包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段鹽漬土成因分析及防治措施

張立志

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

包蘭鐵路惠農(nóng)至蘭州段線路是京蘭通道的重要組成部分，是西北地區(qū)與華北地區(qū)客貨交流的主要通道之一。起點包頭，途經(jīng)寧夏回族自治區(qū)石嘴山市、銀川市、吳忠市、中衛(wèi)市，而后進入甘肅省白銀市、蘭州市，終至蘭州東站，全長457.18 km。該線路分為三部分進行勘察設(shè)計，即惠農(nóng)至銀川段、銀川至中衛(wèi)段、中衛(wèi)至蘭州段。其中，惠農(nóng)至中衛(wèi)段屬于既有線，中衛(wèi)至蘭州段屬于新線。

地質(zhì)勘查結(jié)果表明，該線路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線普遍存在鹽漬土分布，對未來鐵路的路基會產(chǎn)生很大危害。本文主要在充分分析包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線鹽漬土形成機制，鹽漬土病害的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的鹽漬土路基病害防治方法，為線路的正常施工和維護提供一定的科學依據(jù)。

1 包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段鹽漬土成因分析

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析，包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線經(jīng)過的地貌單元分為黃河沖積平原及河谷區(qū)、山前及山間沖洪積平原區(qū)、低緩丘陵區(qū)、黃土梁峁區(qū)及低中山區(qū)。沿線出露的地層主要有第四系、上第三系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石灰系、泥盆系、寒武系、震旦系等地層。其中影響鹽漬土分布及特征的主要是第四系的地層。

本區(qū)第四系地層包括全新統(tǒng)、下更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)，其中全新統(tǒng)地層由人工堆積層、沖積層、洪積層和殘坡積層組成，巖性主要為粉質(zhì)黏土、粉土、黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土、粉細砂、中砂、粗砂、圓礫土、碎石等。

1.2 氣象水文條件

該線路通過的地區(qū)主要屬于中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，以干燥少雨，多風沙，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜、四季溫差大，降雨集中，蒸發(fā)強烈為特征。年平均氣溫8.3℃ ～9.5℃，最冷月平均氣溫 －15.8℃ ～－6.1℃;年平均降水量181.1～319.6 mm，年最大降水量253.7～546.7 mm，雨季集中在7、8、9三個月，年平均蒸發(fā)量1 457.7～2 109.9 mm;土壤最大凍結(jié)深度為0.83～1.03 m。

沿線主要河流包括黃河干流、宛川河、米糧川等，除黃河干流外沿線溝谷一般為季節(jié)性河溝。沿線局部地段分布有季節(jié)性或常年積水水塘，是由于地下水位埋藏較淺，局部低洼地帶地下水溢出，加之地表排水不暢而形成。地下水類型主要包括第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，分布于山前傾斜平原及黃河沖積平原階地上，其補給來源為黃河河水、水渠滲漏、農(nóng)田灌溉水及大氣降水。

1.3 研究區(qū)土壤鹽漬化形成機制

研究表明[1-3]，土壤鹽漬化是地下水埋深較淺，地表蒸發(fā)強烈地區(qū)土壤中水鹽運移結(jié)果的一種表現(xiàn)形式。主要受土壤類型、土壤質(zhì)地、地下水埋深和氣候條件等影響，且地下水位埋深淺以及地表強烈的蒸發(fā)作用是鹽漬土形成最重要的因素。

寧夏回族自治區(qū)屬于西北干旱半干旱地區(qū)，其鹽漬土的形成主要是自然條件和人為因素綜合作用的結(jié)果。其中自然因素包括氣候、土壤、地形和地下水等，人為因素主要包括引水灌溉和排水條件等，二者相互作用導致了地下水位的升降、水土中鹽分的轉(zhuǎn)移和分配狀態(tài)[4-5]。首先，該區(qū)的氣候條件為土壤可溶性鹽份的積累創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件;其次，研究區(qū)位于平坦、開闊的沖洪積平原內(nèi)，山區(qū)降水和冰雪融水約有35% ～45%滲入地下，并與地表徑流一起補給地下水，平原內(nèi)低洼地區(qū)成為地表、地下水徑流的匯水聚鹽區(qū)。

根據(jù)取樣測試分析，包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線鹽漬土主要為不同強度的亞硫酸鹽漬土，包括弱亞硫酸鹽漬土，中亞硫酸鹽漬土和強亞硫酸鹽漬土，鹽分多富集于表層，厚度0.2 m以上，其含鹽量一般為3% ～10%，0.2 m以下含鹽量逐漸減少，一般在1%以下，屬中鹽漬土場地。研究區(qū)水位一般為0.5～3.0 m，為地表鹽漬化的形成提供了必要條件，其侵蝕性研究表明，其礦化度高，水質(zhì)較差，對混凝土有H1～H3級硫酸鹽侵蝕及 L1～L2級氯鹽侵蝕。其中 K549+500～K551+500段鐵路線位于黃河沖積平原上，由于地勢低洼，徑流滯緩，地表蒸發(fā)強烈，毛細作用導致地下水不斷向上補給，水分被蒸發(fā)，其攜帶鹽份則逐漸在表層富集，導致地表發(fā)生鹽漬化，多形成白色鹽霜或1～2 cm厚的鹽殼。

2 鹽漬土路基病害分析

鹽漬土對路基有很大的破壞作用，主要表現(xiàn)為路基表層泛堿和表面板結(jié)現(xiàn)象、路基下沉、軌道變形等，這些對行車會造成很大的安全隱患。鹽漬土之所以對路基有這么大的危害，主要是由于其特殊的工程性質(zhì)，即鹽脹性、溶陷性、凍脹和翻漿以及腐蝕性[6-9]。

2.1 鹽脹性

鹽脹現(xiàn)象主要形成于硫酸鹽鹽漬土地區(qū)。幾種易溶鹽中，硫酸鹽的鹽脹性最強，氯鹽次之。硫酸鹽溶解度受溫度影響較大，當溫度升高時，溶解度下降，晶體脫水變成粉末，體積變小，致使土體結(jié)構(gòu)破壞后呈松軟潮濕狀態(tài)，地基強度降低。反之，當溫度降低時，硫酸鹽吸水結(jié)晶，體積增大，促使土體膨脹。例如，當溫度超過33℃時，芒硝(Na2SO4·10H2O)的溶解度隨溫度增加而降低，此時會以無水芒硝的形式析出;當溫度在33℃以下時，無水芒硝會結(jié)合10個水分子成為芒硝，此時體積能增加2～3倍。

由于西北地區(qū)晝夜溫差以及季節(jié)溫差較大，表層土壤的溫度隨氣溫變化而變化，土壤中的硫酸鹽反復膨脹和收縮，使路基面發(fā)生變形甚至破壞，包蘭鐵路在進行路基處理時應避免此病害的發(fā)生。

2.2 溶陷性

鹽漬土的含鹽類型多為硫酸鹽、碳酸鹽和氯鹽，這些鹽類成為土壤顆粒之間膠結(jié)物的主要成分，其中鈉鹽和鉀鹽等屬于易溶性鹽類。干燥狀態(tài)下它具有強度高、壓縮性小的特點，但遇水后，可溶性鹽類溶解，土體在荷載或自重作用下下沉，這就是鹽漬土的溶陷性。其中，氯鹽的溶陷性最大。溶陷性一般與含鹽量、厚度及浸水程度有關(guān)，含鹽量、厚度及浸水量越大，下沉量也越大。

通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場浸水試驗可以確定出鹽漬土的溶陷性系數(shù)，根據(jù)溶陷性系數(shù)大小可以對地基進行分級，選擇相應的工程處理措施，如表1。

表1 地基溶陷性處理措施

2.3 凍脹和翻漿

凍脹主要發(fā)生在反復凍融地區(qū)，路基土沿著溫度的降低方向生成了冰晶體形狀的霜柱，對路基和土體結(jié)構(gòu)造成破壞。一般來說，道路的中央部分凍脹量最大，沿著中心線的縱斷面方向上容易產(chǎn)生縱向裂縫。影響鹽漬土凍脹的因素主要包括土壤含水量、土體類型、含鹽量和溫度等。在溫度＞－4℃時，鹽漬土的凍脹率變化最大;當溫度＜－4℃后，凍脹率幾乎穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)。鹽漬土的凍脹率還隨含水量的增大而增大，隨易溶鹽含量的增加而降低。

翻漿主要是指在寒冷地區(qū)天暖解凍時，路面下的凍土開始融化，使路基土層飽水軟化，在行車作用下造成路面破裂，從裂縫中冒出泥漿的現(xiàn)象。這種翻漿也稱為凍融翻漿，是季節(jié)性冰凍地區(qū)的主要病害之一。它主要受鹽漬土類型、溫度、水以及荷載等因素控制，且土體凍脹的發(fā)生會促進翻漿現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 腐蝕性

鹽漬土的腐蝕性包括物理腐蝕、化學腐蝕和電化學腐蝕。鹽漬土中NaCl，Na2SO4等鹽類的腐蝕作用能導致混凝土構(gòu)造物、金屬物等道路設(shè)施產(chǎn)生疏松等損壞。在潮濕或多雨的季節(jié)，地表的部分易溶鹽由于降雨的溶解隨水下滲，形成對路基的溶蝕現(xiàn)象。此外，地下水中的和離子能與混凝土表面的碳酸鈣等作用，生成可溶性的Ca(HCO3)2而導致混凝土強度降低，致使路基被腐蝕。當鹽漬土中的硫酸鹽以鈉鹽為主時，可以腐蝕水泥、砂漿、混凝土和磚等，這是因為硫酸鹽能與水泥水化物起化學反應生成新的物質(zhì)，同時導致路基體積膨脹而破壞;當以氯鹽為主時，氯離子先與鐵反應生成FeCl2，在有氧的條件下，鐵離子會與氧結(jié)合形成氧化物，而氯離子將重新離解出來，大大加快了鐵的腐蝕速度。

3 防治措施

鹽漬土的存在會對鐵路路基的完整性和安全性造成很大的破壞，如路基變形，表面松脹，部分路基板結(jié)、下沉，甚至導致軌道的幾何形狀發(fā)生變化，嚴重影響行車安全。所以在鐵路設(shè)計施工前，應該結(jié)合沿線實際的鹽漬土特征及分布情況采取必要的防治措施，避免路基病害的發(fā)生。根據(jù)已往的鹽漬土路基病害防治方法，結(jié)合包蘭鐵路沿線鹽漬土的特征，提出以下防治措施[8，10-12]。

1)設(shè)置隔離層。包括設(shè)置沙石材料隔離層和土工布隔離層，其主要目的是切斷毛細水上升的通道。其中沙石材料隔離層還可以提高路基的整體強度控制路基的不均勻變形，其厚度可根據(jù)相應的規(guī)范進行計算;土工布隔離層則要求土工布對硫酸鹽、氯鹽等鹽類有長期的抗腐蝕性。根據(jù)使用位置及目的，確定最優(yōu)化的滲透系數(shù)、頂破系數(shù)、耐凍性和耐老化性等參數(shù)和性能的具體要求。

2)提高路基。路基的提高高度，應結(jié)合防治措施及排水設(shè)計綜合考慮。排水不良的過濕地帶，路基最小高度不應小于有關(guān)鹽漬土地區(qū)路基最小高度的相關(guān)規(guī)定。

3)加固路基結(jié)構(gòu)。即通過增強鐵路路基的整體強度和穩(wěn)定性來保持路基處于良好狀態(tài)，具體方法包括強夯、設(shè)半剛性基層、擠密樁加固地基等。如在原土路基上打入間距較密的砂礫樁，將原土地基擠密，不僅可以防止土體因凍脹和鹽脹而松散和垮塌，而且還可以提高路基對上部荷載的承載力。

4)去除鹽分。即通過去除或改變鹽分特征來達到治理鹽漬土病害的目的，具體方法包括換填法和浸水預溶法。換填法是把路基范圍內(nèi)的強鹽漬土用好的土壤或其他材料替換掉;浸水預溶法是在進行工程施工之前，通過水浸地基，把上部地基中的易溶鹽溶解滲流到較深層的土中，從而達到改良鹽漬土地基的效果。此外，化學固化作用也非常重要，但是對于強硫酸鹽鹽漬土，當其中含有活性鋁時，活性鋁與固化劑中的氫氧化鈣(CH)迅速反應生成鈣礬石而導致固化土膨脹破壞，減少固化劑中的水泥含量及進行二次碾壓有利于減小固化土孔隙率，可有效提高改良土的強度和耐久性。

4 結(jié)論

1)由于地下水位埋深較淺，一般為0.5～3.0 m，地表蒸發(fā)強烈，加之多年的引黃灌溉歷史導致包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線土壤鹽漬化現(xiàn)象十分普遍;

2)包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線鹽漬土主要為不同強度的亞硫酸鹽漬土，鹽分多富集于表層0.2 m以上，其含鹽量一般為3% ～10%，0.2 m以下含鹽量逐漸減少，一般在1%以下，屬中鹽漬土場地。

3)根據(jù)以往鹽漬土路基病害防治方法，結(jié)合包蘭鐵路惠農(nóng)至中衛(wèi)段沿線鹽漬土特征，提出可采用設(shè)置隔離層、提高路基、加固路基結(jié)構(gòu)和去除鹽分等措施減緩或防止該線路施工及建成后鹽漬土路基病害的發(fā)生。

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