洗盐对碳酸盐渍土的物理特性影响

胡争，陈克政，黄帅，柳艳杰，丛宇婷，丁琳,*

(1.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080；2.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；3.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引言

盐渍土是盐土和碱土及各种盐化、碱化土的总称，我国公路领域中对盐渍土的定义为：岩土中易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀和腐蚀等工程特性的土[1]。在盐渍土地区工程建设过程中遇到的问题引发人们关注[2]。王燕儒[3]研究指出，盐渍土给公路工程造成的危害主要有：路基溶陷与潜蚀、路基次生盐渍化、路面翻浆、路面变形、沥青面层起皮、网裂以及脱落等；蔡云波[4]研究指出，在公路工程中，盐渍土的存在易导致路基出现软土病害，从而造成路面出现盐胀、翻浆和溶陷现象；贺广明[5]研究提出，盐渍土盐胀是盐渍土地区道路主要病害之一，其对道路的破坏形式主要表现为：路肩及边坡松散剥蚀,路面产生不均匀变形,形成波浪、鼓包,使得路面的平整度严重下降。此外，刘端锋等[6]提到渍土的岩土工程问题必须因地制宜处理。另外，对于一些土壤盐渍化热点地区，东北松嫩平原盐渍化的发生受到重视[7]。我国十四五期间推动实现东北地区的基础设施振兴，为避免在建设过程中工程受到盐渍土问题的影响，因此，东北地区的盐渍土问题成为岩土研究领域的热点。

在研究重塑盐渍土的物理性能过程中，往往需要对盐渍土进行一定的处理以改变盐渍土中易溶盐含量，常见的重塑盐渍土制分为2种方法，即洗盐法和掺盐法。

洗盐法是利用去离子水反复浸泡使得土中盐分溶于去离子水中并随水分排出。例如，朱杰[8]通过向其所取土样中加入蒸馏水，进行洗盐处理，以得到非盐渍土；又如，Sastre-Conde等[9]用2%的CaCl2清洗盐渍土。

掺盐法是取得非盐渍土土样进行掺盐处理，以控制土中含盐量。例如，周琦等[10]以非盐渍土作为原料土，称取一定质量的粗盐溶于水中，拌和均匀以制备出人工盐渍土。LV等[11]在平原土壤中加入无水硫酸钠以得到不同含量的盐渍土。

使用掺盐法开展重塑盐渍土研究其代表性较差，不能反映研究区盐渍土真实情况。而对于洗盐法，由于洗盐过程中土样往往会发生一系列的物理化学性能变化，同样不能代表研究区盐渍土真实性能。文桃[12]将硫酸钠溶于水后拌入干土中以得到仿制天然黄土状硫酸盐渍土，试验发现黄土状硫酸盐渍土的击实性能会受到含盐量的影响。

为了还原某研究区盐渍土真实性能，开展盐渍土洗盐前后物理性能变化试验研究，量化洗盐对盐渍土工程性能的影响显得十分重要。本文开展大庆盐渍土洗盐前后物理力学性能相关试验测试，综合分析洗盐对其力学性能的影响，为重塑盐渍土试样配置以及建设工程实践提供理论参考依据。

1 研究区概况

气候条件是影响土壤盐渍化的重要因素之一，试验土取自黑龙江省大庆市杜尔伯特地区，杜尔伯特蒙古族自治县地处松嫩平原，位于温带半湿润气候向温带半干旱气候过渡带，属中温带大陆性气候，年降水量350～550 mm，年蒸发量1 100～1 850 mm，蒸发量是降水量的3～4倍，在强烈蒸发作用下，低洼处潜水中的盐分不断地运积地表，形成土壤盐渍化。近20 a来气温逐年升高，平均升高了2～3 ℃。蒸发量增大，加速了土壤的盐渍化进程，而降水量有减少趋势，造成一部分湿地退化成盐碱地[13]。

松嫩平原在侏罗纪晚期至白垩纪初期形成，中生代的断裂构造促进了松嫩平原的发育，使松嫩平原的规模不断扩大，又受到四周断裂带的活动影响，使得地形长期进行升降活动。之后地质构造以沉降为主，沉积物包含大量的可溶盐和石灰[14]。

大庆地处深季节冻土区，位于松嫩平原北部，小兴安岭东部，大兴安岭南部，该区域广泛分布着碳酸盐渍土[15]。根据前期对该区域的勘察结果，最终选定大庆市杜尔伯特蒙古族自治县盐渍化特别严重的盐渍土作为研究对象。取回所需土样后，按照本次试验要求，将土样进行6等分。

2 洗盐前后试验方法及其结果

2.1 洗盐方法

将前期所取土样放入土样桶内，加入适量的去离子水，搅匀，静置24 h后，若水依然浑浊，须继续静置24 h，直到其澄清，然后再用橡皮胶管吸取过滤掉上层清水，待其完全抽出，再向土样桶内加入相应质量去离子水，将上述步骤重复7 d[16]。

2.2 洗盐前后含盐量测定

含盐量测定方法：本次试验采用烘干法。操作步骤：将风干土样过2 mm的土工筛，称取土样，加入蒸馏水进行溶水，然后将瓶口塞紧，震荡3 min后抽气过滤，得到土壤提取液，再立即密封进行土壤可溶性全盐的测定。此次试验测试方法为烘干残渣-质量法，吸取出一定量的土壤浸提液，将其烘干之后称重，求得盐的含量，并重复测定2次，将3次试验结果进行平均[17]。

含盐量计算公式为：

(1)

式中：S为易溶盐总量，g；m1为蒸发皿和烘干残渣总质量，g；m2为蒸发皿质量，g；Vw为制取浸出液所加纯水量，mL；V1为吸取浸出液量，mL；md为烘干土质量，g；m为风干土质量，g；w为风干含水率，%。

经过计算可得，所取试验土的洗盐前含盐量1.12%，洗盐后0.082%。

2.3 洗盐前后盐渍土粒度组成与比表面积

土的粒度成分指的是土粒的大小及其组成，通常用颗粒分析方法对其粒度成分进行了分析[12]。有效粒径(D10)是指粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的10%的粒径；限制粒径(D60)是指粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的60%的粒径；不均匀系数是指反映土颗粒粒径分布均匀性的系数，定义为限制粒径(D60)和有效粒径(D10)比值[18]。此次试验仪器为激光粒度分析仪(型号为MASTERSIZER 3000)，试验结果如图1所示。

图1 洗盐前后粒度组成对比图

由图1颗粒分析结果可知，大庆杜尔伯特地区洗盐前盐渍土的大粒径土颗粒含量高于洗盐后的大粒径土颗粒含量，同时相较于洗盐前，洗盐后小粒径土颗粒含量增加。

通过统计洗盐前后各粒组含量占比，得到表1。

表1 洗盐前后各粒组含量

从表1可以看出，洗盐后土样的比表面积低于洗盐前的比表面积，各粒组百分含量也有一定的变化，且土体性质发生改变，由粉质黏土变为粉土。

2.4 洗盐前后液塑限试验

本次试验所采取的试验方法是液、塑限联合测定法。

试验步骤：取烘干土样过0.5 mm筛，称取筛下土,分为3份，对各土样依次加入适量蒸馏水，分别测定塑限、液限；然后，将加水土样搅拌均匀密封放置24 h，采用烘干法测量其含水量。液塑限联合测定取点为3点[19]。试验结果如图2所示。

由图2可知，洗盐前2 mm处塑限为15.6%，17 mm处液限为30.1%，洗盐后2 mm处塑限为11.3%,17 mm处液限为20.2%。洗盐后的液、塑限较洗盐前都有不同程度的降低。

图2 洗盐前后液、塑限值

2.5 洗盐前后击实试验

最大干密度ρdmax是击实曲线上峰值的一点，此时对应的土体含水量为最优含水率ωopt，此物理量表示在一定的击实荷载下，土达到最大干密度时的含水量。

试验步骤：此次试验采用轻型击实仪，在击实筒内涂一薄层凡士林，然后将击实筒放在坚实水平地面上，装好护筒，对试验土分3层击实。如图3所示。

由图3可知，洗盐后土体最大干密度增大，最优含水率减小，击实曲线向左上方移动。

图3 洗盐前后击实曲线

2.6 洗盐前后三轴试验

土体的抗剪强度是代表土体的一项重要力学性质，体现土体性质与特征，而土体的抗剪强度取决于土的内聚力c与内摩擦角φ[20-21]。因此，通常用这2个值来研究盐渍土强度参数变化。

本次试验采用的是高级冻土动静态三轴测试系统(型号为DYNTTS)将土样制作成标准三轴试样(试样高度为80 mm，直径为39.1 mm)。采用不固结不排水剪切(UU)试验，对洗盐前后2组土样的抗剪强度指标进行测定，对洗盐前后土样在不同围压下抗剪强度的变化进行对比分析，三轴试验围压分别为100、200、300 kPa；剪切速率为0.08 mm/s，三轴试验结束条件为应变达到20%。测定洗盐前后土样试验结果如图4—图5所示。

图4 洗盐前试样三轴试验曲线

图5 洗盐后试样三轴试验曲线

由图4和图5可知，在三轴试验中，应变增加时，应力也随着增加，其中，围压为100、200、300 kPa时，曲线一直增加且无峰值，应变曲线呈硬化型。将15%的轴向应变对应的应力取做破坏点，随围压增大，表现出明显的压硬性，即土样的变形模型或刚度随围压的增大而增大，测出抗剪强度指标见表2。

表2 洗盐前、洗盐后试样抗剪强度指标

从表2可得知，洗盐后的土体黏聚力低于洗盐前土样，内摩擦角高于洗盐前土样。

3 讨论

(1)经过洗盐处理，土样中的含盐量会降低，同时，土样中的大粒径土颗粒含量减小，小粒径土颗粒含量增加，这说明，洗盐作用使得大粒径的土颗粒分离为小粒径的土颗粒，这就使得原状土的级配属性发生了改变。并且，在洗盐之后，土样比表面积降低，这就会造成土颗粒之间的接触面积减小，导致土体的黏聚力减小，而洗盐之后的黏粒所占比例增加了，这就使得土颗粒之间的空隙变小，导致土体的内摩擦角增大。

(2)通过液塑限试验可以看到，在洗盐之后，土样的液、塑限均有不同程度的降低，吸附结合水的能力是土的黏性大小的标志，同时，弱结合水是使土有可塑性的原因。塑限是判别强结合水和弱结合水的分界线，土样含水率达到液限值，土样则由可塑状态转变为液态(流态)，土样中留存的自由水可起到润滑作用。塑性指数的降低表现为土体黏稠度的降低，这也造成土体的黏聚力降低，且防水性能也有所降低。所以，在击实作用下，随着含水率的增大，土样更容易击实，因此，击实曲线才会向左上方移动。

(3)盐颗粒在密实与松散的土骨架结构中的存在形式有密实结构和松散结构[22-24]。根据三轴实验结果可以得到：由于洗盐作用，土体性质发生变化，土样从粉质黏土转变为粉土，这使得土体的黏聚力减小，内摩擦角增大。

4 结论

(1)东北地区碳酸盐渍土中的含盐量较高，在经过洗盐试验之后，盐渍土含盐量减小，由盐渍土变为非盐渍土。

(2)土体的大粒径土颗粒含量减小，小粒径土颗粒含量增加，颗粒百分含量小于0.005 mm的变化尤为明显，增加了约5%，且洗盐后土样的比表面积降低，降低约8%，洗盐造成土样的液塑限也有所降低，其中，液限降低最为明显，由30.1%降为20.2%。最大干密度增加了0.075g/cm3，最优含水率降低了1.96%，土体级配属性发生改变，土体性质发生改变，由粉质黏土变为粉土。

(3)同时，由于洗盐造成的土体中比表面积降低，黏粒所占比例增加，使得洗盐后的土体黏聚力降低，但内摩擦角增大。通过三轴试验可以知道，洗盐后黏聚力损失近40%，内摩擦角增加约28%。而在工程实践当中，对于经过洗盐处理后的盐渍土，往往高估了盐渍土的黏聚力，同时，也低估了内摩擦角的增大。所以，在今后的工程实践中，应当谨慎考虑盐渍土黏聚力及其内摩擦角的变化情况。

(4)另外，本次研究只是洗盐之后所做的物理特性的初步研究成果，对于盐渍土洗盐前后的微观指标以及其他物理力学特性还需要做进一步的深入研究。