鹽漬土的鹽脹特性及公路病害處治技術(shù)
交通是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，各行業(yè)要發(fā)展，都離不開交通運(yùn)輸，而公路質(zhì)量的好壞，直接影響著交通運(yùn)輸。然而，在新疆存在著重鹽漬土和強(qiáng)鹽漬土地區(qū)，土壤鹽漬化是新疆高等級公路地基失效的主要方式，也是引起高等級公路破壞的主要原因，對公路工程建設(shè)的危害性很大，危害主要有兩種：鹽脹與鹽溶蝕，其中公路鹽脹病害較為嚴(yán)重。含有硫酸鹽的鹽漬土，降溫時(shí)硫酸鹽吸水結(jié)晶、體積增大、促使土體膨脹；溫度升高時(shí)，硫酸鹽又脫水，體積變小，致使土體疏松。鹽脹主要隨溫度變化而發(fā)生體積變化，引起地表松脹，導(dǎo)致公路路基、路面變形破壞。鹽脹使新疆公路路面每年都隨季節(jié)產(chǎn)生不同程度的破壞，造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。
1、新疆鹽漬土積鹽特征及分布規(guī)律
新疆四周高山環(huán)繞，北部與東北為阿爾泰山，西南為帕米爾高原，西北為準(zhǔn)噶爾盆地以西山地，南為昆侖山與阿爾金山，中部有天山橫貫東西，天山以北為北疆，天山以南為南疆，形成“三山夾兩盆” 封閉式的內(nèi)陸盆地。
新疆遠(yuǎn)離海洋，因受海洋氣流的影響很小，大陸性強(qiáng)，平原地區(qū)降水量少，日照強(qiáng)烈，蒸發(fā)旺盛，氣候干燥。北疆屬于溫帶干旱、半荒漠、荒漠氣候，南疆屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，全疆氣溫年差很大，夏季北疆一般在40℃ ～45℃ ，南疆在30℃ ～35℃。北疆平原區(qū)各地年降水量多在150 mm～200mm，南疆平原區(qū)都不足100mm，東南部大多在50mm以下。蒸發(fā)量：北疆各地多在1600mm～2000mm；南疆一般為2000mm～3000 mm。
在山區(qū)和各地內(nèi)還有地形低凹，排水不暢通的小盆地與洼地。境內(nèi)除額爾齊斯河外，都是內(nèi)陸河，徑流不出境外，鹽分也只能在盆地內(nèi)部重新分配。由山區(qū)含鹽地層分化的成土母質(zhì)，通過水流把鹽分帶到盆地，使地面水與地下水的礦物質(zhì)逐漸增高，成為盆地與低洼土壤鹽份的主要來源。新疆強(qiáng)烈蒸發(fā)的氣候條件和地下水礦化度較高的水文地質(zhì)條件是新疆土壤積鹽嚴(yán)重的主要因素。另外，大量鹽生植物和人類頻繁破壞活動(dòng)也加劇了土的鹽漬化。
新疆鹽漬土主要發(fā)育在河流沖積平原上。在地勢低平地區(qū)分布有鹽堿荒漠土和結(jié)皮鹽土；沿天山南北兩側(cè)沖積扇邊緣的泉水帶分布的是鹽化草甸土、鹽化和沼澤荒漠土；天山以南盆地的洼地和塔里木河兩岸分布的是鹽化草甸土。在上述鹽土分布區(qū)內(nèi)也有堿土分布。鹽土鹽份較為復(fù)雜，以硫酸鹽和氯化物為主。天山以北伊犁盆地的鹽土以氯化物硫酸鹽為主；天山以南和東部地區(qū)的鹽土分別以硫酸鹽和氯化物為主；各盆地洪積扇邊緣的鹽土以硫酸鹽為主；南疆的鹽土主要含有碳酸鹽。全疆境內(nèi)鹽漬土大約有9．6萬平方公里，約占全區(qū)總面積的6%。
2、鹽漬土鹽脹基本特征
2．1 鹽脹機(jī)理
鹽漬土的鹽脹，是由于土中液態(tài)或粉末狀的硫酸鈉在外界條件變化時(shí)吸水結(jié)晶而產(chǎn)生體積膨脹所造成的。而促使硫酸鈉結(jié)晶的這個(gè)外界條件主要是溫度的變化，因?yàn)榱蛩徕c的溶解度對溫度的變化非常敏感，如圖1所示。
從圖1中可以看出，硫酸鈉在溫度為32．4℃ 時(shí)，溶解度達(dá)到峰值，高于或低于這個(gè)數(shù)值，溶解度都將降低。當(dāng)溫度低于32．4℃ ，且溫度是從高向低變化時(shí)，則不論溶解在水中的硫酸鈉，還是以粉末狀存在的硫酸鈉，將有一部份吸收10個(gè)水分子而變成芒硝晶體，其分子式可表示為Na：SO ·10H O，此時(shí)體積增大；當(dāng)溫度從低向高變化或高于32．4℃時(shí)，晶體硫酸鈉很快溶解于水或恢復(fù)到原來的粉末狀態(tài)，體積相對縮小。
硫酸鈉吸水結(jié)晶，體積增大值可以從下式求得：
由上述結(jié)果可知，結(jié)晶后的硫酸鈉的體積為無水硫酸鈉體積的3．1倍。
2．2 鹽脹形成過程
?。?）路基土鹽脹的形成，是由土體內(nèi)硫酸鈉的遷移聚積、結(jié)晶體脹和土體膨脹三個(gè)過程的綜合結(jié)果。土體硫酸鈉的存在及遷移聚積是造成鹽脹的物質(zhì)基礎(chǔ)。在自然地面下，由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽份向地層表處聚積明顯，而路基土因上面有路面材料覆蓋，蒸發(fā)強(qiáng)度與自然地面相比大大減弱，鹽水遷移除受地下毛細(xì)水上升影響外，低溫作用是主要的遷移條件，因而路基土鹽份聚積有其特殊的規(guī)律，積鹽過程要靠多次降溫才能實(shí)現(xiàn)。鹽份的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由溫度較高處向較低處遷移，遷移強(qiáng)度秩序土體中硫酸鈉在降溫中析水結(jié)晶并伴隨體積膨脹是產(chǎn)生鹽脹的根源。硫酸鈉在微遷移過程中，會(huì)在土粒接觸點(diǎn)產(chǎn)生聚積結(jié)晶，是導(dǎo)致鹽脹劇增并引起土體變形破壞的關(guān)鍵。
?。?）土層內(nèi)硫酸鹽溶液隨溫度的降低不斷產(chǎn)生結(jié)晶，此時(shí)土體上下層間鹽溶濃度出現(xiàn)濃度差，有了濃度梯度將加劇下層鹽份向上層（冷端）遷移。但當(dāng)降溫速率較大時(shí)，結(jié)晶后剩余的鹽溶液一時(shí)得不到下層鹽分補(bǔ)給，冰點(diǎn)提高，在土體溫度低于 后就可能產(chǎn)生結(jié)冰，冰晶體的存在，同樣可引起土粒的位移，加劇土體變形。
2．3 影響鹽潰土鹽脹的主要因素
2．3．1 含量
當(dāng) 含量<1%時(shí)，鹽脹率均小于1%；當(dāng) 含量>2%時(shí)，鹽脹率隨含量的增加而迅速增大。
2．3．2 NaC1含量
?。?）由于NaC1對的鹽折作用，能降低溶液中的濃度，從而可使鹽脹率降低，且含量越高降低效果越顯著。隨著NaC1含量的增加，各種含量的鹽土的鹽脹率均趨于減小，但NaCl含量>5%以后效果不顯著。
（2）NaCl還使含鹽土的起脹溫度降低，NaCl含量越高降低越多，但NaCl含量>5%以后效果不顯著。
2．3．3
（1）在比值≤2的情況，隨著比值的增大，鹽脹率明顯降低；比值在2～6，鹽脹率無明顯變化；比值>6以后，鹽脹率隨著比值的增大可能降低（含量為2%），也可能緩慢升高（含量為3%）。
?。?）比值一定時(shí)，鹽脹率隨含量的增加而不斷增大。
2．3．4 含水量
當(dāng)含水量<6%時(shí)，無論含量為多少，鹽脹率均小于1%；當(dāng)含水量>6%時(shí)，鹽脹率隨含水量的增加而迅速增大，但有一峰值，超過此值后，含水量繼續(xù)增加鹽脹量反而減小。
2．3．5 溫度
（1）起脹溫度與含量有關(guān)，也與含水量和NaCl含量有關(guān)。含量大時(shí)起脹溫度可提高，含量小時(shí)可降低，含量小而含水量又大時(shí)則可降低更多。
（2）降溫速率對鹽脹有顯著影響。鹽脹率與降溫速率成冪函數(shù)關(guān)系，即鹽脹率隨降溫速率的減小以冪函數(shù)增大。降溫速率對鹽脹率的影響還與土的密度和含量有關(guān)。在含鹽量≤1%時(shí)，降溫速率變化對鹽脹率幾乎沒有影響，只當(dāng)含鹽量≥2%時(shí)，降溫速率變化對鹽脹率才有顯著影響，而且隨著含鹽量的增大影響越來越大”
3、新疆鹽漬土地區(qū)公路病害狀況
新疆的公路交通布局是以國道干線為主。全疆主干線公路共有八條。鹽漬土路段主要分布在218、217、216、312、314、315等線路內(nèi)；約有925 km，占到總干線公路的1/10。
3．1 217線阿勒泰一庫車
路線長1079km，穿過鹽漬土地區(qū)路段106km。自烏爾禾（k301）至克拉瑪依（k419），路基屬鹽漬土與戈壁間隔交叉狀況，路面平整。從k419～k 525段，近幾年大部分經(jīng)過改造，但由于路基中含有過高的硫酸鹽，部分路線因鹽脹出現(xiàn)大面積鼓包、裂紋。
3．2 314線烏魯木齊一紅其拉浦
東起自治區(qū)首府烏魯木齊，西至紅其拉浦，全長1896 km，除k180～k230外全部為黑色路面，路線通過鹽質(zhì)土地區(qū)路段長約189km。其中，在焉耆盆地、k387～k415、k435～k444段，路基鹽類以中或強(qiáng)硫酸鹽、氯化物硫酸鹽為主，局部地段有硫酸鹽氯化物。由于路線穿過博斯騰湖邊緣，該路段地下水位很高，某些低洼地帶并有長期地表積水。路面破壞比較嚴(yán)重，主要病害有：鹽脹導(dǎo)致路面鼓包、波浪、局部不均勻沉陷、嚴(yán)重縱向裂縫和坑槽；季節(jié)性翻漿致使路面出現(xiàn)彈簧、波浪、冒泥漿。
3．3 315線芒崖一喀什
路線全長1397km，所經(jīng)地區(qū)大部分處于塔里木盆地南緣的干旱地區(qū)，受鹽質(zhì)土危害路段長162km。在若羌、且未至民豐一線，k646～k722和k836～k884段，路基土已強(qiáng)鹽漬化，路面為砂礫面層，主要病害是大搓板。策勒、和田、墨玉一帶，鹽漬土被沙漠分隔成斷斷續(xù)續(xù)的塊狀，路線自k 1026～k1030、k1076～k1082、k1103～k1106、k1184～k1252就屬于這種鹽漬土與戈壁問隔交叉狀況，該段地下水位較低，路面相對比較低，路面相對比較平整。在英吉沙附近k1675至k1683，由于土基中硫酸鹽含量過大，地下水位較高，路面破壞比較嚴(yán)重。
4、公路鹽脹病害防治措施
4．1 化學(xué)方法
研究者用灌人氯鹽的辦法來抑制硫酸鹽漬土的鹽脹，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)土中的時(shí)的比值增大到6倍以上時(shí)，抑制鹽脹的效果最為顯著。在硫酸鹽漬土中參人氯鹽之所以能減少鹽脹，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減小。
這種方法對治理硫酸鹽漬土路基的病害很有效，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。
4．2 隔斷法
隔斷法就是在路基某一層位設(shè)置一定厚度的隔斷層，其根本目的是隔斷毛細(xì)水的上升，防止水分和鹽分進(jìn)入路基上部，從而避免路基或路面遭受破壞。隔斷層類型按采用材料有土工布（膜）隔斷層、風(fēng)積砂或河砂隔斷層，礫（碎）石隔斷層和瀝青砂，油毛氈等隔斷層。礫石和風(fēng)積砂屬透水性隔斷層，只可隔斷毛細(xì)水的上升。土工膜、瀝青砂、油毛氈屬于不透水性隔斷層，可隔斷下層毛細(xì)水和水蒸氣上升。
新疆目前推行的，采用18絲厚的高壓聚乙烯防滲膜，這是鋪水渠或大壩隔墻的水工材料，選用此材料：一是當(dāng)?shù)厣a(chǎn)，料源不缺，價(jià)格便宜；二是幅面寬5．5m～12．0m，可以按設(shè)計(jì)訂貨，鋪蓋路基全寬搭接少，施工方便，三是鋪于路基頂以下80cm～100cm，其柔塑性好，拉伸率達(dá)300%，即使下部土鹽脹也不會(huì)鼓破。它還具有抗老化、防腐蝕等性能。
4．3 換土墊層法
鹽漬土地區(qū)地表的鹽殼及其下的松土都不能承受路基的荷載．鹽殼被路基掩埋后，如仍然在毛細(xì)水上升作用范圍內(nèi)，鹽殼的含鹽成份被逐漸溶解而變成很疏松的土，往往造成路基沉陷、路面破壞，而且在毛細(xì)水作用下，容易使路基再次鹽漬化．因此地表鹽殼及其上超過允許含鹽量的土均應(yīng)清除一般情況下是把有效鹽脹深度范圍內(nèi)的鹽漬土挖掉，用一定厚度的非鹽漬土、灰土或砂礫料回填，可從根本上消除由于鹽漬土造成的鹽脹、塌陷等病害。
新疆奎賽高等級公路第八合同段k 395+000～k 403+200段，穿越鹽生蘆葦?shù)屯莸囟?，路堤平均高度?．40m，原地基經(jīng)鉆探試驗(yàn)后，地質(zhì)資料見表1。
由試驗(yàn)資料可見，該段地表鹽漬土含鹽量極高，而1m以下含鹽量漸少，此段工程采用了換填法，設(shè)計(jì)為換填1．2m礫石土，基本上將鹽漬土挖除，清除了危害。
4．4 提高法
提高法即提高路基填筑高度，以使上部路床受鹽漬影響弱小。在綠洲境內(nèi)排水不良過濕地帶，一般采用該法。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡單方便，缺點(diǎn)是填土過高，行車不甚安全且如果填料控制不嚴(yán)，易使土基次生鹽漬化。
新疆奎賽高等級公路第六合同段k367+450～k369+750，k371+050～k373+500段，原地基鹽漬化程度低，為氯鹽弱鹽漬土，表層含量為0．954，20cm深度處為0．556，50 cm深度處為0．223。設(shè)計(jì)采用了提高路基法，路基填高為4．1m。清表后即就近取用礫石土填筑，效果明顯。
4．5 緩沖層法
緩沖層法是設(shè)一層一定厚度的不含砂的大粒徑卵石，使鹽脹變形得到緩沖，從而減小對路面的破壞作用，緩沖層的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)基本要求，一是其強(qiáng)度要滿足上部荷載的要求，二是緩沖層能基本消除鹽脹變形。
4．6 增設(shè)護(hù)坡
增設(shè)護(hù)坡方法是運(yùn)用某種材料做成防護(hù)坡，把路基邊坡覆蓋起來， 以防止邊坡松脹和雨水淋溶沖刷等，同時(shí)象蓋被子一樣起到保持土體溫度的作用。防護(hù)層的厚度要根據(jù)所選材料和當(dāng)?shù)貧夂驐l件而定，此法綜合效果好且較為經(jīng)濟(jì)。
5、結(jié)語
隨著西部大開發(fā)，鹽漬土地區(qū)每年有大量的公路需要建設(shè)。以往許多修筑在鹽漬土地區(qū)的道路由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低或在設(shè)計(jì)、施工處理不當(dāng)，很多路段沒有采取治理或治理不完善導(dǎo)致路基鹽脹或濕陷，路面變形、開裂，有不少路段出現(xiàn)病害，不能很好地發(fā)揮效益。此外，在鹽漬土地區(qū)還有大量修建年代比較早且病害嚴(yán)重的路段需要養(yǎng)護(hù)或改造。隨著西部大開發(fā)，以往許多修筑在鹽漬土地區(qū)的道路由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，很多沒有采取治理或治理不完善導(dǎo)致路基鹽脹或濕陷，路面變形、開裂，需要進(jìn)行整治，僅新疆每年就有上百公里路需要修建或改造。對新疆鹽漬土鹽脹的處理應(yīng)根據(jù)場地工程地質(zhì)條件結(jié)合公路工程特點(diǎn)，制定合理的處治原則，選擇有效的處治措施。
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