松嫩平原盐渍土物理力学性质及含盐特征分析

冷冠军，陈慧娥，符　锐，高　越（吉林大学建设工程学院，吉林长春　130000）



松嫩平原盐渍土物理力学性质及含盐特征分析

冷冠军，陈慧娥，符锐，高越
（吉林大学建设工程学院，吉林长春130000）

摘要松嫩平原地区分布着大量的盐渍土。盐渍土具有溶陷性、盐胀性、腐蚀性等特点，对铁路、公路、水利设施、房屋建筑等易造成严重危害。本文以长春至白城铁路吉林松原段DK184 + 500—K190 + 600段盐渍土为研究对象，对其物理力学性质和含盐特征进行试验研究。结果表明:该区盐渍土物理性质相对稳定，有利于盐渍土路基病害防治；该区盐渍土属中压缩性土，个别地方压缩性低、抗剪性强；该区盐渍土化学成分以碳酸盐为主，Cl-，SO�，CO含量较少且相对稳定，HCO3-含量较多且在水平、竖直方向无规律分布，不同地区HCO3-含量变化较大。研究成果可为该区域盐渍土路基病害的防治提供参考。

关键词盐渍土；物理性质；力学性质；含盐特征

我国盐渍土分布十分广泛，面积较大，总面积可达9. 913×107hm2，其中现代盐渍土的面积为3. 963× 107hm2，其余为残余盐渍土［1］。松嫩平原地区分布着大面积的盐渍土，仅吉林省西部苏打盐碱土的面积就大约有1. 7×106hm2［2］。盐渍土具有溶陷性、盐胀性、腐蚀性等特点。盐胀病害一直是盐渍土地区修筑公路的主要病害之一［3］。因大面积的盐渍土对公路及其他建筑物的破坏而造成的经济损失十分巨大，因此，有必要对盐渍土的物理力学性质和含盐特征进行更深一步的研究。

选取长春至白城铁路吉林松原段DK184 + 500—K190 + 600段为研究区域，以分布于该段的盐渍土为研究对象，对其物理力学性质、含盐特征进行分析，以进一步了解该区段盐渍土路基的工程特征，为盐渍土路基病害问题的解决提供理论基础。

1　研究区段概况

DK184 + 500—K190 + 600段位于吉林省中西部，东经123°6'～126°11'，北纬43°59'～45°32'，地处松辽冲积平原一级阶地。地形平坦，表层分布第四系全新统冲积层（Q），下伏第四系全新统湖沼积层（Q）、第四系上更新统冲积层（Q）。沿线地下水埋深为3. 0～10. 0 m。研究区域属温带大陆性季风气候区，春季干旱少雨，升温较快；夏季炎热，降水集中；秋季凉爽，变温快，温差大；冬季漫长，降雪量小，寒冷干燥。年平均风速为13. 3 m/s，年平均气温4. 5℃左右，年降水量在400～500 mm。该区域盐渍土含盐成分主要为NaHCO3。盐渍土的形成是气候条件、地形地貌、成土母岩、水文地质条件、生物积盐作用、人为经济活动等诸多因素共同作用的结果，其中潜水埋藏浅、径流不畅是该区域盐渍土形成的内在原因［4-5］。

2盐渍土物理性质分析

对均布于DK184 + 500—K190 + 600段深度为2. 0 m的5个点进行取样分析，土样基本物理性质指标见表1。

表1　土样基本物理性质指标

分析表1中数据可知，该区段土样天然密度为1. 74～1. 97 g/cm3，天然含水率为11. 0％～27. 1％，天然孔隙比为0. 646～0. 775。1#，3#，4#，5#土样的饱和度＞80％，属饱和土，2#土样属稍湿土。由液性指数来看，2#和5#土样坚塑，1#，3#，4#土样可塑。从塑性指数来看，2#，4#土样低塑性，1#，3#，5#土样高塑性［6］。从总体来看，研究区段土样物理性质相对稳定，对盐渍土路基的病害防治有利。2#土样天然密度、天然含水率、饱和度、液限、塑限、液性指数，塑性指数都较小。2#土样与其他土样相比性质差别较大。这与2#点的孔口高程较高及人类活动有关。

3　盐渍土力学性质分析

土的力学性质是土的工程性质的重要组成部分，与工程建筑物的稳定和正常使用密切相关，其指标可直接用于工程设计。盐渍土既具有一般土的力学性质，又有其特殊性。通常在气候干燥状态下，由于盐的胶结作用，含盐地层的力学性质较好，但在浸水（如雨、雪）条件下，其力学性质会迅速恶化，造成路基的严重塌陷和毁坏［7］。表2是盐渍土力学性质指标。

表2　盐渍土力学性质指标

分析表2数据可知，1#～5#土样的压缩系数在0. 16～0. 34，压缩模量在4. 95～9. 57，属中压缩性土；1#，3#，4#，5#土样内摩擦角在10. 63°～13. 67°，2#土样内摩擦角为20. 56°；1#，3#，4#，5#土样黏聚力在16. 6 ～34. 0 kPa，2#号土样黏聚力为125. 6 kPa。总体来看，2#土样压缩性低、抗剪性强，主要是由于2#土样含水率低所致。含水率低时，土颗粒间结合水膜较薄，土体具有较强的连结作用，土颗粒间摩擦阻力大，土体具有较强抗剪作用。

4　盐渍土含盐特征分析

盐渍土含盐成分及含盐量对土的工程性质影响较大，盐分改变土的成分，影响土的结构，从而影响土的性质。干燥时，随着盐分的增多，土的强度增大，承载力提高；但在浸湿时，由于溶陷作用而使土体稳定性变得很差。盐渍土对路基工程性质的影响，主要与易溶盐含量有关。而盐渍土的分类定名及很多性质，都与阴离子密切相关。因此，本文只对盐渍土易溶盐中含量较多的阴离子做了分析。在DK184 + 500—K190 + 600段选有代表性的5个点钻探取样分析，取样深度范围为0～3. 5 m。表3、表4分别为1～5钻孔不同深度处土样F值与G值统计结果。

式中：c为100 g土中所含阴离子的毫摩尔数，单位mmol/100 g。

表3　不同深度土样F值统计结果

表4　不同深度土样G值统计结果

分析表3、表4，不考虑误差较大的值，由《岩土工程勘察规范》中盐渍土分类标准可知，2，3，4号钻孔土样属亚硫酸盐渍土，1，5号钻孔土样F值变化较大。1号钻孔土样在深0. 05～0. 25 m，2. 5～3. 5 m为亚硫酸盐渍土，1. 0～2. 0 m为亚氯盐渍土，0. 25～1. 0 m，2. 0 ～2. 5 m为亚硫酸盐渍土与亚氯盐渍土过渡层；5号钻孔土样在深0. 05～0. 5 m，1. 5～3. 5 m为亚硫酸盐渍土，0. 75～1. 0 m为亚氯盐渍土，0. 5～0. 75 m，1. 0～1. 5 m为亚硫酸盐渍土与亚氯盐渍土过渡层［8］。

4. 1易溶盐沿深度分布特征

以具有代表性的4，5号钻孔土样为研究对象，分析土样中阴离子含量随深度变化规律。土样中阴离子含量随深度变化曲线见图1。

分析图1可知，该区段易溶盐成分中HCO3-含量较高，在300 mg/kg以上，远高于其他离子。Cl-，SO，CO含量较少，在200 mg/kg以下，且含量大小顺序为SO＞Cl-＞CO。SO，Cl-，CO含量较稳定，不随深度变化而发生太大改变。从总体来看：HCO3-在深度0～1. 5 m含量相对稳定，深度＞1. 5 m后含量变化较大且无明显规律。

4. 2易溶盐沿水平方向分布特征

不同深度处阴离子含量沿水平方向变化曲线见图2。

由图2可知：在同一深度上沿水平方向Cl-，SO，CO含量相对稳定，其中Cl-含量最为稳定。HCO3-沿水平方向变化较大，且无明显规律；沿水平方向，HCO3-含量最高，＞300 mg/kg；SO，Cl-，CO含量较HCO3-低很多。SO含量在50～300 mg/kg，CO和Cl-含量＜150 mg/kg。

图1　土样中阴离子含量随深度变化曲线

图2　不同深度处阴离子含量沿水平方向变化曲线

从水平、竖直两个方向综合来看，该区段路基土中，HCO3-含量较高且变化较大，含HCO3-的盐属碳酸盐，主要为NaHCO3。碳酸盐又称碱性盐，在土中一般含量较少，而在松嫩平原地区其含量较其他地区多。碳酸盐的水溶液碱性反应较强，对土颗粒间的胶结起分散作用，容易使土产生膨胀，同时使土渗透性减弱。碳酸盐含量较高的盐渍土，干燥时致密坚硬，强度较高；潮湿时，亲水性、塑性、膨胀性、压缩性都很大，稳定性低，不容易排水，很难干燥。该区段氯盐及硫酸盐含量较少且稳定。氯盐的溶解度大，有较大的吸湿性，具有保持水分的能力，结晶时体积不膨胀，冰点较纯水显著降低。氯盐具有较强的吸湿性和保湿性，这在干旱地区有利于路基施工与保养，在潮湿地区则易吸水软化，降低土体强度。该区段硫酸盐以硫酸钠为主，其溶解度随温度变化，在32. 4℃时溶解度最大。当低于这个温度时硫酸钠分子便结合10个水分子变成晶体，体积增大3倍多；高于这个温度时又脱水，体积缩小。而松嫩平原地区年温差大，最低温度（- 36. 1℃）出现在1月，最高气温（37. 0℃）出现在7月，这对盐渍土路基是十分不利的。含硫酸盐的盐渍土最突出的工程地质问题是填料中硫酸钠超过2％时，由于温度的变化，体积不断地膨胀或缩小，如此反复进行，会降低土体的强度。松嫩平原地区盐渍土盐分以碳酸盐为主，存在少量的硫酸盐及氯盐。对松嫩平原地区盐渍土防治，应主要考虑碳酸盐，同时也要综合考虑硫酸盐、氯盐。对该地区盐渍土路基进行处理时可单独采用提高路基法、设置隔离层法、路基排水法、路基换填处理法、砾石桩加固路基法、强夯法［9］，也可组合使用。

5　结论

松嫩平原地区盐渍土成因复杂，土体盐分中以碳酸盐类居多［10］，HCO3-含量较高且变化较大。而碳酸盐在潮湿时亲水性、塑性、膨胀性、压缩性都很大，稳定性差，对工程建设较为不利。

公路、铁路选线时应尽量避开盐渍土区域。通过该区域的路基要结合本区域盐渍土的特征、公路的等级、毛细水上升的高度、盐胀深度、冻胀深度、安全高度等综合考虑，采取经济合理的处理措施来治理盐渍土病害。

参考文献

［1］王遵亲.中国盐渍土［M］.北京：科学出版社，1993.

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［3］李冰，尹睿捷.盐渍土层含盐量竖向分布特征研究［J］.路基工程，2014（1）：113-114.

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［5］张国辉.含盐量对松嫩平原碳酸盐渍土抗剪强度的影响［J］.中国地质灾害与防治学报，2008，19（1）：128-129.

［6］唐大雄，刘偌荣.工程岩土学［M］.北京：地质出版社，1999.

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［9］郭立叶.盐渍土路基处理方法与施工工艺研究［D］.西安：长安大学，2012.

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（责任审编葛全红）

Analysis on Physical-Mechanical Properties and Saliniferous Feature of Saline Soil in Songhuajiang -Nenjiang Plain

LENG Guanjun，CHEN Huie，FU Rui，GAO Yue
（College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130000，China）

AbstractT here is a large area of saline soil in Songhuajiang-Nenjiang Plain. Saline soil has the characteristics of collapse，salt expansion and corrosion，threatening the safety of infrastructures such as railway，highway，water conservancy facilities and buildings. A railway（DK184 + 500—K190 + 600）from Changchun to Baicheng in Songyuan，Jilin was studied in this paper. T he physical-mechanical properties and saliniferous feature were tested. T he results show that the physical properties of saline soil in this area is relatively stable，which is beneficial to the prevention and treatment of saline soil subgrade disease. T he saline soil in this area belongs to the medium compression soil with low compressibility and high shear strength. T he main element is carbonate and the contents of Cl-，SO24-and CO23-are less and relatively stable. T he content of HCO3-is rich and is distributed in horizontal and vertical direction with irregularity. T he content of HCO3-distributed in this area is different within a large range. T his research provides suggestion on prevention and treatment of saline soil subgrade disease in this area.

Key wordsSaline Soil；Physical property；M echanical property；Saliniferous feature

中图分类号TU448

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 28

文章编号：1003-1995（2016）06-0104-04

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2016-04-02

作者简介：冷冠军（1991—），男，硕士研究生。