過氯鹽漬土的溶陷性和鹽脹性研究

王宏博

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

引言

由于路面結構層的覆蓋效應，路基的蒸發強度遠遠小于原地表，從而導致土體鹽分由高濃度區向低濃度的路基土體匯集。鹽分的遷移聚集以及在外界條件下土體含水量的變化，引起的土體體積變化被稱為鹽漬土的溶陷和鹽脹。《公路工程地質勘察規范》（JTG C20—2011）規定：地表以下1 m 以內土層的易溶鹽的平均含量超過0.3%，同時具有融陷和鹽漲等特性時，稱之為鹽漬土。鹽漬土類型有氯鹽、硫酸鹽、堿性鹽漬土三大類；按照含鹽量大小歸類為弱鹽、中鹽、強鹽、過鹽漬土等。

氯鹽漬土鹽脹和溶陷的主要原因是由于土體中鹽分結晶體的狀態發生變化；氯鹽漬土具有較強的吸水和保水特性，因此，在水的作用下，容易產生顯著的體積變化。硫酸鹽漬土的鹽脹和溶陷特性主要由溫差引起，研究表明［1］：在32.4 ℃以上時，Na2SO4多為無水結晶體，當溫度低于32.4 ℃時，Na2SO4吸水結晶形成Na2SO4·10H2O（芒硝）。堿性鹽漬土中含有較多的Ca2+和Mg2+離子，遇水后容易和土體中的膠體顆粒結合，從而在土顆粒表面形成水膜，使得土體顆粒分離，引起土體體積膨脹。

目前對于鹽漬土的溶陷和鹽脹特性研究方面，張莎莎等［2］研究了不同因素下粗粒土硫酸鹽的鹽脹敏感性；包衛星和張莎莎［3］分析了砂類鹽漬土的鹽脹和溶陷特性；韓志強和包衛星［4］分析研究鹽漬土在多次凍融循環下的微觀結構變化；袁紅和李斌［5］分析了硫酸鹽的起脹含鹽量和容許含鹽量；孫輝榮［6］對細粒氯鹽漬土進行鹽脹分析，但是關于過鹽漬土的溶陷和鹽脹研究較少。

1 鹽漬土化學成分分析

哈若公路沿線所經區域土樣成份各不相同，多數為過鹽漬土。路線所在地附近的土體經過長期蒸騰作用，土體水分蒸發，鹽份沉淀，形成表層致密膠結的硬殼。

1.1 鹽漬土室內化學成分分析

依據土工試驗標準，對選取的土樣進行化學成分分析，分析結果見表1。

表1 鹽漬土離子含量分析試驗結果

根據《公路工程地質勘察規范》（JTG C20—2011），選取鹽漬土土樣均為過鹽漬土。通過表1中數據可知：土樣中的Na+、Cl-和SO42-含量分別為24.46%、26.10%和11.96%，從側面反映出項目所在地的土體中易溶鹽成分復雜多變。

1.2 XRD 試驗

為了能夠準確地反映出土樣中礦物質成分，將所選取的土樣分為原狀土樣和脫鹽土樣，進行XRD試驗。試驗結果得出：（1）原狀鹽漬土的XRD 圖譜中，3 個主要峰值（2.807 0，1.987 6，1.625 0）與NaCl 晶體的特征峰值（NaCl 2.82x，1.995，1.632）接近，主要為NaCl 晶體。（2）脫鹽后的XRD 圖譜中，顯示出的土體成分較為復雜多變，通過與晶體特征峰值比對后發現：有SiO2晶體（3.34x，4.263，2.456），石英（SiO2）顯示峰值為（3.321 5，4.234 2，2.446 1），石膏（CaSO4·2H2O）顯示峰值為（7.486 9，3.048 0，4.234 2），鉀長石（KAlSi3O8）顯示峰值為（3.222 6，3.278 4，4.234 2）等以及微量未脫盡的鈉鹽在其中。通過對比分析可以得到，脫鹽后的土體中殘留物主要為難溶物或者礦物質。

2 過鹽漬土溶陷性和鹽脹性分析

不同類型的鹽漬土均可產生溶陷和鹽脹，這一過程主要體現在鹽漬土吸水和失水的過程。土體吸水后結晶鹽溶解于水中，土顆粒之間間距減少，體積縮小；失水后鹽分析出成為結晶鹽，土顆粒間距增大，體積膨脹。但是不同的易溶鹽成分其溶陷和鹽脹程度不同，氯鹽漬土以溶陷為主，硫酸鹽漬土以鹽脹為主。

根據室內鹽漬土離子含量測試可知：在哈若公路沿線的鹽漬土為過鹽漬土，同時土樣中離子含量多樣且復雜，特別是Na+、Cl-和SO42-含量都較高。因此，通過對過氯鹽漬土的溶陷性和鹽脹性進行研究，進一步了解地基下沉的微觀原理。

2.1 過鹽漬土溶陷性分析

引起鹽漬土溶陷變形的原因是有水深入土體結構的緣故，通過采用原狀土和水洗土對比測試的方法，試驗樣品取用相同位置的原狀土塊。試驗步驟：（1）把來自相同位置的原狀鹽漬土塊打碎，選取大小基本一樣的兩個土塊。（2）選取一塊用純凈水沖洗，水流不宜過急，沖洗后在干燥處自然風干。

通過對比發現：（1）原狀土樣土體致密緊實，空隙較少，土樣較為圓潤光滑；（2）水洗后的土樣棱角尖銳，水流過的地方，土樣呈現蜘蛛網狀，空隙增加，致密性減弱，特別是水沖的位置，明顯出現空洞，類似于水侵蝕，強度減弱，容易破碎損壞。

微觀機理：原狀土樣中鹽分緊密，鹽分多附著于顆粒表面，鹽分晶體呈六面結構，鹽分成簇狀聚集，致密緊實；水洗后土體中鹽分晶體相互分離，晶體邊緣鈍化，形狀各異，多數晶體出現凹陷甚至出現穿透，見圖1～圖4。

圖1 水洗前

圖2 水洗后

圖3 水洗前

圖4 水洗后

可以看出：總體上出現大量孔隙狀，造成鹽漬土段落地基承載能力快速降低，引起地基溶陷。

2.2 過鹽漬土鹽脹性分析

鹽漬土離子含量分析試驗和XRD 試驗可知：土體中易溶鹽離子主要為Cl-和SO42-。氯鹽漬土對土體膨脹的影響比較復雜。氯鹽的溶解度受溫度的影響較小，基本上不隨溫度的變化而變化，但是氯鹽的存在會影響Na2SO4的含量，氯鹽的含量增加后，Na2SO4在水體中的濃度減少，從而使土體的鹽脹率降低，但當氯鹽的含量大于5%以后，氯鹽的含量對Na2SO4的影響就很小，見圖5。

圖5 膨脹量和Cl-和SO42-含量關系

鹽漬土出現鹽脹的特性主要是由于硫酸鹽的存在，對于哈若公路附近的自然條件的復雜性和特殊性可知，隨著溫度、降水以及人為影響等因素，Cl-/ SO42-的比值是處于動態變化。（1）根據Cl-/ SO42-劃分的比值變化可形成亞氯鹽、氯鹽和超氯鹽漬土，若Na2SO4比重增加，鹽脹率就會隨之增加。（2）Cl-/ SO42-比值一定時，鹽脹率隨Na2SO4含量的變化而不斷變化。

3 結語

（1）原狀土塊中晶粒結構緊密，晶體形態完整，晶體聚集成簇，孔隙很小。（2）經過水洗后，易溶鹽迅速溶解，土體顆粒之間的孔隙增大，土塊中晶粒松散，微觀下晶體邊緣鈍化，晶體上出現不同程度的凹陷甚至穿孔。（3）在實際中就出現蓬松及松散狀土體，土體體積增大，原狀土承載力減小。（4）后期可壓縮性增大。（5）Cl-/ SO42-的比值對于過氯鹽漬土的鹽脹性影響較大，同時當其比值一定時，鹽脹率隨Na2SO4含量的變化而變化。