黃佑芬， 吳道勇，2， 吳詩(shī)雨

（1.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550025； 2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025）

0 引言

鹽漬土廣泛分布于西北季節(jié)凍土區(qū)，受氣溫周期波動(dòng)的影響，寒區(qū)活動(dòng)層內(nèi)土體會(huì)產(chǎn)生反復(fù)的凍結(jié)和融化，凍融循環(huán)改變了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為土體位移的變化。鹽漬土的凍脹、鹽脹是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，其性質(zhì)受溫度、水分、鹽分、土質(zhì)等多種因素的影響［1-3］，凍融過(guò)程中涉及多相之間的轉(zhuǎn)變及土體自身結(jié)構(gòu)的調(diào)整。相較于其他類型鹽漬土，硫酸鹽漬土的鹽凍脹破壞最為嚴(yán)重［4］。在極端氣候環(huán)境條件下，常發(fā)生公路、鐵路、石油管道等工程變形破壞［5-7］，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。因此，開(kāi)展硫酸鹽漬土的凍脹、鹽脹研究工作對(duì)于保障西北季節(jié)凍土區(qū)工程建筑物的安全是十分必要的。

許多學(xué)者對(duì)凍融作用下鹽漬土的鹽脹性質(zhì)開(kāi)展了研究［8-9］，重點(diǎn)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了室外試驗(yàn)［10］。主要涉及以下幾個(gè)方面的研究：（1）凍融作用下鹽漬土中的水鹽遷移。徐學(xué)祖等［11］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了水分和鹽分在正凍土中的遷移，表明試樣體積增大是由于水分的遷移、凍結(jié)及鹽離子與土顆粒相互作用引起的，但沒(méi)有闡明水鹽遷移的驅(qū)動(dòng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多高精度傳感器被用于研究土體的變形機(jī)理［12-13］，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力梯度是水鹽遷移的驅(qū)動(dòng)力［14］。陳肖柏等［15］發(fā)現(xiàn)，降溫及蒸發(fā)過(guò)程中，鹽分從暖端向冷端、從濕區(qū)向干區(qū)遷移、聚集并結(jié)晶，是鹽脹產(chǎn)生的主要原因。吳道勇等［16］研究了鹽分、水分重分布過(guò)程對(duì)土體變形的影響，發(fā)現(xiàn)含鹽量較低時(shí)凍脹和融沉是土體變形的主要因素，含鹽量較高時(shí)鹽脹和溶陷占主導(dǎo)作用。（2）凍融作用下土體的變形規(guī)律。包衛(wèi)星等［17］對(duì)天然鹽漬土進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，表明低液限黏土凍融循環(huán)過(guò)程中鹽脹具有較好累加性，其鹽脹率與凍融周期之間的關(guān)系符合二次拋物線變化規(guī)律。肖澤岸等［18］從鹽漬土鹽脹的影響因素著手，對(duì)鹽漬土鹽脹的變形規(guī)律有了較為深入的認(rèn)識(shí)。高江平等［19］、張莎莎等［20］利用回歸分析得到多因素鹽脹率計(jì)算公式。邴慧等［21-22］為了探究硫酸鈉鹽對(duì)土體凍脹的影響，開(kāi)展了室內(nèi)開(kāi)放系統(tǒng)下粉質(zhì)黏土凍結(jié)試驗(yàn)，表明土體變形主要是由凍脹引起，但對(duì)于多次反復(fù)凍融過(guò)程中，參與到土體變形中的鹽脹變形及凍脹變形到底有多大，還需進(jìn)一步研究。也有學(xué)者［23-26］基于溶液相圖計(jì)算了降溫過(guò)程中晶體的體積變化，提出僅適用于正溫時(shí)的鹽脹計(jì)算模型，對(duì)于負(fù)溫下土體的鹽脹、凍脹研究還較少［27］。鹽漬化土體在凍融循環(huán)作用下的變形是一個(gè)復(fù)雜的水熱鹽力耦合過(guò)程，不同種類的鹽分和不同含鹽量的土體在凍融循環(huán)作用下會(huì)表現(xiàn)出不同的變形特性［18］。（3）由于不同鹽分的存在，凍融過(guò)程中涉及到的凍結(jié)溫度也發(fā)生變化。邴慧等［28］考慮了不同因素對(duì)土體凍結(jié)溫度的影響，表明土體的凍結(jié)溫度隨含鹽量的增加而降低，隨含水率的增加而增大。Wan 等［29］進(jìn)一步研究了鹽漬土的凍結(jié)溫度，提出青藏高原粉質(zhì)黏土凍結(jié)溫度的一般計(jì)算公式。

上述研究成果為正確認(rèn)識(shí)鹽漬土水鹽遷移、變形特性奠定了良好的基礎(chǔ)，為鹽漬土地區(qū)工程建設(shè)提供了理論依據(jù)。但硫酸鹽漬土中存在多種穩(wěn)定和亞穩(wěn)定晶型，導(dǎo)致凍融循環(huán)等特殊的溫濕環(huán)境條件下其變形破壞機(jī)理尚不十分明確。而針對(duì)凍融土體內(nèi)部孔隙水壓力的試驗(yàn)測(cè)試，相關(guān)研究較少［30］。針對(duì)這些問(wèn)題，本文開(kāi)展不同含鹽量硫酸鹽漬土的多次凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究?jī)鋈谶^(guò)程中鹽脹和凍脹對(duì)土體變形的貢獻(xiàn)，分析凍融過(guò)程中溫度、水分、鹽分等量與土體變形的關(guān)系，闡明凍融過(guò)程中孔隙水壓力與基質(zhì)吸力對(duì)土體變形的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)凍結(jié)鹽漬土變形機(jī)理提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)土樣為采自青海省海南藏族自治州共和縣大水橋鎮(zhèn)的粉土，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［31］進(jìn)行基本物理力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。天然土體中含有大量可溶鹽，各離子含量見(jiàn)表2，其中主要陽(yáng)離子為Na+，主要陰離子為Cl-和SO42-。首先，將天然鹽漬土與蒸餾水充分?jǐn)嚢?，待溶液澄清后抽出澄清液體，即完成一次清洗。然后，再加入蒸餾水，反復(fù)清洗，直到溶液電導(dǎo)率與蒸餾水接近。此時(shí)認(rèn)為土體中的鹽分已清洗干凈，降低了多種離子相互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。將去除鹽分的土體在105 ℃條件下烘干、碾碎，并過(guò)2 mm的篩備用。

表1 土體的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of the soil

表2 天然鹽漬土中各離子含量（單位：mg·L-1）Table 2 Ion contents in the natural saline soil（umit：mg·L-1）

凍融試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括冷凍箱（量程為-40～10 ℃）和數(shù)據(jù)采集裝置。分別采用溫度傳感器（精度為0.01 ℃）、pF-Meter 土壤水勢(shì)傳感器和HC-25微型孔隙水壓力傳感器測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的土體溫度、基質(zhì)吸力和孔隙水壓力，采用Hydra ProbeⅡ土壤水分鹽分溫度三參數(shù)傳感器測(cè)量土柱中未凍水含量（體積含水率）和電導(dǎo)率，位移傳感器測(cè)量?jī)鋈谶^(guò)程中的土柱位移。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄各測(cè)量參數(shù)的變化情況。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the test device

本試驗(yàn)主要研究不同含鹽量條件下硫酸鹽漬土的變形規(guī)律，設(shè)置了5組不同含鹽量條件，分別為0、1%、2%、3%和4%。天然土體的最優(yōu)含水率為17%，最大干密度為1.8 g·cm-3，因此試驗(yàn)過(guò)程中控制含水率和干密度分別為21%和1.7 g·cm-3，以減小含水率和干密度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。然后，將5組試樣編號(hào)為S0、S1、S2、S3 和S4，其中S0 代表0 含鹽量，S1代表1%含鹽量，以此類推。試驗(yàn)開(kāi)始前根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)條件稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的Na2SO4（純度≥99%）、蒸餾水和上述去除鹽分的土體，將鹽加入蒸餾水中充分?jǐn)嚢柰耆芙夂蠹尤胪林袛嚢杈鶆?，然后裝入密封袋中靜置24 h 以保證土體與鹽溶液充分混合，最后分三層裝入內(nèi)徑為115 mm、高為98 mm的圓柱形試樣筒中。試樣制作完成后安裝相應(yīng)傳感器（豎直和水平方向盡可能保持居中），并在試樣筒周?chē)p繞保鮮膜減少試驗(yàn)過(guò)程中的水分蒸發(fā)。準(zhǔn)備就緒之后將試樣放入冷凍箱內(nèi)，設(shè)置冷凍箱溫度為10 ℃，恒溫靜置12 h左右。待土柱中溫度恒定后，設(shè)置冷凍箱環(huán)境溫度為-20 ℃，持續(xù)降溫12 h，然后在室溫下升溫12 h，如此反復(fù)進(jìn)行5 次凍融循環(huán)。采用傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中土柱的溫度、水分、電導(dǎo)率、孔隙水壓力、基質(zhì)吸力以及土體位移等變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

如前所述，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試了土體中溫度、位移和未凍水含量等參數(shù)的變化過(guò)程，結(jié)果如圖2 所示。由圖中可知各參數(shù)之間存在良好的相關(guān)性，試驗(yàn)開(kāi)始后試樣溫度逐漸降低，土體出現(xiàn)小幅沉降變形，當(dāng)土體溫度達(dá)到相變溫度后，土體中的未凍水含量和溶液電導(dǎo)率迅速減小，而土體位移迅速增大。凍結(jié)點(diǎn)附近土體溫度保持恒定，當(dāng)土體中的液態(tài)水完全結(jié)冰后，土體溫度再次降低，但土體位移幾乎不變。升溫過(guò)程中，土體溫度逐漸升高，達(dá)到融化溫度附近其溫度幾乎不變，當(dāng)土體中的冰完全轉(zhuǎn)化為液態(tài)水后，土體溫度再次升高。隨著溫度的變化過(guò)程，未凍水含量、溶液電導(dǎo)率和土體位移均發(fā)生相應(yīng)變化。

圖2 S0～S4試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中未凍水含量和位移的變化Fig. 2 Variations of unfrozen water content and displacement of soil samples during freeze-thaw cycles：Sample S0（0 salt content）（a），Sample S1（1%salt content）（b），Sample S2（2%salt content）（c），Sample S3（3%salt content）（d）and Sample S4（4%salt content）（e）

為了進(jìn)一步研究試驗(yàn)過(guò)程中土體溫度、未凍水含量、電導(dǎo)率和位移的變化規(guī)律，本文著重分析S0和S3 的第2 個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程。根據(jù)各測(cè)試參數(shù)隨土體溫度的變化過(guò)程（表3），將不含鹽土體凍融循環(huán)過(guò)程中的變形行為分為5 個(gè)階段，含鹽土體凍融循環(huán)過(guò)程分為6個(gè)階段（圖3）：

表3 凍融過(guò)程中土體在各階段的溫度參數(shù)（單位：℃）Table 3 Temperature parameters of soil in each stage during freeze-thaw cycles（unit：℃）

（1）階段Ⅰ

土體溫度從凍融循環(huán)最高溫度開(kāi)始下降至鹽分相變溫度。在這一階段，由于未達(dá)到相變溫度，土體S0和S3中均沒(méi)有冰晶體產(chǎn)生。S3中電導(dǎo)率逐漸增大是由于土體中鹽溶液的飽和度隨著溫度的降低而增大，但未達(dá)到晶體析出的臨界過(guò)飽和比，孔隙中也無(wú)鹽晶體生成，即使溫度持續(xù)降低，液態(tài)水的含量也保持恒定，因此，此階段土體產(chǎn)生輕微變形主要由冷收縮造成。

（2）階段Ⅱ

土體溫度繼續(xù)降低，直至土體凍結(jié)溫度。在這一階段，土體溫度未達(dá)到凍結(jié)溫度，但土體鹽分處于過(guò)飽和狀態(tài)，土體孔隙中1 mol 硫酸鈉結(jié)合10 mol 水分子析出十水硫酸鈉晶體，使得土體變形快速增大，電導(dǎo)率和未凍水含量迅速降低，當(dāng)土體中的溫度達(dá)到吸放熱平衡時(shí)，土體溫度保持不變［圖3（b）中A 點(diǎn)］。之后，鹽結(jié)晶導(dǎo)致溶液過(guò)飽和比逐漸減小，鹽結(jié)晶速率減小，液態(tài)水的降低幅度變緩，土體變形速率也逐漸減小。因此，此階段土體變形主要由鹽結(jié)晶引起。

圖3 S0試樣與S3試樣在第2個(gè)凍融循環(huán)中位移、未凍水含量和電導(dǎo)率的變化Fig. 3 Variations of displacement，unfrozen water content and conductivity of soil samples in the second freeze-thaw cycle：Sample S0（0 salt content）（a）and Sample S3（3%salt content）（b）

（3）階段Ⅲ

土體溫度從凍結(jié)溫度下降到凍融循環(huán)的最低溫度。當(dāng)土體溫度達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí)，大孔隙中的自由水率先結(jié)冰，釋放潛熱。水分結(jié)冰后液態(tài)水含量減少，含鹽土體中鹽分濃度逐漸增大并處于過(guò)飽和狀態(tài)，土體孔隙內(nèi)鹽晶體伴隨著冰晶體產(chǎn)生共同析出，土體應(yīng)變快速增大。最后，當(dāng)土中的液態(tài)水含量很低且硫酸鈉溶液未達(dá)到飽和時(shí)，溫度繼續(xù)降低，試樣處于冷凍狀態(tài)，土體變形也保持基本穩(wěn)定。

（4）階段Ⅳ

土體溫度從凍融循環(huán)過(guò)程的最低溫度逐漸上升至融化溫度。溫度升高時(shí)，小孔隙中的冰先融化，未凍水含量逐漸增加，但土體僅產(chǎn)生較小的沉降變形。

（5）階段Ⅴ

土體溫度由融化溫度繼續(xù)升高直至晶體完全融化/溶解。此階段，土體孔隙中冰完全融化，鹽晶體逐漸溶解，未凍水含量和電導(dǎo)率恢復(fù)至初始值，土體發(fā)生明顯融沉現(xiàn)象。

（6）階段Ⅵ

土體溫度繼續(xù)上升。此階段，未凍水含量和電導(dǎo)率保持不變。隨著溫度逐漸升高，位移僅小幅度變化，土體變形主要為溫度應(yīng)變。

3 變形機(jī)理分析

此外，凍融過(guò)程中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致土體中孔隙壓力的變化?？紫秹毫Φ淖兓芸紫吨形磧鏊⒈w和鹽晶體等多種物質(zhì)及其含量的影響，是引起相變過(guò)程中土體變形的重要因素。圖4反映凍融過(guò)程土體孔隙水壓力、位移等變化情況。降溫階段，溶液溶解度逐漸降低，鹽溶液結(jié)晶，未凍水膜厚度減小導(dǎo)致孔隙水壓力減小，土體產(chǎn)生壓縮變形；達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí)，土體中水結(jié)冰產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高，少量冰核融化為水，孔隙水壓力輕微上升，土體變形快速增大；然后，由于冰水相變過(guò)程中毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)降低而引起孔隙水壓力迅速降低［32］，此時(shí)，土體中只存在少量吸附于土顆粒表面的束縛水，較大的負(fù)孔隙水壓力使得土體產(chǎn)生輕微的固結(jié)變形。升溫階段，孔隙水壓力、位移等量的變化與降溫階段呈現(xiàn)相反過(guò)程。隨著溫度升高，孔隙水壓力逐漸增大，土體變形輕微增大；溫度剛達(dá)到融化溫度時(shí)，土體中的冰晶體融化為水是一個(gè)吸熱過(guò)程，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度降低，液態(tài)水分子處于過(guò)冷狀態(tài)而結(jié)晶，孔隙水壓力小幅度減小，位移減?。浑S著系統(tǒng)溫度的升高，大量冰晶融化為水，孔隙水壓力急劇增大，土體發(fā)生融沉變形；此后，未凍水含量和孔隙水壓力趨于穩(wěn)定，土體不會(huì)產(chǎn)生明顯的變形。

圖4 S1試樣（1%含鹽量）在第3個(gè)凍融循環(huán)中孔隙水壓力和位移的變化Fig. 4 Variations of pore water pressure and displacement of Sample S1（1%salt content）in the third freeze-thaw cycle

為了進(jìn)一步明確凍融過(guò)程中基質(zhì)吸力對(duì)土體變形的影響，本文以S0 和S2 的第3 個(gè)凍融周期（圖5）進(jìn)行分析?；|(zhì)吸力與未凍水含量的變化呈現(xiàn)相反的過(guò)程，與位移變化曲線相似。隨著溫度的降低和未凍水含量的減少，基質(zhì)吸力以升高為主；隨溫度升高，未凍水含量的增加，基質(zhì)吸力以下降為主。

由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可知，結(jié)晶相變和未凍水含量變化會(huì)引起土壤結(jié)構(gòu)及基質(zhì)吸力的變化。Bishop［33］提出非飽和土的有效應(yīng)力公式，為

很多學(xué)者［34-35］將飽和正凍土的基質(zhì)吸力與非飽和土基質(zhì)吸力進(jìn)行類比，認(rèn)為飽和正凍土中冰壓力與空氣壓力具有類似的效果，是凍土中基質(zhì)吸力產(chǎn)生的主要原因。因此，可將凍結(jié)鹽漬土的有效應(yīng)力寫(xiě)為

式中：σ'為粒間有效應(yīng)力；σ為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；um為非液相壓力；uw為孔隙水壓力；χ為有效應(yīng)力參數(shù)，其值取決于液態(tài)水飽和度。其中，非液相壓力um包括孔隙氣壓力ua、冰晶體壓力ui和鹽晶體壓力uc。通過(guò)上述類比可知，對(duì)于凍結(jié)鹽漬土，（σum）為凈法向應(yīng)力，（um-uw）為基質(zhì)吸力。

式（2）反映了鹽漬土中孔隙水壓力和基質(zhì)吸力對(duì)有效應(yīng)力的貢獻(xiàn)。由圖4～5可知，冷縮壓密階段，孔隙水壓力在較短的時(shí)間內(nèi)首先由正孔隙水壓力減小為負(fù)孔隙水壓力，基質(zhì)吸力小幅增加，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，但有效應(yīng)力方向不變，仍為壓應(yīng)力，最終土體發(fā)生壓縮變形（圖6）。在進(jìn)一步降溫過(guò)程中，鹽溶液過(guò)飽和比達(dá)到初始結(jié)晶過(guò)飽和比時(shí)，鹽晶體開(kāi)始析出，基質(zhì)吸力迅速增大［圖5（b）］，有效應(yīng)力方向發(fā)生變化，為拉應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)土體間連接強(qiáng)度后土顆粒被鹽晶體推開(kāi)，導(dǎo)致土體變形逐漸增大；達(dá)到凍結(jié)溫度后，水分開(kāi)始結(jié)冰，冰壓力的作用使基質(zhì)吸力進(jìn)一步增加，土體變形進(jìn)一步增大（圖6）。反之，升溫后基質(zhì)吸力逐漸減小，孔隙水壓力逐漸增大，土體中有效應(yīng)力增大（壓應(yīng)力），土體變形減小。

圖5 S0試樣與S2試樣在第3個(gè)凍融循環(huán)中基質(zhì)吸力和位移的變化Fig. 5 Variations of matrix suction and displacement of soil samples in the third freeze-thaw cycle：Sample S0（0 salt content）（a）and Sample S2（2%salt content）（b）

圖6 基質(zhì)吸力對(duì)土體變形的影響示意圖Fig. 6 Schematic diagram of influence of matrix suction on soil deformation

根據(jù)上述凍融循環(huán)過(guò)程中鹽漬土變形特征，進(jìn)一步分析凍融過(guò)程中引起土體變形的主要因素包括溫度、水分和鹽分。如圖7所示，將土體應(yīng)變分為溫度應(yīng)變、鹽脹、凍脹、融沉、溶陷和殘余應(yīng)變。溫度應(yīng)變?yōu)樯禍剡^(guò)程引起的變形，與土體的熱膨脹系數(shù)有關(guān)，當(dāng)土體溫度變化量最大時(shí)，溫度應(yīng)變達(dá)到最大值；由于鹽晶體主要在溫度達(dá)到凍結(jié)溫度之前產(chǎn)生，則鹽脹為凍結(jié)溫度之前鹽晶體析出時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變；凍脹是當(dāng)土體溫度達(dá)到凍結(jié)溫度后，土體內(nèi)水分結(jié)冰產(chǎn)生的應(yīng)變；升溫過(guò)程中，融沉為冰晶體融化產(chǎn)生的應(yīng)變；溶陷為鹽晶體溶解產(chǎn)生的應(yīng)變；殘余應(yīng)變是凍融循環(huán)發(fā)生后，溫度升到初始溫度時(shí)，土體變形仍未完全恢復(fù)的應(yīng)變，殘余應(yīng)變反映了土體在凍融循環(huán)過(guò)程中的累計(jì)變形效應(yīng)。因此，應(yīng)變可表示為

圖7 S0試樣與S3試樣在第3個(gè)凍融循環(huán)中典型的應(yīng)變-溫度曲線Fig. 7 Typical strain-temperature curves in the third freeze-thaw cycle：Sample S0（0 salt content）（a）and Sample S3（3%salt content）（b）

由于土體鹽溶液濃度的不同，土體達(dá)到飽和的溫度也有所不同。為了進(jìn)一步分析凍結(jié)過(guò)程中溫度、水分、鹽分對(duì)土體變形各階段產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，以凍結(jié)溫度為界，不含鹽土體應(yīng)變?cè)趦鼋Y(jié)之前由溫度引起（εT），凍結(jié)之后由水結(jié)冰和溫度共同產(chǎn)生（εiw+εT）；而含鹽土體應(yīng)變?cè)趦鼋Y(jié)之前由溫度和鹽結(jié)晶引起（εT+εsc），凍結(jié)之后由水結(jié)冰和溫度引起（εiw+εT）。由此，可分別估算不同含鹽土體凍融循環(huán)過(guò)程中各應(yīng)變量的值。

由圖8（a）可知，降溫過(guò)程中鹽脹隨含鹽量的增大顯著增大，低含鹽量時(shí)土體鹽脹變形不顯著，變形主要由凍脹引起。隨著溶質(zhì)含量增大，溶液達(dá)到飽和的溫度逐漸升高，凍結(jié)溫度之前的鹽脹變形曲線明顯由緩變陡，鹽脹對(duì)土體變形的貢獻(xiàn)隨著溶質(zhì)含量的增加顯著增大。此外，含鹽量越高，凍融次數(shù)對(duì)鹽脹的影響越明顯，從第一凍融周期到第五凍融周期，含鹽量為4%時(shí)土體鹽脹由23.5 mm·m-1變化為41.7 mm·m-1。而凍結(jié)過(guò)程中，土體凍脹變形隨著含鹽量的增加有減小的趨勢(shì)，且在含鹽量為1%處最小，表明含鹽量為1%時(shí)可以在一定程度上抑制土體的凍脹變形［圖8（b）］。

融沉與凍脹的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出隨著含鹽量增加而減小的趨勢(shì)［圖8（c）］；而溶陷與鹽脹的變化趨勢(shì)較為一致，隨著含鹽量增大，鹽晶體對(duì)土體溶陷變形的貢獻(xiàn)有增大趨勢(shì)［圖8（d）］。降溫與升溫過(guò)程中由于水結(jié)冰與融化、鹽結(jié)晶與溶解使得土體結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，隨著含鹽量的增加，殘余應(yīng)變逐漸增大［圖8（e）］。由此可見(jiàn)，高含鹽量時(shí)溫度變化引起水分和鹽分相變對(duì)土體結(jié)構(gòu)的調(diào)整劇烈，嚴(yán)重影響了該區(qū)域建筑物的穩(wěn)定性。

圖8 升降溫過(guò)程中各種土體應(yīng)變隨含鹽量的變化Fig. 8 Variations of various soil strains with salt content during warming and cooing：salt expansion（a），frost heave（b），thaw settlement（c），dissolve collapse（d）and residual strain（e）

4 結(jié)論

論文研究了凍融循環(huán)條件下硫酸鹽漬土變形規(guī)律，通過(guò)溫度、未凍水含量、電導(dǎo)率和孔隙水壓力及基質(zhì)吸力的變化過(guò)程，對(duì)硫酸鹽漬土變形機(jī)理進(jìn)行了探討，得到以下結(jié)論：

（1）凍融過(guò)程中孔隙水壓力和基質(zhì)吸力的變化受多種因素的共同作用，由于相變點(diǎn)處于非平衡狀態(tài)，孔隙水壓力具有一定程度的波動(dòng)特征，基質(zhì)吸力變化顯著。類比于非飽和土有效應(yīng)力表達(dá)式，給出了凍結(jié)鹽漬土的有效應(yīng)力方程。闡明了凍融過(guò)程中孔隙水壓力及基質(zhì)吸力的變化對(duì)土體變形過(guò)程的影響。

（2）對(duì)應(yīng)于土體溫度變化，可將凍融循環(huán)中土體變形過(guò)程分為六個(gè)階段，并計(jì)算了溫度應(yīng)變、鹽脹、凍脹、溶陷、融沉和殘余應(yīng)變對(duì)總變形的貢獻(xiàn)量。發(fā)現(xiàn)凍融過(guò)程中土體的含鹽量較低時(shí)，土體應(yīng)變以凍脹和融沉為主；含鹽量較高時(shí)，土體應(yīng)變以鹽脹和溶陷為主；含鹽量為1%時(shí)土體應(yīng)變最小，表明適當(dāng)控制含鹽量能夠有效防止凍融循環(huán)對(duì)土體的變形破壞作用。