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(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830006；2 同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804；3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

0 引言

鹽巖是在長(zhǎng)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(hù)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(guó)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(xué)性能顯著優(yōu)于鹽漬土，但其對(duì)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(qiáng)，其鹽晶體填充于土體孔隙中，內(nèi)摩擦角較大，強(qiáng)度相對(duì)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(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注。

由于鹽巖環(huán)境敏感性極強(qiáng)，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(dāng)?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(zhǎng)時(shí)間后在路基內(nèi)形成的溶洞不斷發(fā)育，嚴(yán)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(duì)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(diǎn)，明確鹽巖主要工程特征是保證鹽巖填筑路基長(zhǎng)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(xué)特性，對(duì)比分析鹽巖溶蝕特性、鹽凍脹特性和融沉特性的作用機(jī)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(xué)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(duì)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(huì)溶解，用作路基填料時(shí)如果防護(hù)不當(dāng)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(duì)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(qiáng)度較高，形成條件特殊，鹽巖含鹽量越高時(shí)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(dá)19.8%～41.1%，溶解度達(dá)301～344 g/L，溶解速度達(dá)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(hào)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(xué)特性

鹽巖地層結(jié)構(gòu)復(fù)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(yán)重影響鹽巖的力學(xué)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(qiáng)固結(jié)體4類，其中強(qiáng)固結(jié)體鹽巖顆粒之間固結(jié)緊密，具有較好的力學(xué)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(huì)形成溶蝕孔洞，含孔洞鹽巖路基的受力變形將嚴(yán)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(huì)出現(xiàn)拉伸破壞，而不出現(xiàn)剪切破壞。張波[20-21]等對(duì)不同破壞工況下鹽巖路基受力狀況進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)單個(gè)圓形孔洞鹽巖路基危險(xiǎn)受力點(diǎn)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(dāng)2個(gè)孔洞在同一豎向時(shí)所研究孔洞正下方的孔洞對(duì)其危險(xiǎn)點(diǎn)的受力影響很小，而處在同一水平向影響較大。

強(qiáng)度是考察鹽巖用作筑路材料可行性的關(guān)鍵性能指標(biāo)。鹽巖遇水后強(qiáng)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(qiáng)度較高的鹽巖塊體[22-23]。安尼瓦[24]等對(duì)鹽巖進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨烘干時(shí)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(dá)到最大值，深度60～160 cm的試樣烘干后抗壓強(qiáng)度較低，不同位置試樣強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度能滿足路基規(guī)范要求，并且隨壓實(shí)度提高而增加。肖軍華[26]等研究了粒徑、干密度和含水率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)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(shí)，含水量在8%附近抗壓強(qiáng)度最高。周鵬海[27]研究了壓實(shí)度、易溶鹽含量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)92%壓實(shí)度無側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過0.5 MPa，在95%壓實(shí)度條件下易溶鹽含量40%以上的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到0.50 MPa，能滿足石灰穩(wěn)定土底基層強(qiáng)度低限要求。劉軍勇[15]等對(duì)鹽巖進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)天然鹽巖極限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.76～7.43 MPa，平均為4.47 MPa。王祥[28]對(duì)鹽巖試樣進(jìn)行動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，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(xué)英[29]通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)鹽巖的破壞強(qiáng)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(qiáng)度對(duì)比 [24]

2 鹽巖溶蝕特性與影響因素

2.1 溶蝕作用機(jī)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(jī)理主要從化學(xué)溶解動(dòng)力學(xué)角度展開研究，鹽巖的溶解與可溶性鹽相同，主要由3個(gè)基本過程構(gòu)成：溶劑進(jìn)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(kuò)散到溶劑中。鹽巖溶蝕過程如圖3所示[30]。從物理化學(xué)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(kuò)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(xué)過程[31]。湯艷春[32]等對(duì)鹽巖溶蝕過程進(jìn)行簡(jiǎn)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(kuò)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(jiǎn)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(huì)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(duì)減少，鹽巖溶蝕速率減緩；若鹽巖呈多孔構(gòu)造，將會(huì)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(shí)，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(huì)導(dǎo)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(duì)不同組成和結(jié)構(gòu)的鹽巖塊進(jìn)行了多狀態(tài)下的浸泡試驗(yàn)，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(dá)到平衡的時(shí)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(shí)間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。吳麗華[11]等基于單軸和三軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)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(jī)理

鹽巖成分復(fù)雜，在溫濕度變化下會(huì)產(chǎn)生不同程度的鹽凍脹現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)研究者借助CT掃描技術(shù)對(duì)鹽巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描分析，針對(duì)鹽巖的鹽凍脹機(jī)理研究也取得了一定進(jìn)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(cè)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(qiáng)固結(jié)體結(jié)晶形式共存，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)離散性大、強(qiáng)度低、密度小、孔隙度大。張宏[40]通過CT試驗(yàn)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(kuò)展，但損傷速率下降緩慢?？偠灾?，鹽巖填料中的自由水會(huì)沿著鹽巖結(jié)構(gòu)的孔隙、裂隙、裂紋等進(jìn)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(jìn)一步加速裂隙和裂紋的發(fā)展，做好鹽巖路基防水，對(duì)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(jī)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(jìn)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(kuò)散等基本過程[48]。鹽巖溶解度高達(dá)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(hù)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(qiáng)，當(dāng)溫度增加到高于32.4 ℃時(shí)，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(diǎn)時(shí)，冰晶將會(huì)融化成自由水，鹽晶溶解和冰晶融化均會(huì)使鹽巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，在外界因素下會(huì)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(dá)到最大值。在工程應(yīng)用時(shí)把鹽巖控制在合理的溫度區(qū)間，可降低溫度變化對(duì)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(dāng)采用鹽巖作為路堤填料時(shí)，因鹽巖具有遇水即溶的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)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(guó)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(jì)施工階段主要從填料性質(zhì)和壓實(shí)質(zhì)量等方面進(jìn)行病害預(yù)防，包括嚴(yán)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(duì)表層病害進(jìn)行處治，針對(duì)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(huì)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(hù)過程中誘發(fā)的病害，根據(jù)國(guó)內(nèi)鹽巖填筑公路、鐵路路基易發(fā)病害和處治措施進(jìn)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(fù)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(tái)、路基坡腳設(shè)置反壓護(hù)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(duì)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(xué)特性的研究進(jìn)展，明確了鹽巖溶蝕特性、鹽凍脹特性和融沉特性的作用機(jī)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(duì)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(chǎng)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(gè)非常復(fù)雜的過程，可以設(shè)計(jì)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。