸方程(1)中不能直接通過(guò)對(duì)比系數(shù)的大小來(lái)判斷兩個(gè)影響因素與弱鹽漬土內(nèi)部臨界高度的密切程度。此處可以直接通過(guò)回歸系數(shù)的顯著性來(lái)判斷兩者(自變量)與弱鹽漬土內(nèi)部臨界高度(因變量)的密切程度，而不需要通過(guò)復(fù)雜的偏相關(guān)或通徑分析來(lái)判斷。因?yàn)榛貧w和相關(guān)系數(shù)存在內(nèi)在的聯(lián)系，相關(guān)系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化(去單位)的回歸系數(shù)，兩者檢驗(yàn)的可靠性必然一致[16]?；貧w系數(shù)b1的顯著性P=0.000 62，b2的顯著性P=2.16×10-12，兩者t統(tǒng)計(jì)量的P值均小于顯著性水平0.05，因此該兩項(xiàng)的自變量與因變量相關(guān)，二者對(duì)比，b2的顯著性更高，表明總高度H和地下水礦化度C兩者相比，地下水礦化度C對(duì)弱鹽漬土形成的內(nèi)部臨界高度的影響大于總高度H對(duì)內(nèi)部臨界高度的影響。由公式可知，當(dāng)總高度小于20 m時(shí)，弱鹽漬土形成的內(nèi)部臨界高度小于2.85 m。路基邊坡弱鹽漬土形成的臨界高度根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果可在路基內(nèi)部弱鹽漬土形成的臨界高度的基礎(chǔ)上增加一個(gè)安全值，即h′=h+0.8。

3 結(jié)論

(1)路基聚鹽層形成的兩個(gè)必要條件為含鹽地下水、毛細(xì)水上升高度高于路基。當(dāng)毛細(xì)水上升高度高于路基時(shí)，在蒸發(fā)作用下，鹽分在路基頂部不斷析出，最終形成聚鹽層；當(dāng)毛細(xì)水上升高度低于路基頂部時(shí)，在毛細(xì)水的浸潤(rùn)作用下，路基內(nèi)部不會(huì)形成明顯聚鹽夾層，整體呈一種自下而上的濃度梯度遞減趨勢(shì)。

(2)黃泛鹽漬土區(qū)非鹽漬粉土路基內(nèi)部弱鹽漬土形成的臨界高度與地下水礦化度、地下水位至路基頂部距離可建立相關(guān)計(jì)算公式，可估算粉土路基次生鹽漬化內(nèi)部弱鹽漬土形成的臨界高度。

(3)黃泛鹽漬土區(qū)粉土路基次生鹽漬化程度受地下水礦化度影響最為顯著，其次為地下水位至路基頂部的距離。

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Study on Critical Height of Secondary Salinization of Silty Soil Subgrade in Yellow River Impact Plain Area

YAO Zhan-yong1，TENG Xian-fei1，BI Yu-feng2，ZHAO Qing1，YU Jun-yan1

(1. School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China;2. Qilu Transportation Development Group，Jinan Shandong 250000，China)

In order to study the critical height of secondary salinization of silty soil subgrade, the migration law of salt in the secondary salinization of non-saline soil subgrade in the Yellow River impact plain area is studied based on the laboratory test and the numerical analysis of COMSOL multiphysics multi-field coupling. The result shows that (1) if the top of subgrade has not yet formed poly salt, the roadbed internal cannot obvious form salt accumulation layer, and the salt distribution in the subgrade shows the trend of gradually decreasing from the bottom to the top; (2) the regression formula of critical height with groundwater mineralization degree and the height of the underground water level to the top of subgrade of the internal weak saline soil of non-saline soil subgrade in the Yellow River impact plain area is established, which could be used for estimation of the critical height of internal weak saline soil of secondary salinization of silty soil subgrade; (3) the influence of the groundwater mineralization degree is significantly higher than that of the buried depth of groundwater and the filling height of subgrade on the secondary salinization of silty soil subgrade in the Yellow River impact plain area.

road engineering； secondary salinization； numerical simulation； critical salinity accumulation height； regression analysis

2016-02-24

姚占勇(1966-)，男，山東濟(jì)南人，教授，博士生導(dǎo)師.(zhanyong-y@sdu.edu.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.009

U419.5

A

1002-0268(2016)11-0057-06