鹽巖路基工程特性研究進展

宋 亮, 牛亮亮， 王朝輝， 問鵬輝

(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830006；2 同濟大學 交通運輸工程學院，上海 201804；3.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

0 引言

鹽巖是在長期地質(zhì)作用下鹽分經(jīng)結(jié)晶、沉淀和積聚上百萬年的演變，以及后期的覆蓋保護形成的一種特殊巖土，其礦物成分主要為氯鹽和硫酸鹽，我國現(xiàn)存地表鹽巖主要分布在青海察爾汗地區(qū)和新疆羅布泊地區(qū)。一般來說，鹽巖與鹽漬土具有類似的工程性質(zhì)，鹽巖力學性能顯著優(yōu)于鹽漬土，但其對環(huán)境的敏感性也較高。一般來說含鹽量高的鹽巖膠結(jié)能力較強，其鹽晶體填充于土體孔隙中，內(nèi)摩擦角較大，強度相對較高[1]。在鹽湖和干鹽湖地區(qū)，傳統(tǒng)筑路材料匱乏，鹽巖逐漸被用于筑路工程中，其最早應(yīng)用于G215 線“萬丈鹽橋”和青藏鐵路察爾汗鹽湖段路堤填筑工程中，鹽巖作為路用填料的工程特性和適用性也逐漸得到國內(nèi)學者廣泛關(guān)注。

由于鹽巖環(huán)境敏感性極強，將鹽巖作為路基填料修筑的公路、鐵路在使用過程中均出現(xiàn)不同程度的病害，如萬丈鹽橋公路路基采用當?shù)佧}巖填筑而成，經(jīng)淡水作用鹽巖路基發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，長時間后在路基內(nèi)形成的溶洞不斷發(fā)育，嚴重影響到行車安全[2]。新疆省道235 線鹽巖路基在降雨和交通荷載多種情況影響下逐漸出現(xiàn)鹽蝕溶洞、鹽濘、車轍等病害，對行車舒適和安全產(chǎn)生影響[3]。在察爾汗車站南段8 km多的鐵路線路受大量鹵水浸泡溶蝕，鹽巖路基的穩(wěn)定性大幅較低[4]。青藏鐵路察爾汗鹽湖地段鹽巖路基在環(huán)境作用下也逐漸發(fā)生沉降、翻漿冒泥、鹽脹等病害[5]。青藏鐵路察爾汗鹽湖的鹽巖路基受特大洪水浸襲，路基基底鹽巖發(fā)生溶蝕形成大量空隙，局部發(fā)生沉降變形[6-7]，經(jīng)環(huán)境作用鹽巖路基逐漸發(fā)生翻漿冒泥、鹽脹等工程病害。哈羅鐵路鹽巖路基在距表層1 m深處范圍內(nèi)出現(xiàn)鹽脹變形，在距路基表層 1 m以下出現(xiàn)融沉[8]。

鹽巖作為一種特殊的路用材料，其具有易變性、各向異性和環(huán)境敏感的工程特點，明確鹽巖主要工程特征是保證鹽巖填筑路基長期性能良好的重要前提?；诖?，本文系統(tǒng)梳理鹽巖物化特征和力學特性，對比分析鹽巖溶蝕特性、鹽凍脹特性和融沉特性的作用機理及影響因素，明確鹽巖路基易發(fā)病害類型及處治措施，以期為鹽巖填筑路基穩(wěn)定性保障提供新思路。

1 鹽巖的基本性能

1.1 物化特征

鹽巖主要成分為易溶氯鹽，局部含光鹵石(KCl·MgCl2·6 H2O)和少量鈣芒硝晶體[9-10]，如圖1所示。常見鹽巖易溶鹽化學成分如表1所示[10-11]。鹽巖根據(jù)鹽分組成主要分為氯鹽型、硫酸鹽型和亞硫酸鹽型，其中不同類型鹽巖均具有易溶特性，對于硫酸鹽含量高的鹽巖容易產(chǎn)生松脹等病害。鹽巖是在區(qū)域性干旱氣候的影響下湖水濃縮干涸和析鹽沉積而形成的，其沿垂直方向具有顯著分層的特征，并且在層內(nèi)垂直和水平方向含泥量、粒度、孔隙度等迥然不同[12]。鹽巖遇淡水或低礦化度水會溶解，用作路基填料時如果防護不當則易發(fā)生路基沉陷、路面開裂破壞等病害[13]。受地表水影響，鹽湖地下鹵水礦化度不一，低礦化度承壓水容易對鹽巖造成不同程度溶蝕[14]。相比于一般鹽漬土，鹽巖天然密度較低但強度較高，形成條件特殊，鹽巖含鹽量越高時其內(nèi)部孔隙較多，鹽巖天然密度約1.4～2.0 g/cm3，空隙率可達19.8%～41.1%，溶解度達301～344 g/L，溶解速度達24.00～366.86 g/(cm2·h)，周邊礦化度為208.6 g/L[15]。

圖1 鹽巖局部含有的光鹵石和鈣鹽晶體

表1 鹽巖中的易溶鹽和其含量表Table 1 Composition and content of soluble salts in salt rock編號CO2-3HCO-3Cl-SO2-4Ca2+Mg2+K+Na+總含鹽量(質(zhì)量百分比)10.000.0342.281.950.291.101.3423.1072.620.000.0341.871.980.271.211.3923.8571.830.000.0241.061.560.261.631.7221.1272.940.020.0240.421.150.511.671.1021.6370.950.037025.932.10.892.911.510.7944.2

1.2 力學特性

鹽巖地層結(jié)構(gòu)復雜、巖性多變，地層之間膠結(jié)緊密程度、孔隙發(fā)育特征、地下水礦化度高低等均嚴重影響鹽巖的力學特性。鹽殼下方鹽粒結(jié)構(gòu)松散、質(zhì)地較純，再往下鹽巖膠結(jié)逐漸緊密[16]。鹽巖按固結(jié)程度可分為散粒體、弱固結(jié)體、固結(jié)體和強固結(jié)體4類，其中強固結(jié)體鹽巖顆粒之間固結(jié)緊密，具有較好的力學性質(zhì)[9，17]。鹽巖顆粒間的連接存在較大差異，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的線性變化階段[18]。鹽巖路基受水影響后內(nèi)部會形成溶蝕孔洞，含孔洞鹽巖路基的受力變形將嚴重影響路基的穩(wěn)定性。張敦福[19]發(fā)現(xiàn)球形孔洞上方鹽巖會出現(xiàn)拉伸破壞，而不出現(xiàn)剪切破壞。張波[20-21]等對不同破壞工況下鹽巖路基受力狀況進行分析，研究發(fā)現(xiàn)單個圓形孔洞鹽巖路基危險受力點應(yīng)力隨荷載增大而線性增大，橢圓形孔洞的應(yīng)力集中程度較圓形孔洞大；當2個孔洞在同一豎向時所研究孔洞正下方的孔洞對其危險點的受力影響很小，而處在同一水平向影響較大。

強度是考察鹽巖用作筑路材料可行性的關(guān)鍵性能指標。鹽巖遇水后強度急劇下降，但經(jīng)蒸發(fā)后鹽巖顆粒之間相互膠結(jié)能夠形成強度較高的鹽巖塊體[22-23]。安尼瓦[24]等對鹽巖進行無側(cè)限抗壓強度試驗，分析了無側(cè)限抗壓強度隨烘干時間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)深度為0～60 cm的試樣烘干16 h后達到最大值，深度60～160 cm的試樣烘干后抗壓強度較低，不同位置試樣強度測試結(jié)果如圖2所示。周豫新[25]發(fā)現(xiàn)重塑鹽巖試件的無側(cè)限抗壓強度能滿足路基規(guī)范要求，并且隨壓實度提高而增加。肖軍華[26]等研究了粒徑、干密度和含水率對抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)抗壓強度隨著粒徑增大而線性減小,隨干密度近似而單調(diào)遞增；相同含水率和顆粒粒徑時，含水量在8%附近抗壓強度最高。周鵬海[27]研究了壓實度、易溶鹽含量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)92%壓實度無側(cè)限抗壓強度超過0.5 MPa，在95%壓實度條件下易溶鹽含量40%以上的7 d無側(cè)限抗壓強度可以達到0.50 MPa，能滿足石灰穩(wěn)定土底基層強度低限要求。劉軍勇[15]等對鹽巖進行單軸抗壓強度實驗，發(fā)現(xiàn)天然鹽巖極限抗壓強度可達1.76～7.43 MPa，平均為4.47 MPa。王祥[28]對鹽巖試樣進行動三軸實驗，發(fā)現(xiàn)試件豎向變形隨循環(huán)應(yīng)力比增加而逐漸增大。楊學英[29]通過整理試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)鹽巖的破壞強度隨圍壓近似線性遞增。

圖2 不同位置鹽巖試樣的無側(cè)限抗壓強度對比 [24]

2 鹽巖溶蝕特性與影響因素

2.1 溶蝕作用機理

鹽巖溶蝕是基于所含可溶礦物的溶解性，即溶劑與所含易溶鹽之間相互作用的過程。目前關(guān)于鹽巖溶蝕機理主要從化學溶解動力學角度展開研究，鹽巖的溶解與可溶性鹽相同，主要由3個基本過程構(gòu)成：溶劑進入被溶物質(zhì)表面；溶劑溶質(zhì)的相互作用；溶解后的物質(zhì)擴散到溶劑中。鹽巖溶蝕過程如圖3所示[30]。從物理化學角度來說，鹽巖溶解包括溶質(zhì)晶格破壞、溶質(zhì)粒子向溶液中擴散、吸收熱量的物理過程，溶質(zhì)同水結(jié)合生成水合物放出熱量的化學過程[31]。湯艷春[32]等對鹽巖溶蝕過程進行簡化，邊界層內(nèi)側(cè)緊貼鹽巖固體表面的是附著層；附著層內(nèi)鹽巖溶液濃度保持不變，可視為飽和濃度；底層以外是擴散區(qū)，溶蝕過程如圖4所示。

圖3 鹽巖溶蝕過程示意圖[30]

圖4 鹽巖溶蝕簡化示意圖

2.2 鹽巖溶蝕影響因素

現(xiàn)有研究表明鹽巖溶蝕過程受多種因素的影響，包括鹽巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、溶液濃度、水位、圍壓等影響，其中鹽巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造是影響溶蝕的內(nèi)在因素。鹽巖試樣的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會因不同鹽巖試樣有所差別，使得溶解將向不均勻的通道發(fā)展[33]。鹽巖孔隙率越小，鹽巖的礦物構(gòu)造越致密，水與鹽巖固壁接觸面積就相對減少，鹽巖溶蝕速率減緩；若鹽巖呈多孔構(gòu)造，將會增大與水分的接觸面積，從而加快鹽巖的溶蝕速率[34-35]。水罐車向蓄水池注水時，淡水灑漏能夠?qū)}巖路基產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象[36]。鹽巖地層地下水位受大氣降水影響上升會導致所含低礦化度水增多，從而沿路基向上滲透遷移，造成路基不均勻沉降，發(fā)生溶陷、裂縫、溶蝕漏斗等病害[3，37]。董亞萍[38]等采用不同濃度鹵水對不同組成和結(jié)構(gòu)的鹽巖塊進行了多狀態(tài)下的浸泡試驗，研究發(fā)現(xiàn)靜態(tài)條件下同一種鹽巖塊的溶解速度存在差異，隨含鹽量增加溶解達到平衡的時間縮短。另外湯艷春[39]等研究發(fā)現(xiàn)不同圍壓作用下鹽巖的溶蝕質(zhì)量前后變化較大，溶蝕前后形態(tài)差異明顯。石振奇[14]等發(fā)現(xiàn)隨著圍壓增大鹽巖溶蝕質(zhì)量在相同的溶蝕時間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。吳麗華[11]等基于單軸和三軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)隨著預設(shè)圍壓增大鹽巖被溶蝕質(zhì)量逐漸減小，溶蝕速率隨鹽巖較小的塑性變形有所減緩。

3 鹽巖鹽凍脹特性與影響因素

3.1 鹽凍脹作用機理

鹽巖成分復雜，在溫濕度變化下會產(chǎn)生不同程度的鹽凍脹現(xiàn)象，目前國內(nèi)研究者借助CT掃描技術(shù)對鹽巖的微觀結(jié)構(gòu)進行了掃描分析，針對鹽巖的鹽凍脹機理研究也取得了一定進展。鹽巖是一種多孔多相介質(zhì)，通常具有不均勻性和各向異性，圖5為天然鹽巖的微觀結(jié)構(gòu)[10]。劉彥東[37]從CT掃描圖像發(fā)現(xiàn)鹽巖試樣裂隙發(fā)育以微孔洞和微裂紋為主，結(jié)構(gòu)極為脆弱。徐安花[17]基于CT檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)鹽巖主要以散粒體、弱固結(jié)體、固結(jié)體和強固結(jié)體結(jié)晶形式共存，其特點是結(jié)構(gòu)離散性大、強度低、密度小、孔隙度大。張宏[40]通過CT試驗發(fā)現(xiàn)在沖刷鹽巖的最初過程中鹽巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生最快，后續(xù)孔隙不斷擴展，但損傷速率下降緩慢?？偠灾}巖填料中的自由水會沿著鹽巖結(jié)構(gòu)的孔隙、裂隙、裂紋等進入到鹽巖內(nèi)部，在溫度影響下極易發(fā)生鹽凍脹現(xiàn)象，進一步加速裂隙和裂紋的發(fā)展，做好鹽巖路基防水，對消除鹽巖鹽凍脹引發(fā)的次生病害極為重要。

圖5 天然鹽巖的微觀結(jié)構(gòu)[10]

3.2 鹽凍脹影響因素

4 鹽巖融沉特性與影響因素

4.1 融沉作用機理

鹽巖融沉主要是發(fā)生晶體溶解和冰晶體融化，即鹽巖所含易溶鹽結(jié)合水分子的鹽晶體溶解和自由水凍結(jié)而成的冰晶體融化。鈣芒硝鹽巖溶解包括水進入鈣芒硝礦物表面、水與被溶礦物間相互作用，溶解后的物質(zhì)從礦物表面擴散等基本過程[48]。鹽巖溶解度高達301～344 g/L，溶解速度為24.00～366.86 g /(cm2·h)，所含可溶性鹽遇水極易發(fā)生溶解[10]。鹽巖遇水后，可溶性鹽發(fā)生溶解，在荷載作用或自重作用下下沉發(fā)生融沉現(xiàn)象，如圖6所示[49]。隨著外界溫度升高，凍結(jié)而成的冰晶體發(fā)生融化，造成體積減小，裂縫隨之開始“愈合”，產(chǎn)生融化沉降，顆粒因凍脹力的消失在自重作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降和沉降變形[50-51]。

圖6 線路護道發(fā)生的融沉坍塌

4.2 鹽巖融沉影響因素

鹽巖填筑路基和附屬構(gòu)造物發(fā)生融沉病害受多種因素影響，主要包括溫度、含水率影響。鹽巖中的部分易溶鹽(主要是Na2SO4)溫度敏感性強，當溫度增加到高于32.4 ℃時，Na2SO4的溶解度將大幅度降低，十水硫酸鈉鹽晶將失水而生成無水硫酸鈉；溫度增加到高于冰晶的融化點時，冰晶將會融化成自由水，鹽晶溶解和冰晶融化均會使鹽巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，在外界因素下會發(fā)生融沉。李志萍[52]獲得了芒硝溶解速度與溫度關(guān)系的曲線方程，發(fā)現(xiàn)在溫度變化過程中35 ℃左右的芒硝溶解速度達到最大值。在工程應(yīng)用時把鹽巖控制在合理的溫度區(qū)間，可降低溫度變化對鹽巖融沉的影響。除溫度是影響鹽巖融沉量的主要因素外，含水率也是影響融沉量的重要因素。當采用鹽巖作為路堤填料時，因鹽巖具有遇水即溶的特點，會導致路基穩(wěn)定性不足，應(yīng)采取技術(shù)措施防止地表水滲入[15]。趙文[42]通過載荷-沉降曲線發(fā)現(xiàn)隨含水量增加鹽分逐漸溶于水中，其膠結(jié)能力和骨架作用降低，造成土體發(fā)生融沉。

5 鹽巖路基易發(fā)病害與處治措施

目前，國內(nèi)采取鹽巖作為路基填料的典型公路工程包括察爾汗萬丈鹽橋和新疆S235 線鹽巖公路等[2，25]。其中新疆S235線約190 余km穿過羅布泊干涸鹽湖區(qū)，在該路段鹽巖路基設(shè)計施工階段主要從填料性質(zhì)和壓實質(zhì)量等方面進行病害預防，包括嚴格控制鹽巖易溶鹽含量、拌合鹵水濃度和養(yǎng)生條件等措施。在后期使用過程中，鹽巖公路在交通荷載和氣候環(huán)境的影響下逐漸出現(xiàn)溶洞、坑槽、鹽濘和車轍等病害，目前主要采取注漿、撒布熟石灰及飽和鹵水等方式對表層病害進行處治，針對路基內(nèi)部結(jié)構(gòu)性病害尚未形成有效處治方法。綜合鹽巖溶蝕特性、鹽凍脹特性、融沉特性和其影響因素可知，路用鹽巖的不良工程特性會誘發(fā)鹽巖路基的病害，因此需采取相應(yīng)的處治措施，減少在維修養(yǎng)護過程中誘發(fā)的病害，根據(jù)國內(nèi)鹽巖填筑公路、鐵路路基易發(fā)病害和處治措施進行歸納，具體措施如表2所示。

表2 易發(fā)病害及處治措施Table 2 Vulnerable diseases and treatment measures工程特性誘發(fā)病害處治措施溶蝕特性[5-6,25,35-36,53]路面發(fā)生坑槽病害;鹽巖路基出現(xiàn)溶塘、溶溝、溶洞和溶蝕小孔病害填塞溶洞、挖除換填、翻挖回填;鋪設(shè)復合土工膜隔斷層、鋪設(shè)塑料排水板;注漿加固鹽凍脹特性[24-25,54]路基出現(xiàn)脹壞;路基表層出現(xiàn)泛白、起皮、鼓包等病害控制路基填筑高度;控制鹵水噴灑量,提高噴灑工藝;加寬路基寬度和放緩坡率融沉特性[34,43,45]路基出現(xiàn)塌陷、沉降變形采用沖擊碾壓;挖除換填;路肩設(shè)置平臺、路基坡腳設(shè)置反壓護道

6 結(jié)論與展望

鹽巖作為干鹽湖區(qū)分布最廣泛的工程材料，明確鹽巖工程特性對保障鹽巖填筑路基承載力和穩(wěn)定性至關(guān)重要，本文系統(tǒng)梳理了鹽巖基本物化性能和力學特性的研究進展，明確了鹽巖溶蝕特性、鹽凍脹特性和融沉特性的作用機理和影響因素，總結(jié)了鹽巖工程性質(zhì)所誘發(fā)的病害類型和其處治措施，為鹽巖路基病害防治和穩(wěn)定性保障提供參考。根據(jù)鹽巖現(xiàn)有工程特性研究現(xiàn)狀和存在問題，今后對于鹽巖路用工程特性的研究可以著力于以下幾方面： ① 建立溫度、溶蝕、滲流、應(yīng)力等多場耦合的控制方程，為全面分析鹽巖路基穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。② 鹽巖屬于多孔多相介質(zhì)，可在CT掃描基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究鹽巖在水分作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙、裂隙發(fā)展情況。③ 鹽巖水鹽遷移是一個非常復雜的過程，可以設(shè)計鹽巖水鹽滲透遷移裝置，模擬不同溫度、濕度和承壓水作用下鹽巖的滲透遷移情況。