西北内陆盆地粗颗粒盐渍土研究

西北内陆盆地粗颗粒盐渍土研究华遵孟,沈秋武(中国市政工程西北设计研究院,甘肃兰州　730000)摘要:本文概括论述了西北内陆盆地粗颗粒盐渍土的成因、赋存形态、分布规律、工程危害及其影响因素以及地基处理与防治措施等方面已有的研究成果,同时根据粗颗粒盐渍土研究现状的分析提出了今后研究方向和内容。

关键词:粗颗粒盐渍土;盐胀;溶陷中图分类号:P 64113,X 143文献标识码:AAbstract :R esearch results on coarse saline so il of no rthw estern inland basin in the aspects of genesis ,state of existence ,law ofdistributi on ,engineering hazard and its influential facto r ,ground treatm ent and p reventive m easures are briefly stated herein .T hetrend and contents ofresearch hereafter are p ropo sed based on the analyses of the p resent conditi on of research on coarse saline so il.Key words :coarse saline so il ;salt s w ell ;karst co llap se收稿日期:1999207226作者简介:华遵孟(19412),男(汉族),甘肃兰州人,高级工程师。

盐渍土是一种特殊地区性土。

在我国滨海、河流冲积平原及内陆盆地均有分布。

60年代之前,国内外针对农田盐碱化成因及改良做了大量研究。

60年代以后,随着盐渍土地区工程建设中不断出现的地表变形与基础腐蚀等病害,逐步开始对盐渍土地基工程性质进行研究。

近年来铁路、公路、石油系统、沿海与内陆地区的勘察与科研单位,已作了大量工作,并编制了行业或地方盐渍土技术标准。

国内外对盐渍土的研究大多集中于一般粘性土和粉土等细颗粒土并且地下水位较高的情况,而对西北地区粗颗粒盐渍土的研究程度相对不足。

本文根据已往工程及收集到的资料,重点针对西北内陆盆地粗颗粒盐渍土的研究现状进行综述。

1　粗颗粒盐渍土成因与赋存形态在甘肃河西走廊及新疆干旱地区的内陆盆地,地形地貌由地势较高的山前冲洪积扇戈壁荒漠地带逐步过渡到地势较低的冲积湖积平原。

第四系地层由山前砂砾卵石渐变为细颗粒粉土和一般粘性土。

地下水位自盆地边缘至盆地中心,由深变浅,直至出露形成盐湖(图1)。

暴雨季节由山间沟谷洪流携带的含盐物质,主要沉积在山前冲洪积扇的砂砾石层土体中,在降水和洪水的渗透淋滤作用和强烈的蒸发作用下,盐份以层状或窝状集聚于细颗粒夹层层面上,形成厚几厘米到十几厘米的结晶盐层或含盐砂砾透镜体,盐晶呈纤维状晶簇(图2)。

也有的在蒸发作用下结晶于卵石颗粒底部。

在这种特殊自然环境条件下,形成了西北内陆盆地特有的粗颗粒盐渍土。

图1　西北内陆盆地山前地貌分区图2　粗颗粒盐渍土分布形态2　粗颗粒盐渍土的分布规律戈壁砾石滩上的粗颗粒盐渍土具有平面分布的不连续、不均匀性和垂向分布的表聚性。

在平面上盐份主要富集在沟谷洪流的主线附近,在垂向上盐份富集在地表下3m 以内,随深度增大含盐量减小,并且所含盐类由表层以硫酸盐、亚硫酸盐为主,向深部逐步变为以氯盐、亚氯盐及碳酸盐为主(图3)。

图3　含盐类型随深度变化散点3　粗颗粒盐渍土的工程危害及其规律性无论粗颗粒盐渍土或细颗粒盐渍土,作为工程地基使用时,都可能对工程建设产生不同程度的各类危害。

根据含盐性质不同,盐渍土的工程危害分为溶陷、膨胀及侵蚀三类。

311　溶陷性无论氯盐、硫酸盐土,均可产生溶陷。

这是盐渍土地基浸水饱和后产生的变形问题,以氯盐渍土最为明显。

由于氯盐具有较强的吸湿性,随着含水量增大或土体浸水,与土颗粒胶结并共同起骨架作用的盐晶溶解,土中盐分充填的孔隙在荷载作用下失稳压密,造成地基下沉。

石油系统规范对溶陷性借用黄土湿陷性的概念用溶陷系数表示,当溶陷系数大于011时定为溶陷性盐渍土,并且也计算溶陷量并划分了3个溶陷等级。

细颗粒盐渍土采用黄土湿陷性试验设备与方法测定溶陷系数;对粗颗粒土可以用液体排开法或现场浸水载荷试验确定溶陷性。

有资料报道,浸水前卵砾石含盐土承载力大于1000kPa ,浸水后降低50%,溶陷量大于15c m ,并且有自重湿陷性。

溶陷性一般与含盐量、厚度及浸水程度有关,浸水量越大、厚度越大、含盐量越大,下沉量也越大。

如果没有浸水这一前提条件,尽管含盐量很高,也不会产生溶陷变形。

青海柯柯、寨尔汗盐湖的超氯盐渍土,含盐量大于10%,表层坚硬的盐壳强度很高,干旱条件下多年来一直稳定运行。

312　盐胀性(1)盐胀机理:盐胀主要产生于硫酸盐渍土地区。

硫酸钠溶解度受温度控制,在3214℃以下,溶解度随温度升高而增大,无水硫酸钠吸收10个水分子而变为晶体芒硝(N a 2SO 4 10H 2O ),体积增大118～311倍并产生400kPa 膨胀力;温度高于3214℃时,溶解度下降,晶体脱水变成粉末,土体结构破坏后呈松软潮湿状态,地基强度降低。

由于土体地温随气温升降而反复变化,硫酸盐反复产生胀缩和相变,地基则表现出盐胀的累积性和不可逆性特点。

粗颗粒盐渍土内盐份集聚形态、含水程度及水盐运移特点与细粒土,特别是地下水位浅的细粒盐渍土有很大差别,不像细粒土中那样盐份随水位变迁毛细水升降而变化。

在路面覆盖下没有了盐份因降水渗透向下部渗透淋滤的过程,但气态水是否携盐向上部运移是值得研究的问题。

(2)盐胀的影响因素1)含盐量:铁路规程认为路堤填料中N a 2SO 4>2%时,膨胀率随含盐量增大而有明显增大,对路基会产生危害。

新疆对公路病害的调查,也认为硫酸盐含量2%以上时病害发生率高。

对粗颗粒盐渍土究竟定为多少尚无定论。

根据敦煌机场取样资料,3m 以上含盐量在015%～3%之间,一般为1%左右,产生了盐胀。

在垫层石料中混入的含盐砂土中含盐量也多低于1%。

究竟有害界限值定多少合适,有待进一步积累资料。

2)温度:盐胀主要发生在秋末冬初及春夏之交气温昼夜变化较大的季节。

敦煌机场进行道面变形观测的结果符合这一规律,而且松胀主要发生在路基上部接近地表温差变幅最大的深度段。

就昼夜而言,室内观测温度与变形曲线规律十分明显,鼓胀发生在傍晚降温时,而沉降变形发生在上午升温时(图4)。

图4　每日盐胀量与温度变化曲线3)含水量:盐胀的产生必须具备足够的结合水份。

戈壁砂砾天然含水量一般仅1%～3%,雨后较高但很快蒸发,本来不具备盐胀的条件。

盐胀都表现在建筑物或路面建成之后。

敦煌机场1984年建成,1987年铺设沥青路面后盐胀就明显的表现出来。

鼓胀最严重的是在道肩,几乎全部产生纵向鼓埂,平均鼓胀量14～16c m ,中心线附近平整度稍好,但也每隔数十米有一条横向鼓埂。

说明路面覆盖后气态水的积聚和路面排水侧渗使含水量增大,为膨胀变形加剧提供了有利条件。

有资料认为盐渍土含水量接近最优含水量时,胀量最大。

4)土体密度:已有研究资料介绍,细粒土盐胀率随土体密度增大而变化,粘土初始干密度越大,盐胀率越小,胀后干密度降低幅度越小。

而粉质土则相反,胀后干密度降幅越大,不能用增大干密度的办法来抑制盐胀。

对粗颗粒盐渍土,密度对盐胀的影响应是迟钝的。

受颗粒级配影响,孔隙率不同,颗粒大孔隙大时粒间孔隙提供了一定的发展空间,反映在地表的盐胀变形应有减少的趋势。

5)其它因素:降温速率越低,上覆压力越小,盐胀变形得到充分发展的时间和空间条件越好,盐胀率越高。

这一规律对细粒土和粗粒土都是适用的。

总之,细粒土盐胀影响因素的研究对粗粒土盐胀规律的认识具有指导和借鉴意义,但定量分析起来粗粒土难度更大。

有没有可能确定盐胀的临界含盐量、起始含水量以及地层结构和颗粒组成对盐胀的影响程度,还有待大家共同努力。

4　盐渍土的地基处理与防治411　消除溶陷性的处理措施(1)浸水预溶法:采用充分浸水后的渗透淋滤作用将表层盐份转移到下部,消除大部分溶陷量,降低溶陷等级。

适用于高含盐量、渗透性好的地基,青海花土沟有成功的经验。

渗透性不良时可打透水砂孔,也可采用提高灌注水温度的方法增强溶解度。

(2)强夯:适用于结晶盐含量少、孔隙大的非饱和低塑性土,新疆采用较普遍。

也可将浸水预溶加强夯或堆载两种方法相结合,效果更好。

对结晶盐含量较高的情况很适用,青海花土沟炼油厂有成功的实例。

412　盐胀处理措施(1)换土。

采用不含盐的块石或卵石设置隔离层,或采用沥青砂或灰土材料设置隔绝层。

前者有隔断毛细水及盐份向上运移,但不能隔断气态水向上运移及地面水入渗,适用于地下水位高的情况。

后者则可起到隔断水盐向上富积的作用。

敦煌机场试验段采用不同结构,效果不同就说明这个问题。

换土方法适用于盐渍土不厚的情况,换填厚度为主要含盐深度。

盐份分布深度较大时也可换填为碎石墩形式,以保证不产生过量盐胀。

(2)化学治理方法。

采用灌注B aC l2或CaC l2溶液渗透的方法,将易溶的N a2SO4转换为难溶的B aSO4或中溶的CaSO4。

处理深度不受限制,施工方便,但成本较高。

413　盐渍土危害的防治措施(1)为防止地面水侧向渗透进入地基产生溶陷或盐胀危害,应采取室内外防水措施,室外防护距离7～10m,室内应设灰土或油砂垫层。

对路基可采用设防水帷幕的办法。

(2)保证垫层或回填材料中含盐量不超过有害含盐量。

对公路、铁路和机场跑道这类战线较长、工程量较大的工程,需要加强监理和检测。

5　粗颗粒盐渍土研究现状与今后的研究方向511　缺乏对粗颗粒硫酸盐渍土盐胀机理的研究目前国内资料对粉土和一般粘性土类型的盐渍土认识比较深入,除了它的溶陷性、腐蚀性机理外,还对盐胀性有过一些研究,认识到盐胀率随含盐量、含水量增大而增大,随上覆荷载、土体密度及温度变化速率增大而减小。

但对粗颗粒盐渍土,上述因素的影响程度和变化规律尚未进行专门研究。

512　缺乏对覆盖效应的研究上述粗颗粒盐渍土分布地区,地下水位埋藏较深,在建筑物地坪或公路、机场跑道路面覆盖下蒸发条件改变后,由于昼夜及季节温差变化,地基或路基土中气态水向上部迁移凝聚,引起水份与盐份含量及相态的变化,从而不断改变着盐胀产生与发展条件。

有关覆盖效应的研究,难度较大,听见报道很少。

513　缺乏严密有效的研究手段无论室内模拟试验还是原位观测试验,必须严密控制并监测温度、湿度、含盐量等试验条件,排除多种因素干扰,才能得到准确的结论。

对不能取得原状试样的粗颗粒土,在现场条件下要控制这些试验条件是比较困难的,不注意这些问题往往试验失败。