察尔汗盐湖地区盐渍土工程地质特征及地基处理

代红娟，付玉涛

1.山东公路技师学院，山东 济南 250104；2.山东省第一地质矿产勘查院， 山东 济南 250102

0 引言

盐渍土是一种含有大量易溶盐的特殊岩土，是气体、液体、土体、易溶盐体的四相体，有溶陷性、盐胀性、腐蚀性等工程特性[1-2]，与普通土的三相体不同，盐渍土严重影响工程的质量，对工程建设造成较大危害。研究盐渍土的工程地质特性，分析盐渍土地基的有效处理方法，对降低工程建设成本，延长公路使用寿命具有重要的实践意义[3-6]。盐湖区地基主要采用换填、抛石挤淤、预压、冲击碾压、强夯、强夯置换、砾石桩等方法进行处理，取得了较好的处理效果，而沉管桩、预制桩、钻孔灌注桩、水泥粉煤灰碎石桩、夯实水泥土桩、水泥土搅拌法因未解决水泥、钢筋和混凝土的耐腐蚀性而被淘汰。

为解决盐渍土对路基的溶陷性、盐胀性、腐蚀性等问题，本文在分析盐渍土物理力学性质的基础上，探讨处理盐湖地区盐渍土地基的裹体桩、袋装混凝土灌注桩、引孔防腐预制桩等地基处理方法和新工艺，并通过多种试验方法检验采用新技术处理盐渍土地基的效果。

1 盐湖区地形地貌及水文地质条件

察尔汗盐湖是我国西北部最大的天然盐湖，位于青海省柴达木盆地中南部格尔木市和都兰县，由达布逊湖及南霍布逊、北霍布逊、涩聂等盐池汇聚而成，总面积为5856 km2[1]，盐湖区地表盐壳易溶盐的质量分数超过90%。察尔汗盐湖是柴达木盆地内最低洼、最核心的盐盆地，汇水区面积为13.2万km2，海拔2675 m以上，南北两侧山系海拔均在4500～5000 m以上，南部为昆仑山脉，北部为锡铁山，东西两侧为海拔较高的缓坡地形[6]。盐湖区为北西西走向盐积平原，主要以干盐滩为主，上部形成盐壳，地势较平坦。盐湖区地貌可划分为盐漠、盐壳、盐沼泽、盐溶、湖泊、雅丹、沙丘、戈壁、沙漠等形式，地貌类型较丰富，察尔汗-格尔木高速(简称察格高速)穿越湖区地貌类型主要为盐沼泽、盐壳、盐溶等[7]。

湖区内部地表主要为第四系沉积物，自湖中心向外缘依次为全新统盐类沉积、上更新统-全新统湖相砂质黏土和上更新统洪积砂砾石，局部还有全新统风积砂分布，在山前地带出露中更新统湖积砂质泥岩、下更新统湖积砂质泥岩、砂岩及第三系红色泥岩、砂砾岩等，在盐湖中部为新生代强烈沉降区，堆积巨厚状碎屑沉积物，湖区第四系厚约2500 m左右。

湖区盐层内赋存卤水，为孔隙性潜水，水位埋深0.3～1.0 m，距地表2～5 m为承压卤水，项目区矿化度为316～410 g/L，水化学类型为氯化物型水，盐层中盐晶体间有孔隙，孔隙间连通性较好，岩心中有蜂窝状孔隙，孔隙度为15%～35%。盐层晶间卤水的主要补给来源是大气降水渗入、外围松散层孔隙水的侧向补给、来自下部的越流补给及湖泊间湖水补给，天然条件下晶间卤水的主要排泄方式为蒸发和流向湖泊[8]。

2 盐渍土工程特性评价

2.1 盐渍土分类及腐蚀性评价

察格高速穿越的盐湖区表层为盐壳，易溶盐的质量分数为40%～90%，随着距地表深度的增加，易溶盐质量分数递减，距地表10～15 m易溶盐的质量分数减小为5%～15%，深层土体易溶盐的质量分数一般为1%～6%[9]。20 m钻孔深度范围内易溶盐质量分数的试验结果如表1所示。

表1 20 m钻孔深度范围内易溶盐质量分数的试验结果

由表1可知：盐湖区距地表20 m深度内，易溶盐质量分数为7.10%～89.66%，CL-与SO42-的质量分数比为27.57～172.29，根据文献[10]判定盐湖区为氯盐型强盐渍土—过盐渍土。

根据文献[11-12]分别评价混凝土结构及钢结构的腐蚀性，根据地基处理深度范围及基础埋深，仅统计10 m内的腐蚀性评价结果，如表2、3所示。盐渍土的pH=4.8～6.2，根据pH值可判定盐渍土对混凝土结构、钢结构、钢筋混凝土、素混凝土、砖砌体的腐蚀性。

表2 离子对混凝土结构及钢筋的腐蚀性评价

表3 不同离子对不同结构的腐蚀性评价

由表2结果可知：盐渍土对混凝土结构有微—弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋有中—强腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。

由表3可知：盐渍土对钢筋混凝土、素混凝土及砖砌体在不同环境状态下具有弱、中、强的腐蚀性，盐渍土对砖、水泥、石灰的腐蚀性为微腐蚀性—强腐蚀性[10]，故在地基处理中根据腐蚀等级不同，合理选用地基处理方法，对钢筋采取相应的防护措施。

2.2 盐渍土物理力学性质

盐湖区地层主要为第四系全新统和更新统地层，岩性主要以低液限粉质黏土、黏土、含砂粉土及砂类土组成[13]。粉质黏土、含砂粉土的主要物理性质指标如表4、5所示。含砂粉土中的颗粒粒径为0.075～2.000 mm、>0.075～0.002 mm、<0.002 mm的质量分数分别为40.80%、52.89%、6.31%。

表4 粉质黏土的主要物理性质

表5 含砂粉土的主要物理性质

由表4、5可知：低液限粉质黏土为流塑—硬塑状态，有中—高压缩性，是中等灵敏—灵敏土，有触变性，水的质量分数和孔隙比均较大，场区部分土判定为饱和软黏土。根据文献[14]可判定为含砂粉土，有中压缩性，压缩模量较黏性土高，承载力也相应较高。

2.2.1 盐渍土溶陷性

进行现场浸水载荷试验或室内压缩试验后计算溶陷系数[15]。通过试验段发现，溶陷系数δ=0.001～0.038，存在非溶陷性土和溶陷性土，非溶陷性土主要分布在软塑至流塑的饱和软黏土场区内，场区最大溶陷为38.9 cm，地基的溶陷等级为Ⅱ级，盐湖区存在溶陷性土并应考虑地基的溶陷性。

2.2.2 盐渍土盐胀性

发生盐胀的主要原因是盐渍土中Na2SO4在环境温度、湿度发生变化时结晶，导致盐渍土体积膨胀[16-18]。由表1可知，SO42-平均质量分数为0.692%，因地下水较浅，Na2SO4没有结晶状态，故盐湖区盐渍土可不考虑盐胀性。

3 地基处理方法

3.1 地基处理方法对比

处理盐湖盐渍土地基主要考虑减少盐渍土造成的溶陷性和腐蚀性损坏。盐湖地区地基承载力为60～122 kPa，地基承载力较低，属于软弱土，但其物理力学性质有别于一般软土，需对地基采用特殊处理方法。

处理盐湖地区地基主要有换填、抛石挤淤、预压、冲击碾压、强夯、强夯置换、砾石桩等方法，以前采用的沉管桩、预制桩、钻孔灌注桩等方法因存在钢筋和混凝土的防腐问题而淘汰[19]；按文献[20]要求，盐渍土地基不宜采用水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel，CFG)桩、夯实水泥土桩及水泥土搅拌法等方法，但若选用的水泥具备抗腐蚀性则可以考虑采用水泥土桩；若盐湖地区水位较浅，盐化法、浸水预溶法均不适用于盐湖地层；换填法应采用砾石、碎石及砂石等，不宜采用灰土、非盐渍土，可以采用隔断层法，阻断毛细水上升。为解决盐渍土腐蚀性问题，近年来盐湖地区相继试验裹体桩、袋装混凝土灌注桩、引孔防腐预制桩、CFG桩-网复合地基等地基处理方法。盐湖地区地基处理方法对比如表6所示。

表6 盐湖地区常用地基处理方法对比

表6(续)

3.2 不同地基处理方法中的地基土质分析

根据不同路段地基土的物理力学性质、盐的质量分数、地下水水位高度及填土高度等条件，综合经济、技术条件及地基处理所需砾石料的来源确定地基处理方法，察格高速公路饱和软黏性土地段主要地基处理方法有：冲击碾压、强夯置换、强夯、砾石桩和片块石、砾石换填等[21-23]，本地区为强—过盐渍土，未采用CFG桩或水泥土搅拌桩，这2种处理方法未能有效解决腐蚀性，从经济成本考虑，在试验段进行裹体砾石桩、引孔裹体预制桩、裹体混凝土灌注桩的试验施工。各地基处理方法路段地基土的物理力学性质及地下水情况如表7所示。

表7 不同地基处理方法路段地基土的物理力学性质及地下水情况

由表7可知：处理路段表层主要以软黏土和粉土为主，路段密度较小，孔隙比较高，粉土密实度为稍密状态，为中等—高压缩性土，盐渍土的物理力学性质情况较差，水位较高。

4 盐渍土地基处理新工艺

在试验段进行裹体砾石桩、引孔裹体预制桩、裹体混凝土灌注桩的施工，并检测加固地基承载能力及成桩质量，同时开展路基工后沉降观测工作。

4.1 裹体砾石桩

裹体砾石桩可形成裹体桩复合地基，是针对盐渍土的腐蚀性、成桩困难等问题而采取的改进型砾石桩[24]，其施工工艺为：采用螺旋钻成孔，在孔中放入高强度、耐腐蚀的土工布袋，布袋应稳定性好、透水性强、耐久性强等，将桩体材料放入土工布袋中，限制桩体材料的侧向移动，并在桩顶上部铺设一定厚度的褥垫层。

本地区针对饱和强—过盐渍土宜采用螺旋钻机成孔，对软弱、触变性弱的土层也可采用挤密沉管或振动沉管，本地区成孔易缩孔、坍孔，故在注入桩体材料时宜采用跟管钻进至桩底设计标高，提出钻具在套管中放入土工布袋，再注入桩体材料，待桩体材料注满后，最后拔起套管成桩。桩体填充材料宜选用当地砾石、卵石等性能稳定的硬质材料，石料材质宜为抗腐蚀性能好的石灰岩、石英岩、玄武岩等，砾石粒径为2～50 mm，泥的质量分数小于5%。

4.2 裹体混凝土灌注桩

裹体混凝土灌注桩是把钢筋笼下放到既防腐蚀又防水的土工布袋中，同时将混凝土灌注到土工布袋中形成桩基，即用土工布袋包裹桩体，防止地层中腐蚀物质、卤水侵入桩体内，使桩体不受腐蚀，可延长桩基的使用寿命。可以根据地下水位埋深情况择优选择成孔，可采用泥浆护壁钻机成孔，旋挖钻、螺旋钻干作业法成孔，振动、振动冲击、静压沉管或螺旋跟管钻进成孔等工艺，宜用注水排浆法[25]下放土工布袋，再向土工布袋中下放钢筋笼，注入混凝土成桩。

4.3 引孔裹体预制桩

先在工厂制作满足设计要求的水泥桩或预应力管桩，在桩体外侧包裹土工布，并将土工布牢固固定于桩体上，使土工布与预制桩形成一个整体，采用螺旋钻或旋挖钻成孔作引孔，再将预制桩静压入孔，引孔可减小静压过程中桩端与桩侧阻力，防止桩体土工布在静压过程中受侧阻力影响而遭到破坏，以提高裹体预制桩成桩质量。

4.4 裹体材料质量要求

裹体材料可选用具有耐久性和抗腐蚀性的高强机织长丝土工织物，如聚丙烯土工布或高密度聚乙烯膜等[26]，可采用一次加工成型或二次缝合成型土工布袋，裹体砾石桩也可采用土工网袋。土工布袋有效解决散体桩破坏原状土结构及不易在软土中成桩等问题，在处理饱和软黏性土地基及消除液化地层等方面起关键作用；裹体混凝土灌柱桩、孔引裹体预制桩可防止盐渍土与桩体接触，使桩体不受腐蚀，延长桩体的使用寿命[25]。复合土工布的技术指标如表8所示。

表8 复合土工布主要技术指标

由表8可知：裹体砾石桩土工布的物理力学强度明显低于裹体混凝土灌注桩所使用的土工布，2种桩型土工布的渗透系数差距较大，这是因为它们的成桩作用机理不同，采用裹体砾石桩可解决砾石桩的鼓胀变形，使之达到承载力要求；裹体混凝土灌注桩可解决混凝土和钢筋的抗腐蚀性问题。

5 地基处理

5.1 地基检测

采用载荷试验、标准贯入试验、动力触探试验检测察格高速地基处理段的地基承载力[27]，裹体砾石桩采用探井检查桩体形状和桩体质量，对裹体桩进行动力触探破坏性试验，与砾石桩桩体动力触探试验进行对比；裹体钢筋混凝土采用载荷试验、高应变、低应变及混凝土抗压强度等试验检测桩基的性能。不同方法处理地基的载荷-沉降试验曲线(p-s曲线)如图1所示，动力触探曲线如图2所示。

图1 不同方法处理地基的p-s曲线

图2 不同方法处理地基后的动力触探曲线

由图1可知：采用各种处理方法后的地基承载力均有较大提高，裹体砾石桩的地基承载力提高幅度大，沉降明显减小。

由图2可知：强夯置换、砾石桩、裹体砾石桩在表层受到施工影响，距地表0.5 m内密实度较小，可在表层铺设一定厚度的砂石垫层，形成桩体与垫层共同作用的复合地基；裹体砾石桩的桩体强度比砾石桩明显提高，桩体密实度均为密实，而砾石桩为中密—密实；加固后砾石桩桩体对周围土体有挤密作用，随着深度的增加，桩间土的锤击数不断增大，但砾石桩在加固深度达到3 m以后，桩间土的动探击数接近原状土，此时砾石桩桩间土的挤密效果不明显，而裹体砾石桩的挤密效果明显优于砾石桩，自上而下均对土体有一定的挤密效果。裹体砾石桩采用特定施工机械和工艺，既能保证成桩质量，又能有效地提高桩的竖向支承力，提高桩基的承载能力。

不同地基处理方法的有效加固深度及承载力如表9所示。

表9 不同地基处理方法的有效加固深度及承载力

5.2 地基工后沉降观测

地基沉降监测是验证地基处理方案设计、指导施工的重要手段[28]，沉降观测仪器由刚性沉降板、沉降杆、PVC护筒组成，分别埋设在路中线及左右路肩处。按照文献[29]要求观测，选取试验段强夯置换、砾石桩、裹体砾石桩试验段，在路基填土施工期、停工期进行沉降观测，在路基及路面施工过程中终止观测。察格高速公路沉降观测结果如表10所示。

表10 察格高速公路沉降观测结果

由表10可知：路基主要填筑时间内，地基沉降增加较快，裹体砾石桩的沉降明显减小，说明裹体砾石桩的加固效果明显优于强夯置换、砾石桩法，而裹体砾石桩总沉降为20～40 mm，日沉降速率最小，故采用裹体砾石桩法加固地基效果明显提高。

6 结论

1)察尔汗盐湖地区主要以强腐蚀性的氯盐型盐渍土为主，腐蚀性以化学腐蚀混凝土中的钢筋为主。地基处理时需着重对混凝土及钢筋进行防腐蚀性处理。

2)盐湖区主要分布为盐渍软弱土，具有盐渍土与软土的双重特性，采用换填、冲击碾压、强夯、强夯置换、砾石桩、裹体砾石桩、裹体混凝土灌注桩、引孔裹体预制桩等均可进行地基处理，处理效果良好。

3)裹体砾石桩解决了散体材料成桩的质量问题，采用裹体施工工艺提高了桩体质量及地基的承载力，裹体混凝土灌柱桩可防止盐渍土与桩体接触，保护桩体不受腐蚀，桩体的使用寿命延长。