朱芝同，李國民

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

包蘭二線鐵路某段硫酸鹽漬土的鹽脹特性及其病害防治

朱芝同，李國民

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

該路段地表硫酸鹽漬土的形成與其地形地貌、氣候、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件有關(guān)。硫酸鈉含量、含水量和溫度是產(chǎn)生鹽脹的主要因素。防治該段路基鹽脹病害，應(yīng)針對這些條件和因素，綜合選用提高路基、設(shè)置隔斷層、換填墊層、設(shè)置地面隔熱層或化學(xué)處置等方法。

硫酸鹽漬土；鹽脹；路基處理

1 前言

鹽漬土是鹽土和堿土的總稱，是一種土層內(nèi)含石膏（主要成分為CaSO4）、芒硝（Na2SO4·10H2O）、巖鹽（硫酸鹽或氯化物）等易溶鹽且其含鹽量大于0.3%的特殊巖土。目前鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（TB10012－2007）6.4.2中規(guī)定，土中易溶鹽含量大于0.3%的土定義為鹽漬土。當(dāng)?shù)乇硪韵?m深度內(nèi)的土層易溶鹽含量大于0.3%時，應(yīng)定為鹽漬土場地［1］。

增建包蘭二線銀川南至青銅峽段（DK535＋000～DK562＋000）沿線所經(jīng)絕大部分區(qū)域，地表土層為鹽漬土，根據(jù)易溶鹽檢驗(yàn)報告，鹽漬土分類表及鹽漬土含鹽量分析表，沿線鹽漬土類型為硫酸鹽漬土，鹽分硫酸鈉多富集于表層0.05m以上，其含鹽量一般為3%～10%，最高達(dá)20%；0.05～0.25m范圍內(nèi)含鹽量也較高，可達(dá)2%～5%；以下含鹽量漸少，一般1%以下，多屬中鹽漬土場地，少數(shù)為強(qiáng)、弱鹽漬土。

鹽漬土作為一種特殊的路基填料，工程特性主要表現(xiàn)為鹽漬土的鹽脹性，鹽漬土的溶陷性，加劇路基凍脹與翻漿，鹽漬土中的主要鹽分NaCl、Na2SO4對混凝土結(jié)構(gòu)、金屬物等道路設(shè)施的腐蝕性等。

在我國西北地區(qū)，廣泛分布著各種類型的鹽漬土，這些地區(qū)先后修建了包蘭、蘭新、南疆、青藏等鐵路。由于這些鐵路所處的自然地理位置特殊，沿線氣候條件和工程、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，自建成運(yùn)營后已產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的鹽漬土病害，所填筑的路堤不同程度地產(chǎn)生了松脹、鹽脹、凍脹和翻漿、次生鹽漬化等病害，大大增加了日常養(yǎng)護(hù)維修的工作量，也嚴(yán)重影響機(jī)車的運(yùn)營安全。

2 鹽漬土形成的條件

2.1 地形、地貌和水文地質(zhì)條件

改建包蘭二線銀川南至青銅峽段位于氣勢雄偉的賀蘭山脈東側(cè)，黃河西岸。沿線主要地貌單元為黃河沖積平原、山前洪積平原區(qū)，局部穿越低山丘陵區(qū)、緩坡丘陵區(qū)及洪積扇地帶。地勢平坦、開闊，西部、南部較高，北部、東部較低，略呈西南－東北方向傾斜。

沿線地下水為第四系松散堆積層孔隙潛水，含水層以粗顆粒土為主，呈弱堿性，礦化度中－高，埋深淺，一般為1～5m，個別地段潛水位貼近地表，促使了鹽分富集。地形、地貌和水文地質(zhì)條件是鹽漬土形成的主要因素。

2.2 氣候條件

沿線氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，四季分明，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒。具有冬寒長、夏熱短、春暖快、秋涼早、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)大沙多等特點(diǎn)。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，沿線區(qū)段年平均氣溫8.5℃～8.7℃，極端最高溫度36.7℃～39.3℃，極端最低溫度－23.7℃～ －30.6℃，平均相對濕度56.8%～59%，年平均降水量181.1～202.9mm，年平均蒸發(fā)量1 575.7～2 109.9mm，多風(fēng)，年平均風(fēng)速為1.5～3.5m/s，風(fēng)向NNE、WNW，年平均大風(fēng)日數(shù)（≥8級）為22.7～28.5d，定時最大風(fēng)速可達(dá)26～34m/s，風(fēng)向NW。最大積雪厚度12～17 cm，最大季節(jié)凍土深度103cm（銀川、青銅峽氣象局）。溫差大，濕度小，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，在這種干旱條件下，地下水中的鹽分通過毛細(xì)作用聚集于地表或近地表土層中，形成白色鹽霜或1～2cm厚的鹽殼，這些自然因素都促成了本地區(qū)的鹽漬土的形成和發(fā)展。

2.3 工程地質(zhì)條件

經(jīng)地質(zhì)勘探揭示，沿線所經(jīng)區(qū)域廣泛分布第四系沖洪積松散堆積物，厚度達(dá)數(shù)十米，地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積、洪積的砂類土、碎石類土、粉土及粉質(zhì)黏土，主要以砂類土、粉質(zhì)黏土為主，毛細(xì)水上升高度較高，地層巖性條件是鹽漬土形成的主要因素之一。

3 鹽脹產(chǎn)生的機(jī)理

鹽脹是鹽漬土的特性之一，尤其以硫酸鈉最為明顯。土體中硫酸鈉的存在及遷移聚積是造成鹽脹的物質(zhì)基礎(chǔ)。如圖1所示，Na2SO4的溶解度是32.4℃，在32.4℃以上時為無水晶體，體積較小，當(dāng)溫度降至32.4℃以下時，Na2SO4充分吸水結(jié)晶形成含10個水分子的結(jié)晶體Na2SO4·10H2O，體積增大，體積為無水硫酸鈉的3.18倍［2］。當(dāng)溫度低于0℃時，土體中除有硫酸鈉引起鹽脹外，還有土中部分自由水結(jié)晶析出、體積增大產(chǎn)生的膨脹。而隨著凍脹的產(chǎn)生，土中液相水不斷變成固相，硫酸鈉濃度會逐漸增大到飽和，從而又析出晶體產(chǎn)生鹽脹［3］。

由此可見，路基土鹽脹的形成，是土體內(nèi)硫酸鈉遷移聚積、結(jié)晶體膨脹和土體膨脹3個過程的綜合結(jié)果。

4 鹽脹產(chǎn)生的因素

國內(nèi)外大量研究表明，硫酸鹽漬土的鹽脹特性與含鹽量、含水量、溫度等因素有關(guān)。

圖1 硫酸鈉的溶解度曲線Fig.1 Solubility curve of sodium sulfate

鹽漬土中的鹽脹量主要由Na2SO4起關(guān)鍵作用，當(dāng)土中Na2SO4含量超過2%時，在低溫或土中含水量降低的條件下，Na2SO4便結(jié)晶產(chǎn)生體積膨脹。野外觀測資料表明，路基路面破壞很嚴(yán)重的路段，測定鹽分含量，在地面1m范圍內(nèi)，總含鹽量＞8%，硫酸根離子在3.93%左右［4］。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，硫酸鹽漬土筑的路堤，含鹽量應(yīng)限制在2%以內(nèi)。

水是硫酸鈉結(jié)晶膨脹的首要條件，無水或過飽和的硫酸鈉在低溫條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榫w硫酸鈉時需要10個水分子，所需的水分約為自身重量的1.3倍。硫酸鹽漬土最大膨脹量是以該種土的最佳含水量為界限的，當(dāng)含水量大于或小于最佳含水量時，膨脹量都有不同程度的降低，這是因?yàn)樵谧罴押繒r，土容易達(dá)到最佳夯實(shí)密度，此時土的空隙率較小，一旦發(fā)生鹽脹，土就會發(fā)生膨脹變形；而小于最佳含水量時，空隙率相應(yīng)較大，此時即使發(fā)生鹽脹也優(yōu)先填充土中孔隙。

在土中含水量、含鹽量等具備膨脹的條件下，溫度是促使土體膨脹的決定因素。鹽脹出現(xiàn)在溫度14℃～17℃，平均溫度15℃時開始鹽脹，5℃～－3℃鹽脹現(xiàn)象明顯。溫度越低，鹽脹量越大，地溫低于－15℃時，鹽脹趨于平緩。沿線經(jīng)過地區(qū)晝夜溫差大，硫酸鹽的體積時而增大，時而縮小。尤其在冬季，由于溫度下降幅度較大，土體膨脹破壞也特別厲害［4］。

5 鹽脹病害的防治建議

5.1 鹽漬土路基設(shè)計(jì)原則

鹽漬土是西北地區(qū)鐵路建設(shè)中常遇到的一種特殊巖土，在鹽漬土地區(qū)鐵路路基設(shè)計(jì)中遵循以下幾個原則：

（1）鹽漬土地區(qū)的鐵路，在選線和路基設(shè)計(jì)之前，應(yīng)認(rèn)真做好調(diào)查研究工作，合理確定設(shè)計(jì)方案，滿足路基強(qiáng)度和穩(wěn)定要求。

（2）鹽漬土地區(qū)鐵路路基應(yīng)以填方路堤為主，其高度應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?、水文地質(zhì)、土質(zhì)鹽漬化程度、地下水毛細(xì)作用高度、鹽脹深度等因素綜合確定。

（3）必須十分重視路基排水設(shè)計(jì)。應(yīng)分別視情況因地制宜地做好邊溝、排水溝、截水溝、取土坑設(shè)計(jì)，鐵路縱橫排水系統(tǒng)應(yīng)與當(dāng)?shù)剞r(nóng)灌排水和自然水道綜合規(guī)劃，使路基排水暢通。

5.2 鹽漬土路基處治方法

路基處理應(yīng)針對含水量、鹽漬化程度、當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)、地形和筑路材料等條件，因地制宜地采用有效措施。鹽漬土路基處理方法很多，西北地區(qū)常用的辦法有：提高路基、換填砂礫石、換填風(fēng)積沙或設(shè)砂礫石隔斷層和土工布（膜）隔斷層、設(shè)置地面隔熱層及化學(xué)處置等，可根據(jù)不同情況選用。

（1）提高路基

沿線所經(jīng)區(qū)域地下水位較高，路堤除了有再鹽漬化的問題外，還有凍脹和翻漿的危害，為了使路堤不受凍害和再鹽漬化的影響，應(yīng)控制路堤高程到不再鹽漬化的最小高度。路堤最小高度一般按下式計(jì)算［5］：

式中，H為最低路肩設(shè)計(jì)高程；h1為凍前地下水位高程；h2為毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度；hc為臨界凍結(jié)深度；hk為臨界安全高度值，一般取0.5m。

毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度可采用鐵一院李善皋提出的用土的物理指標(biāo)來推求毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度的計(jì)算公式［6］，供參考：

該公式適用于砂性土的毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度。其中：Wm為最大分子吸水量（%）；d10為有效粒徑（μm）；d50為平均粒徑（μm）。

（2）設(shè)置隔斷層

一種是砂石材料隔斷層，這種隔斷層在隔斷毛細(xì)水上升通道的同時，還可以提高路基的整體強(qiáng)度，消弱或控制路基的不均勻變形。在毛細(xì)水隔離層設(shè)置中，主要應(yīng)該考慮材料的選取及合理厚度的確定。隔離層還可作為緩沖層，使下面土的鹽脹變形得到緩沖，不破壞地基表面，這種方法在我國西部的硫酸鹽含鹽地層地區(qū)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

另一種是土工布隔斷層，采用土工布隔斷毛細(xì)水和下滲水也是行之有效的方法，也得到了廣泛的應(yīng)用。土工布可為單層或雙層，用于鹽漬土地區(qū)的土工布應(yīng)具有長期對硫酸鹽、氯鹽等鹽類的抗腐蝕性。選擇土工布應(yīng)根據(jù)使用位置和目的，對滲透系數(shù)、頂破系數(shù)、耐凍性和耐老化性等提出具體要求。為隔斷毛細(xì)水上升，土工布一般設(shè)置在路基和墊層之間。如果是為了隔斷地表水、降水通過面層下滲，則土工布應(yīng)設(shè)置在面層和基層之間。

（3）換土墊層

當(dāng)鹽漬土厚度不大時，常用此方法消除鹽漬土的鹽脹變形。有時，即使鹽漬土土層較厚，但只是表層的溫度和濕度變化大，所以不需要把全部硫酸鹽漬土土層挖除，而只要將有效的鹽脹區(qū)范圍內(nèi)的鹽漬土挖除，然后換填非鹽漬土或灰土即可。在工程中往往要根據(jù)水文地質(zhì)情況、筑路材料及來源情況等來確定換填深度?？傮w要求是：換土深度宜超過有效的鹽脹性土層厚度，保證殘留鹽漬土的鹽脹性不超過上部結(jié)構(gòu)容許的變形值。換土的寬度則應(yīng)保證下臥層頂面處的壓力小于該土層浸水后的承載力。同時，墊層材料本身必須不含易溶鹽，以保證周圍土溶陷時換土部分的穩(wěn)定性。

（4）設(shè)置地面隔熱層［7］

從硫酸鹽的鹽脹機(jī)理可以得知，鹽漬土地基因鹽脹而引起的變形，除與硫酸鹽的含量有關(guān)外，主要取決于土的溫度與濕度的變化。當(dāng)土溫的變化幅度小于某極值［Δt］時，即使含硫酸鹽較多的土，因無相的轉(zhuǎn)變而不產(chǎn)生鹽脹變形，故鹽脹只發(fā)生在地溫變化Δt＞［Δt］的深度h范圍內(nèi)。根據(jù)這一原理，如果在地面設(shè)置一隔熱層，使鹽漬土層頂面的溫度變化小于［Δt］，則有限鹽脹區(qū)深度h＝0，不需要采用換土墊層等方法。

隔熱層厚度可由土的一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)理論，根據(jù)簡化的公式求得。若最大的月平均氣溫的變化為Δt0＝tmax－tmin，其中tmax為當(dāng)?shù)刈罡咴缕骄鶜鉁兀ā妫?，tmin為當(dāng)?shù)刈畹驮缕骄鶜鉁兀ā妫?，則有

式中，λ為隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，cal/cm·s·℃，由試驗(yàn)確定或熱工材料手冊查得；α為隔熱材料吸熱（或放熱）系數(shù)，cal/cm2·s·℃，由試驗(yàn)確定或熱工材料查得；Δt0為最大的月平均氣溫變化，℃，由當(dāng)?shù)貧庀筚Y料查得；Δt1為最大的月平均地溫變化，℃，由當(dāng)?shù)貧庀筚Y料查得；［Δt］為不同地溫和硫酸鹽濃度下，產(chǎn)生鹽脹的地溫變化極值，℃。

為了保持隔熱材料的持久性，通常在其頂面鋪設(shè)一防水層，以防大氣或地面水滲入隔熱層。

（5）化學(xué)處治

鐵道部曾采用摻入氯鹽的辦法來抑制硫酸鹽漬土的鹽脹，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)土中的Cl－/SO2－4的比值增大到6倍以上時，抑制效果最為顯著［2］。這是因?yàn)榱蛩徕c在氯鹽溶液中其溶解度隨氯鹽濃度增加而有減小的趨勢，如表1所示。這種方法對治理硫酸鹽漬土路基的病害很有效，例如，我國新疆哈密工務(wù)段管內(nèi)K1 352＋867～878m處，具有比較典型的鹽脹危害，在治理前，該路段每年冬季鹽脹量高達(dá)90 mm，但在治理后，僅有個別點(diǎn)鹽脹4～8mm。灌注氯鹽的方法有人工和機(jī)械兩種，實(shí)踐表明，人工灌氯化鈣，經(jīng)濟(jì)效益最為顯著。

表1 不同溫度下Na2SO4在不同濃度的NaCl溶液中的溶解度（g/100g水）Table 1 Solubility of Na2SO4in NaCl solutions of different concentration at different temperatures（g/100g water）

還有一種化學(xué)治理是通過摻加化學(xué)藥品，將土中易溶硫酸鹽轉(zhuǎn)化為較難溶解的硫酸鹽，從而消除產(chǎn)生土體膨脹的主要因素，達(dá)到治理目的［8］。目前常用的化學(xué)藥劑有氯化鋇和氯化鈣兩種，其化學(xué)反應(yīng)式為：

反應(yīng)生成的硫酸鋇和硫酸鈣都是比較穩(wěn)定的物質(zhì)，此方法施工簡單安全，經(jīng)濟(jì)有效，在建筑業(yè)已得到廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)處治應(yīng)特別考慮其成本、安全和是否有毒性，否則會影響其實(shí)用性和推廣。

（6）其他方法

除了所提及的上述方法外，還可以通過加固路基路面，增強(qiáng)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，達(dá)到減緩鹽漬土的鹽脹性，主要措施有強(qiáng)夯法、浸水預(yù)溶加強(qiáng)夯法、擠密樁加固地基、石灰（水泥、瀝青）穩(wěn)定土，不再詳細(xì)介紹。

在鹽漬土地基處理時，要注重生態(tài)環(huán)境改善方面，通過栽植耐干旱、耐鹽堿的樹木、植被來降低地下水位，防沙固鹽，美化道路環(huán)境，改善氣候和生態(tài)環(huán)境。

總之，鹽漬土地段的地基處理措施應(yīng)該結(jié)合具體實(shí)際情況，結(jié)合地層物理力學(xué)參數(shù)、地下水發(fā)育情況（含侵蝕性）、基底持力層以及工程設(shè)置情況綜合分析，采用多種方法相結(jié)合的處理措施。

6 結(jié)語

鹽漬土路基病害是我國西部地區(qū)鐵路普遍存在的主要工程問題，如何對其病害性質(zhì)、成因、影響程度作出符合實(shí)際的判斷與評價，研究切實(shí)可行的工程處理措施，是解決這些問題的關(guān)鍵所在。本文在總結(jié)以往鐵路路基處理措施的基礎(chǔ)上，對增建包蘭二線鐵路鹽漬土病害治理措施提出建議，以達(dá)到解決這一問題的目的。

［1］鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（TB10012－2007）［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］史桃開，徐攸在.鹽漬土地基的膨脹性［J］.工程勘察，1994，（03）：17，20.

［3］徐學(xué)祖，王家澄.土體凍脹和鹽脹機(jī)理［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

［4］郭興.硫酸鹽漬土松脹和鹽脹工程性質(zhì)淺析［J］.青海交通科技，2008，（3）：23－24.

［5］牛璽榮.硫酸鹽漬土地區(qū)路基水、熱、鹽、力四場耦合機(jī)理及數(shù)值模擬研究［D］.長安大學(xué)，2006.

［6］李善皋.《鐵路特殊土路基設(shè)計(jì)規(guī)范》專題報告——鹽漬土地區(qū)毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度計(jì)算公式的探討［J］.路基工程，1989，（05）：86.

［7］劉永球.鹽漬土地基及處理方法研究［D］.中南大學(xué)，2002.

［8］朱瑞成.鹽漬土地基的評價及處理方法［J］.西部探礦工程，1990，（4）：45.

SALT EXPANDABILITY OF SULFURIC ACID SALINE SOIL AND ELIMINATING ITS HAZARDS ON THE SECOND BAO－LAN RAILWAY

Zhu Zhi－tong，Li Guo－min
（College of Engineering Technology of China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

The formation conditions of the sulfuric acid saline soil include topography，climate，engineering geology and hydrologic geology.Its salt expandability results mainly from sodium sulfate content，water content and temperature.In the roadbed treatment，the salt expansion or its hazards should be comprehensively controlled in accordance with these conditions and factors by raising the roadbed，building set－off layers，changing cushions，placing insulation or conducting chemical treatment.

sulfuric acid saline soil；salt expandability；roadbed treatment

P642；S156.4＋1

A

1006－4362（2011）03－0084－05

2011－04－11 改回日期：2011－06－07

朱芝同（1986－ ），男，漢族，山東菏澤人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，研究方向?yàn)榛A(chǔ)工程。