風積沙在新疆公路鹽脹病害防治中的應用

鄭育新

（新疆建設職業技術學院土木工程系，新疆 烏魯木齊 830054）

0 引言

土壤鹽漬化是新疆公路破壞的主要原因，對公路工程建設的危害性很大，其危害主要有鹽脹與鹽溶蝕，其中公路鹽脹病害較為嚴重。鹽漬土地區路基土體隨著氣溫的年周期性變化而變化，引起土體中水分、鹽分的不斷遷移以及Na2SO4的結晶和溶解，并且由于“鹽隨水走”，加劇了Na2SO4的結晶與溶解過程，進而導致Na2SO4漬土地區路基土體體積的膨脹和收縮，如此反復脹縮，嚴重破壞了土體的工程性質。同時，上覆荷載的存在，抑制了鹽脹的產生。因此，鹽漬土的鹽脹，是水、鹽、熱、力四場綜合作用的結果。鹽脹主要隨溫度變化而發生體積變化，引起地表松脹，導致公路路基、路面變形破壞。鹽脹使新疆公路路面每年都隨季節產生不同程度的破壞，造成很大的經濟浪費。

1 鹽脹影響因素

鹽脹量大小的影響因素有：Na2SO4的含量、含水量、初始干濕度、溫度、NaCl的含量、土的成份、上覆荷載等。

1.1 Na2SO4含量

一般認為：Na2SO4含量達到0.5%時，土體開始膨脹，則該值為起脹含鹽量臨界值。Na2SO4含量在1%～4%的鹽土鹽脹遞增速度較快，Na2SO4含量越高，最終的鹽脹量就越大。鹽脹率η（%）與Na2SO4含量z（%），有指數關系：η＝a＋blnz。 當然鹽脹率除了與Na2SO4的含量有關外，還與別的影響因素有關。

總之，當Na2SO4含量＜1%時，鹽脹率小于1%；當Na2SO4含量＞2%時，鹽脹率隨Na2SO4含量的增大而迅速增大；當Na2SO4含量超過了土中水所能溶解的數量時，含鹽量再繼續增加，鹽脹率亦不再增加，除非有新的水源補給。由于新疆公路大多是在原先的田間道路上改建而成，對田地基本上都進行了改良處理，而對道路未進行此項工作，導致路基含鹽量普遍較大，在以后的公路改建中由于受到投資造價的限制，基本上也未對原路基進行很好的處理，致使路基含鹽量普遍超標，因此，在新疆公路中如前所述硫酸鹽鹽漬占到了77%，為新疆公路鹽脹病害提供了條件依據。

1.2 含水量

起脹含水量與土質有關。起脹含水量應略大于土中不溶解鹽的含水量，后者約為土中強結合水的0.9～0.95倍。 一般而言，當含水量＜6%時，無論Na2SO4含量多少，鹽脹率均＜1%（此可為工程所用）；當含水量＞6%時，鹽脹率隨含水量的增加而迅速增大，但有一峰值，超過此值后，含水量繼續增加，鹽脹率反而減少；鹽脹率峰值出現在最佳含水量（重型擊實標準）與塑限之間，含鹽量少時接近前者，多時接近后者。由于新疆部分道路與渠道伴行或林帶灌水，為路基提供了較充分的水源補給，而新疆道路受到投資的限制等級較低，路基高度一般較小，因此，毛細水上升過程中將部分底部的鹽分帶到了路基頂部，從而增大了路基的鹽分含量，為路基鹽脹創造了條件。

1.3 初始干容重

一般而言，隨著初始干密度增大，鹽脹率逐漸減小，但當超過了一定界限后，鹽脹率又隨初始干密度的增加而增大。但鹽脹有累加性，目前施工均是按照交通部有關規范執行，壓實度均要滿足驗評標準要求，故初始干容重對防治鹽脹病害意義不大。

1.4 NaCl含量

NaCl對鹽脹的影響是復雜的、多方面的，該因素只能抑制部分鹽脹而不能防止和消除鹽脹，且NaCl容易隨水遷移流失，故工程意義不太大。

1.5 溫度

起脹溫度與Na2SO4含量有關，也與含水量和NaCl含量有關。室內試驗多數在25℃左右起脹，Na2SO4含量大時起脹溫度會提高，Na2SO4含量小則會降低，Na2SO4含量小而含水量大時則降低更多。

鹽脹劇烈增長的溫度區間主要與孔隙溶液中Na2SO4濃度有關。濃度增大時，鹽脹的溫度區間擴大、起脹溫度升高；濃度減小時，則正好相反。

降溫速率對鹽脹有顯著影響，類似于凍結速率對凍脹的影響。鹽脹率與降溫速率成冪函數關系，即鹽脹率隨降溫速率的減少以冪函數增大。降溫速率對鹽脹率的影響還與土的密度和Na2SO4含量有關。在含鹽量≤1%時，降溫速率變化對鹽脹率幾乎沒有影響，只當含鹽量≥2%時，降溫速率變化對鹽脹率才有顯著影響，而且隨著含鹽量的增大其影響越來越大；采用輕型標準擊實的土比采用重型標準擊實的土對降溫速度變化要更敏感。

在多次凍融循環作用下鹽脹具有累加性。循環次數與累加鹽脹率的關系近似二次拋物線。臨近土體結構徹底破壞前累加的鹽脹總量達到最大值，以后反倒有所減小。土體鹽脹累加至最大所需凍融循環次數與外荷載有很大關系，外荷載越大所需次數越多，在無荷載或荷載很輕的情況下通常只需6～7次。顯然，一般建筑物在確定容許含鹽量時都應該考慮鹽脹的累加性。

新疆溫度差較大，一般在夏季日溫差可以達到25～30℃左右，春秋兩季時間雖然持續較短，但溫差相對于夏季更大，這樣鹽脹產生的頻率增大，鹽脹的累加程度大大提高，鹽分向表面移動，雖這些移動幅度較小，累加性卻不容忽視；夏季地面蒸發強烈，毛細作用強烈，鹽分向地表遷移，此時土中的含鹽量顯著增加，這些普遍現象可以通過各鹽漬土路段附近地表呈一片白色的鹽漬化表觀可知。漫長冬季溫差一般在15～20℃左右，但是持續的低溫使得路基中水分在溫度梯度的作用下逐漸向路基頂部移動，并在合適的溫度以及含水量條件下產生鹽脹和凍脹的結合病害；春融季節溫度升高，土中含水量增加，鹽分溶解下滲，表層含鹽量相對減少，路基逐漸恢復原狀。

1.6 上覆荷載和路面結構

有關資料表明，上覆荷載和路面結構對鹽脹如同凍脹一樣具有較強的抑制作用，隨著荷載的增加鹽脹率急劇降低，二者的關系曲線可用指數函數表示。當上覆荷載超過88kPa時，鹽脹率漸趨于0。但是新疆公路的路面結構層厚度較薄，一般在380～480mm，其對鹽脹的抑制作用是有限的，但隨著鹽脹的累加，其上部荷載對鹽脹的抑制作用就相對較小。

綜上所述：新疆公路外界溫度是無法控制的，因此含鹽量尤其是Na2SO4的含量對鹽脹量影響量最大，其次是含水量，再次是密實度等因素，而氯鹽含量對鹽脹有一定的抑制作用，但是當其含量較大時，還會引起路基翻漿、地基承載力下降等病害。路面結構和上覆荷載對于鹽脹也有一定的抑制作用，但是又受到投資的限制，因此，在進行新疆道路鹽脹病害防治中應綜合考慮，采取行之有效的防治措施。

2 風積沙用于公路鹽脹病害防治的可行性

2.1 鹽份含量

風積沙的化學組成以SiO2（70%左右）、Al2O3（10%左右）為主，MgO、CaO、K2O、Na2O、Te2O3等的含量較少；且不含引起公路凍脹和翻漿的硫酸鹽和氯鹽成分，屬于非鹽脹性土，并且在新疆多用風積沙進行鹽漬土土壤改良，效果很好。另外風積沙與粉土、黃土相比，由于SiO2含量較多，其顆粒的硬度和強度均較大，可作路基填料，適合于治理鹽脹，玉阿公路充分證明了這一點。

2.2 顆粒組成

風積沙的顆粒組成相對于粉土、黏土較粗，粉黏粒含量較小，特別是SP、SF類風積沙更是如此。由于風積沙顆粒較粗，相對比表面積小于一般路基填土，顆粒之間的結合水相對較少，毛細水上升高度也較小，使得風積沙路基中底部鹽分通過溫度梯度上升到路面的速度慢，可起到隔斷層的作用，從而使得路基土次生鹽漬化的程度減小。

2.3 強度

風積沙具有良好的水穩性和較高的強度，其用于鹽脹路基中可以增強路基的強度，起到抑制鹽脹的作用。

2.4 路面結構層

風積沙良好的水穩性，在壓實狀況下也有良好的穩定性，并且其較小的毛細水上升高度、較好的抗凍性能和較大的強度（回彈模量值和CBR值）又起到了墊層的功能，也就是說采用風積沙層處理鹽脹問題，相當于增加了路面結構層，增強了路面結構的強度和增加了鹽漬土頂部的路面結構覆蓋，從而達到抑制鹽脹的作用。

3 風積沙防治公路鹽脹病害的工程實例

鹽脹病害在新疆公路中較為普遍，為此對公路鹽脹病害的治理措施和鹽脹控制效果進行了路況調查，現將各調查路段進行說明。

3.1 風積沙在阿塔公路中的應用

阿塔公路起點為阿克蘇市，終點為阿拉爾市。該公路等級為二級路。公路位于阿克蘇河流域沖積細土平原中下游，基本走向與塔河平行，部分路段穿越鹽堿沼澤區，因此，設計上有土工膜布鋪設。工程起點穿越鹽堿沼澤區，原設計在路面下1.0m～1.2m處鋪設一道土工膜布，其上填筑風積沙，分層壓實至底基層底面。但施工中由于多種原因從K10＋000～K11＋800段以及K13＋000～K13＋500段膜上沒有填筑風積沙，而是從路旁土甩方填筑，K21＋800～K22＋800段按設計施工。完工后的第一個秋冬季，便在沒填風積沙路段出現了路面縱向裂縫。經過4年的運行，裂縫在每年秋季都會發生，并隨時間的推移而加寬，范圍加大，入春后裂縫回落，入夏后大部分裂縫恢復，但裂縫及其周邊瀝青面層松弛、脫落，逐年加重；而填筑風積沙段則完好無損。 在K32＋000～K41＋000段也完全用風積沙填筑路床，目前通過4年的運行，凡在結構層下填有風積沙（0.5m以上的厚度）的路段，均無路面破壞，而未填風積沙的路段或多或少都有路面損壞。

兩段（K10＋000～K11＋800，K13＋000～K13＋500）未填筑風積沙鋪設了土工膜布的路段，雖然膜布防止了其下部的水分上升，保證了其上部的路面在干燥和潮濕狀態下運行，對其上部的路基起到了很好的防止次生鹽漬化發生的可能。但同時也阻止了其上部水份的散失和鹽分的下排，其上部在施工中的最佳碾壓含水量（14%左右）可較長時間保持在較高的水平，從現場取樣（2009年秋季），其路肩下0.8m的含水量在10%～12%之間。這一含水量足以使膜上含一定量的Na2SO4鹽漬土發生脹裂的路面破壞，而且由于施工中的錯誤，恰好形成了上下路段的對比，兩段未填風積沙的路段，恰好一前一后將填筑風積沙的路段夾到了中間。如此路面反映出的差異，應該歸結為土工膜上的填料不同所致，路段脹裂的時間以及當時的溫度又說明這不可能是由于凍脹原因，而膜的存在使得膜上土只能靠蒸發才能減少其中的含水量，而瀝青面層的存在又起到了阻礙其水分蒸發的作用，如此鹽脹年年重復、累積，使得路面逐年破壞。

3.2 風積砂在巴莎公路中的應用

S215線巴楚—莎車公路，大部分路段路基兩側為林帶與農田，個別段落為鹽堿荒灘，老路路面結構為30mm瀝青表處，100～200mm厚級配砂礫，路基寬10m，路基高度在2m左右，路基普遍采用就地鹽漬土或粉土填筑。老路病害路段基本分布在鹽堿荒灘、地下水位高的路段，病害表現為路基不均勻沉陷、翻漿、鹽脹、路面網裂、老化剝落嚴重。沿線地表土大多屬硫酸鹽類鹽漬土，局部硫酸鹽含量較高，屬強鹽漬土，部分路段路基兩側因季節不同偶有積水。多處路段鹽脹病害久治不愈，經現場調研發現公路路面自11月中旬發生了隆脹，持續到次年2月，而隆脹始發期的氣溫和地溫均大于0℃，進行人工開挖坑槽發現是Na2SO4所致。因此以K75＋000～K79＋500為試驗段進行防治試驗，該段路基平均高出地面約2m，其一側10m遠為與公路并行的干渠（無防滲的老渠），渠身上緣幾近與公路路面同高程，渠路之間為一取土溝槽，深度為1～1.5m不等。另一側為一洼地，未建立排水系統，春灌或大雨過后，有地下水出露現象，試驗段區域最大標準凍深為0.65m。試驗段實施方案：挖棄原路面下1.0～1.2m的舊路基，先換填0.6～0.8m的風積沙，分2～3層碾壓密實，其上部填筑400mm砂礫結構層并壓實，再作35mm瀝青面層。試驗段至2010年（已有4年）運行品質良好，達到了治理鹽脹的預期效果。

3.3 使用效果

風積沙在新疆境內分布較為廣泛，利用風積沙筑路防治路基鹽脹，可以達到治理環境的目的。并且風積沙運距較近，利用風積沙技術可以防治路面結構層砂石料的嵌入而節省了土工布或砂礫石封層，又在防治鹽脹中取消土工布的隔水層，從而有效地降低了筑路成本，使其在低等級、低造價公路工程的應用有了較為廣闊的條件。

4 結論

在對公路凍脹和鹽脹病害機理、病害原因分析的基礎上，本文從理論和實踐兩方面對利用風積沙防治公路凍脹和鹽脹病害進行了較為系統的研究，得出了以下結論。

4.1 風積沙顆粒組成較粗（尤其是SP、SF類風積沙），粉、黏粒含量少，屬于不凍脹和非鹽脹土質，毛細水上升高度小，適合防治公路凍脹和鹽脹病害。

4.2 風積沙的較高強度和較好的水穩性，既可以達到增加路面結構層和減少公路病害的效果，又可起到減少遠距離運送砂礫石料，降低工程造價的作用，是防治公路凍脹和抑制鹽脹的較好筑路材料。

4.3 風積沙作為防治鹽脹材料在公路建設中應用是可行的，也是經濟的。

[1]李四芳.冰凍鹽漬土地區公路鹽脹和凍脹綜合病害[J].筑路機械與施工機械化，2009，32（2）：60-63.

[2]張軍光，張修良，何永明.新疆沙漠公路施工及加固試驗分析[J].筑路機械與施工機械化，2008，25（12）：44-50.

[3]黃立度，席元偉，李俊超.硫酸鹽漬土道路鹽脹病害的基本特征及防治[J].中國公路學報，1997，22（6）：39-47.

[4]李芳.中國公路鹽漬土分區方案[J].長安大學學報，2006，6（11）：12-14.

[5]高江平，楊榮尚.含氯化鈉硫酸鹽漬土在單向降溫時水分和鹽分遷移規律的研究[J].西安公路交通大學學報，1997，12（3）：21-23.

[6]李世芳，胡作龍.新疆兵團墾區風積沙工程特性試驗研究[J].中外公路，2005，25（6）：148-151.

[7]鄭育新.墾區公路鹽脹及凍脹綜合病害防治技術應用研究[D].西安：長安大學，2009.