付玉濤

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濟南 250102

0 引言

我國鹽漬土主要分布在西北干旱地區(qū)的青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)，在華北平原、松遼平原、大同盆地和青藏高原的一些湖盆洼地也有分布[1]。不同地區(qū)鹽漬土的工程性質(zhì)存在差異，且同一地區(qū)不同深度的鹽漬土也有很大差異[2]。鹽漬土含有較多易溶鹽類，可以參照文獻[1,3]按分布區(qū)域、含鹽類性質(zhì)及易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)進行分類。鹽漬土具有鹽脹性、溶陷性、腐蝕性、吸濕性以及有害毛細作用等，是鹽漬土地區(qū)建設(shè)公路的主要病害[4-8]。在此類地區(qū)勘察施工時，除測量含水率、密度、界限含水率，進行直剪及壓縮等常規(guī)性試驗外，還應(yīng)對鹽漬土進行溶陷、鹽脹試驗、毛細水上升高度試驗及易溶鹽試驗，并通過電鏡掃描分析巖土結(jié)構(gòu)等[9-11]。

本文以察爾汗至格爾木高速公路工程為依托，對察爾汗鹽湖中過鹽漬土的土樣進行含鹽量試驗研究，測定沿線10 km、8個不同測區(qū)、20 m深度內(nèi)土樣中易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)，并觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

1 取樣與試驗方法

試驗樣本均采自青海察爾汗至格爾木高速公路項目，采樣地點分別位于察格高速公路K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、K597+500、K599+500、K601+500、K602+280等樁號位置。

1.1 土體取樣

采用豎直向下鉆孔設(shè)點取土的方法,研究土樣鹽分在垂直方向隨深度的變化規(guī)律，即鹽分豎向分布規(guī)律。勘察野外施工采用人工探井和鉆探2種取樣方法，人工探井取樣是指采用槽壁刻劃取樣，孔內(nèi)取樣是指采用單動三重管回轉(zhuǎn)取土器采取Ⅰ級原狀土樣[12]。探井與鉆探相輔取樣，探井深3.0～3.5 m，取樣間距為0.3～0.5 m，土樣長20 cm；鉆孔深20～23 m，自探井底部向下在內(nèi)部取樣，取樣最大間距為1 m，逐段間隔取樣，土樣長20 cm。本次探井和鉆探各8孔，共取原狀土樣224件。

1.2 土體基本性質(zhì)

線路區(qū)揭露地層為第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)地層，本地區(qū)巖土主要以粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、細砂、中砂、粗砂、圓礫、卵石等。本次采樣及試驗土樣以粉質(zhì)黏土、粉土為主，按照文獻[13-14]的要求進行試驗，參照文獻[3,15]對土樣進行分類，主要物理性質(zhì)如表1、2所示，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)如表3所示。

表1 粉質(zhì)黏土主要物理性質(zhì)

表2 含砂粉土主要物理性質(zhì)及顆粒組成

注：Cu為不均勻系數(shù)，Cc為曲率系數(shù)，ρ為天然密度

表3 鹽漬土試樣各離子質(zhì)量分數(shù)試驗結(jié)果 %

由表1～3可知，所采試樣以低液限粉質(zhì)黏土和含砂粉土為主，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為7.10%～89.66%，平均為47.59%，鹽漬土類別為氯鹽型過鹽漬土和強鹽漬土。

1.3 試驗測試方法

采用質(zhì)量法測定易溶鹽總質(zhì)量，先按土水質(zhì)量比1：5制取浸出液，注入蒸發(fā)皿中，放在水浴鍋上蒸干，稱量蒸發(fā)皿與試樣的總質(zhì)量，計算易溶鹽質(zhì)量。采用硝酸銀滴定法測定氯離子(Cl-)，采用EDTA絡(luò)合滴定法測定硫酸根離子(SO42-)，本文易溶鹽試驗方法參照文獻[13]266[14]354進行試驗。采用S-570型掃描電子顯微鏡，獲得放大400倍的照片。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 含鹽質(zhì)量分數(shù)隨深度變化規(guī)律

通過易溶鹽質(zhì)量分數(shù)試驗，測得K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、K597+500、K599+500、K601+500、K602+280等8個測區(qū)的含鹽質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 K593+550、K594+600、K595+550、K596+250測區(qū)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)隨深度變化曲線 圖2 K597+500、K599+500、K601+500、K602+280測區(qū)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)隨深度變化曲線

由圖1、2可知，各測區(qū)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)均隨深度的增加逐漸減少，中間出現(xiàn)多個鹽晶層，距地表14 m以下的土壤中易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)趨于穩(wěn)定，為10%～30%。表層易溶鹽集聚，一般在地表至地下2～4 m內(nèi)，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為40%～80%，有的表層高達90%以上，地表至地下0.3 m內(nèi)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)較高，達70%以上，原因是表層受日照蒸發(fā)影響，鹽層出現(xiàn)富集作用。隨著深度的增大，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)逐漸減小，一般距地表2 m以下為10%～40%，僅K593+550測區(qū)在距地表0～4 m易溶鹽質(zhì)量分數(shù)較大，為70%～90%，深度超過4 m后易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)逐漸減小。距地表4～8 m，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)急劇減小，為8%～37%，僅為表層的一半,并在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動。距地表8～14 m，K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、、K599+500和K601+500測區(qū)均出現(xiàn)多個鹽晶層，鹽晶層中易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)均與表層相當，一般為60%～80%，原因是毛細水上升引起易溶鹽富集[16]。只有K597+500和K602+280在此深度內(nèi)未出現(xiàn)鹽晶層，與其他測區(qū)對比分析發(fā)現(xiàn)，其表面鹽層易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)較其他測區(qū)小，距地表20 m內(nèi)均小于15%，說明孔內(nèi)土層易溶鹽較少時不易通過毛細水上升作用產(chǎn)生富集現(xiàn)象。深度超過14 m時，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)趨于穩(wěn)定，在較小范圍內(nèi)波動。K593+550和K599+500測區(qū)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)在深度為16 m時趨于穩(wěn)定，K594+600和K596+250測區(qū)易溶鹽質(zhì)量分數(shù)為8%～15%，K593+550和K595+550測區(qū)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為29%～39%，K597+550、K599+500、K601+500和K602+280測區(qū)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為8%～12%。

2.2 氯根離子質(zhì)量摩爾濃度、硫酸根離子質(zhì)量摩爾濃度與土層深度變化規(guī)律

鹽漬土中含有氯鹽及硫酸鹽，氯鹽對路基產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象，硫酸鹽對鹽漬土的鹽脹特性有重要作用[17-21]。分析氯根離子和硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度與土層深度的變化規(guī)律，8個測區(qū)氯離子質(zhì)量摩爾濃度與土層深度變化曲線如圖3、4所示。

由圖3、4可知：氯離子的質(zhì)量摩爾濃度隨土樣深度的變化規(guī)律與易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)基本一致，說明易溶鹽以氯鹽為主，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，氯鹽質(zhì)量摩爾濃度為170.0～14 911.2 mmol/kg，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為6.03%～52.93%。距地表0～4 m,氯離子摩爾濃度較高，超過4 m出現(xiàn)回落。距地表4～8 m時，氯離子的質(zhì)量摩爾濃度急劇減小并在穩(wěn)定范圍內(nèi)波動，為906.5～5 905.2 mmol/kg；深8～14 m時，K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、K599+500和K601+500測區(qū)氯離子的質(zhì)量摩爾濃度急劇增長，與易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)變化一致，同樣證實鹽漬土中易溶鹽以氯鹽為主。深14 m以下氯鹽的質(zhì)量摩爾濃度趨于穩(wěn)定，在較小范圍內(nèi)波動，而K593+550和K599+500測區(qū)土壤的氯離子質(zhì)量摩爾濃度在深16 m左右趨于穩(wěn)定，K594+600和K596+250測區(qū)氯離子質(zhì)量摩爾濃度為850.5～1 547.0 mmol/kg，K597+500、K599+500、K601+500和K602+280測區(qū)氯離子質(zhì)量摩爾濃度為710.5～1 151.5 mmol/kg，而K593+550測區(qū)的結(jié)果波動范圍較大，為3 575.0～13 056.3 mmol/kg。在本地區(qū)處理路基時，需著重研究氯鹽對路基的溶蝕作用，及氯鹽對構(gòu)筑物的腐蝕性影響。處理路基時，預(yù)防鹽漬土的鹽脹性對路基的影響，處理深度應(yīng)超過4 m。

圖3 K593+550、K594+600、K595+550、K596+250測區(qū)氯離子的質(zhì)量摩爾濃度隨深度變化曲線 圖4 K597+500、K599+500、K601+500、K602+280測區(qū) 氯離子的質(zhì)量摩爾濃度隨深度變化曲線

圖5 各測區(qū)硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度隨深度變化曲線

各測區(qū)硫酸根離子質(zhì)量摩爾濃度隨深度的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度與土樣深度之間的關(guān)系有較強的波動性，在20～60 mmol/kg時表現(xiàn)尤為明顯，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為0.1%～0.9%，硫酸根離子在鹽漬土易溶鹽中質(zhì)量分數(shù)較小，不是主要易溶鹽。在鹽晶層富集區(qū)內(nèi)，硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度急劇增加，最高達324 mmol/kg。K593+500測區(qū)硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度在深6.5～9.0 m及18.0～23.0 m時較高，突變明顯；K594+600測區(qū)硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度分別在0.4、6.9、12.9、18.9 m處明顯突變。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各測區(qū)硫酸鹽的質(zhì)量摩爾濃度為7.3～324.0 mmol/kg，易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為0.35%～1.92%。本地區(qū)硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度遠遠小于氯根離子。

2.3 鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)

表4 電鏡掃描鹽漬土樣

鹽漬土特殊的物理力學性質(zhì)由其微觀結(jié)構(gòu)決定，鹽漬土特殊的性質(zhì)決定了其特殊的路基病害[22]。為了研究鹽漬土的鹽脹性和溶陷性，反映鹽漬土的物理力學特性，本文在5個測孔內(nèi)選取同一深度的鹽漬土進行微觀電鏡掃描，分別選取易溶鹽質(zhì)量分數(shù)不同的鹽漬土進行試驗[23]，所選取電鏡掃描的鹽漬土樣如表4所示，電鏡照片如圖6、7所示(掃描倍數(shù)均為放大400倍)。

主要從試樣的密實性、結(jié)構(gòu)形式、孔隙、空隙、顆粒形狀、孔隙排列及連接形式等方面進行分析，結(jié)果如表5所示。

a) 樣本1 b) 樣本2 c) 樣本3

a) 樣本4 b) 樣本5

表5 電鏡掃描分析結(jié)果

3 結(jié)語

對察爾汗至格爾木高速公路工程的鹽漬土進行試驗研究，可得到以下結(jié)論：

1)測區(qū)內(nèi)鹽漬土易溶鹽質(zhì)量分數(shù)為7.1%～89.66%，鹽漬土類別為氯鹽型過鹽漬土。

2)各測區(qū)易溶鹽質(zhì)量分數(shù)隨取樣深度的增加而減少，距地表4 m內(nèi)易溶鹽富集，深8～14 m時出現(xiàn)多個鹽晶層，深度超過14 m土壤中的易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)均趨于穩(wěn)定。

3)氯鹽的質(zhì)量摩爾濃度隨土樣深度的變化規(guī)律與易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)一致，說明本地區(qū)鹽漬土內(nèi)的易溶鹽以氯鹽為主，距地表0～4 m時氯鹽的質(zhì)量摩爾濃度較高。預(yù)防鹽漬土的鹽脹性對路基的影響時，處理深度應(yīng)超過4 m。

4)硫酸鹽的質(zhì)量摩爾濃度隨土樣深度的變化有較強的波動性，本地區(qū)硫酸根離子的質(zhì)量摩爾濃度遠遠小于氯根離子。

5)研究鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，易溶鹽質(zhì)量分數(shù)不同，其組織結(jié)構(gòu)不同，結(jié)構(gòu)主要有架空、點式接觸以及接觸-膠結(jié)形式等。易溶鹽質(zhì)量分數(shù)小于20%時，顆粒以膠結(jié)為主，孔隙較??；易隙較大，而組織結(jié)構(gòu)較密實；當易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)大于40%時，鹽晶體和鹽顆粒清晰可見，并且鹽顆粒體積較大;易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)為45.74%時結(jié)構(gòu)最為致密，孔隙較小；當易溶鹽質(zhì)量分數(shù)較高時，孔隙以鑲嵌排列方式為主，出現(xiàn)架空孔隙，整體結(jié)構(gòu)較疏松。