羅布泊鹽漬土理化性質試驗研究

吳歡歡，白凈鈔，廖昕，范茂基，周勁松，席英偉

（1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，成都 611756；2.廊坊市中鐵物探勘察有限公司，廊坊 065000；3.中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000；4.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610091）

我國鹽漬土分布范圍較廣，根據(jù)其分布地理位置的不同可分為內(nèi)陸鹽漬土、平原鹽漬土和濱海鹽漬土［1］。其中西北地區(qū)（如新疆、青海、甘肅等地區(qū)）分布著大面積的內(nèi)陸鹽漬土［2］。如圖1所示，我國公路交通鹽漬土又可細分為濱海鹽漬土、東部半干旱－半濕潤鹽漬土、中部干旱鹽漬土、西部強干旱鹽漬土與特干盆地鹽漬土5個大區(qū)［3］。

圖1 中國鹽漬土分區(qū)圖（修改自文獻［3］）

鹽漬土中富含易溶鹽，當含鹽量超過一定標準時鹽分溶解或結晶，從而引起土體物理力學性質發(fā)生變化［4］。此外，鹽漬土工程特性受地域性影響較大，受水、熱環(huán)境影響，不同地區(qū)不同類型的鹽漬土工程性質有顯著的差異性［5］。由于鹽漬土本身的特性，它對鐵路路基、管線公路等常常引起較大的工程危害，鹽漬土地區(qū)常常帶來的病害有松脹、膨脹、溶陷、建筑材料的腐蝕、基床凍脹翻漿冒泥等［6］。

隨著中國交通建設的迅猛發(fā)展，大量公路鐵路等線性工程將不可避免的穿越鹽漬土地區(qū)，同時也引起越來越多的學者關注鹽漬土的工程特性問題。前人對鹽漬土的研究主要集中在以下幾個方面，慈軍、張遠芳［2，5］等人研究鹽漬土的鹽脹融沉規(guī)律發(fā)現(xiàn)，土樣的含水率比干密度更能影響土樣的鹽凍脹率，含水率是影響鹽凍脹率的主要因素。張莎莎、楊曉華、包衛(wèi)星［7，8］等人針對粗顆粒鹽漬土開展了工程特性、鹽脹特性等系列研究。汪為巍［9－11］等研究鹽漬土地區(qū)的道路病害規(guī)律得出，南疆鹽漬土地區(qū)路面的病害形式主要為開裂和凸起，冬季的溫度愈低破壞愈嚴重。萬旭升、賴遠明［12，13］等通過試驗分析了硫鈉鈉晶體析出和溫度變化對土體含水率的影響，得出鹽分晶體在土體中析出可造成含水率減小，且隨溫度遞減，土體含水率也遞減。由于不同地區(qū)鹽漬土成因機制與所處地域環(huán)境的差異，其工程性質亦表現(xiàn)為各不相同。本文選取新疆羅布泊廣泛分布的湖積平原區(qū)鹽漬土為研究對象，對不同埋深下的土體物理力學性質及水土化學性質開展試驗研究，分析了其基本物理化學性質對其工程特性的影響規(guī)律，為羅布泊沿線鹽漬土地區(qū)工程建設與運營維護提供參考依據(jù)。

1 樣品采集與測試分析

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州若羌縣羅布泊鎮(zhèn)，該地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)旺盛，晝夜溫差大，大多屬于湖積平原地貌，地形起伏不大，海拔在650～700m。地層自下而上為石炭系下石炭統(tǒng)紅柳園組（C1hb）、第四系上更新統(tǒng)湖沼沉積和沖洪積層（Q3al＋pl）。由于獨特的地理氣候、地形地貌等，該地區(qū)分布有大量的鹽漬土，屬于西北地區(qū)較為典型的鹽漬土區(qū)［14］。羅布泊鹽漬土主要分布于沖洪積平原下部、湖泊周邊及低地等地區(qū)，地表主要分布為鹽殼。研究區(qū)沿線長約62km，隨地質測繪在鹽漬土區(qū)沿線野外隨機布點，點位盡可能布置規(guī)則，土樣按鉆孔深度3.5m采取，水樣則在沿線揭露地下水段的鉆孔可見地下水位深度處采取。

1.2 樣品采集與測試分析

以選取布設于研究區(qū)鹽漬土廣泛分布的湖積平原區(qū)域的點位鉆孔數(shù)據(jù)為原則，本文采取研究區(qū)內(nèi)土樣29件、地下水樣本18件開展室內(nèi)試驗分析。通過數(shù)據(jù)分析篩選去掉異常值，其中選取10件采樣深度在3.5m內(nèi)的代表性土樣進行顆粒篩分試驗，得到鹽漬土粒徑級配曲線。選取8件采樣深度在3 m內(nèi)代表性樣品通過固結試驗、直接剪切試驗得到對應土樣力學參數(shù)；進行土樣測試分析得到相應的天然含水率、孔隙、飽和度與界限含水率等。選取研究區(qū)地下水出露點2.5m內(nèi)的9件水樣及前面所選取的8件土樣進行鹽離子成分分析，按照《土工試標準方法》，經(jīng)粉碎、過篩、烘干土樣后與蒸餾水按1∶5的比例混合，最后進行抽濾清液測試樣品的易溶鹽含量；稱取篩選風干的土樣于塑料管中加純水100ml，振蕩分離過濾后采用離色譜儀及電導率儀測試樣品的離子成分及含量；采用離子劑測試pH值。

2 基本物理力學性質

2.1 顆粒級配特征

選取10件代表性樣本依據(jù)各粒組的百分含量作出土樣級配曲線，如圖2所示，研究區(qū)內(nèi)鹽漬土顆粒組成主要分布在0.075～2mm之間，顆粒含量為60%～92.8%，礫類顆粒（＞2 mm）含量最高為6.1%，小于0.075mm的顆粒占比均大于5%。由顆粒分布特征可知研究區(qū)鹽漬土主要表現(xiàn)為粉砂，而新疆板塊狀鹽漬土主要由礫類土組成［15］，與研究區(qū)有所不同。此外，如表1所示，鹽漬土級配特征在不同取樣深度具有顯著差異。以0.7m和1.5m處土樣為例，經(jīng)計算，在取樣深度0.7m處屬于均勻、級配不連續(xù)土，1.5m處屬于不均勻、級配不連續(xù)土；可判定這兩處深度的鹽漬土為級配不良土。而其它取樣深度的粒組分布范圍比較廣，＜0.075 mm的細顆粒百分含量較高。

圖2 土的粒徑級配曲線

表1 不同深度代表性土樣顆粒級配分析結果

2.2 基本物理特征指標

選取不同埋深處8件代表性鹽漬土樣開展密度、含水率等基本物性測試，測試分析結果如圖3、圖4所示。由圖3可知界限含水率在地下3m以內(nèi)主要表現(xiàn)為隨深度增加而增大，在大多數(shù)深度范圍的液性指數(shù)為負值，平均值約－0.02，大多數(shù)鹽漬土屬于堅硬狀態(tài)，極少數(shù)處于可塑狀態(tài)，這是由于研究區(qū)常年干旱，蒸發(fā)量遠大于降水量導致。液限均值為30.45%，塑限為22.62%，塑性指數(shù)平均值為7.84，符合篩分試驗得出研究區(qū)鹽漬土屬于砂類土的結果。從圖4中看出，羅布泊鹽漬土孔隙比、天然密度、天然含水率和飽和度隨取樣深度有所變化，尤其在1.5m和2.8m處取樣的物理性質變化較明顯。區(qū)內(nèi)鹽漬土天然含水率平均值為22.54%，天然密度為1.89g／cm3，孔隙比0.75，飽和度為81.75。新疆作為西北內(nèi)陸鹽漬土分布最廣的地區(qū)，研究區(qū)與喀什［15，16］等典型鹽漬土地區(qū)有所差異，主要表現(xiàn)為喀什地區(qū)鹽漬土以低液限土為主，和田地區(qū)鹽漬土的天然含水率、孔隙比和飽和度與羅布泊差異較小。但就塑性指數(shù)而言喀什與和田地區(qū)鹽漬土較研究區(qū)大1.5～2倍，其他物理指標較為接近。

圖3 界限含水量

圖4 土樣物理特征指標

2.3 力學強度試驗分析

對羅布泊鹽漬土取原狀樣，通過固結和剪切試驗得到其壓縮指標及抗剪強度指標，實驗結果如圖5所示。壓縮系數(shù)平均值為0.24MPa－1，壓縮模量為7.89MPa，根據(jù)工程上土的壓縮性分級定為中等壓縮性土［1］，而壓縮系數(shù)和壓縮模量與土的孔隙比有關，孔隙比減小，土的壓縮性越高。另外，對土樣開展直剪試驗得到鹽漬土的c、φ平均值分別為25.32kPa、24.7°。從結果來看，土的力學指標隨著孔隙比變化而變化，呈現(xiàn)負相關性，孔隙比減小，土的c，φ值增大，反之，土的c，φ值減小。從深度變化來看，鹽漬土的力學強度整體變化不顯著。

圖5 鹽漬土力學參數(shù)

3 化學性質分析與討論

以研究區(qū)地下水波動范圍內(nèi)的土層為主，取8件土化學樣開展土的相關化學試驗以及定性定量分析討論，得到土成分的pH值、易溶鹽含量、離子類型、離子含量等相關數(shù)據(jù)及相關關系。

3.1 土壤易溶鹽離子成分及含量

如圖6所示，研究區(qū)鹽漬土陽離子中主要含Na＋、K＋和Ca＋，其中以Na＋居多，Ca＋和K＋次之。陰離子中主要含Cl－、SO42－和HCO3－，其中以Cl－含量最高，SO42－次之，HCO3－含量最少。Na＋占比在87.20%～93.16%之間，含量在102.12～176.63 g／kg，占著陽離子含量中的高百分比。氯離子占比在83.08%～91.68%之間，含量在162.65g／kg～286.03g／kg。那姝姝、張遠芳［17］通過對羅布泊強氯鹽漬土溶陷性試驗研究得到土中易溶鹽各離子含量，與文中得到的結論一致。

圖6 易溶鹽離子含量隨深度變化圖

鹽漬土的判別和評價鹽漬化程度的重要指標是土中易溶鹽含量。試驗結果表明：羅布泊地區(qū)鹽漬土層平均含鹽量均大于8%，最高可達78.67%。研究區(qū)鹽漬土按鹽的化學成分分類，＞2.0，以氯鹽漬土為主，按土層平均含鹽量≥8%，綜合判定研究區(qū)鹽漬土為超強氯鹽漬土。另外，從圖中可以看出各離子含量隨取樣深度整體呈減小的趨勢，尤其以含量較高的Cl－及Na＋＋K＋顯著，在1.5m和2.8m處各離子含量有驟減的趨勢。結合相關資料，羅布泊地處我國北方干旱、半干旱地區(qū)，水分蒸發(fā)量大于降水量，地勢較低，徑流緩且較易匯集，對鹽漬土的形成提供了條件，地下水中的可溶性鹽向上遷移容易在表層聚積，導致易溶鹽含量隨深度增加而降低［18］。鹽漬土中的易溶鹽含量是產(chǎn)生腐蝕性的一大原因，由于土中含大量易溶鹽離子，導致土體對混凝土結構、鋼筋、水泥和石灰等建筑材料產(chǎn)生強腐蝕性。

3.2 土壤pH值變化特征

研究區(qū)鹽漬土平均pH值為8.3，天然狀態(tài)下呈堿性，如圖7所示，隨深度增加，研究區(qū)含鹽量減小，pH整體有增大的趨勢。由于土中易溶鹽成分主要由氯鹽組成，隨氯鹽等含量降低，離子濃度有所變化影響其堿性發(fā)生變化，pH值增大。另外，土壤的堿度與其中的的含量有關，分析結果表明土壤鹽分中幾乎沒有，因為的穩(wěn)定性較差，容易與水中的H－結合形成從而導致土的堿性增強［16］。pH值在各土層深度中可以明顯看到在某深度有突變，如在1.5m處驟增，結合鉆孔資料顯示該處地下水埋深1.4～1.5m，土樣剛好處于地下水波動范圍內(nèi)的土層，說明土體性質與地下水位埋深密切相關［19］。

圖7 易溶鹽含量與pH關系

3.3 地下水鹽離子化學分析

選取研究區(qū)2.5m取樣深度范圍內(nèi)9件水樣開展離子類型、離子含量、礦化度、pH值等水質分析測試，測試結果如圖8所示，鉆孔水中離子含量較為穩(wěn)定，波動范圍不大，表明該地區(qū)鉆孔水的成分較為穩(wěn)定，不受外界因素影響或者影響較小。地下水中主要陽離子為Na＋＋K＋，變化范圍為104.78g／l～246.92g／l，其次為Mg2＋、Ca2＋；主要陰離子為Cl－，變化范圍為101.86g／l～184.0 2g／l和含量較低。陰陽離子含量變化特征相似，都處于以其中一種離子含量最大、其他離子的含量相對較小的情況。

圖8 地下水各離子含量

對各水樣的水化學類型進行劃分，大部分地下水的水化學類型為Cl-Na型、Cl-Na·Mg型，與按土壤鹽分成分特征得出的研究區(qū)鹽漬土屬于氯鹽漬土一致。如圖9所示，研究區(qū)鉆孔水pH值的均值為7.2，呈弱堿性，處于正常的地下水酸堿性變化范圍內(nèi)。地下水的pH值隨水中礦化度含量變化趨勢一致，水樣的礦化度變化范圍較大，在184.18g／l～351.93g／l之間，平均為275.36g／l，根據(jù)地下水礦化度分級，該區(qū)冷水均屬于鹵水。分析結果表明研究區(qū)的鹽漬土、地下水的易溶鹽組分及含量占比特征一致，說明土壤的鹽漬化與地下水運移密切相關，鹽漬土的類型由地下水的礦化度及水化學類型決定［15］。另外，羅布泊水質含鹽量很高，屬于鹵水，具有超強侵蝕性，以化學侵蝕類為主。地下水對混凝土結構、鋼筋、水泥石灰等建筑材料具有強腐蝕性，對鋼結構具有中等腐蝕性。

圖9 地下水礦化度與pH

4 理化性質變化特征

4.1 力學強度變化特征

研究區(qū)土層的力學強度隨深度變化并不顯著，其原因是隨深度增加，當土的孔隙比減小，且鹽分成固體形態(tài)存在土粒間起到膠結作用時［17］，理論上力學強度隨之變大，鹽漬土含鹽量極高，土的強度受到鹽分含量影響，鹽分含量過高可能減弱土的透水性，當它以離子狀態(tài)存在水中，則在孔隙中起不到膠結作用，對土體抗剪強度影響較?。?5］。因此，研究區(qū)在這兩種因素的影響下，其力學強度與埋深的相關性并不顯著。

4.2 可塑性降低成因分析

羅布泊鹽漬土含鹽量高，鹽漬土中的易溶鹽含量對土的物理性質有很大的影響。分析結果顯示，在垂直方向上，隨著含鹽量降低，充填在土顆粒間的鹽分減少，鹽漬土的孔隙比隨之減小，飽和度增大，其液限、塑限越高，土的可塑性增強。為此，本文開展相關研究分析，得到了易溶鹽含量與鹽漬土的界限含水率間的關系，如圖10所示：隨著含鹽量升高，土的液、塑限含水量降低。原因可能是土中的易溶鹽一部分溶解于水中，未溶解的則殘留在土顆粒的孔隙中［18］，改變了土顆粒原來的排列方式，導致土的可塑性降低。

圖10 土樣易溶鹽含量與界限含水率的關系

4.3 某深度物理指標變化特征

孔隙比、天然密度、天然含水率和飽和度隨取樣深度有所變化，在1.5m和2.8m取樣深度處有突變，在這兩個取樣深度的土中鹽分離子濃度呈現(xiàn)驟減的趨勢，而土的pH值則增大。在1.5m處，顆粒篩分得出＜0.075mm的細顆粒含量較少，易溶鹽離子明顯有所減少；同樣在2.8m處易溶鹽離子明顯減小，界限含水率也明顯減小，土顆粒含水量低且砂質含量高，土質較堅硬，飽和度等也急劇變小。此外，造成鹽分在土樣垂直方向有所波動的原因與地下水埋深有很大的關系。1.5m處于地下水位波動水位，土中的水與地下水交換作用強烈，由于土中的鹽分主要來源于地下水，地下水埋深淺則鹽分隨水分發(fā)生遷移聚集到土層［15］，因此在隨埋深變化含鹽量有較大的變化。

5 結論

本文結合實際調查資料，通過對羅布泊鹽漬土進行顆粒篩分、室內(nèi)理化性質等試驗，并結合試驗研究成果分析討論，得出以下結論：

（1）羅布泊鹽漬土根據(jù)土類定名大多數(shù)為粉砂，極少數(shù)為細砂和中砂。天然含水率、飽和度、孔隙比和液性指數(shù)隨取樣深度的變化規(guī)律基本一致，界限含水率隨深度增加而增大，大多數(shù)鹽漬土屬于堅硬狀態(tài)，極少數(shù)處于可塑狀態(tài)，土層力學強度隨深度變化不顯著。

（2）羅布泊鹽漬土呈堿性，陽離子中以Na＋＋K＋居多，陰離子中主要含Cl－。土層平均含鹽量大于8%，屬于超強氯鹽漬土，對建筑材料均具有強腐蝕性。地下水水化學類型為Cl-Na型和Cl-Na·Mg型，水成分呈弱堿性，陽離子中Ca2＋較少，Mg2＋含量較高。陰離子中的Cl－含量最高，其次為，HCO3－含量最少。地下水除了對鋼結構具有中等腐蝕性，對其他建筑材料均具有強腐蝕性。

（3）研究區(qū)鹽漬土、地下水的易溶鹽組分及含量占比特征一致，土壤的鹽漬化與地下水運移密切相關。隨深度增加，含鹽量減小，土體pH值整體有增大的趨勢，地下水pH值則與地下水礦化度有關。