伊拉克復(fù)合鹽漬土形成與分布及工程地質(zhì)特性研究

李 東，張庚成，錢(qián) 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(fù)合鹽漬土形成與分布及工程地質(zhì)特性研究

李 東，張庚成，錢(qián) 明，張志豪

青島中油巖土工程有限公司，山東青島 266071

對(duì)伊拉克廣泛分布的復(fù)合鹽漬土進(jìn)行研究，對(duì)整個(gè)地區(qū)油氣設(shè)施的安全與維護(hù)有著重要的意義。針對(duì)具有氯鹽和硫酸鹽雙高特征的伊拉克鹽漬土，通過(guò)收集大量伊拉克油田鹽漬土工程勘察數(shù)據(jù)和歷史研究成果，綜合分析了其分布和成因，而后在室內(nèi)較詳細(xì)地開(kāi)展了鹽漬土的成分對(duì)該鹽漬土強(qiáng)度和壓實(shí)性影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，伊拉克土壤鹽漬化總體呈現(xiàn)從西北向東南遞增的趨勢(shì)；隨著含鹽量的增加，復(fù)合鹽漬土與單鹽漬土的抗剪強(qiáng)度，總體表現(xiàn)為先增大、后減小、再增大趨勢(shì)，但復(fù)合鹽漬土的變化趨勢(shì)更復(fù)雜一些；隨著含鹽量的增加，復(fù)合鹽漬土的壓實(shí)密度增加得更為明顯，且比正常鹽漬土高。研究發(fā)現(xiàn)，在做好防水等措施的前提下，復(fù)合鹽漬土比正常土體表現(xiàn)出更好的工程地質(zhì)特性。

伊拉克；復(fù)合鹽漬土；成因；分布；微觀結(jié)構(gòu)；抗剪強(qiáng)度；壓實(shí)性

伊拉克兩河流域?qū)俅箨懶詠啛釒О敫珊敌蜌夂?，氣溫高，降雨少，夏季最高氣溫達(dá)50℃以上，地表水分蒸發(fā)嚴(yán)重；沉積地層中廣泛發(fā)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(jì)土層中和Cl-含量可以同時(shí)達(dá)到幾千至數(shù)萬(wàn)mg/kg，這種土層在我國(guó)極為罕見(jiàn)，其特性異于我國(guó)常見(jiàn)的鹽漬土類(lèi)型，具有極強(qiáng)的地域特征。本文將此鹽漬土定名為“復(fù)合鹽漬土”。伊拉克地下石油儲(chǔ)量豐富，分布在各種不同的地理環(huán)境。近年來(lái)，我國(guó)在伊拉克各地區(qū)開(kāi)展了大量石油勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，建設(shè)了大量大型石油化工及油氣開(kāi)采設(shè)施，因此，對(duì)伊拉克廣泛分布的復(fù)合鹽漬土進(jìn)行研究，對(duì)整個(gè)地區(qū)油氣設(shè)施的安全與維護(hù)有著重要的意義。

本文結(jié)合伊拉克地區(qū)工程勘察資料和試驗(yàn)分析，對(duì)該地區(qū)鹽漬土形成、分布及工程地質(zhì)特性進(jìn)行了研究，并結(jié)合以往類(lèi)似研究的經(jīng)驗(yàn)[1-10]，提出相應(yīng)工程建議，為以后該類(lèi)場(chǎng)地工程建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 伊拉克鹽漬土形成及分布規(guī)律

1.1 復(fù)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(jié)果，包括氣候、地形、土壤和地下水等，本節(jié)擬以美索不達(dá)米亞平原為中心向周邊擴(kuò)展進(jìn)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(xiàn)為從西北向東南依次遞增的趨勢(shì)，最南端法奧地區(qū)由于受海潮侵襲和海水地下水補(bǔ)給的影響，氯鹽含量相當(dāng)高。

（2）伊拉克北部高原和山地、中南部平原內(nèi)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(lèi)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(shí)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(dāng)?shù)叵滤簧?，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈時(shí)，地下徑流中的鹽分很容易由毛細(xì)水帶到地表，并隨著水分的蒸發(fā)，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(nèi)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(jì)土層中和Cl-含量可達(dá)到2萬(wàn)～3萬(wàn)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(jì)沖積沉積物，母質(zhì)的沉積類(lèi)型及沉積特性對(duì)土壤鹽漬化的形成有著重要的影響。大多數(shù)第四紀(jì)沉積物具有較大的移動(dòng)性和不連續(xù)性，多為松散的堆積物，沒(méi)有經(jīng)過(guò)硬結(jié)成巖作用。該地區(qū)由于物理化學(xué)風(fēng)化十分劇烈，且降雨稀少，蒸發(fā)量較大，地表水不發(fā)育，因此植被稀疏，風(fēng)沙地貌較為發(fā)育，多為荒漠或戈壁。碳酸鹽和硫酸鹽類(lèi)的遷移，就發(fā)生在這些地帶，該地區(qū)硫酸鹽和石膏含量較高，表現(xiàn)為從東部向西部遞減的趨勢(shì)，但由于氣候和水文的影響，該地區(qū)鹽漬化不會(huì)隨著時(shí)間遷移呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)。

1.2 鹽漬土平面分布特征分析

研究發(fā)現(xiàn)伊拉克復(fù)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(xiàn)出含量的差異，以下將依照伊拉克復(fù)合鹽漬土分布區(qū)劃（見(jiàn)圖1）和鹽分含量隨深度分布規(guī)律分別對(duì)各區(qū)域含鹽特點(diǎn)進(jìn)行定性和定量分析。

（1）北部高原和山地。該區(qū)域位于兩河流域的上游，除山區(qū)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(qū)域地下為石灰?guī)r。Taqtaq油田位于該區(qū)域。

圖1 雙高鹽漬土分布區(qū)劃

（2）米索不達(dá)米亞平原。該區(qū)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(qū)域內(nèi)。

（3）幼發(fā)拉底河西側(cè)。該區(qū)域與荒漠接壤，受荒漠氣候和水文環(huán)境影響較大，該區(qū)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(chǎn)地位于該區(qū)域內(nèi)。

（4）西部荒漠及高原。該區(qū)域地下為石灰?guī)r，上部土層石膏含量稍高。

（5）位于波斯灣入?？诘姆▕W。該區(qū)域歷史上為受潮汐影響的沼澤退化區(qū)域，因此，該區(qū)域氯鹽含量非常高，為其他區(qū)域的幾倍，硫酸鹽含量相對(duì)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(chǎn)和輸出服務(wù)的法奧港位于該區(qū)域內(nèi)。

1.3 復(fù)合鹽漬土立體分布特征分析

本節(jié)重點(diǎn)研究伊拉克代表性地區(qū)的鹽漬土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析土中雙高鹽分含量隨深度的分布規(guī)律。

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

圖2 阿瑪拉地區(qū)雙高鹽分含量隨深度分布

圖3 西古爾納地區(qū)雙高鹽分含量隨深度分布

圖4 艾哈代布地區(qū)雙高鹽分含量隨深度分布

圖5 巴士拉地區(qū)雙高鹽分含量隨深度分布

（2）幼發(fā)拉底河西岸。該區(qū)域處于荒漠和沖積平原過(guò)渡帶，歷史上受幼發(fā)拉底河影響較大，處于季節(jié)性干濕交替地帶，形成了鹽漬土場(chǎng)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(wú)變動(dòng)，因而土中鹽分隨深度變化較小，見(jiàn)圖6。另外，如上節(jié)所述，由于該區(qū)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(qū)含量很高，平均值可達(dá)157 000 mg/kg，而Cl-含量較低，見(jiàn)圖6。

圖6 卡爾巴拉地區(qū)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(shí)際含量的10倍）

（3）法奧地區(qū)。該區(qū)域的數(shù)據(jù)主要取自表層土樣。法奧地區(qū)軟土層厚度較大，由于長(zhǎng)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(qū)，且受波斯灣海洋潮汐和蒸發(fā)量大的影響，Cl-含量非常高，最高可達(dá)70 000 mg/kg，含量相對(duì)較低，見(jiàn)圖7。

圖7 法奧地區(qū)雙高鹽分含量隨深度分布

2 復(fù)合鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8；同時(shí)采用EX-250X-stream型能譜儀（EDS）測(cè)得相應(yīng)部位的化學(xué)成分，見(jiàn)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(zhì)膠結(jié)。從EDS分析結(jié)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(cè)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(cè)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(fù)合鹽漬土主要物理力學(xué)性能與含鹽量的關(guān)系分析

以伊拉克現(xiàn)場(chǎng)取土為原料，通過(guò)摻加一定量的氯化鈉、硫酸鈉和水，制備不同鹽類(lèi)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(yàn)法進(jìn)行抗剪強(qiáng)度和擊實(shí)試驗(yàn)。

3.1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分析

抗剪強(qiáng)度關(guān)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(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響至關(guān)重要。

圖10、11為在各級(jí)圍壓下，單鹽漬土和復(fù)合鹽漬土抗剪強(qiáng)度隨含鹽量變化的曲線。在單鹽漬土中，其抗剪強(qiáng)度基本上呈現(xiàn)先上升、再下降、再上升的趨勢(shì)，隨著Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%至3%的增加，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)出現(xiàn)波峰，2%時(shí)出現(xiàn)波谷，Cl-對(duì)土強(qiáng)度的影響相對(duì)稍大。在復(fù)合鹽漬土中，由于土中同時(shí)含有Cl-和，強(qiáng)度的變化較復(fù)雜，在Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2%時(shí)，隨著含量的增加，抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為先上升、再下降、再上升的趨勢(shì)，在Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度的波動(dòng)是相反的。這可能是由于土中黏粒含量少，易溶鹽含量高，導(dǎo)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?，F(xiàn)象。

圖10 單鹽鹽漬土抗剪強(qiáng)度與鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖11 復(fù)合鹽漬土抗剪強(qiáng)度與鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

3.2 擊實(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)分析

擊實(shí)試驗(yàn)是控制路基和墊層壓實(shí)質(zhì)量不可缺少的試驗(yàn)項(xiàng)目，是了解土的壓實(shí)性的重要方法。不同鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12、13。

（1）Cl-的影響。由圖12可見(jiàn)，當(dāng)土中不含鹽時(shí)，土的最優(yōu)含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為9%，最大干密度為1.74 g/cm3。當(dāng)土中含Cl-時(shí)，其最優(yōu)含水率和最大干密度均相應(yīng)提高，最優(yōu)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下土擊實(shí)試驗(yàn)曲線

圖13 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土擊實(shí)試驗(yàn)曲線

（3） Cl-與的復(fù)合影響。圖14為復(fù)合鹽漬土擊實(shí)試驗(yàn)曲線，與圖12、13相比，復(fù)合鹽漬土的干密度整體偏高，其最優(yōu)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(dòng)較大，說(shuō)明土中氯鹽和硫酸鹽共同對(duì)土體最大干密度和最優(yōu)含水率產(chǎn)生的影響，比單鹽要大。

4 伊拉克復(fù)合鹽漬土工程應(yīng)用分析

4.1 復(fù)合鹽漬土作為填料的工程特性分析

擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(shì)更加明顯，達(dá)1.94 g/cm3。表1為某復(fù)合鹽漬土場(chǎng)地地基土壓實(shí)測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)最大干密度值較高，該土在較小的壓實(shí)功作用下即可達(dá)到95%以上的壓實(shí)系數(shù)。

圖14 復(fù)合鹽漬土的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

表1 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由于該地區(qū)易溶鹽濃度很高，基本達(dá)到飽和狀態(tài)，土顆粒間可見(jiàn)析出的鹽分晶體，因此，該類(lèi)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(shù)相應(yīng)增大?？梢?jiàn)該復(fù)合鹽漬土，在缺水環(huán)境下作為建筑地基墊層或路基填料具有很優(yōu)越的條件。

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

4.2 復(fù)合鹽漬土強(qiáng)度工程特性分析

對(duì)復(fù)合鹽漬土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，兩類(lèi)鹽的共同作用對(duì)土抗剪強(qiáng)度的影響更加顯著。當(dāng)土中水未被鹽飽和時(shí)，由于鹽溶液對(duì)土顆粒起到一定的潤(rùn)滑作用，因而土的抗剪強(qiáng)度隨著含鹽量的增加出現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)。當(dāng)含鹽量超過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，飽和的鹽類(lèi)以晶體的形態(tài)在土孔隙中析出，鹽晶與土顆粒產(chǎn)生一定的膠結(jié)，因而土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著含鹽量的增加而增強(qiáng)。對(duì)比表2與圖11可知，整個(gè)伊拉克地區(qū)復(fù)合鹽漬土抗剪強(qiáng)度均因含鹽量的提高而得到了提高。

表2 各地區(qū)復(fù)合鹽漬土Cl-與含量

表2 各地區(qū)復(fù)合鹽漬土Cl-與含量

4.3 復(fù)合鹽漬土工程防護(hù)分析

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

在干燥環(huán)境下，當(dāng)土體中的含水量比較低時(shí)，復(fù)合鹽漬土中的易溶鹽會(huì)析出，從而加強(qiáng)了土體的膠結(jié)作用，增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度和地基承載力；但在飽水的環(huán)境下，當(dāng)水在土體裂隙中運(yùn)移時(shí)，會(huì)溶蝕土體中的硫酸鹽和氯鹽，使土體的結(jié)構(gòu)性變差，土質(zhì)軟化，顆粒變得分散，顯著降低了土的抗剪強(qiáng)度，從而會(huì)在構(gòu)筑物的建設(shè)中導(dǎo)致較大的沉降變形。

應(yīng)在鹽漬土地表和構(gòu)筑物周?chē)扇∵m宜的防水措施。因?yàn)樗坏B入地基，會(huì)使地基土的水分增大，晶體鹽被溶解，從而使得地基土的強(qiáng)度隨著含鹽量的減少而發(fā)生變化，地基變得不穩(wěn)定。在地表以下，基礎(chǔ)周?chē)枰脼r青等材料作為防護(hù)層，并在基礎(chǔ)周?chē)畛渖?、卵石，以降低地下水毛?xì)上升作用。

5 結(jié)論

（1）伊拉克復(fù)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(jié)果。鹽漬化總體表現(xiàn)為由西北向東南逐步增強(qiáng)的趨勢(shì)，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?？跊_積退化沼澤地區(qū)。平原區(qū)為氯鹽和硫酸鹽雙高區(qū)，西側(cè)荒漠過(guò)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(duì)于復(fù)合鹽漬土和單鹽漬土，隨著含鹽量的增加，土體抗剪強(qiáng)度變化的總體趨勢(shì)是一致的，表現(xiàn)為先增大、后減小、再增大的趨勢(shì)；但其中復(fù)合鹽漬土的變化趨勢(shì)更復(fù)雜一些，曲線變化的幅度稍大。

（3）氯鹽和硫酸鹽共同對(duì)土體最大干密度及最優(yōu)含水率產(chǎn)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(dá)到飽和狀態(tài)，孔隙內(nèi)充滿鹽晶，孔隙率減小，壓實(shí)密度比單鹽漬土要高。

（4）復(fù)合鹽漬土在干旱環(huán)境下可以作為很好的天然地基或路基填料，且作為基礎(chǔ)持力層可表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度。防水是保證復(fù)合鹽漬土強(qiáng)度的關(guān)鍵措施。

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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(guó)石油工程建設(shè)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（CPECC2014KJ03）資助。

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

2017-07-10