盐渍土是盐土和碱土的总称。广义理解凡含一定量易溶盐的土，统称为盐渍土。公路路基设计规范规定易溶盐的含量大于0.3%的土为盐渍土；由于公路路面与机场道面结构具有相似性，机场道面设计时，可以将易溶盐的含量大于0.3%的土视为盐渍土。在我国，西北地区盐渍土危害严重，机场每年因为盐渍土破坏而引起的损失非常巨大。前人针对盐渍土的各类破坏现象的危害已经做了很多研究，盐渍土地区一般会产生软化、盐涨等危害，影响机场的日常使用和维护^{[1, 2, 3]}。对前人研究结果归纳分析可看出，无论是什么类型的破坏，都体现了土体中水分的迁移对土体性质的重要影响^{[4, 5, 6, 7]}。

本研究试图通过试验来探讨盐渍土所受毛细水的影响，提出在盐渍土中运用一定材料铺设隔断层来实现特定的阻水作用并开展相应的数值模拟，为实际盐渍土地区机场道面铺筑规避、减少病害，以为延长使用寿命提供合理建议和施工参考。

新疆地区的盐渍土为粗颗粒盐渍土，大部分属于粗颗粒中砾类土。土样采自南疆某机场天然粗颗粒盐渍土，筛分结果见表 1。

根据公路路基用土划分标准，粗粒土中粒径为2～60 mm的颗粒质量大于总质量50%的土称为砾类土。根据表 1的筛分结果可以得出该土样为含细粒土砾的砾类土。将这些天然粗颗粒盐渍土均匀拌和，用标准筛筛出粒径在2~40 mm的粗颗粒土，并将筛出的土进行洗盐处理。采取的方法是经5次自来水和5次蒸馏水的洗盐烘干，减小其他盐分对结果的影响，再在室温的条件下添加占总土样质量45 %的当地细粒土。当地细粒土的取土地点为陕西西安灞桥区，土样的基本力学性质见表 2，制成含细粒土砾的砾类土。

配好含细粒土砾的土后，根据文献^[13]进行击实试验。采用重型击实法，得到素土的最大干容重为22.61 kN/m³，最佳含水率为6.81 %。

毛细管试验仪：试验架、有机玻璃试验管、有机玻璃盛水筒、特制挂簧及挂绳等。有机玻璃管内径4.5 cm，壁厚5 mm 左右，每10 cm 开一个直径10 mm的小洞，洞口配有能拧紧的有机玻璃小盖，下端和有机玻璃底座用丝扣相连，距零点1 cm处开一排气小孔。管顶有可以通气的铝盖。底座上配有橡皮垫圈和铜丝网。两根管间用外接头连接。用特制弹簧保证盛水下降时水面高度始终保持不变。

在圆形有机玻璃管内逐层加入土样，通过压实和凿毛，控制土样的压实度。将有机玻璃管底部放入水中5 cm，严格按照文献^[13]进行不同时间的试验，按照要求定时观测毛细水上升高度，并直至稳定。

分别进行单一不同压实度、不同初始含水量、不同含盐量的毛细水垂直上升试验，进而分析压实度、含水量、含盐量对毛细水上升的单独影响。毛细上升试验共分3组进行：第1批试验为不同压实度的试验，根据机场工程压实度的最小要求，分别选取为90%,92%,96%,98%，并均取含水量为14%，含盐量均为0.5%；第2批试验为不同初始含水量的试验，依据含水量一般取为最佳含水量附近值，依次取为8%,10 %,12 %,14 %,16 %，并均取压实度为96%，含盐量均为0.5%；第3批试验为不同含盐量的试验，含盐量根据硫酸盐盐渍土分类，含盐量分别取为0.5%,1%,2%,4%,6%，并均取压实度为96%，含水量均为14%。

(1)当压实度增大时，毛细上升高度下降。压实度的增大，使得土体中的空隙率减小，空隙的直径也会相应减小，但空隙形成的连通性下降，阻止了毛细水上升的通道，增大了毛细水上升的阻力，使得毛细水上升高度下降。

图1 压实度与毛细上升高度的关系 Fig.1 Relationship between compactness andcapillary rise height

图选项

(2)当含水量增大时，毛细上升高度下降。含水量的增大，使得土体中的空隙中含水量增多，减小了空隙的吸附能力，导致毛细水上升高度的减小。此外，含水量的增大，增加了毛细上升的阻力，也起到了降低毛细上升高度的作用。

图2 含水量与毛细上升高度的关系 Fig.2 Relationship between moisture content andcapillary rise height

图选项

(3)当含盐量增大时，毛细上升高度下降。含盐量的增大，使得土体中的盐遇到水后易产生结晶，其结晶物产生体积膨胀，阻止了空隙的通道，使得水的上升高度受阻，导致了毛细上升高度的下降。

图3 含盐量与毛细上升高度的关系 Fig.3 Relationship between salinity and capillary rise height

图选项

以上试验数据分析表明，控制任何的单一条件，都能得到类似的时间关系曲线图。随着时间的增长，毛细水上升高度始终在由快到慢地增长，直到达到一个相对稳定的高度后趋于平稳。并且不同程度的单一因素所能控制的这一相对稳定的毛细水上升高度差值基本稳定，这说明单纯考虑控制土体本身的各项参数用以达到控制毛细水上升高度的方案的效果有限，有必要引入隔断层来对这个效果进行改进和加强。以下就不同材料构筑的隔断层的隔断效果进行数值模拟分析。

首先确立土水特征曲线模型^[12]；其次明确土壤中水分运动的基本定律是达西定律。考虑一维竖向土壤水分运动的情况下，以体积含水量作为变量建立土壤水分运动基本方程，得出：

点击浏览公式

式(1)即为Richards 土水运动方程。本研究就是根据式(1)建立模型，采用有限元解析法进行求解。

为了研究不同垫层材料的组成对毛细上升高度的作用，采用地下水位、细粒土、垫层和细粒土组成的计算模型，如图 4所示。

图4 路基毛细水上升数值分析模型 Fig.4 Analytic model of subgrade capillary rise height values

图选项

对于下层细粒土而言，由于基质势较高，势能平衡的分界高度，即毛细水上升高度一般较大。但对于隔断层而言，其填筑下的基质势要较原细粒土小得多，水分向上运移到隔断层中时，更容易达到势能平衡，使得水分不再向上运移。也就是说，隔断层起到了阻隔水分进一步上移的作用，减小基底土体湿度变化对路基土体的影响程度。

为了研究不同隔断层对毛细上升高度的影响，将模型设置为在两个细粒土层之间放置隔断层，将下层细粒土层一部分处于地下水中。由于地下水的毛细作用可使得下层细粒土层的含水量达到饱和。该饱和的细粒土层通过隔断的作用，其毛细上升高度会受到影响。可通过分析上层细粒土的含水量的变化来得到隔断层的阻断效果。

上、下细粒土层材料均选用前述试验中用击实试验配置的素土，隔断层材料分别选取用砂、砂砾石、卵石和水泥稳定砂砾石，隔断层的厚度为300 mm。通过数值模拟计算，分析具有隔断层的毛细水上升规律。有关计算参数见表 3。

(1)以砂作为隔断层材料时土体毛细上升规律模拟结果如图 5所示。由图 5可知，地下水位以上细粒土含水量接近饱和含水量，砂隔断层的含水量较下层细粒土的含水量要小，且随高度的变化较大，含水量沿高度变化曲线在隔断层处出现明显的转折；上层细粒土的含水量随着高度增加逐渐减小，变化幅度较小，但较初始含水量有明显的增大，由填筑含水量17.8 % 增加到24.6 %，并随着高度的增大逐渐减少，说明砂作为隔断层材料，使得上层细粒土的含水量增大，不能阻止水的上升，起不到隔断的作用。

图5 砂阻断层毛细上升高度与含水量关系曲线 Fig.5 Curve of relationship between capillary rise height and moisture content of sand separation layer

图选项

(2)图 6为采用砂砾石作为隔断层材料时土体的毛细水上升规律模拟结果。分析图 6中数据可得知，地下水位以上细粒土含水量接近饱和含水量，砂砾石隔断层的含水量较下层细粒土的含水量要小，且随高度的变化较大，含水量沿高度变化曲线在隔断层处出现明显的转折；上层细粒土的含水量随着高度增加逐渐减小，变化幅度较小，含水量基本保持不变，且与初始体积含水量基本一致，表明水分运移未到达膨胀土填土层，300 mm厚的级配良好的砂砾石垫层对毛细水上升的阻隔效应明显。这说明砂砾石作为隔断层材料，不会使得上层细粒土的含水量增大，能阻止水的上升，起到隔断的作用。

图6 砂砾石阻断层毛细上升高度与含水量关系曲线 Fig.6 Curve of relationship between capillary rise height and moisture content of sand gravel separation layer

图选项

(3)以卵石作为隔断层材料时土体毛细上升规律模拟结果如图 7所示。由图 7可知，采用卵石作为隔断层材料时，地下水位以上细粒土含水量接近饱和含水量;卵石隔断层的含水量较下层细粒土的含水量要小，且随高度的变化较大，含水量沿高度变化曲线在隔断层处出现明显的转折；上层细粒土的含水量随着高度增加逐渐减小，变化幅度较小，含水量基本保持不变，且与初始体积含水量基本一致，表明水分运移未到达膨胀土填土层，300 mm厚的级配良好的卵石垫层对毛细水上升的阻隔效应明显。这说明卵石作为隔断层材料，不会使得上层细粒土的含水量增大，能阻止水的上升，起到隔断的作用。

图7 卵石阻断层毛细上升高度与含水量关系曲线 Fig.7 Curve of relationship between capillary height and moisture content of pebble separation layer

图选项

(4)图 8为采用水泥稳定砂砾层作为隔断层时土体的毛细水上升规律模拟结果。从图中可以看到，采用300 mm厚的水泥稳定砂砾层时，水泥稳定砂砾层含水量比下层细料土层的含水量更高。这主要是由于水泥稳定砂砾层有水泥成分，其饱和含水量比细粒土高，能够充分吸收下层毛细上升的水分，使其含水量增大，达到饱和状态，并对上层细料土的含水量直接作用，使上层含水量增大，由原始含水量的 17.8%增大到27.5%，并沿高度逐渐减少。这表明300 mm厚的水泥稳定砂砾层未能有效阻隔毛细水的上升。

图8 水泥稳定砂砾石阻断层毛细上升高度与含水量关系曲线 Fig.8 Curve of relationship between capillary rise height and moisture content of cement stabilized sandy gravel separation layer

图选项

(1)毛细水上升试验表明：在任一因素作用下，土体的毛细上升高度随着时间的延长，其毛细上升高度逐渐增大。刚开始阶段，毛细上升的速度较快，随后逐渐减慢，但始终在增长，最终达到某一稳定值。这说明毛细水的上升高度与时间有着密切的关系。只要有足够的时间，毛细上升的高度可以达到某一稳定的高度。

(2)砂和水泥稳定砂砾石作为隔断层不能有效地隔断毛细作用，使水分通过该层上升到上层，导致上层的水分发生变化。特别是水泥稳定砂砾石不仅使水分通过毛细作用通过该层，其本身还能充分吸收水分达到饱和状态。如果水泥稳定砂砾石中含有盐分，可有充足的水分使得盐结晶，其体积增大，导致水泥稳定砂砾石层的膨胀而引起破坏。

(3)砂砾石和卵石作为隔断层能有效地隔断毛细作用，使水分不能通过该层上升到上层。推荐使用砂砾石和卵石作为道面结构的隔断层。