冻融—干湿循环下硫酸盐渍土的微观孔隙研究_张卫兵.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023冻融 干湿循环下硫酸盐渍土的微观孔隙研究张卫兵1，2，李晓1，雷过1，刘臻祥1，周鑫磊1(1 宁夏大学 土木与水利工程学院，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，银川 750021)摘要:为研究冻融 干湿循环对宁夏地区硫酸盐渍土微观孔隙结构的影响，在 6 次冻融干湿循环后，对试样进行 SEM 和 MIP 试验，借助 ImageJ2X 图像处理技术，从表观孔隙率、孔隙分布和孔隙分形维数 3 个角度分析其微观孔隙结构。结果表明:(1)经历 6 次冻融 干湿循环后，含盐量较低(S1%)时，不同压实度下硫酸盐渍土的表观孔隙率随含盐量的增加均呈现先增大后减小的变化趋势，并在 05%时达到峰值，1%时处于低谷;含盐量大于 1%时，低压实度(K95%)土体表观孔隙率随含盐量增加持续增大，而高压实度(K95%)土体则呈现先小幅增大后减小的变化趋势;(2)相较于未经冻融 干湿循环的情况，土体最终表观孔隙率均有所增大。为提高工程的耐久性，建议硫酸盐渍土地基的压实度宜大于等于 95%。(3)随含盐量的增加，孔隙孔径的变化主要集中在 340 um 区间内，孔隙分布的变化也主要体现在大孔隙、中孔隙上，且表观孔隙率与大孔隙体积百分含量变化基本一致;(4)基于 MIP 数据拟合得到土体孔隙分形维数随含盐量的增加呈上下波动，且其与表观孔隙率、大孔隙体积百分含量变化趋势相反。本研究有助于丰富硫酸盐渍土的微观理论，为硫酸盐渍土地区的工程建设提供理论支撑。关键词:硫酸盐渍土;冻融 干湿循环;电镜扫描;压汞试验;微观孔隙结构中图分类号:TU448文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0465-09Study of Microscopic Pores in Sulfate Saline Soils underFreezeThawDryWet CyclesZhang Weibing1，2，Li Xiao1，Lei Guo1，Liu Zhenxiang1，Zhou Xinlei1(1 College of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，P China;2 Ministry of EducationEngineering esearch Center of Efficient Use of Water esources in Arid Modern Agriculture，Yinchuan 750021，P China)Abstract:In order to study the effect of freeze-thaw-dry-wet cycles on the microscopic pore structure of sulphatesaline soil in Ningxia，SEM and MIP tests were carried out on the samples after six freeze-thaw-dry-wet cyclesWith the help of ImageJ2X image processing technology，the microscopic pore structure was analyzed from theapparent porosity，pore distribution and pore fractal dimension The results show that:(1)After six freeze-thaw cycles and dry-wet cycles，for lower salt content(S1%)，the apparent porosity of sulfate saline soil increasedfirst and then decreased with the increase of salt content under different compaction degrees，and reached the peak at05%，and was at the trough at 1%When the salt content is higher 1%，the apparent porosity of the lowercompaction soil(K95%)continued to increase with the increasing of salt content，while the higher compactionsoil(K 95%)showed a change trend of slightly increasing first and then decreasing Compared with theunfreeze-thaw-dry-wet cycle，the final apparent porosity has increased In order to improve the durability of the收稿日期:2022-10-13(修改稿)作者简介:张卫兵(1973)，男，宁夏银川人，博士，教授，主要从事土力学与基础工程方向的教学与研究。E-mail:zwb231 126com基金项目:宁夏自然科学基金项目(2021AAC03067);宁夏高等学校一流学科建设项目(NXYLXK2021A03);宁夏大学创新试验项目(S202210749102)project construction，it is recommended that the compaction degree of sulphate saline soil foundation should not beless than 95%(2)With the increase of salt content，the change of pore size is mainly concentrated in the range of340 um，and the changes in pore distribution are mainly reflected in large pores and medium pores，and theapparent porosity is basically consistent with the change of the percentage content of large pore volume(3)Basedon MIP data，the fractal dimension of soil pores fluctuates up and down with the increase of salt content，and itis contrary to the change trend of apparent porosity and macropore volume percentage This study is helpful toenrich the microscopic theory of sulfate saline soil and provide theoretical support for the construction of projects insulfate saline soil areasKeywords:sulphatesalinesoil;freeze-thaw-dry-wetcycles;electronmicroscopyscanning;mercury-pressure test;microscopic pore structure0引言盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称。盐土是指土壤中可溶性盐含量达到03%且对作物生长有显著危害的土类1。宁夏回族自治区位于西北内陆干旱、半干旱地区，其辖区内分布有较多的硫酸盐渍土。目前国内外学者针对硫酸盐渍土的研究已经取得了丰富的成果。Xiao等2 通过采用核磁共振，在不同温度下测量了不同浓度的氯化钠和硫酸钠盐渍土中的液态水分数，得出了氯化钠可以缓解土壤的冻胀，硫酸钠土壤受冻时，冻胀和盐分膨胀同时发生;Xie 等3 通过对青藏高原所取的土样进行冻融循环试验，结果表明，经历 6 次冻融循环，土体的体积和孔隙度会增加，而黏聚力和抗压强度会下降;包卫星等4 对新疆喀什地区的天然盐渍土进行反复冻融循环，从土的类别的角度对盐渍土的盐胀规律进行了探究;马君泽等5 通过对宁夏地区硫酸盐渍土进行不固结不排水三轴试验，探究了黏聚力 c 和内摩擦角 的变化规律，并结合扫描电子显微镜技术从微观上分析了硫酸盐渍土强度劣化的机理;邴慧等6 通过对青藏高原铁路沿线红色粉质黏土进行了试验研究，分析了在不同冻结方式下，土体冻胀量、盐分、水分的重分布以及土体干密度的变化规律;文桃等7 通过对硫酸盐渍土进行击实试验和电镜扫描试验，探究了硫酸盐渍土的击实特性以及击实后土体的微结构特性和其压实度评价方法;张卫兵等8 通过室内试验研究了单次降温条件下硫酸盐渍土在不同压实度、含盐量、含水率工况下的盐冻胀变化规律;王海涛等9 通过对罗布泊地区的氯盐渍土和硫酸盐渍土开展不同冻融次数下的三轴固结排水试验，探究了不同冻融循环次数对不同种类盐渍土抗剪强度的影响规律。以往学者大多都针对硫酸盐渍土在冻融循环、干湿循环条件下的盐冻胀、水盐运移、强度等进行了大量的研究，而缺乏对硫酸盐渍土冻融 干湿交互作用下的微观孔隙结构研究。由于宁夏地区特殊的气候条件，昼夜温差大，加之降雨量小，蒸发量大，土体反复经历冻融、干湿循环，引起土体体积不断膨胀和收缩，会给宁夏地区基础工程建设带来不利。当硫酸盐渍土经历 6 次冻融 干湿循环后，土体孔隙结构和土体的无侧限抗压强度已经趋于稳定10，此后冻融 干湿循环对土体孔隙结构的影响较小。本文以宁夏回族自治区吴忠市红寺堡地区的盐渍土为研究对象，对不同含盐量、压实度下的土体进行冻融 干湿循环试验，采用 ImageJ2X 图像处理软件对 SEM 试验图片进行处理分析，计算土体表观孔隙率。通过 MIP 试验数据处理得到硫酸盐渍土的孔隙分布情况和孔隙分形维数，探究经历6 次冻融 干湿循环后 3 个微观参数与含盐量、压实度之间的变化规律，可为宁夏地区各类基础工程的建设以及硫酸盐渍土微观研究提供参考。1试验方法11试验材料试验用土取自宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区，该地处西北内陆干旱半干旱地区，区域内气候干燥、蒸发量大、昼夜温差较大，因此形成了特有的内陆寒旱区盐渍土，且多为硫酸盐渍土和亚硫酸盐渍土。其颗粒成分如表 1 所示。根据土的工程分类标准(GB/T501452007)11 可知本次试验所用土为粉质砂土。根据岩土工程勘察规范(GB500212001)(2009 版)可知，通过规范计算 c(Cl)/2c(SO42)=087，判断所用土为中亚硫酸盐渍土。试验配置硫酸盐渍土的盐均采用无水硫酸钠，其纯度为 990%，呈白色透明粉末。664地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷表 1颗粒组成Table 1Particle composition粒径范围/mm2202502500750075005005百分比/%118663749071268200212试验方案原状土经过洗盐、风干、过 2 mm 筛后配置成满足要求的重塑土样。根据GBT 501232019 土工试验方法标准 经击实试验后得到土样的最优含水率为 1764%，最大干密度为 165 g/cm3。将试样土配置成含水率为 17 64%，不同含盐量S(0%、0 5%、1%