伊拉克復合鹽漬土形成與分布及工程地質特性研究

李 東，張庚成，錢 明，張志豪

青島中油巖土工程有限公司，山東青島 266071

伊拉克復合鹽漬土形成與分布及工程地質特性研究

李 東，張庚成，錢 明，張志豪

青島中油巖土工程有限公司，山東青島 266071

對伊拉克廣泛分布的復合鹽漬土進行研究，對整個地區油氣設施的安全與維護有著重要的意義。針對具有氯鹽和硫酸鹽雙高特征的伊拉克鹽漬土，通過收集大量伊拉克油田鹽漬土工程勘察數據和歷史研究成果，綜合分析了其分布和成因，而后在室內較詳細地開展了鹽漬土的成分對該鹽漬土強度和壓實性影響的試驗研究。結果表明，伊拉克土壤鹽漬化總體呈現從西北向東南遞增的趨勢；隨著含鹽量的增加，復合鹽漬土與單鹽漬土的抗剪強度，總體表現為先增大、后減小、再增大趨勢，但復合鹽漬土的變化趨勢更復雜一些；隨著含鹽量的增加，復合鹽漬土的壓實密度增加得更為明顯，且比正常鹽漬土高。研究發現，在做好防水等措施的前提下，復合鹽漬土比正常土體表現出更好的工程地質特性。

伊拉克；復合鹽漬土；成因；分布；微觀結構；抗剪強度；壓實性

伊拉克兩河流域屬大陸性亞熱帶半干旱型氣候，氣溫高，降雨少，夏季最高氣溫達50℃以上，地表水分蒸發嚴重；沉積地層中廣泛發育著高含硫酸鹽、氯鹽的地層，其中伊拉克兩河流域東岸，第四紀土層中和Cl-含量可以同時達到幾千至數萬mg/kg，這種土層在我國極為罕見，其特性異于我國常見的鹽漬土類型，具有極強的地域特征。本文將此鹽漬土定名為“復合鹽漬土”。伊拉克地下石油儲量豐富，分布在各種不同的地理環境。近年來，我國在伊拉克各地區開展了大量石油勘探開發項目，建設了大量大型石油化工及油氣開采設施，因此，對伊拉克廣泛分布的復合鹽漬土進行研究，對整個地區油氣設施的安全與維護有著重要的意義。

本文結合伊拉克地區工程勘察資料和試驗分析，對該地區鹽漬土形成、分布及工程地質特性進行了研究，并結合以往類似研究的經驗[1-10]，提出相應工程建議，為以后該類場地工程建設提供技術參考。

1 伊拉克鹽漬土形成及分布規律

1.1 復合鹽漬土形成原因分析

伊拉克鹽漬土的形成主要是自然因素綜合作用的結果，包括氣候、地形、土壤和地下水等，本節擬以美索不達米亞平原為中心向周邊擴展進行研究。

（1）伊拉克鹽漬土總體分布及成因。伊拉克土壤鹽漬化總體表現為從西北向東南依次遞增的趨勢，最南端法奧地區由于受海潮侵襲和海水地下水補給的影響，氯鹽含量相當高。

（2）伊拉克北部高原和山地、中南部平原內陸盆地和局部洼地、兩河流域東岸鹽漬土分布的成因。由于鹽類在水中的溶解度不同，沉淀先后順序也不同，先析出溶解度較小的重碳酸鈣和重碳酸鎂，然后是碳酸鎂、硫酸鈣和硫酸鈉，最后是溶解度較大的氯化鈣、氯化鈉和氯化鎂。伊拉克北部高原和山地位于兩河流域的上游，因此上游鹽漬化程度較低或多為難溶鹽及局部中溶鹽。同時由于伊拉克地形為由西北向東南逐步傾斜，鹽分多隨地表、地下徑流由高處向低處匯集，在地下徑流緩慢地帶，地下水溶解鹽量較高，當地下水位升高，蒸發作用強烈時，地下徑流中的鹽分很容易由毛細水帶到地表，并隨著水分的蒸發，殘留在地表的鹽分增高，因此，鹽漬土多分布于中南部平原內陸盆地、局部洼地等。其中兩河流域東岸，地下水位較淺，約1～2 m，第四紀土層中和Cl-含量可達到2萬～3萬mg/kg，有些地表形成很厚的鹽殼。

（3）西部高原和荒漠鹽漬化土的成因。西部高原和荒漠同樣為第四紀沖積沉積物，母質的沉積類型及沉積特性對土壤鹽漬化的形成有著重要的影響。大多數第四紀沉積物具有較大的移動性和不連續性，多為松散的堆積物，沒有經過硬結成巖作用。該地區由于物理化學風化十分劇烈，且降雨稀少，蒸發量較大，地表水不發育，因此植被稀疏，風沙地貌較為發育，多為荒漠或戈壁。碳酸鹽和硫酸鹽類的遷移，就發生在這些地帶，該地區硫酸鹽和石膏含量較高，表現為從東部向西部遞減的趨勢，但由于氣候和水文的影響，該地區鹽漬化不會隨著時間遷移呈現加重的趨勢。

1.2 鹽漬土平面分布特征分析

研究發現伊拉克復合鹽漬土主要分布在沖積平原地貌中，硫酸鹽和氯鹽均處于很高的水平，但局部表現出含量的差異，以下將依照伊拉克復合鹽漬土分布區劃（見圖1）和鹽分含量隨深度分布規律分別對各區域含鹽特點進行定性和定量分析。

（1）北部高原和山地。該區域位于兩河流域的上游，除山區外，主要含有上游早期沉積形成的中溶鹽或難溶鹽，氯鹽含量較少，易溶鹽均被沖向下游，該區域地下為石灰巖。Taqtaq油田位于該區域。

圖1 雙高鹽漬土分布區劃

（2）米索不達米亞平原。該區域總體含鹽量由北向南依次遞增，但氯鹽分布隨著河流走向逐漸增高，Cl-含量為2 400～10 000 mg/kg，含量為1 250～11 600 mg/kg。艾哈代布油田、米桑油田、哈法亞油田、西古爾納油田及魯邁拉油田東部位于該區域內。

（3）幼發拉底河西側。該區域與荒漠接壤，受荒漠氣候和水文環境影響較大，該區域硫酸鹽含量較高，氯鹽次之，含量平均值為150 000 mg/kg，Cl-含量平均值為3 800 mg/kg。塞馬沃和卡爾巴拉兩大石油生產地位于該區域內。

（4）西部荒漠及高原。該區域地下為石灰巖，上部土層石膏含量稍高。

（5）位于波斯灣入海口的法奧。該區域歷史上為受潮汐影響的沼澤退化區域，因此，該區域氯鹽含量非常高，為其他區域的幾倍，硫酸鹽含量相對較低，Cl-含量平均為70 000 mg/kg，含量平均為2 200 mg/kg。為石油生產和輸出服務的法奧港位于該區域內。

1.3 復合鹽漬土立體分布特征分析

本節重點研究伊拉克代表性地區的鹽漬土實測數據，分析土中雙高鹽分含量隨深度的分布規律。

（1）從圖1可知，油田工程項目主要集中在米索不達米亞平原、幼發拉底河東岸及法奧入海口這三個區域，其中位于米索不達米亞平原的阿瑪拉、西古爾納、艾哈代布和巴士拉以北地區的硫酸鹽和氯鹽含量隨深度的增加逐漸減少，達到一定深度后出現驟減趨勢，由于地下水位的影響，四個區域鹽分含量隨深度驟減位置分別在6、15、3、10 m處，見圖2～5。

圖2 阿瑪拉地區雙高鹽分含量隨深度分布

圖3 西古爾納地區雙高鹽分含量隨深度分布

圖4 艾哈代布地區雙高鹽分含量隨深度分布

圖5 巴士拉地區雙高鹽分含量隨深度分布

（2）幼發拉底河西岸。該區域處于荒漠和沖積平原過渡帶，歷史上受幼發拉底河影響較大，處于季節性干濕交替地帶，形成了鹽漬土場地；但近代由于河流影響減弱，降雨稀少，地下水位埋深較大且常年無變動，因而土中鹽分隨深度變化較小，見圖6。另外，如上節所述，由于該區域位于沖積平原中上游，主要處于硫酸鹽沉積地帶，硫酸鹽和石膏含量很高，因而該地區含量很高，平均值可達157 000 mg/kg，而Cl-含量較低，見圖6。

圖6 卡爾巴拉地區雙高鹽分含量隨深度分布（為了方便表示，圖中的Cl-含量放大為實際含量的10倍）

（3）法奧地區。該區域的數據主要取自表層土樣。法奧地區軟土層厚度較大，由于長期受海水侵蝕的影響，鹽分隨深度的變化較均勻，又由于位于沖積河流下游地區，且受波斯灣海洋潮汐和蒸發量大的影響，Cl-含量非常高，最高可達70 000 mg/kg，含量相對較低，見圖7。

圖7 法奧地區雙高鹽分含量隨深度分布

2 復合鹽漬土微觀結構分析

本研究選取代表性土樣，采用HORIBA EMAX mics型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀結構，見圖8；同時采用EX-250X-stream型能譜儀（EDS）測得相應部位的化學成分，見圖9。

從圖8可以看出，試樣中都含有大量石膏（CaSO4·2H2O），顆粒之間孔隙較多，土樣鹽質膠結。從EDS分析結果中可得知試樣中包含Ca、C、O、S、Si等元素，如圖9所示，由此可推測試樣含有 Ca（HCO3）2、CaSO4、SiO2等主要礦物；再由試樣中含有Al、Mg、Fe、Na、K等元素，可推測其含有一些黏土礦物（如高嶺石Al4（Si4O10） OH6、蒙脫石（Al，Mg）2（OH）2·nH2O、伊利石KAl2[（Al，Si）Si3O10]（OH）2·nH2O、綠泥石（Mg，Al）6（Si，Al）4O10（OH）8等）及方鐵礦（FeO）等。

圖8 土樣的SEM照片

圖9 土樣的能譜分析

3 復合鹽漬土主要物理力學性能與含鹽量的關系分析

以伊拉克現場取土為原料，通過摻加一定量的氯化鈉、硫酸鈉和水，制備不同鹽類型和不同含鹽量的鹽漬土，而后采用控制變量法以及正交試驗法進行抗剪強度和擊實試驗。

3.1 抗剪強度試驗分析

抗剪強度關系到土體承載力和破壞模式，因此研究氯鹽和硫酸鹽含量對土體抗剪強度的影響至關重要。

圖10、11為在各級圍壓下，單鹽漬土和復合鹽漬土抗剪強度隨含鹽量變化的曲線。在單鹽漬土中，其抗剪強度基本上呈現先上升、再下降、再上升的趨勢，隨著Cl-質量分數由0%至3%的增加，在質量分數為1%時出現波峰，2%時出現波谷，Cl-對土強度的影響相對稍大。在復合鹽漬土中，由于土中同時含有Cl-和，強度的變化較復雜，在Cl-質量分數為1%和2%時，隨著含量的增加，抗剪強度表現為先上升、再下降、再上升的趨勢，在Cl-質量分數為3%時，其抗剪強度的波動是相反的。這可能是由于土中黏粒含量少，易溶鹽含量高，導致孔隙液中離子濃度高，而土顆粒表面電荷密度低，從而造成這一反常現象。

圖10 單鹽鹽漬土抗剪強度與鹽質量分數的關系

圖11 復合鹽漬土抗剪強度與鹽質量分數的關系

3.2 擊實強度試驗分析

擊實試驗是控制路基和墊層壓實質量不可缺少的試驗項目，是了解土的壓實性的重要方法。不同鹽質量分數土樣的擊實試驗結果見圖12、13。

（1）Cl-的影響。由圖12可見，當土中不含鹽時，土的最優含水率（質量分數）為9%，最大干密度為1.74 g/cm3。當土中含Cl-時，其最優含水率和最大干密度均相應提高，最優含水率為9.5%～11%，最大干密度為1.81～1.86 g/cm3。

圖12 不同Cl-質量分數下土擊實試驗曲線

圖13 不同質量分數下土擊實試驗曲線

（3） Cl-與的復合影響。圖14為復合鹽漬土擊實試驗曲線，與圖12、13相比，復合鹽漬土的干密度整體偏高，其最優含水率為9.5%～11.5%，最大干密度為1.87～1.94 g/cm3。曲線的波動較大，說明土中氯鹽和硫酸鹽共同對土體最大干密度和最優含水率產生的影響，比單鹽要大。

4 伊拉克復合鹽漬土工程應用分析

4.1 復合鹽漬土作為填料的工程特性分析

擊實試驗發現，在單鹽情況下，最大干密度隨著含鹽量的增加而增大，為1.87 g/cm3；復合鹽分下，最大干密度同樣隨著含鹽量的增加而增大，但增大趨勢更加明顯，達1.94 g/cm3。表1為某復合鹽漬土場地地基土壓實測試結果，可見最大干密度值較高，該土在較小的壓實功作用下即可達到95%以上的壓實系數。

圖14 復合鹽漬土的擊實試驗曲線

表1 現場壓實系數測試結果

由于該地區易溶鹽濃度很高，基本達到飽和狀態，土顆粒間可見析出的鹽分晶體，因此，該類土空隙基本被鹽分填滿，土的密度比正常土體要大，孔隙的減少使土的壓縮系數相應增大。可見該復合鹽漬土，在缺水環境下作為建筑地基墊層或路基填料具有很優越的條件。

在阿瑪拉、卡爾巴拉和法奧地區，土體相對比較容易達到較高的壓實度，在采取防水措施的情況下，該復合鹽漬土是很好的填料。其他地區土體壓實效果稍差，這已在西古爾納地區施工中得到證實，部分墊層壓實很難達到合格，因此，這些地區需要對取土進行摻料處理，以達到合格的壓實效果。

4.2 復合鹽漬土強度工程特性分析

對復合鹽漬土的抗剪強度進行研究發現，兩類鹽的共同作用對土抗剪強度的影響更加顯著。當土中水未被鹽飽和時，由于鹽溶液對土顆粒起到一定的潤滑作用，因而土的抗剪強度隨著含鹽量的增加出現緩慢降低的趨勢。當含鹽量超過飽和狀態時，飽和的鹽類以晶體的形態在土孔隙中析出，鹽晶與土顆粒產生一定的膠結，因而土的抗剪強度會隨著含鹽量的增加而增強。對比表2與圖11可知，整個伊拉克地區復合鹽漬土抗剪強度均因含鹽量的提高而得到了提高。

表2 各地區復合鹽漬土Cl-與含量

表2 各地區復合鹽漬土Cl-與含量

4.3 復合鹽漬土工程防護分析

通過以上研究可知，含鹽量和含水量極大地影響了復合鹽漬土的工程特性，其中的水更是關鍵因素。

在干燥環境下，當土體中的含水量比較低時，復合鹽漬土中的易溶鹽會析出，從而加強了土體的膠結作用，增強了土體的抗剪強度和地基承載力；但在飽水的環境下，當水在土體裂隙中運移時，會溶蝕土體中的硫酸鹽和氯鹽，使土體的結構性變差，土質軟化，顆粒變得分散，顯著降低了土的抗剪強度，從而會在構筑物的建設中導致較大的沉降變形。

應在鹽漬土地表和構筑物周圍采取適宜的防水措施。因為水一旦滲入地基，會使地基土的水分增大，晶體鹽被溶解，從而使得地基土的強度隨著含鹽量的減少而發生變化，地基變得不穩定。在地表以下，基礎周圍需要用瀝青等材料作為防護層，并在基礎周圍填充砂、卵石，以降低地下水毛細上升作用。

5 結論

（1）伊拉克復合鹽漬土的形成主要是氣候、地形、土壤和地下水等綜合作用的結果。鹽漬化總體表現為由西北向東南逐步增強的趨勢，北部和西部高原和山地以中溶鹽和難溶鹽為主，中部和南部則以易溶鹽為主，尤其是到了入海口沖積退化沼澤地區。平原區為氯鹽和硫酸鹽雙高區，西側荒漠過渡地帶為硫酸鹽高、氯鹽稍次之；南部入海口為氯鹽高、硫酸鹽次之。鹽分含量在深度分布上主要是以淺層為主，一定深度后含量驟減。

（2）對于復合鹽漬土和單鹽漬土，隨著含鹽量的增加，土體抗剪強度變化的總體趨勢是一致的，表現為先增大、后減小、再增大的趨勢；但其中復合鹽漬土的變化趨勢更復雜一些，曲線變化的幅度稍大。

（3）氯鹽和硫酸鹽共同對土體最大干密度及最優含水率產生的影響，比單鹽漬土大。由于土體雙高鹽分的存在，鹽分均達到飽和狀態，孔隙內充滿鹽晶，孔隙率減小，壓實密度比單鹽漬土要高。

（4）復合鹽漬土在干旱環境下可以作為很好的天然地基或路基填料，且作為基礎持力層可表現出更好的強度。防水是保證復合鹽漬土強度的關鍵措施。

[1]溫利強.我國鹽漬土的成因及分布特征[D].合肥：合肥工業大學，2010：9-10.

[2]門青波，吳興輝，常玉娟.伊拉克某燃油氣電站項目巖土工程勘察實錄[J].工程地質學報，2016，24（S）：1 276-1 282.

[3]史敏.中東鹽漬土特性的介紹[J].勘察科學技術，1987（4）：40-42.

[4]AL-SAOUDI N K S，AI-KHAFAJI A N，AI-MOSAWI M J.Challenging problems of gypseous soils in Iraq[C]//Proceeding of the 18th international conference on soil mechanics and geotechnicalengineering.Paris:[s.n.]，2013：479-482.

[5]侯偉龍，徐正宣，付開隆.伊拉克美索不達米亞平原軟土分布特征及工程性質分析[J].鐵道標準設計，2016，60（90）：52-55.

[6]李敬業.用預浸水法處理鹽漬土地基及施工技術[J].石油工程建設，1986，12（6）：15-19.

[7]傅世法，鄭云生.察爾汗鹽湖鹽漬土地基工程性能探討[J].勘察科學技術，1984（2）：33-36.

[8]于沉香，張虎元，王志碩，等.鹽漬土土水特征曲線測試及預測[J].水文地質工程地質，2013，40（2）：113-118.

[9]傅玉成.鹽漬土地基的現狀與將來[J].石油工程建設，1993，19（2）：16-18.

[10]拉索克S S，伊爾雅拉比O A.長期浸水引起石膏土CBR減小[J].水利水電快報，2000，21（6）：31-32.

Research on development，distribution and geotechnical properties of composite saline soil in Iraq

LIDong，ZHANG Gengcheng，QIAN Ming，ZHANG Zhihao
Qingdao China Petroleum GeotechnicalEngineering Co.，Ltd.，Qingdao 266071，China

The analysis of development and distribution of the composite saline soil containing high contents of chlorine salt and sulphate in Iraq is conducted according to a great number of engineering data and historical researches.Comparison of soil properties versus salt content is made basing on composition，strength and compaction of salt soil.The results indicate that salt content of the composite saline soil increases progressively from the northwest area to the southeast area in Iraq.The shear strengths of the composite saline soil and the single saline soil keep the trend of increasing，decreasing than increasing basically，but the trend variation of the composite saline soil is more complicated.The compacted density of the composite saline soil increases remarkably with salt content increasing and is higher than that of normal saline soil.According to the research，the composite saline soil has better engineering geotechnical properties than that of normal saline soilif waterproof measures are welltaken.

Iraq；composite saline soil；cause；distribution；microstructure；shear strength；compaction

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.001

中國石油工程建設公司科學研究與技術開發項目（CPECC2014KJ03）資助。

李 東（1983-），男，山東菏澤人，工程師，2009年畢業于中國海洋大學巖土工程專業，碩士，主要從事石油工程巖土工程勘察、設計與施工工作。Email：lee_cp@163.com

2017-07-10