过氯盐渍土的溶陷性和盐胀性研究

王宏博

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006）

引言

由于路面结构层的覆盖效应，路基的蒸发强度远远小于原地表，从而导致土体盐分由高浓度区向低浓度的路基土体汇集。盐分的迁移聚集以及在外界条件下土体含水量的变化，引起的土体体积变化被称为盐渍土的溶陷和盐胀。《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）规定：地表以下1 m 以内土层的易溶盐的平均含量超过0.3%，同时具有融陷和盐涨等特性时，称之为盐渍土。盐渍土类型有氯盐、硫酸盐、碱性盐渍土三大类；按照含盐量大小归类为弱盐、中盐、强盐、过盐渍土等。

氯盐渍土盐胀和溶陷的主要原因是由于土体中盐分结晶体的状态发生变化；氯盐渍土具有较强的吸水和保水特性，因此，在水的作用下，容易产生显著的体积变化。硫酸盐渍土的盐胀和溶陷特性主要由温差引起，研究表明［1］：在32.4 ℃以上时，Na2SO4多为无水结晶体，当温度低于32.4 ℃时，Na2SO4吸水结晶形成Na2SO4·10H2O（芒硝）。碱性盐渍土中含有较多的Ca2+和Mg2+离子，遇水后容易和土体中的胶体颗粒结合，从而在土颗粒表面形成水膜，使得土体颗粒分离，引起土体体积膨胀。

目前对于盐渍土的溶陷和盐胀特性研究方面，张莎莎等［2］研究了不同因素下粗粒土硫酸盐的盐胀敏感性；包卫星和张莎莎［3］分析了砂类盐渍土的盐胀和溶陷特性；韩志强和包卫星［4］分析研究盐渍土在多次冻融循环下的微观结构变化；袁红和李斌［5］分析了硫酸盐的起胀含盐量和容许含盐量；孙辉荣［6］对细粒氯盐渍土进行盐胀分析，但是关于过盐渍土的溶陷和盐胀研究较少。

1 盐渍土化学成分分析

哈若公路沿线所经区域土样成份各不相同，多数为过盐渍土。路线所在地附近的土体经过长期蒸腾作用，土体水分蒸发，盐份沉淀，形成表层致密胶结的硬壳。

1.1 盐渍土室内化学成分分析

依据土工试验标准，对选取的土样进行化学成分分析，分析结果见表1。

表1 盐渍土离子含量分析试验结果

根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011），选取盐渍土土样均为过盐渍土。通过表1中数据可知：土样中的Na+、Cl-和SO42-含量分别为24.46%、26.10%和11.96%，从侧面反映出项目所在地的土体中易溶盐成分复杂多变。

1.2 XRD 试验

为了能够准确地反映出土样中矿物质成分，将所选取的土样分为原状土样和脱盐土样，进行XRD试验。试验结果得出：（1）原状盐渍土的XRD 图谱中，3 个主要峰值（2.807 0，1.987 6，1.625 0）与NaCl 晶体的特征峰值（NaCl 2.82x，1.995，1.632）接近，主要为NaCl 晶体。（2）脱盐后的XRD 图谱中，显示出的土体成分较为复杂多变，通过与晶体特征峰值比对后发现：有SiO2晶体（3.34x，4.263，2.456），石英（SiO2）显示峰值为（3.321 5，4.234 2，2.446 1），石膏（CaSO4·2H2O）显示峰值为（7.486 9，3.048 0，4.234 2），钾长石（KAlSi3O8）显示峰值为（3.222 6，3.278 4，4.234 2）等以及微量未脱尽的钠盐在其中。通过对比分析可以得到，脱盐后的土体中残留物主要为难溶物或者矿物质。

2 过盐渍土溶陷性和盐胀性分析

不同类型的盐渍土均可产生溶陷和盐胀，这一过程主要体现在盐渍土吸水和失水的过程。土体吸水后结晶盐溶解于水中，土颗粒之间间距减少，体积缩小；失水后盐分析出成为结晶盐，土颗粒间距增大，体积膨胀。但是不同的易溶盐成分其溶陷和盐胀程度不同，氯盐渍土以溶陷为主，硫酸盐渍土以盐胀为主。

根据室内盐渍土离子含量测试可知：在哈若公路沿线的盐渍土为过盐渍土，同时土样中离子含量多样且复杂，特别是Na+、Cl-和SO42-含量都较高。因此，通过对过氯盐渍土的溶陷性和盐胀性进行研究，进一步了解地基下沉的微观原理。

2.1 过盐渍土溶陷性分析

引起盐渍土溶陷变形的原因是有水深入土体结构的缘故，通过采用原状土和水洗土对比测试的方法，试验样品取用相同位置的原状土块。试验步骤：（1）把来自相同位置的原状盐渍土块打碎，选取大小基本一样的两个土块。（2）选取一块用纯净水冲洗，水流不宜过急，冲洗后在干燥处自然风干。

通过对比发现：（1）原状土样土体致密紧实，空隙较少，土样较为圆润光滑；（2）水洗后的土样棱角尖锐，水流过的地方，土样呈现蜘蛛网状，空隙增加，致密性减弱，特别是水冲的位置，明显出现空洞，类似于水侵蚀，强度减弱，容易破碎损坏。

微观机理：原状土样中盐分紧密，盐分多附着于颗粒表面，盐分晶体呈六面结构，盐分成簇状聚集，致密紧实；水洗后土体中盐分晶体相互分离，晶体边缘钝化，形状各异，多数晶体出现凹陷甚至出现穿透，见图1～图4。

图1 水洗前

图2 水洗后

图3 水洗前

图4 水洗后

可以看出：总体上出现大量孔隙状，造成盐渍土段落地基承载能力快速降低，引起地基溶陷。

2.2 过盐渍土盐胀性分析

盐渍土离子含量分析试验和XRD 试验可知：土体中易溶盐离子主要为Cl-和SO42-。氯盐渍土对土体膨胀的影响比较复杂。氯盐的溶解度受温度的影响较小，基本上不随温度的变化而变化，但是氯盐的存在会影响Na2SO4的含量，氯盐的含量增加后，Na2SO4在水体中的浓度减少，从而使土体的盐胀率降低，但当氯盐的含量大于5%以后，氯盐的含量对Na2SO4的影响就很小，见图5。

图5 膨胀量和Cl-和SO42-含量关系

盐渍土出现盐胀的特性主要是由于硫酸盐的存在，对于哈若公路附近的自然条件的复杂性和特殊性可知，随着温度、降水以及人为影响等因素，Cl-/ SO42-的比值是处于动态变化。（1）根据Cl-/ SO42-划分的比值变化可形成亚氯盐、氯盐和超氯盐渍土，若Na2SO4比重增加，盐胀率就会随之增加。（2）Cl-/ SO42-比值一定时，盐胀率随Na2SO4含量的变化而不断变化。

3 结语

（1）原状土块中晶粒结构紧密，晶体形态完整，晶体聚集成簇，孔隙很小。（2）经过水洗后，易溶盐迅速溶解，土体颗粒之间的孔隙增大，土块中晶粒松散，微观下晶体边缘钝化，晶体上出现不同程度的凹陷甚至穿孔。（3）在实际中就出现蓬松及松散状土体，土体体积增大，原状土承载力减小。（4）后期可压缩性增大。（5）Cl-/ SO42-的比值对于过氯盐渍土的盐胀性影响较大，同时当其比值一定时，盐胀率随Na2SO4含量的变化而变化。