過氯鹽漬土的溶陷性和鹽脹性研究

王宏博

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

引言

由于路面結(jié)構(gòu)層的覆蓋效應(yīng)，路基的蒸發(fā)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原地表，從而導(dǎo)致土體鹽分由高濃度區(qū)向低濃度的路基土體匯集。鹽分的遷移聚集以及在外界條件下土體含水量的變化，引起的土體體積變化被稱為鹽漬土的溶陷和鹽脹。《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）規(guī)定：地表以下1 m 以內(nèi)土層的易溶鹽的平均含量超過0.3%，同時具有融陷和鹽漲等特性時，稱之為鹽漬土。鹽漬土類型有氯鹽、硫酸鹽、堿性鹽漬土三大類；按照含鹽量大小歸類為弱鹽、中鹽、強(qiáng)鹽、過鹽漬土等。

氯鹽漬土鹽脹和溶陷的主要原因是由于土體中鹽分結(jié)晶體的狀態(tài)發(fā)生變化；氯鹽漬土具有較強(qiáng)的吸水和保水特性，因此，在水的作用下，容易產(chǎn)生顯著的體積變化。硫酸鹽漬土的鹽脹和溶陷特性主要由溫差引起，研究表明［1］：在32.4 ℃以上時，Na2SO4多為無水結(jié)晶體，當(dāng)溫度低于32.4 ℃時，Na2SO4吸水結(jié)晶形成Na2SO4·10H2O（芒硝）。堿性鹽漬土中含有較多的Ca2+和Mg2+離子，遇水后容易和土體中的膠體顆粒結(jié)合，從而在土顆粒表面形成水膜，使得土體顆粒分離，引起土體體積膨脹。

目前對于鹽漬土的溶陷和鹽脹特性研究方面，張莎莎等［2］研究了不同因素下粗粒土硫酸鹽的鹽脹敏感性；包衛(wèi)星和張莎莎［3］分析了砂類鹽漬土的鹽脹和溶陷特性；韓志強(qiáng)和包衛(wèi)星［4］分析研究鹽漬土在多次凍融循環(huán)下的微觀結(jié)構(gòu)變化；袁紅和李斌［5］分析了硫酸鹽的起脹含鹽量和容許含鹽量；孫輝榮［6］對細(xì)粒氯鹽漬土進(jìn)行鹽脹分析，但是關(guān)于過鹽漬土的溶陷和鹽脹研究較少。

1 鹽漬土化學(xué)成分分析

哈若公路沿線所經(jīng)區(qū)域土樣成份各不相同，多數(shù)為過鹽漬土。路線所在地附近的土體經(jīng)過長期蒸騰作用，土體水分蒸發(fā)，鹽份沉淀，形成表層致密膠結(jié)的硬殼。

1.1 鹽漬土室內(nèi)化學(xué)成分分析

依據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對選取的土樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。

表1 鹽漬土離子含量分析試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），選取鹽漬土土樣均為過鹽漬土。通過表1中數(shù)據(jù)可知：土樣中的Na+、Cl-和SO42-含量分別為24.46%、26.10%和11.96%，從側(cè)面反映出項目所在地的土體中易溶鹽成分復(fù)雜多變。

1.2 XRD 試驗(yàn)

為了能夠準(zhǔn)確地反映出土樣中礦物質(zhì)成分，將所選取的土樣分為原狀土樣和脫鹽土樣，進(jìn)行XRD試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果得出：（1）原狀鹽漬土的XRD 圖譜中，3 個主要峰值（2.807 0，1.987 6，1.625 0）與NaCl 晶體的特征峰值（NaCl 2.82x，1.995，1.632）接近，主要為NaCl 晶體。（2）脫鹽后的XRD 圖譜中，顯示出的土體成分較為復(fù)雜多變，通過與晶體特征峰值比對后發(fā)現(xiàn)：有SiO2晶體（3.34x，4.263，2.456），石英（SiO2）顯示峰值為（3.321 5，4.234 2，2.446 1），石膏（CaSO4·2H2O）顯示峰值為（7.486 9，3.048 0，4.234 2），鉀長石（KAlSi3O8）顯示峰值為（3.222 6，3.278 4，4.234 2）等以及微量未脫盡的鈉鹽在其中。通過對比分析可以得到，脫鹽后的土體中殘留物主要為難溶物或者礦物質(zhì)。

2 過鹽漬土溶陷性和鹽脹性分析

不同類型的鹽漬土均可產(chǎn)生溶陷和鹽脹，這一過程主要體現(xiàn)在鹽漬土吸水和失水的過程。土體吸水后結(jié)晶鹽溶解于水中，土顆粒之間間距減少，體積縮小；失水后鹽分析出成為結(jié)晶鹽，土顆粒間距增大，體積膨脹。但是不同的易溶鹽成分其溶陷和鹽脹程度不同，氯鹽漬土以溶陷為主，硫酸鹽漬土以鹽脹為主。

根據(jù)室內(nèi)鹽漬土離子含量測試可知：在哈若公路沿線的鹽漬土為過鹽漬土，同時土樣中離子含量多樣且復(fù)雜，特別是Na+、Cl-和SO42-含量都較高。因此，通過對過氯鹽漬土的溶陷性和鹽脹性進(jìn)行研究，進(jìn)一步了解地基下沉的微觀原理。

2.1 過鹽漬土溶陷性分析

引起鹽漬土溶陷變形的原因是有水深入土體結(jié)構(gòu)的緣故，通過采用原狀土和水洗土對比測試的方法，試驗(yàn)樣品取用相同位置的原狀土塊。試驗(yàn)步驟：（1）把來自相同位置的原狀鹽漬土塊打碎，選取大小基本一樣的兩個土塊。（2）選取一塊用純凈水沖洗，水流不宜過急，沖洗后在干燥處自然風(fēng)干。

通過對比發(fā)現(xiàn)：（1）原狀土樣土體致密緊實(shí)，空隙較少，土樣較為圓潤光滑；（2）水洗后的土樣棱角尖銳，水流過的地方，土樣呈現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)狀，空隙增加，致密性減弱，特別是水沖的位置，明顯出現(xiàn)空洞，類似于水侵蝕，強(qiáng)度減弱，容易破碎損壞。

微觀機(jī)理：原狀土樣中鹽分緊密，鹽分多附著于顆粒表面，鹽分晶體呈六面結(jié)構(gòu)，鹽分成簇狀聚集，致密緊實(shí)；水洗后土體中鹽分晶體相互分離，晶體邊緣鈍化，形狀各異，多數(shù)晶體出現(xiàn)凹陷甚至出現(xiàn)穿透，見圖1～圖4。

圖1 水洗前

圖2 水洗后

圖3 水洗前

圖4 水洗后

可以看出：總體上出現(xiàn)大量孔隙狀，造成鹽漬土段落地基承載能力快速降低，引起地基溶陷。

2.2 過鹽漬土鹽脹性分析

鹽漬土離子含量分析試驗(yàn)和XRD 試驗(yàn)可知：土體中易溶鹽離子主要為Cl-和SO42-。氯鹽漬土對土體膨脹的影響比較復(fù)雜。氯鹽的溶解度受溫度的影響較小，基本上不隨溫度的變化而變化，但是氯鹽的存在會影響Na2SO4的含量，氯鹽的含量增加后，Na2SO4在水體中的濃度減少，從而使土體的鹽脹率降低，但當(dāng)氯鹽的含量大于5%以后，氯鹽的含量對Na2SO4的影響就很小，見圖5。

圖5 膨脹量和Cl-和SO42-含量關(guān)系

鹽漬土出現(xiàn)鹽脹的特性主要是由于硫酸鹽的存在，對于哈若公路附近的自然條件的復(fù)雜性和特殊性可知，隨著溫度、降水以及人為影響等因素，Cl-/ SO42-的比值是處于動態(tài)變化。（1）根據(jù)Cl-/ SO42-劃分的比值變化可形成亞氯鹽、氯鹽和超氯鹽漬土，若Na2SO4比重增加，鹽脹率就會隨之增加。（2）Cl-/ SO42-比值一定時，鹽脹率隨Na2SO4含量的變化而不斷變化。

3 結(jié)語

（1）原狀土塊中晶粒結(jié)構(gòu)緊密，晶體形態(tài)完整，晶體聚集成簇，孔隙很小。（2）經(jīng)過水洗后，易溶鹽迅速溶解，土體顆粒之間的孔隙增大，土塊中晶粒松散，微觀下晶體邊緣鈍化，晶體上出現(xiàn)不同程度的凹陷甚至穿孔。（3）在實(shí)際中就出現(xiàn)蓬松及松散狀土體，土體體積增大，原狀土承載力減小。（4）后期可壓縮性增大。（5）Cl-/ SO42-的比值對于過氯鹽漬土的鹽脹性影響較大，同時當(dāng)其比值一定時，鹽脹率隨Na2SO4含量的變化而變化。