松嫩平原鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)及含鹽特征分析

冷冠軍，陳慧娥，符　銳，高　越（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春　130000）

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松嫩平原鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)及含鹽特征分析

冷冠軍，陳慧娥，符銳，高越
（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000）

摘要松嫩平原地區(qū)分布著大量的鹽漬土。鹽漬土具有溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等特點(diǎn)，對(duì)鐵路、公路、水利設(shè)施、房屋建筑等易造成嚴(yán)重危害。本文以長(zhǎng)春至白城鐵路吉林松原段DK184 + 500—K190 + 600段鹽漬土為研究對(duì)象，對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)和含鹽特征進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:該區(qū)鹽漬土物理性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，有利于鹽漬土路基病害防治；該區(qū)鹽漬土屬中壓縮性土，個(gè)別地方壓縮性低、抗剪性強(qiáng)；該區(qū)鹽漬土化學(xué)成分以碳酸鹽為主，Cl-，SO?，CO?含量較少且相對(duì)穩(wěn)定，HCO3-含量較多且在水平、豎直方向無(wú)規(guī)律分布，不同地區(qū)HCO3-含量變化較大。研究成果可為該區(qū)域鹽漬土路基病害的防治提供參考。

關(guān)鍵詞鹽漬土；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；含鹽特征

我國(guó)鹽漬土分布十分廣泛，面積較大，總面積可達(dá)9. 913×107hm2，其中現(xiàn)代鹽漬土的面積為3. 963× 107hm2，其余為殘余鹽漬土［1］。松嫩平原地區(qū)分布著大面積的鹽漬土，僅吉林省西部蘇打鹽堿土的面積就大約有1. 7×106hm2［2］。鹽漬土具有溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等特點(diǎn)。鹽脹病害一直是鹽漬土地區(qū)修筑公路的主要病害之一［3］。因大面積的鹽漬土對(duì)公路及其他建筑物的破壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大，因此，有必要對(duì)鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)和含鹽特征進(jìn)行更深一步的研究。

選取長(zhǎng)春至白城鐵路吉林松原段DK184 + 500—K190 + 600段為研究區(qū)域，以分布于該段的鹽漬土為研究對(duì)象，對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)、含鹽特征進(jìn)行分析，以進(jìn)一步了解該區(qū)段鹽漬土路基的工程特征，為鹽漬土路基病害問(wèn)題的解決提供理論基礎(chǔ)。

1　研究區(qū)段概況

DK184 + 500—K190 + 600段位于吉林省中西部，東經(jīng)123°6'～126°11'，北緯43°59'～45°32'，地處松遼沖積平原一級(jí)階地。地形平坦，表層分布第四系全新統(tǒng)沖積層（Q），下伏第四系全新統(tǒng)湖沼積層（Q）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q）。沿線地下水埋深為3. 0～10. 0 m。研究區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，春季干旱少雨，升溫較快；夏季炎熱，降水集中；秋季涼爽，變溫快，溫差大；冬季漫長(zhǎng)，降雪量小，寒冷干燥。年平均風(fēng)速為13. 3 m/s，年平均氣溫4. 5℃左右，年降水量在400～500 mm。該區(qū)域鹽漬土含鹽成分主要為NaHCO3。鹽漬土的形成是氣候條件、地形地貌、成土母巖、水文地質(zhì)條件、生物積鹽作用、人為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等諸多因素共同作用的結(jié)果，其中潛水埋藏淺、徑流不暢是該區(qū)域鹽漬土形成的內(nèi)在原因［4-5］。

2鹽漬土物理性質(zhì)分析

對(duì)均布于DK184 + 500—K190 + 600段深度為2. 0 m的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣分析，土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

分析表1中數(shù)據(jù)可知，該區(qū)段土樣天然密度為1. 74～1. 97 g/cm3，天然含水率為11. 0％～27. 1％，天然孔隙比為0. 646～0. 775。1#，3#，4#，5#土樣的飽和度＞80％，屬飽和土，2#土樣屬稍濕土。由液性指數(shù)來(lái)看，2#和5#土樣堅(jiān)塑，1#，3#，4#土樣可塑。從塑性指數(shù)來(lái)看，2#，4#土樣低塑性，1#，3#，5#土樣高塑性［6］。從總體來(lái)看，研究區(qū)段土樣物理性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)鹽漬土路基的病害防治有利。2#土樣天然密度、天然含水率、飽和度、液限、塑限、液性指數(shù)，塑性指數(shù)都較小。2#土樣與其他土樣相比性質(zhì)差別較大。這與2#點(diǎn)的孔口高程較高及人類活動(dòng)有關(guān)。

3　鹽漬土力學(xué)性質(zhì)分析

土的力學(xué)性質(zhì)是土的工程性質(zhì)的重要組成部分，與工程建筑物的穩(wěn)定和正常使用密切相關(guān)，其指標(biāo)可直接用于工程設(shè)計(jì)。鹽漬土既具有一般土的力學(xué)性質(zhì)，又有其特殊性。通常在氣候干燥狀態(tài)下，由于鹽的膠結(jié)作用，含鹽地層的力學(xué)性質(zhì)較好，但在浸水（如雨、雪）條件下，其力學(xué)性質(zhì)會(huì)迅速惡化，造成路基的嚴(yán)重塌陷和毀壞［7］。表2是鹽漬土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

表2　鹽漬土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

分析表2數(shù)據(jù)可知，1#～5#土樣的壓縮系數(shù)在0. 16～0. 34，壓縮模量在4. 95～9. 57，屬中壓縮性土；1#，3#，4#，5#土樣內(nèi)摩擦角在10. 63°～13. 67°，2#土樣內(nèi)摩擦角為20. 56°；1#，3#，4#，5#土樣黏聚力在16. 6 ～34. 0 kPa，2#號(hào)土樣黏聚力為125. 6 kPa?？傮w來(lái)看，2#土樣壓縮性低、抗剪性強(qiáng)，主要是由于2#土樣含水率低所致。含水率低時(shí)，土顆粒間結(jié)合水膜較薄，土體具有較強(qiáng)的連結(jié)作用，土顆粒間摩擦阻力大，土體具有較強(qiáng)抗剪作用。

4　鹽漬土含鹽特征分析

鹽漬土含鹽成分及含鹽量對(duì)土的工程性質(zhì)影響較大，鹽分改變土的成分，影響土的結(jié)構(gòu)，從而影響土的性質(zhì)。干燥時(shí)，隨著鹽分的增多，土的強(qiáng)度增大，承載力提高；但在浸濕時(shí)，由于溶陷作用而使土體穩(wěn)定性變得很差。鹽漬土對(duì)路基工程性質(zhì)的影響，主要與易溶鹽含量有關(guān)。而鹽漬土的分類定名及很多性質(zhì)，都與陰離子密切相關(guān)。因此，本文只對(duì)鹽漬土易溶鹽中含量較多的陰離子做了分析。在DK184 + 500—K190 + 600段選有代表性的5個(gè)點(diǎn)鉆探取樣分析，取樣深度范圍為0～3. 5 m。表3、表4分別為1～5鉆孔不同深度處土樣F值與G值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

式中：c為100 g土中所含陰離子的毫摩爾數(shù)，單位mmol/100 g。

表3　不同深度土樣F值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4　不同深度土樣G值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析表3、表4，不考慮誤差較大的值，由《巖土工程勘察規(guī)范》中鹽漬土分類標(biāo)準(zhǔn)可知，2，3，4號(hào)鉆孔土樣屬亞硫酸鹽漬土，1，5號(hào)鉆孔土樣F值變化較大。1號(hào)鉆孔土樣在深0. 05～0. 25 m，2. 5～3. 5 m為亞硫酸鹽漬土，1. 0～2. 0 m為亞氯鹽漬土，0. 25～1. 0 m，2. 0 ～2. 5 m為亞硫酸鹽漬土與亞氯鹽漬土過(guò)渡層；5號(hào)鉆孔土樣在深0. 05～0. 5 m，1. 5～3. 5 m為亞硫酸鹽漬土，0. 75～1. 0 m為亞氯鹽漬土，0. 5～0. 75 m，1. 0～1. 5 m為亞硫酸鹽漬土與亞氯鹽漬土過(guò)渡層［8］。

4. 1易溶鹽沿深度分布特征

以具有代表性的4，5號(hào)鉆孔土樣為研究對(duì)象，分析土樣中陰離子含量隨深度變化規(guī)律。土樣中陰離子含量隨深度變化曲線見(jiàn)圖1。

分析圖1可知，該區(qū)段易溶鹽成分中HCO3-含量較高，在300 mg/kg以上，遠(yuǎn)高于其他離子。Cl-，SO，CO含量較少，在200 mg/kg以下，且含量大小順序?yàn)镾O＞Cl-＞CO。SO，Cl-，CO含量較穩(wěn)定，不隨深度變化而發(fā)生太大改變。從總體來(lái)看：HCO3-在深度0～1. 5 m含量相對(duì)穩(wěn)定，深度＞1. 5 m后含量變化較大且無(wú)明顯規(guī)律。

4. 2易溶鹽沿水平方向分布特征

不同深度處陰離子含量沿水平方向變化曲線見(jiàn)圖2。

由圖2可知：在同一深度上沿水平方向Cl-，SO，CO含量相對(duì)穩(wěn)定，其中Cl-含量最為穩(wěn)定。HCO3-沿水平方向變化較大，且無(wú)明顯規(guī)律；沿水平方向，HCO3-含量最高，＞300 mg/kg；SO，Cl-，CO含量較HCO3-低很多。SO含量在50～300 mg/kg，CO和Cl-含量＜150 mg/kg。

圖1　土樣中陰離子含量隨深度變化曲線

圖2　不同深度處陰離子含量沿水平方向變化曲線

從水平、豎直兩個(gè)方向綜合來(lái)看，該區(qū)段路基土中，HCO3-含量較高且變化較大，含HCO3-的鹽屬碳酸鹽，主要為NaHCO3。碳酸鹽又稱堿性鹽，在土中一般含量較少，而在松嫩平原地區(qū)其含量較其他地區(qū)多。碳酸鹽的水溶液堿性反應(yīng)較強(qiáng)，對(duì)土顆粒間的膠結(jié)起分散作用，容易使土產(chǎn)生膨脹，同時(shí)使土滲透性減弱。碳酸鹽含量較高的鹽漬土，干燥時(shí)致密堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高；潮濕時(shí)，親水性、塑性、膨脹性、壓縮性都很大，穩(wěn)定性低，不容易排水，很難干燥。該區(qū)段氯鹽及硫酸鹽含量較少且穩(wěn)定。氯鹽的溶解度大，有較大的吸濕性，具有保持水分的能力，結(jié)晶時(shí)體積不膨脹，冰點(diǎn)較純水顯著降低。氯鹽具有較強(qiáng)的吸濕性和保濕性，這在干旱地區(qū)有利于路基施工與保養(yǎng)，在潮濕地區(qū)則易吸水軟化，降低土體強(qiáng)度。該區(qū)段硫酸鹽以硫酸鈉為主，其溶解度隨溫度變化，在32. 4℃時(shí)溶解度最大。當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)溫度時(shí)硫酸鈉分子便結(jié)合10個(gè)水分子變成晶體，體積增大3倍多；高于這個(gè)溫度時(shí)又脫水，體積縮小。而松嫩平原地區(qū)年溫差大，最低溫度（- 36. 1℃）出現(xiàn)在1月，最高氣溫（37. 0℃）出現(xiàn)在7月，這對(duì)鹽漬土路基是十分不利的。含硫酸鹽的鹽漬土最突出的工程地質(zhì)問(wèn)題是填料中硫酸鈉超過(guò)2％時(shí)，由于溫度的變化，體積不斷地膨脹或縮小，如此反復(fù)進(jìn)行，會(huì)降低土體的強(qiáng)度。松嫩平原地區(qū)鹽漬土鹽分以碳酸鹽為主，存在少量的硫酸鹽及氯鹽。對(duì)松嫩平原地區(qū)鹽漬土防治，應(yīng)主要考慮碳酸鹽，同時(shí)也要綜合考慮硫酸鹽、氯鹽。對(duì)該地區(qū)鹽漬土路基進(jìn)行處理時(shí)可單獨(dú)采用提高路基法、設(shè)置隔離層法、路基排水法、路基換填處理法、礫石樁加固路基法、強(qiáng)夯法［9］，也可組合使用。

5　結(jié)論

松嫩平原地區(qū)鹽漬土成因復(fù)雜，土體鹽分中以碳酸鹽類居多［10］，HCO3-含量較高且變化較大。而碳酸鹽在潮濕時(shí)親水性、塑性、膨脹性、壓縮性都很大，穩(wěn)定性差，對(duì)工程建設(shè)較為不利。

公路、鐵路選線時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)鹽漬土區(qū)域。通過(guò)該區(qū)域的路基要結(jié)合本區(qū)域鹽漬土的特征、公路的等級(jí)、毛細(xì)水上升的高度、鹽脹深度、凍脹深度、安全高度等綜合考慮，采取經(jīng)濟(jì)合理的處理措施來(lái)治理鹽漬土病害。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Analysis on Physical-Mechanical Properties and Saliniferous Feature of Saline Soil in Songhuajiang -Nenjiang Plain

LENG Guanjun，CHEN Huie，F(xiàn)U Rui，GAO Yue
（College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130000，China）

AbstractT here is a large area of saline soil in Songhuajiang-Nenjiang Plain. Saline soil has the characteristics of collapse，salt expansion and corrosion，threatening the safety of infrastructures such as railway，highway，water conservancy facilities and buildings. A railway（DK184 + 500—K190 + 600）from Changchun to Baicheng in Songyuan，Jilin was studied in this paper. T he physical-mechanical properties and saliniferous feature were tested. T he results show that the physical properties of saline soil in this area is relatively stable，which is beneficial to the prevention and treatment of saline soil subgrade disease. T he saline soil in this area belongs to the medium compression soil with low compressibility and high shear strength. T he main element is carbonate and the contents of Cl-，SO24-and CO23-are less and relatively stable. T he content of HCO3-is rich and is distributed in horizontal and vertical direction with irregularity. T he content of HCO3-distributed in this area is different within a large range. T his research provides suggestion on prevention and treatment of saline soil subgrade disease in this area.

Key wordsSaline Soil；Physical property；M echanical property；Saliniferous feature

中圖分類號(hào)TU448

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 28

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0104-04

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2016-04-02

作者簡(jiǎn)介：冷冠軍（1991—），男，碩士研究生。