0 引言

我国西北内陆寒旱区分布大面积盐渍土，土中盐分运移及相态变化严重受土体水、热状况影响，土层温湿度变化可引起盐分发生反复结晶溶解，造成严重的公路病害和破坏^[1-2]。如硫酸盐、碳酸盐盐渍土由于温度和水分变化能够产生盐胀、冻胀、翻浆，使道路、渠道和机场跑道等构筑物发生不均匀隆起、松胀、开裂，从而降低了这些工程建筑物的稳定性^[3-4]。硫酸盐渍土中硫酸钠结晶引起土体盐冻胀造成的工程破坏问题尤为突出。

盐渍土工程特性及其病害发展是水、热、盐、力耦合作用的结果^[5-6]。陈肖柏等^[7]研究了盐渍土在温度变化时的物理、化学性质和力学性质的变化规律；李杨等^[8]、李宁等^[9]进行了降温过程中水分场和温度场耦合过程的动态观测与分析研究；张彧等^[10]研究了寒旱区盐渍土水热状态变化特征与水盐迁移规律。这些成果都为盐渍土水盐运移及病害发展提供了理论基础，但针对影响盐渍土病害的温湿度观测研究资料相对缺乏。因此，对盐渍土地层温湿度进行监测和研究，对盐渍土地区工程建设的前期勘查设计和后期运行维护有着重大的现实意义和理论价值。

1 地层温湿度监测方法

现场观测点选取甘肃酒泉瓜州县戈壁盐渍土地层，该区属中温带干旱大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，年最高温度为35 ℃，最低温度-28 ℃，年平均降水量65.3 mm，年平均蒸发量2 847.7 mm。调查测试成果显示，研究区盐渍土较发育，多为中等(亚)硫酸盐渍土，为典型的内陆寒旱区冲洪积成因盐渍土。

地层温度监测采用硅半导体温度测量方式，仪器为DNP-A1数字温度计，测试时将温度探头埋设于不同深度土层，利用导线外接单孔插头与数字温度计连接观测，测量范围和精度完全可以满足地层温度观测要求^[6]。地层湿度(含水量)监测采用无损时域反射技术--TDR(time domain reflectometry)，其原理为依据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的传输时间不同，计算出土体的体积含水量。使用仪器为德国IMKO公司生产的TRIME系列时域反射仪，测试采用TRIME-T3探头。

测试前首先在研究区开挖深度为400 cm的圆形探井，按照测试设计剖面沿竖向在不同深度植入温度探头，通过导线与外部数字温度计连接测试地层温度，同时埋设观测湿度的TDR测管。考虑到地表处土层温度变化受环境温度影响大，变化较剧烈，因此温度探头在接近地表处布设密度较大；随着深度加大，布设间距逐渐变疏，在0～400 cm范围内共布设16个温度探头。TDR测管长300 cm，地下埋设295 cm，地上出露5 cm，由于TDR探头长20 cm，因此湿度测试最大深度为285 cm，自底部向上每隔20 cm测试一次，地表处隔10 cm测试一次。探井剖面及温湿度监测布置位置如图 1所示。依据试验设计，分别在冬、夏两季的极冷与极热条件下进行监测，每次监测历时48 h，同时搜集研究区气象台站地层温湿度监测数据进行对比分析。

2 地层温度变化模式 2.1 地层温度变化规律

图 2、图 3所示为7月份和次年3月份研究区不同深度48 h内地层温度变化情况，分别反映了夏季和冬季地层温度变化规律。可以看出，不同深度地层温度变化规律如下：1)夏季地层温度随深度增加不断降低，探井底部400 cm处温度最低，约为16.0 ℃；冬季地层温度随深度增加不断升高，底部400 cm处温度最高，约为12.3 ℃。2)无论冬季还是夏季，埋深越浅，地层温度受环境气温影响越大，变化越剧烈，对环境气温的响应也越明显。40 cm以上地层温度随日气温变化有较明显变化；40 cm以下地层温度则变化不明显(小于1.0 ℃)，200 cm以下地层温度一昼夜基本无变化(小于0.3 ℃)。3)夏季浅部地层(埋深小于40 cm)温度变化没有穿越下部地层，即浅部地层温度始终高于深部地层，与深部地层温度没有交叉点。冬季浅部地层的温度变化穿越了深部地层，即浅部地层最低温度低于深部地层，但受当日环境气温变化的影响，其温度上升后反而高于深部地层温度，与深部地层温度有交叉点；随深度增加，这种交叉现象逐渐减弱，40 cm深度地层仅穿越很少的几个地层。

地层温度变化是大气环境气温影响的结果，通过白天吸热、夜晚放热发生浅表层的日变化，通过夏季吸热、冬季放热发生变温层的年变化。分析可知，随着埋深不断增加，地层温度变化振幅逐渐越小；这是由于向下输送过程中，每层土体都要留下一部分热量，因此越往下获得的热量越少，增温幅度就越小。

对比图 2和图 3中夏、冬两季不同深度地层温度的变化规律可以看出，尽管40 cm以下受环境气温影响的日地层温度变化幅度非常小，但累计后的年地层温度却有较大变化：探井200 cm地层夏季温度约19.6 ℃，冬季约9.4 ℃；400 cm深度处夏季约为16.0 ℃，冬季约为12.3 ℃。这说明深部地层温度随着环境气温也是有变化的，只是其变化幅度非常小而已，通过累计叠加可在季节交替中明显表现出来。本次地层温度监测及王洪葵等^[11]研究表明：内陆寒旱区地层温度受气温影响存在一个临界深度，临界深度之下地层温度不随气温发生变化，临界深度之上距地表越浅地层受气温影响的日变化和年变化越剧烈；该临界深度由环境气温、地层组成、地层湿度等影响参数综合确定。依据观测结果可知，研究区地表下400 cm深度处地层温度年变化量较小，500～600 cm处地层温度年变化量接近0，也即河西内陆寒旱区盐渍土地层温度受环境气温影响的临界深度约为500～600 cm。

2.2 地层对环境温度变化的滞后效应

图 4和图 5所示分别为研究区夏季和冬季地层温度与环境气温的变化关系，分别示出了空气和不同地层升温、降温过程中的起始升温线和起始降温线。可以看出，无论是升温还是降温过程，地层温度较环境气温变化总存在一定时间的滞后，且随着地层深度增大，滞后效应越来越明显，滞后时间越来越长。

表 1分别统计了冬、夏两季地层温度相对于环境气温的滞后时间。对比升温和降温滞后时间可以发现，降温滞后效应略大于升温过程；因为升温过程中阳光直接照射，环境气温上升较快，但降温过程中太阳辐射并没有立即消失，降温幅度较慢，因而导致降温滞后效应更大一些；这也充分说明了地层温度对环境气温的依赖性。对比夏、冬两季地层温度对环境地层温度的滞后效应可以看出，冬季滞后效应较夏季要小一些；这是因为夏季白昼时间较长，太阳辐射时间长一些，环境气温变化增幅(降幅)较小，同时夏季戈壁环境气温的温差大，冬季温差小，因而导致地层温度在夏季的滞后效应更为明显一些。

2.3 地层温度变化理论分析

地层温度密切依赖于环境气温，而环境气温受日出日落和四季更替的影响表现为小周期日变化和大周期年变化；故地层温度也呈现出浅表层日变化和整个变温层年变化的规律。环境气温变化后自上而下传导并引起地层温度变化，而热量的传导和输送都会发生衰减并需要一定的时间；因此上部地层温度变化幅度总是大于下部地层，下部地层温度的升温和降温过程都要晚于上部地层，且随深度增加，这种传导效应引起的衰减效应和滞后效应也越来越明显。

从不同深度地层温度变化曲线可以看出，各监测点地层温度的日变化和年变化规律分别表现为周期大致相等的正弦曲线，只是不同位置对应的振幅、相位和最值有所不同。因此，以一个周期内某深度的平均地层温度为基准值，以地层温度变化幅度为振幅，以时间作为相位变化值，以相位滞后表达随深度增加引起的温度滞后效应，则地层温度可用正弦函数的数学公式表示：

其中：。

式中：Z为深度(cm)；t为某时刻对应的时间(日变化单位为h，年变化单位为d)；T_(Z,t)为Z深度、t时刻地层温度；T_b为地表处温度振幅(℃)；T₀为地面温度振幅，也即离地面很近的空气温度(℃)；T_max、T_min分别为某个周期内地面最高、最低温度；D为土层温度衰减深度(m)；K为热扩散率(m²/s)；ω指温度曲线的正弦角度，旋转一周为2π，ω=2π/t₀，t₀为旋转一周所用的时间，相对日变化而言t₀=24 h，相对年变化t₀=365 d。

从地层温度变化的数学公式中可以看出，土层温度振幅将按指数e⁽⁾规律衰减，土层温度峰值出现时间将按位相滞后。由土层温度振幅T_Z=T₀e⁽⁾衰减可知，当土层深度Z=D(1个衰减深度)时，T_Z=T₀e^-1=0.37T₀，振幅减少了约67%；当土层深度Z=2D时，T_Z=0.14T₀，振幅减少了约85%；当土层深度Z=3D时，T_Z=0.04T₀，振幅仅为地表的4%，也即地层温度在3D深度处几乎没有变化。因此，3D深度即为理论上的恒温层。实际地层中，在2D～3D某个深度处地层温度随周期变化已不发生明显变化。

地层温度变化的正弦曲线公式能够很好地反映地层温度随环境气温衰减、滞后及周期性变化的规律，在一定观测数据基础上即可从理论上求得不同深度、不同时刻(季节)的土层温度，具有重要的理论价值；新疆^[12]、青海^[13]等地气象台站的观测数据也进一步支持了该公式对地层温度的描述。结合地层温度实时监测结果与地层温度正弦曲线公式可知，不同深度和不同土层(热扩散率K值不同)温度衰减快慢不同，不同周期温度衰减幅度和深度也有所不同，主要表现为：1)在土层一定的情况下，土层温度随深度增加呈指数衰减；2)土层最高温和最低温(位相)出现的时间随深度的增加而滞后，滞后时间与土层深度成正比，日温度变化每10 cm落后2.3～3.5 h，年温度变化平均每米延迟20～30 d；3)土层温度衰减的年变化深度大于日变化深度。

2.4 地层温度变化模式

地层温度变化模式对预测地层温度变化起到至关重要的作用，是盐渍土地基工程特性分析和评价的基础，对研究区盐渍土病害的预测、评价和防治有着重要意义。依据本次实时监测及研究区气象台站地层温度的监测数据，我们可以得到如图 6所示的寒旱区盐渍土地层温度变化模式：1)地层温度以某一温度线为对称轴，随着季节交替而发生往复变化，地表处变化最剧烈，随着深度增加，温度变化幅度越来越小，直至某一深度处地层温度常年保持不变；2)结合图 3可知，地层温度对环境气温变化的滞后效应随深度增加不断增大，400 cm深度处地层温度季节变化可滞后3个月左右，也即地面下400 cm处每年的最高温度出现在10月份，最低温度出现在次年的4月份；3)由于地层温度对环境气温的滞后效应，地层温度变化范围不是以环境最高气温的夏季和最低气温的冬季为包络线，其温度变化包络线要比夏、冬两季形成的区域更广泛一些，如图 6中对称的“低温边界线”和“高温边界线”所包括的区域。

该地层温度变化模式适用于所有由环境气温影响的地层温度变化规律，只是不同土层和不同环境气温影响下的地层温度变化幅度有所不同；常年温度不变地层对应的深度不同，因而形成的温度包络线也有所不同。朱宝文等^[13]、杜军等^[14]对青海、西藏地层温度的实时监测结果也得到了相同的结果。

3 地层湿度变化模式

图 7所示为研究区2001-2009年的多年平均降水量情况。可以看出，研究区降水量很少，一般不超过70 mm，许多年份降水量都在50 mm以下，2008年和2009年的降水量均低于25 mm。依据气象资料，研究区降水主要集中在夏季的6月至9月，蒸发量远大于降水量，气候特别干燥。综合分析可知，研 究区气候十分干燥，降水总量很小且很集中，蒸发量远大于降水量。研究区盐渍土地基几乎得不到外在降水补给，也得不到地下水的内在补给，因此地层湿度随时间和季节变化都很小。

按照TDR测试深度，将测试深度范围内土层分为浅部(0～100 cm)、中部(100～200 cm)和深部(200～300 cm)地层，图 8、图 9所示分别为夏季和冬季各地层湿度随时间的变化规律。可以看出，研究区冬、夏两季地层湿度在48 h内几乎不随时间而改变，且冬、夏两季地层湿度也基本不发生变化，地层体积含水量为11.5%～12.6%。

对比可知，冬季各土层体积含水量较夏季略低一点，相差0.2%～0.8%，大部分土层冬、夏两季相差仅有0.5%左右。从水分得失角度考虑，研究区开挖探井深度远小于地下水位，得不到地下水分的补充，大气降水少且蒸发强烈，土体基本得不到外界入渗水分的补充；同时，研究区长期的强蒸发作用使土体达到蒸发平衡，水分基本不会损失。因此，研究区地层湿度在48 h的短时期和冬、夏交替的长时期内基本都不发生明显变化；这也反映了该区地层湿度的实际变化情况。

冬、夏两季地层湿度监测结果的微小变化，是由于上部土层温度季节变化而导致的测试误差：夏季地层上部温度较高，土体的介电常数变小，因而采用TDR测试得到的土体体积含水量略微高。综合分析，可以得到内陆寒旱区盐渍土地层湿度的一般变化模式(图 10)，即在降水少、蒸发强的气候环境与地下水埋深大的水文环境下，不同埋深地层湿度在长时期内不发生明显变化，仅在降水时期浅表部地层湿度有所波动，地层湿度在一定时期内保持恒定。

从图 10中也可以看出，研究区冲洪积形成地层的层状特征表现较为明显。不同时期冲洪积物的颗粒组成不同，因而形成了粗细不同和盐分含量差异的地层。监测结果表明，含细粒和盐分含量较高的土层湿度略大，而含粗粒多且盐分少的地层湿度略小；说明细粒土和盐分的保湿能力要强一些。

4 温湿度变化对盐渍土地基危害评价

研究区现场温度监测结果显示：埋深小于40 cm时地层温度随环境气温日变化量较明显，埋深大于50 cm时地层温度日变化量很小，地层温度变化量随埋深增大逐渐减小，深部地层温度几乎不随日气温变化而变化；随着季节变化，各地层温度变化量随深度增加也逐渐减小，且滞后性明显增大。统计分析结果表明：埋深小于20 cm地层温度变化范围为-7.3～34.7 ℃；20～40 cm地层温度变化范围为-2.9～26.1 ℃；40～80 cm地层温度变化范围为-1.9～24.2 ℃；80～160 cm地层温度变化范围为2.0～21.9 ℃；160～320 cm地层温度变化范围为6.5～17.6 ℃；320～400 cm地层温度变化范围为9.0～12.7 ℃。可以看出：160 cm以上浅部地层温度变化较大，此温度变化范围足以引起硫酸盐渍土的盐胀病害；320 cm以下深部地层的温度变化值很小，温度变化几乎不会对盐渍土地基产生危害。

根据研究区现场湿度监测结果，不同埋深地层湿度几乎不随时间和季节变化发生明显变化，仅在降水时期浅表部地层湿度有所波动，地层湿度在一定时期内保持恒定。因此，在没有人为干预的情况下，地层湿度不会有大幅增减。结合温度监测结果，如果盐分含量较大，在浅部160 cm以上温度变化较大的地层中存在发生盐胀的可能性。同时，地层湿度较小，部分盐分以结晶态形式存在于土体中，若发生大量水分渗入，地层存在盐胀和溶陷的潜在危害，因此应尽量避免在构筑物地基附近倾倒生活用水或进行灌溉。

根据研究区1961-1990年30年标准冻深观测资料统计成果，该区多年季节性标准冻土深度为地面以下116 cm，该深度范围内土层存在冻胀的潜在危害，含水量不同表现出的冻胀危害程度有所不同。同时对研究区部分构筑物进行了病害调查，发现基础埋深大于120 cm的构筑物基本无明显冻胀或盐胀病害。

综合以上分析可知，研究区构筑物的地基埋深大于一定值(大于冻土深度和地温变化很大的地层)后，若没有人为过大干预地层温湿度条件，则构筑物地基相对稳定。

5 结论

1) 内陆寒旱区地层温度的日变化和年变化分别表现为一定周期的正弦曲线，自地表向下地层温度变化幅度呈指数衰减，至气温影响的临界深度后不再变化；河西地区地层日温度变化临界深度为40～50 cm，年温度变化临界深度为500～600 cm。地层温度变化对环境气温有明显的滞后效应，研究区地层日温度变化随深度增加每10 cm落后2.3～3.5 h，年温度变化平均每米延迟20～30 d。

2) 研究区地下水位埋深较大，大气降水少且蒸发强烈，土体基本无外界水分补充和损耗，在一定时期地层湿度基本不会发生明显变化，仅在降水时期浅表部地层湿度有所波动。

3) 研究区浅部160 cm以上深度范围内地层温度变化较大，存在发生盐渍土病害的可能性，这也在很大程度上取决于地层湿度的变化情况。若无人为过大干预地层温湿度条件，一般情况下基础埋深大于该深度后构筑物地基受盐渍土危害较小。

4) 受特定地点、环境和地层的限制，本文未能进一步揭示气候环境、土体组成、含水量等条件对地层温度的影响规律和程度。因此，下一步研究应开展其他地区不同地层的温湿度监测工作，深入阐释地层温湿度随各影响因素的变化规律，为内陆寒旱区盐渍土工程建设和病害防治提供基础资料和理论指导。