風(fēng)積沙在新疆公路鹽脹病害防治中的應(yīng)用

鄭育新

（新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，新疆 烏魯木齊 830054）

0 引言

土壤鹽漬化是新疆公路破壞的主要原因，對公路工程建設(shè)的危害性很大，其危害主要有鹽脹與鹽溶蝕，其中公路鹽脹病害較為嚴(yán)重。鹽漬土地區(qū)路基土體隨著氣溫的年周期性變化而變化，引起土體中水分、鹽分的不斷遷移以及Na2SO4的結(jié)晶和溶解，并且由于“鹽隨水走”，加劇了Na2SO4的結(jié)晶與溶解過程，進(jìn)而導(dǎo)致Na2SO4漬土地區(qū)路基土體體積的膨脹和收縮，如此反復(fù)脹縮，嚴(yán)重破壞了土體的工程性質(zhì)。同時(shí)，上覆荷載的存在，抑制了鹽脹的產(chǎn)生。因此，鹽漬土的鹽脹，是水、鹽、熱、力四場綜合作用的結(jié)果。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 鹽脹影響因素

鹽脹量大小的影響因素有：Na2SO4的含量、含水量、初始干濕度、溫度、NaCl的含量、土的成份、上覆荷載等。

1.1 Na2SO4含量

一般認(rèn)為：Na2SO4含量達(dá)到0.5%時(shí)，土體開始膨脹，則該值為起脹含鹽量臨界值。Na2SO4含量在1%～4%的鹽土鹽脹遞增速度較快，Na2SO4含量越高，最終的鹽脹量就越大。鹽脹率η（%）與Na2SO4含量z（%），有指數(shù)關(guān)系：η＝a＋blnz。 當(dāng)然鹽脹率除了與Na2SO4的含量有關(guān)外，還與別的影響因素有關(guān)。

總之，當(dāng)Na2SO4含量＜1%時(shí)，鹽脹率小于1%；當(dāng)Na2SO4含量＞2%時(shí)，鹽脹率隨Na2SO4含量的增大而迅速增大；當(dāng)Na2SO4含量超過了土中水所能溶解的數(shù)量時(shí)，含鹽量再繼續(xù)增加，鹽脹率亦不再增加，除非有新的水源補(bǔ)給。由于新疆公路大多是在原先的田間道路上改建而成，對田地基本上都進(jìn)行了改良處理，而對道路未進(jìn)行此項(xiàng)工作，導(dǎo)致路基含鹽量普遍較大，在以后的公路改建中由于受到投資造價(jià)的限制，基本上也未對原路基進(jìn)行很好的處理，致使路基含鹽量普遍超標(biāo)，因此，在新疆公路中如前所述硫酸鹽鹽漬占到了77%，為新疆公路鹽脹病害提供了條件依據(jù)。

1.2 含水量

起脹含水量與土質(zhì)有關(guān)。起脹含水量應(yīng)略大于土中不溶解鹽的含水量，后者約為土中強(qiáng)結(jié)合水的0.9～0.95倍。 一般而言，當(dāng)含水量＜6%時(shí)，無論Na2SO4含量多少，鹽脹率均＜1%（此可為工程所用）；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，鹽脹率反而減少；鹽脹率峰值出現(xiàn)在最佳含水量（重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)）與塑限之間，含鹽量少時(shí)接近前者，多時(shí)接近后者。由于新疆部分道路與渠道伴行或林帶灌水，為路基提供了較充分的水源補(bǔ)給，而新疆道路受到投資的限制等級較低，路基高度一般較小，因此，毛細(xì)水上升過程中將部分底部的鹽分帶到了路基頂部，從而增大了路基的鹽分含量，為路基鹽脹創(chuàng)造了條件。

1.3 初始干容重

一般而言，隨著初始干密度增大，鹽脹率逐漸減小，但當(dāng)超過了一定界限后，鹽脹率又隨初始干密度的增加而增大。但鹽脹有累加性，目前施工均是按照交通部有關(guān)規(guī)范執(zhí)行，壓實(shí)度均要滿足驗(yàn)評標(biāo)準(zhǔn)要求，故初始干容重對防治鹽脹病害意義不大。

1.4 NaCl含量

NaCl對鹽脹的影響是復(fù)雜的、多方面的，該因素只能抑制部分鹽脹而不能防止和消除鹽脹，且NaCl容易隨水遷移流失，故工程意義不太大。

1.5 溫度

起脹溫度與Na2SO4含量有關(guān)，也與含水量和NaCl含量有關(guān)。室內(nèi)試驗(yàn)多數(shù)在25℃左右起脹，Na2SO4含量大時(shí)起脹溫度會提高，Na2SO4含量小則會降低，Na2SO4含量小而含水量大時(shí)則降低更多。

鹽脹劇烈增長的溫度區(qū)間主要與孔隙溶液中Na2SO4濃度有關(guān)。濃度增大時(shí)，鹽脹的溫度區(qū)間擴(kuò)大、起脹溫度升高；濃度減小時(shí)，則正好相反。

降溫速率對鹽脹有顯著影響，類似于凍結(jié)速率對凍脹的影響。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少以冪函數(shù)增大。降溫速率對鹽脹率的影響還與土的密度和Na2SO4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其影響越來越大；采用輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的土比采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的土對降溫速度變化要更敏感。

在多次凍融循環(huán)作用下鹽脹具有累加性。循環(huán)次數(shù)與累加鹽脹率的關(guān)系近似二次拋物線。臨近土體結(jié)構(gòu)徹底破壞前累加的鹽脹總量達(dá)到最大值，以后反倒有所減小。土體鹽脹累加至最大所需凍融循環(huán)次數(shù)與外荷載有很大關(guān)系，外荷載越大所需次數(shù)越多，在無荷載或荷載很輕的情況下通常只需6～7次。顯然，一般建筑物在確定容許含鹽量時(shí)都應(yīng)該考慮鹽脹的累加性。

新疆溫度差較大，一般在夏季日溫差可以達(dá)到25～30℃左右，春秋兩季時(shí)間雖然持續(xù)較短，但溫差相對于夏季更大，這樣鹽脹產(chǎn)生的頻率增大，鹽脹的累加程度大大提高，鹽分向表面移動，雖這些移動幅度較小，累加性卻不容忽視；夏季地面蒸發(fā)強(qiáng)烈，毛細(xì)作用強(qiáng)烈，鹽分向地表遷移，此時(shí)土中的含鹽量顯著增加，這些普遍現(xiàn)象可以通過各鹽漬土路段附近地表呈一片白色的鹽漬化表觀可知。漫長冬季溫差一般在15～20℃左右，但是持續(xù)的低溫使得路基中水分在溫度梯度的作用下逐漸向路基頂部移動，并在合適的溫度以及含水量條件下產(chǎn)生鹽脹和凍脹的結(jié)合病害；春融季節(jié)溫度升高，土中含水量增加，鹽分溶解下滲，表層含鹽量相對減少，路基逐漸恢復(fù)原狀。

1.6 上覆荷載和路面結(jié)構(gòu)

有關(guān)資料表明，上覆荷載和路面結(jié)構(gòu)對鹽脹如同凍脹一樣具有較強(qiáng)的抑制作用，隨著荷載的增加鹽脹率急劇降低，二者的關(guān)系曲線可用指數(shù)函數(shù)表示。當(dāng)上覆荷載超過88kPa時(shí)，鹽脹率漸趨于0。但是新疆公路的路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，一般在380～480mm，其對鹽脹的抑制作用是有限的，但隨著鹽脹的累加，其上部荷載對鹽脹的抑制作用就相對較小。

綜上所述：新疆公路外界溫度是無法控制的，因此含鹽量尤其是Na2SO4的含量對鹽脹量影響量最大，其次是含水量，再次是密實(shí)度等因素，而氯鹽含量對鹽脹有一定的抑制作用，但是當(dāng)其含量較大時(shí)，還會引起路基翻漿、地基承載力下降等病害。路面結(jié)構(gòu)和上覆荷載對于鹽脹也有一定的抑制作用，但是又受到投資的限制，因此，在進(jìn)行新疆道路鹽脹病害防治中應(yīng)綜合考慮，采取行之有效的防治措施。

2 風(fēng)積沙用于公路鹽脹病害防治的可行性

2.1 鹽份含量

風(fēng)積沙的化學(xué)組成以SiO2（70%左右）、Al2O3（10%左右）為主，MgO、CaO、K2O、Na2O、Te2O3等的含量較少；且不含引起公路凍脹和翻漿的硫酸鹽和氯鹽成分，屬于非鹽脹性土，并且在新疆多用風(fēng)積沙進(jìn)行鹽漬土土壤改良，效果很好。另外風(fēng)積沙與粉土、黃土相比，由于SiO2含量較多，其顆粒的硬度和強(qiáng)度均較大，可作路基填料，適合于治理鹽脹，玉阿公路充分證明了這一點(diǎn)。

2.2 顆粒組成

風(fēng)積沙的顆粒組成相對于粉土、黏土較粗，粉黏粒含量較小，特別是SP、SF類風(fēng)積沙更是如此。由于風(fēng)積沙顆粒較粗，相對比表面積小于一般路基填土，顆粒之間的結(jié)合水相對較少，毛細(xì)水上升高度也較小，使得風(fēng)積沙路基中底部鹽分通過溫度梯度上升到路面的速度慢，可起到隔斷層的作用，從而使得路基土次生鹽漬化的程度減小。

2.3 強(qiáng)度

風(fēng)積沙具有良好的水穩(wěn)性和較高的強(qiáng)度，其用于鹽脹路基中可以增強(qiáng)路基的強(qiáng)度，起到抑制鹽脹的作用。

2.4 路面結(jié)構(gòu)層

風(fēng)積沙良好的水穩(wěn)性，在壓實(shí)狀況下也有良好的穩(wěn)定性，并且其較小的毛細(xì)水上升高度、較好的抗凍性能和較大的強(qiáng)度（回彈模量值和CBR值）又起到了墊層的功能，也就是說采用風(fēng)積沙層處理鹽脹問題，相當(dāng)于增加了路面結(jié)構(gòu)層，增強(qiáng)了路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和增加了鹽漬土頂部的路面結(jié)構(gòu)覆蓋，從而達(dá)到抑制鹽脹的作用。

3 風(fēng)積沙防治公路鹽脹病害的工程實(shí)例

鹽脹病害在新疆公路中較為普遍，為此對公路鹽脹病害的治理措施和鹽脹控制效果進(jìn)行了路況調(diào)查，現(xiàn)將各調(diào)查路段進(jìn)行說明。

3.1 風(fēng)積沙在阿塔公路中的應(yīng)用

阿塔公路起點(diǎn)為阿克蘇市，終點(diǎn)為阿拉爾市。該公路等級為二級路。公路位于阿克蘇河流域沖積細(xì)土平原中下游，基本走向與塔河平行，部分路段穿越鹽堿沼澤區(qū)，因此，設(shè)計(jì)上有土工膜布鋪設(shè)。工程起點(diǎn)穿越鹽堿沼澤區(qū)，原設(shè)計(jì)在路面下1.0m～1.2m處鋪設(shè)一道土工膜布，其上填筑風(fēng)積沙，分層壓實(shí)至底基層底面。但施工中由于多種原因從K10＋000～K11＋800段以及K13＋000～K13＋500段膜上沒有填筑風(fēng)積沙，而是從路旁土甩方填筑，K21＋800～K22＋800段按設(shè)計(jì)施工。完工后的第一個(gè)秋冬季，便在沒填風(fēng)積沙路段出現(xiàn)了路面縱向裂縫。經(jīng)過4年的運(yùn)行，裂縫在每年秋季都會發(fā)生，并隨時(shí)間的推移而加寬，范圍加大，入春后裂縫回落，入夏后大部分裂縫恢復(fù)，但裂縫及其周邊瀝青面層松弛、脫落，逐年加重；而填筑風(fēng)積沙段則完好無損。 在K32＋000～K41＋000段也完全用風(fēng)積沙填筑路床，目前通過4年的運(yùn)行，凡在結(jié)構(gòu)層下填有風(fēng)積沙（0.5m以上的厚度）的路段，均無路面破壞，而未填風(fēng)積沙的路段或多或少都有路面損壞。

兩段（K10＋000～K11＋800，K13＋000～K13＋500）未填筑風(fēng)積沙鋪設(shè)了土工膜布的路段，雖然膜布防止了其下部的水分上升，保證了其上部的路面在干燥和潮濕狀態(tài)下運(yùn)行，對其上部的路基起到了很好的防止次生鹽漬化發(fā)生的可能。但同時(shí)也阻止了其上部水份的散失和鹽分的下排，其上部在施工中的最佳碾壓含水量（14%左右）可較長時(shí)間保持在較高的水平，從現(xiàn)場取樣（2009年秋季），其路肩下0.8m的含水量在10%～12%之間。這一含水量足以使膜上含一定量的Na2SO4鹽漬土發(fā)生脹裂的路面破壞，而且由于施工中的錯(cuò)誤，恰好形成了上下路段的對比，兩段未填風(fēng)積沙的路段，恰好一前一后將填筑風(fēng)積沙的路段夾到了中間。如此路面反映出的差異，應(yīng)該歸結(jié)為土工膜上的填料不同所致，路段脹裂的時(shí)間以及當(dāng)時(shí)的溫度又說明這不可能是由于凍脹原因，而膜的存在使得膜上土只能靠蒸發(fā)才能減少其中的含水量，而瀝青面層的存在又起到了阻礙其水分蒸發(fā)的作用，如此鹽脹年年重復(fù)、累積，使得路面逐年破壞。

3.2 風(fēng)積砂在巴莎公路中的應(yīng)用

S215線巴楚—莎車公路，大部分路段路基兩側(cè)為林帶與農(nóng)田，個(gè)別段落為鹽堿荒灘，老路路面結(jié)構(gòu)為30mm瀝青表處，100～200mm厚級配砂礫，路基寬10m，路基高度在2m左右，路基普遍采用就地鹽漬土或粉土填筑。老路病害路段基本分布在鹽堿荒灘、地下水位高的路段，病害表現(xiàn)為路基不均勻沉陷、翻漿、鹽脹、路面網(wǎng)裂、老化剝落嚴(yán)重。沿線地表土大多屬硫酸鹽類鹽漬土，局部硫酸鹽含量較高，屬強(qiáng)鹽漬土，部分路段路基兩側(cè)因季節(jié)不同偶有積水。多處路段鹽脹病害久治不愈，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)公路路面自11月中旬發(fā)生了隆脹，持續(xù)到次年2月，而隆脹始發(fā)期的氣溫和地溫均大于0℃，進(jìn)行人工開挖坑槽發(fā)現(xiàn)是Na2SO4所致。因此以K75＋000～K79＋500為試驗(yàn)段進(jìn)行防治試驗(yàn)，該段路基平均高出地面約2m，其一側(cè)10m遠(yuǎn)為與公路并行的干渠（無防滲的老渠），渠身上緣幾近與公路路面同高程，渠路之間為一取土溝槽，深度為1～1.5m不等。另一側(cè)為一洼地，未建立排水系統(tǒng)，春灌或大雨過后，有地下水出露現(xiàn)象，試驗(yàn)段區(qū)域最大標(biāo)準(zhǔn)凍深為0.65m。試驗(yàn)段實(shí)施方案：挖棄原路面下1.0～1.2m的舊路基，先換填0.6～0.8m的風(fēng)積沙，分2～3層碾壓密實(shí)，其上部填筑400mm砂礫結(jié)構(gòu)層并壓實(shí)，再作35mm瀝青面層。試驗(yàn)段至2010年（已有4年）運(yùn)行品質(zhì)良好，達(dá)到了治理鹽脹的預(yù)期效果。

3.3 使用效果

風(fēng)積沙在新疆境內(nèi)分布較為廣泛，利用風(fēng)積沙筑路防治路基鹽脹，可以達(dá)到治理環(huán)境的目的。并且風(fēng)積沙運(yùn)距較近，利用風(fēng)積沙技術(shù)可以防治路面結(jié)構(gòu)層砂石料的嵌入而節(jié)省了土工布或砂礫石封層，又在防治鹽脹中取消土工布的隔水層，從而有效地降低了筑路成本，使其在低等級、低造價(jià)公路工程的應(yīng)用有了較為廣闊的條件。

4 結(jié)論

在對公路凍脹和鹽脹病害機(jī)理、病害原因分析的基礎(chǔ)上，本文從理論和實(shí)踐兩方面對利用風(fēng)積沙防治公路凍脹和鹽脹病害進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，得出了以下結(jié)論。

4.1 風(fēng)積沙顆粒組成較粗（尤其是SP、SF類風(fēng)積沙），粉、黏粒含量少，屬于不凍脹和非鹽脹土質(zhì)，毛細(xì)水上升高度小，適合防治公路凍脹和鹽脹病害。

4.2 風(fēng)積沙的較高強(qiáng)度和較好的水穩(wěn)性，既可以達(dá)到增加路面結(jié)構(gòu)層和減少公路病害的效果，又可起到減少遠(yuǎn)距離運(yùn)送砂礫石料，降低工程造價(jià)的作用，是防治公路凍脹和抑制鹽脹的較好筑路材料。

4.3 風(fēng)積沙作為防治鹽脹材料在公路建設(shè)中應(yīng)用是可行的，也是經(jīng)濟(jì)的。

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