粗顆粒鹽漬土的基本特征及工程性能研究

程東幸，樊柱軍，姜翠萍，張 博

(西北電力設計院有限公司， 陜西 西安 710054)

粗顆粒鹽漬土的基本特征及工程性能研究

程東幸，樊柱軍，姜翠萍，張 博

(西北電力設計院有限公司， 陜西 西安 710054)

粗顆粒鹽漬土是一種特殊的巖土體，由于其獨特的結構特征及復雜的工程性能，常常給此類地區(qū)的工程建設帶來了較大難題。結合大量工程實踐和室內外專門試驗，在系統(tǒng)總結粗顆粒鹽漬土基本特征的基礎上，提出了粗顆粒鹽漬土溶陷和鹽脹的宏觀評價標準，即：鹽膠結型鹽漬土以鹽脹為主，鹽充填型鹽漬土以溶陷為主，以及含鹽量、滲透系數(shù)的一些具體量值等，該標準的提出，為此類地區(qū)粗顆粒鹽漬土工程性能的快速、合理評價提供了技術依據。

粗顆粒鹽漬土；基本特征；溶陷判定依據；鹽脹判定依據

關于“粗顆粒鹽漬土”一詞，20世紀90年代初國內許多專家在研究甘肅河西走廊和新疆地區(qū)鹽漬土工程特性時就已提出。國內最早是高樹森等[1]提出“粗顆粒鹽漬土”一詞的，后來華遵孟等[2]、羅炳芳等[3]和丁兆民等[4]都在公路/鐵路工程中對粗顆粒鹽漬土的工程性能進行了室內研究，但是，粗顆粒鹽漬土由于受所處環(huán)境條件、地層結構以及顆粒組成等的影響，室內結果難以反應其真實特性。為了對粗顆粒鹽漬土的基本特征及工程性能有系統(tǒng)的認識和了解，本文結合大量電力工程勘察成果及專門室內外試驗結果，對粗顆粒鹽漬土的特性進行了系統(tǒng)研究。

1 粗顆粒鹽漬土的基本特征

1.1 粗顆粒鹽漬土的組成

對于非鹽漬土來說，其三相是由氣、水、土顆粒組成的。雖然粗顆粒鹽漬土也由這三相組成，但是，其三相體與非鹽漬土不同，其液相實質上不是水而是一種鹽溶液，其固相除土的固體顆粒外，還有不穩(wěn)定的結晶鹽。

粗顆粒鹽漬土三相組成中骨架顆粒占有較大的比重，一般大于2 mm樣的比重占到60%左右。而且在評價粗顆粒鹽漬土特性時，隨著骨架顆粒比重的變化，鹽漬土的含鹽量也有明顯的差異，表1為甘肅河西走廊、新疆吐哈盆地及準噶爾盆地多個工程的統(tǒng)計表。

1.2 粗顆粒鹽漬土的結構特征

地基土的結構是指土的顆粒組成、土粒形狀及其相互排列、土粒表面特征、土粒間膠結情況和孔隙特征等。研究地基土的結構特征，可為解讀其物理力學特性及工程性能提供分析依據。粗顆粒鹽漬土在宏觀結構上主要分為兩類：鹽膠結類及鹽充填類。鹽膠結地層呈半成巖狀態(tài)，滲透性弱，強度高，承載性能好；鹽充填地層呈松散狀，滲透性強，具備溶陷的可能，承載性能差(見表2)。

表1 粗顆粒鹽漬土顆粒組成及含鹽量

表2 粗顆粒鹽漬土地層結構對場地工程性能的影響

1.3 粗顆粒鹽漬土的水理特征

1.3.1 透水性

土的透水性指土體透過水的能力，土可以透水的根本原因在于土體本身具有相互連通的孔隙，水沿著這些相互連通的孔隙通路流過，溶解或潛蝕土中的鹽分，進而影響鹽漬土的工程性能。

對粗顆粒鹽漬土，其透水性能的強弱與地層結構特征緊密聯(lián)系。鹽膠結型鹽漬土地層結構致密，地基土顆粒被鹽溶液完全充填，沒有聯(lián)通的孔隙或水的運移通道，透水性能非常弱，通常滲透系數(shù)在10-5cm/s～10-7cm/s之間，而鹽充填型鹽漬土鹽晶體主要包裹在骨架顆粒周圍，不論是密實的還是松散的地基土，其骨架顆粒之間不存在膠結作用，是以散體的形式存在的。因此，地基土中存在聯(lián)通的孔隙通道，具備地下水運移的條件，透水性能非常強，滲透系數(shù)通常在10-2cm/s～10-3cm/s之間。

1.3.2 毛細性

土的毛細性是指水通過土的毛細孔隙受毛細作用各方向運動的性能。對粗顆粒鹽漬土毛細性影響的因素主要為粒度成分和水溶液的化學成分。試驗結果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，粗顆粒鹽漬土的毛細上升高度隨粒徑的增大而降低；水溶液中隨著無機鹽濃度的增大，則會使毛細水上升的高度明顯降低。李自詳[5]通過室內試驗對粒徑在2 mm～60 mm之間的角礫(土質1)、粒徑在0.075 mm～2 mm之間的砂礫(土質2)及粉質黏土(土質3)進行了水鹽遷移試驗研究(見圖1)，發(fā)現(xiàn)地基土粒度越粗，毛細水達到最大高度的時間越短，且高度最??；本文通過在新疆準噶爾盆地粗顆粒鹽漬土地區(qū)建立“地基土鹽分遷移監(jiān)測試驗點”，動態(tài)監(jiān)測了粗顆粒鹽漬土在毛細作用下的鹽分遷移特征(見圖2)，結果顯示：在夏季，雨水較廣，易溶鹽易被溶解帶走或者隨水下滲，減少地表含量，而冬季隨著溫度降低，地表毛細作用增強，易溶鹽向凍結封面遷移，使得地表易溶鹽含量明顯增加。

圖1 不同土質水鹽遷移結果

圖2粗顆粒鹽漬土現(xiàn)場監(jiān)測點鹽分動態(tài)遷移曲線

1.4 粗顆粒鹽漬土的力學特征

1.4.1 壓縮性

粗顆粒鹽漬土的壓縮性指標與一般土一樣， 也是用壓縮系數(shù)、 壓縮模量和變形模量來表示。 對于鹽膠結型鹽漬土， 由于地基土呈半成巖狀態(tài)， 壓縮系數(shù)非常小， 變形模量很大， 承載性能很好， 而鹽充填型鹽漬土通常孔隙比較大， 土體結構松散， 壓縮系數(shù)與變形模量與地基土的密實度關系密切(見表3)。

表3 不同類型鹽漬土的壓縮性

1.4.2 抗剪強度

粗顆粒鹽漬土強度與其含鹽量、顆粒組成及含水率等有密切的關系，其強度參數(shù)的確定一直受試驗條件的影響難以獲得準確值，工程上常以粗粒土的經驗參數(shù)為借鑒，但粗粒土取值中常常忽略了地基土的黏聚力，即強度參數(shù)取值時一般黏聚力為零，這樣則忽視了鹽漬土地基中充填細粒土及鹽分膠結的作用，使得工程設計時難以充分體現(xiàn)地基土的強度特性[6-11]。為了客觀了解粗顆粒鹽漬土的強度特性，本文在常樂某電廠鹽漬土場地進行了現(xiàn)場直接剪切試驗(見圖3)，獲得了表4的結果。試驗表明：粗顆粒鹽漬土的強度參數(shù)由摩擦角和黏聚力共同組成，而且強度參數(shù)的變化與鹽的膠結作用和地基土顆粒組成有著明顯的關系。通常情況下，鹽膠結作用主要影響地基土的黏聚力，顆粒組成主要影響地基土的摩擦角。

圖3 現(xiàn)場直剪試驗曲線

表4 典型粗顆粒鹽漬土地基抗剪強度參數(shù)

2 粗顆粒鹽漬土的工程性能

粗顆粒鹽漬土的工程性能主要指地基土在溫度和含水率變化時的溶陷、鹽脹及腐蝕性，對于腐蝕性目前已經有較為成熟的評價體系，而對于粗顆粒鹽漬土的溶陷和鹽脹，目前，除了現(xiàn)場試驗之外，還沒有較好的評價方法。本文結合在河西走廊、吐哈盆地、準噶爾盆地以及青海和內蒙等地區(qū)的發(fā)電和變電項目等9個工程中進行的37個試驗點的現(xiàn)場試驗結果，對該類特殊土的溶陷和鹽脹性進行了總結。

2.1 粗顆粒鹽漬土的溶陷性

鹽漬土的溶陷變形主要分為兩種情況：溶陷變形和潛蝕變形。鹽充填型粗顆粒鹽漬土由于顆粒間存在大的孔隙，鹽分遇水的溶陷變形大部分被孔隙耗散，對地基土的沉陷量貢獻不大，其變形主要是由于滲流引起的潛蝕變形；對于鹽膠結型的粗顆粒鹽漬土，由于地基土滲透系數(shù)非常小，水的滲透能力很弱，難以引起地基土的溶陷變形。粗顆粒鹽漬土典型的溶陷曲線見圖4、圖5。

圖4 鹽膠結類地層溶陷曲線

圖5鹽充填類地層溶陷曲線

通過大量試驗的總結，對粗顆粒鹽漬土的溶陷性獲得了如下判定：當?shù)鼗恋臐B透系數(shù)小于10-5cm/s時，在保持地層原狀結構的形態(tài)下，可不考慮鹽漬土的溶陷性；當?shù)鼗恋臐B透系數(shù)大于10-5cm/s、易溶鹽含量大于1%時需要考慮鹽漬土地基的溶陷性，通常溶陷厚度只在地表2 m～3 m內。

2.2 粗顆粒鹽漬土的鹽脹性

鹽漬土地基的鹽脹主要分為兩類，即結晶鹽脹和非結晶鹽脹。對粗顆粒鹽漬土，鹽脹變形主要是由硫酸鈉晶體析出產生的體積膨脹?！尔}漬土地區(qū)建筑規(guī)范》[12](SYT 0317—2012)中規(guī)定土中硫酸鈉含量小于0.5%時，鹽漬土地基可初步判定為非鹽脹性地基或可不考慮鹽脹性對建(構)筑物的影響，《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》[13](GB/T 50942—2014)規(guī)定，鹽漬土地基中硫酸鈉含量小于1%，且使用環(huán)境條件不變時，可不計鹽脹性對建(構)筑物的影響?？梢?，目前對鹽漬土鹽脹性的認識和判定還不是非常成熟。本文結合現(xiàn)場和室內試驗(見圖6、圖7)，對鹽漬土鹽脹性評判進行了細化，獲得了如下結論：環(huán)境溫差不大、地層滲透系數(shù)大于10-3cm/s時，即便Na2SO4含量超過1%，可不考慮鹽脹對重要建筑物的影響；環(huán)境溫差較大、地層滲透系數(shù)小于10-5cm/s，Na2SO4含量超過0.3%時，應評價地基土的鹽脹性。

圖6 鹽膠結地層的現(xiàn)場鹽脹試驗

圖7鹽充填地層的室內鹽脹試驗

3 結 論

粗顆粒鹽漬土在我國分布非常廣泛，其工程性能較為復雜，目前關于其基本特點和工程性能系統(tǒng)性研究成果較為偏少，相應的規(guī)范在工程性能評價上也有一定出入，為此，本文根據大量室內外試驗，在總結、歸納的基礎上，獲得了如下認識：

(1) 該類特殊土通常粗顆粒含量較高，骨架顆粒含量在60%左右。

(2) 粗顆粒鹽漬土分為鹽膠結類和鹽充填類兩種類型。各類型在強度參數(shù)選擇和工程性能評價上均有差異，應區(qū)別對待。

(3) 粗顆粒鹽漬土強度參數(shù)由黏聚力和摩擦角構成，黏聚力的大小與鹽膠結程度有關，摩擦角大小與骨架顆粒有關。

(4) 粗顆粒鹽漬土的溶陷和鹽脹性與地基土是否存在鹽膠結有關，在評價粗顆粒溶陷性和鹽脹性時，應對鹽膠結型粗顆粒鹽漬土和鹽充填型粗顆粒鹽漬土區(qū)別對待。

[1] 高樹森，師永坤.碎石類土鹽漬化評價初探[J]．巖土工程學報，1996，18(3)：96-99．

[2] 華遵孟，沈秋武.西北內陸盆地粗顆粒鹽漬土研究[J].工程勘察，2001(1)：28-31.

[3] 羅炳芳，潘菊英.粗顆粒易溶鹽含量測定方法的研究[J].公路，2006(11)：192-193.

[4] 丁兆民，張莎莎，楊曉華.粗顆粒鹽漬土路用填料指標研究[J].2008，30(4)：623-631.

[5] 李自詳.鹽漬土中鹽分遷移規(guī)律研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2012.

[6] 程東幸，許 健，等.粗顆粒鹽漬土大型剪切強度試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2017，15(5)：149-153.

[7] 魯先龍，童瑞銘，等.輸電線路戈壁灘地基抗剪強度參數(shù)取值的試驗研究[J].電力建設，2011，32(11)：11-15.

[8] 張莎莎，楊曉華，等.粗顆粒鹽漬土大型凍融循環(huán)剪切試驗[J].長安大學學報(自然科學版)，2012，32(5)：11-16.

[9] 郭菊彬，張 昆，王 鷹,等.鹽漬土抗剪強度與含水量，含鹽量及干密度關系探討[J].工程勘察，2006(1)：12-14.

[10] 王學明，康 王月，等.粗顆粒鹽漬土地區(qū)掏挖基礎抗拔承載力特性及數(shù)值模擬研究[J].2017，15(5)：94-99.

[11] 劉軍勇，張留俊.察爾汗鹽湖地區(qū)鹽漬土微觀結構及其力學與強度表現(xiàn)[J].鹽湖研究，2014，22(2)：60-67.

[12] 鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范：SY/T 0317—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[13] 鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范：GB/T 50942—2014[S].北京：中國計劃出版社出版，2014.

BasicCharacteristicsandEngineeringPropertiesofCoarseSalineSoil

CHENG Dongxing, FAN Zhujun, JIANG Cuiping, ZHANG Bo

(NorthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Coarse saline soil is special soil because of its unique structural characteristics and complex engineering properties, therefore it often cause great construction problems in these areas. Based on a large number of engineering practice and indoor and outdoor special test, this paper proposed the macroscopical evaluation criteria for salt resolving slump and salt expansion of coarse saline soil, which could provide technical basis for the coarse saline soil engineering properties rapid and reasonable evaluation in such areas.

coarsesalinesoil;basiccharacteristics;saltresolvingslump;saltexpansion

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.006

2017-06-21

2017-07-30

程東幸(1978—)，男，甘肅會寧人，博士，主要從事特殊土研究工作。 E-mail:chengdongxing759@163.com

TU448

A

1672—1144(2017)06—0028—04