盐渍土的基本性质及其在新疆公路建设中的应用

1.各种盐渍土的性质

目前国内外对于各种盐渍土的性质研究较多，一般而言按照盐渍土含盐性质对其进行了研究，研究结果归结如表2.5。

表2.5　盐渍土中常见易溶盐的基本性质表

从盐渍土的分类和各种盐渍土的性质可知，盐渍土的盐胀主要发生在硫酸盐渍土中，而硫酸盐盐渍土的盐胀以硫酸钠为主，这也是盐渍土地区公路产生盐胀的主要破坏原因。

2.盐渍土工程特性

1）盐渍土的强度特性

盐渍土干燥状态下力学强度大，遇水后其强度下降极快，取总盐含量 2.007% 的亚氯盐渍土进行重型标准击实和回弹模量试验，回弹模量试验结果如表2.6。

表2.6　盐渍土强度与含水量试验结果

从表 2.6 可以看出：盐渍土含水量 6% 时其回弹模量为 130 MPa，11% 的含水量其回弹模量仅为 15 MPa，可以说明，盐渍土干燥状态下其强度较高而在遇水时其强度急剧下降，这就使得路基在车辆荷载的作用下易使路基和路面产生变形。尤其是吸湿性强的氯化盐类，严重时路面网裂甚至出现翻浆。

2）盐渍土的盐胀特性

通过调查过程发现在含有盐渍土（硫酸盐，特别是硫酸钠）的路段，均出现程度不同的胀起现象，程度轻的出现搓板、严重的胀起现象达到 20～25 cm，使得路面平整度严重降低，公路运行品质急剧下降。这主要是盐渍土路基的盐胀产生的病害特征。这种现象在以硫酸盐为主的盐渍土中较为常见。

路基土盐胀的形成，是由于土体内硫酸钠的迁移聚积、结晶体胀和土体膨胀三个过程的综合反映结果。其中土体硫酸钠的存在及迁移是造成路基盐胀的前提条件。在同类地表，由于新疆盐渍土地区的蒸发量大，盐分向地层表面处积聚明显，而路基因上部的路面结构层材料的覆盖，蒸发强度与路边地表相比较而大大减弱，这就是在路况调查过程中出现的路旁盐碱呈白色随处可见，而在有些含盐量少的路基边缘或路面很少出现盐碱现象的原因。另外盐分的迁移还受到地下毛细水上升的作用，如果路基土质毛细水上升高度小，地表的盐碱土很难上升到路基顶面或必须经过较长时间的逐步迁移才能达到路基顶面汇集，当大量的硫酸钠聚集在路基表面在合适的温度下（32.4 °C 以下）时就开始结晶，逐步形成结晶体（Na2SO4·10H2O）体积膨胀，当结晶体膨胀到一定限度，直至将土体中的空隙膨胀占满后，使得路基土受到结晶体膨胀力的作用，并不能克服其膨胀力时，土体就产生膨胀，随着膨胀量和膨胀力的进一步发展，直至路面结构不能克服时就产生路面的不平整现象。在这种盐分聚积和土体膨胀的多次反复作用下，路基和路面基层的土体胀松，而 使路基和路面基层的干密度下降，强度降低，膨胀部分特别是不均匀膨胀使公路的运行品质急剧下降。

3）盐渍土的溶陷性

盐渍土中盐分随着降雨或流动水体将土体结晶的易溶盐晶体溶解，使土体固相体积减小，孔隙比增大，从而在自重、流水或外覆荷载作用下形成路基局部雨沟、洞穴、沉陷或坍塌等现象，使公路的运行品质也将大大受损，其主要症状为先路肩而后渐向路中发展，路肩先是凹凸不平，后路边发生纵向裂缝，并伴有高低不平的路面现象。

3.盐渍土的击实特性

土的击实试验是衡量土的压实性的一项很重要指标，在公路工程建设的填方地基设计中都是必不可少的。此外，土的渗透、压缩、剪切等试验在一定程度上又是由击实试验来控制的。所以击实试验的成果对设计、施工以至于工程造价都会带来影响。土在外力作用下（碾压或夯实），孔隙度变小，密度增加，强度提高，压缩性及渗透性降低，使土的工程性质得到改善。而土的压实性就是指在一定的含水量条件下，以人工或机械的办法，使土能够达到某种密实程度的性能。土的压实强度与含水量、压实功能和压实方法有着密切的关系。当压实功能和压实方法不变时，则土的干密度随含水量的增加而增加；当干密度达到某一最大值后，含水量的继续增加反而使干密度减小。此时干密度的最大值称为最大干密度，其相应的含水量称为最优含水量。击实试验的目的，就是模拟工地压实条件，用标准击实的方法，测定在某种压实功能下土的含水量和干密度的关系，确定土的最佳含水量和相应的最大干密度，以求用最小的压实功能，得到符合工程要求的密实度。

1）影响压实因素

在室内对细粒土或多种路面材料进行击实试验时，影响土或路面材料达到规定密实度的主要因素有含水量、土或材料的粒度组成以及击实功。在施工现场碾压细粒土的路基时，影响路基达到规定压实度的主要因素有：土的含水量、碾压层厚度、压实机械的类型和功能、碾压遍数以及地基强度。

（1）含水量对压实过程的影响。

① 最佳含水量和最大干密度。

在压实过程中，材料的含水量对所能达到的密实度起着非常大的作用。捶击或碾压的功需要克服土颗粒间的内摩阻力，才能使土颗粒产生位移并互相靠近。土的内摩阻力和黏结力是随密实度而增加的。压实到一定程度以后，某一压实功不能再克服土的抗力，压实所得的干密度小。当土的含水量逐渐增加时，水在土颗粒间起着润滑作用，使土的内摩阻力减小，因此同样的压实功可以得到较大的干密度。在这个过程中，单位土体中空气的体积已减到最小限度，而水的体积却在不断地增加。由于水是不可压缩的，因此同样的压实功下，土的干密度反而逐渐减小。干密度和含水量的这种密切关系在图形上表现为单驼峰形的击实曲线。驼峰的顶点所对应的干密度即为最大干密度，与之相对应的含水量为最佳含水量。但是，某一种土或某一种路面材料的最佳含水量和最大干密度不是固定不变的，它随压实功能而变。在室内进行击实试验时，它随所用的击实试验功能而变。在工地碾压时它随所用压路机重量或功能以及碾压遍数而变。

对于硫酸盐渍土、氯盐渍土及碳酸盐渍土也采用同样的方法。

② 不同土的最佳含水量。

不同土的最佳含水量和最大干密度也是不相同的。通常，土中粉粒和黏粒含量愈多，土的塑性指数愈大，土的最佳含水量就愈大，同时其最大干密度愈小。因此，一般砂性土的最佳含水量是小于黏性土的，而前者的最大干密度则大于后者的。

2）击实试验的影响因素

（1）颗粒含量的影响。

在实验室，击实试验所用的土样，由于仪器尺寸的限制，需要过 5 mm的筛，但是实际填筑中，往往包含大于 5 mm 的颗粒。这样，现场填筑中所得的干密度大，因此就产生了大于 5 mm颗粒土试验结果的校正问题。如大颗粒土含量很多（如超过40%），因不可能使细粒土完全填满其孔隙，其干密度反而减小。

（2）余土高度的影响。

标准击实试验所得的击实曲线是在某一击实功下或确切地说是在某一平均单位（体积）击实功下，求得土的干密度与含水量的关系线。如果击实后没有余土（超高）刚好达到所规定的体积，试样所受的平均单位击实功是相等的。如果击实后超高不一样，那么，击实曲线各点反映的不是同一击实功，这不仅与击实理论相矛盾，而且试验数据分散，余土越高，干密度越偏小。余土不超过 5 mm时，干密度才能控制在允许误差范围内。

（3）击实功的影响。

击实功是有锤重力、落高与击实次数三因子组成，综合三因子对击实曲线的影响，主要取决于组合的单位击实功，而且最大干密度与单位击实功之间有着良好的双曲线特性。在击实过程中，有一个经济合理的击实功。

此外，土层厚度，含水量的配制方法，土粒破碎有机质，黏土矿物及交换阳离子，温度等对击实试验都有影响。

大量不同类型路基土的击实试验都表明：当含水量小于最佳含水量时，干密度和压实度随击实次数增加而增加，相应的路基回弹模量E0和承载比CBR也随之增长；在同一压实度情况下，强度随含水量的减少而明显增大。当含水量大于最佳含水量时，随击实次数的增多，干密度和压实度增加的趋势变得缓慢甚至不增加；而路基回弹模量E0和承载比CBR值随密实度的增加反而有所下降，尤其在含水量较最佳含水量大很多时，密实度下降，强度变得很低，击实次数越多，土体发生剪切又甚，强度反而下降。这种情况与路基施工中，当含水量过大时，用重型压路机碾压，次数增加不仅不能压实，反而出现弹簧剪切是一致的。同时也表明，浸水试件在试件含水量接近最佳含水量时的强度最高，在最佳含水量时最大，强度稳定性最好。这些对路基压实施工有现实的指导意义。

（4）润滑剂的影响。

在击实试验中，当击实功及击实方法不变时，在击实筒及护筒内壁均匀地抹上一薄层凡士林，可减少土体与筒壁的摩擦力，即减少克服摩擦力所做的功 W2。所以可认为在抹了凡士林和未抹凡士林两种情况下，土体间的摩擦阻力相同，克服土体间的摩擦阻力所要做的功W1相等，因此，土体所受的实际击实功W＝AC－W1－W2，当抹有凡士林时，W2值大大减少，从而使实际击实功W增大，同时干密度增大。

3）室内试验

（1）准备工作。

利用乌鲁木齐甘泉堡黄土，自然晒干后过筛，使粒经不大于 40 mm。测出已晒干土的含水量，然后就按比例含水量进行土样加水，拌和按土样之间差别2%～3% 的含水量递减，拌好的料要闷18～24 h。

本试验是在水里面每组分别加：0.8%、2%、3%、4% 的硫酸钠（Na2SO4）。

（2）试验步骤。

根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）用重型击实试验方法及设备，试验时把闷好的料盛好，分成三次放入筒内每次1 700 g，每次放入筒后进行锤击98次。

① 计算。

按下列计算击实后各试样的含水率

式中　W——含水率（%）；

m——湿土质量（g）；

md ——干土质量（g）。

按下列计算击实后各试样干密度

式中　ρd——干密度（g/cm3）；

ρ——湿密度（g/cm3）；

W——含水率（%）。

② 制图。

以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线。曲线上峰值点的纵、横坐标分别代表土的最大干密度和最佳含水率。如果曲线不能给出峰值点那应该进行补点试验。

（3）试验结果分析。

在本次含硫酸钠盐渍土击实试验中，分别在水里面参0.8%、2%、3%、4% 的（Na2SO4）试验结果如图2.10～图2.13及表2.7。

图2.10　含盐（Na2SO4）0.8% 的干密度与含水量关系曲线

图2.11　含盐（Na2SO4）2.0% 的干密度与含水量关系曲线

图2.12　含盐（Na2SO4）3.0% 的干密度与含水量关系曲线

图2.13　含盐（Na2SO4）4.0% 的干密度与含水量关系曲线

表2.7　硫酸钠盐渍土击实试验结果

土样的最大干密度及最佳含水量数据见表2.7，可以看出硫酸钠随着含盐量的增加最佳含水量变化很明显，试验表明土样同样的含水量土里含硫酸钠越多最大干密度就越小，土样的最佳含水量随着含盐量的增加而增大。

从图表中可以看出，随着土的含盐率的增大，盐渍土的干密度呈减少的趋势，这是因为当硫酸盐渍土含盐量较小时，土中的水能充分溶解土中的盐，相对于非盐渍土而言，盐渍土中的固体颗粒减少，其干密度会降低。当硫酸盐渍土中的无水硫酸钠吸收 10 个水分子变成芒硝晶体时，体积会急剧增大，变成无水硫酸钠的3.1倍，体积的膨胀会使土体变得蓬松，导致密度减小。所以硫酸盐渍土具有明显的松胀性和膨胀性，在一定的击实能量下，击实效果较差，土体压实困难；当有晶体存在土中时，晶体本身会增加土体的连接强度，导致在压实过程中需要更多的击实功，在相同击实功情况下，不易压实。

回归出最大干密度随硫酸钠的含量的回归方程为

相关系数：R2 =0.925 7

式中　Y——最大干密度（KN/m3）；

X——含盐量（%）。

回归出最佳含水量随硫酸钠的含量的回归方程为：

式中　Wo——硫酸盐渍土的最佳含水量（%）；

X——含盐量（%）。

综合以上分析，可以得出以下结论：

① 盐渍土最大干密度随着含硫酸盐量的增大而减小，盐渍土的最佳含水量随着含硫酸盐量的增加而增大。

② 盐渍土的黏聚力随粉黏粒含量的增加而增加，盐渍土的内摩擦角随着粉黏粒的增加而减小。

③ 盐渍土随着含硫酸盐量的增加，无荷载膨胀量也随之增加：当含硫酸盐量的增加到一定量之后，膨胀量随着含盐量增加而增加趋势增大；同时，随着压实度的增加，盐渍土的无荷载膨胀量也增大。

4.公路盐胀影响因素

盐胀量大小的影响因素有：硫酸钠的含量、含水量、初始干实度、温度、氯化钠的含量、土的成分、上覆荷载等。

这些影响因素有单因素的，但多数是组合影响的。曾有研究将盐胀率与含水量、氯化钠含量、硫酸钠含量、初始干容重、上覆荷载建立了相关关系式。这项研究成果由于含水量及地下水份的运动，带动盐分的运动等，使得初始条件发生变化，直接指导生产还不能简单运用。但对于定性分析却十分有用，我们研究盐胀是为了防治病害，因此我们将影响因素加以分析，而后试图找到经济适用的减轻盐胀的工程方法和措施。

1）硫酸钠含量

工程未实施时为人为可变因素，可选择含盐量合适的料或采用洗盐加以消除。工程实施后可选择防止次生盐渍化的措施。一般认为：硫酸钠含量达到 0.5% 时，土体开始膨胀，则此值为起胀含盐量临界值。硫酸钠含量在 1%～4% 的盐土盐胀递增速度较快，硫酸钠含量越高最终的盐胀量越大。盐胀率η（%）与硫酸钠含量z（%），有指数关系：η=a+ b ln z。当然盐胀率除了与Na2SO4的含量还与别的影响因素有关。

起胀含盐量与土质和土的压实度有很大的关系。采用重型击实标准，压实度为93% 的细粒土，起胀含盐量为 0.2%；采用轻型击实标准、压实度为 95% 的细粒土，起胀含盐量为 0.5%。粗粒土除与压实度有关外，还与其粒经分布有关。

容许含盐量还与路面形式和盐胀深度有很大的关系。对水泥混凝土路面，如胀深较大，容许含盐量为0.6%；对沥青柔性路面，如胀深较小，容许含盐量可达1.2%。

总之，当Na2SO4含量＜1% 时，盐胀率小于1%；当Na2SO4含量＞2% 时，盐胀率随Na2SO4含量的增大而迅速增大；当 Na2SO4 含量超过了土中水所能溶解的数量时，含盐量再继续增加，盐胀率亦不再增加，除非有新的水源补给。由于垦区公路大多是在原先垦区田间道路上改建而成，对于田地基本上经过了改良处理，而对于道路未进行此项工作，导致路基含盐量普遍较大，在以后的公路改建中由于受到投资造价的限制，基本上也未对原路基进行很好的处理，致使路基含盐量普遍超标，因此在垦区公路中如前面所述硫酸盐盐渍占到了77%，为垦区公路盐胀病害提供了条件依据。

2）含水量

起胀含水量与土质有关。起胀含水量应略大于土中不溶解盐的含水量，后者约为土中强结合水的0.9～0.95倍。一般而言，当含水量＜6% 时，无论 Na2SO4含量多少，盐胀率均小于 1%（此可为工程所用）；当含水量＞6% 时，盐胀率随含水量的增加而迅速增大，但有一峰值，超过此值后，含水量继续增加盐胀率反而减少；盐胀率峰值出现在最佳含水量（重型击实标准）与塑限之间，含盐量少时接近前者，多时接近后者（图2.14中p为硫酸钠含量）。

图2.14　含水量对盐胀的影响

由于垦区部分道路与渠道伴行或林带灌水为路基提供了较充分的水源补给，而垦区道路受到投资的限制等级较低、路基高度一般较小，因此毛细水上升过程中将部分底部的盐分带到了路基顶部，从而增大了路基的盐分含量，为路基盐胀创造了条件。

3）初始干容重（压实度）

一般而言，随着初始干密度增大，盐胀率逐渐减小，但当超过了一定界限后，盐胀率又随初始干密度的增加而增大。但盐胀有累加性，目前施工均是按照交通部有关规范执行，压实度均要满足验评标准要求，故初始干容重对防治盐胀病害意义不大。

4）NaCl量与CL−/SO

NaCl对盐胀的影响是复杂的、多方面的。该因素只能抑制部分盐胀而不能防止和消除盐胀，且NaCl容易随水迁移流失，故工程意义不太大。

由于NaCl对Na2SO4的盐析作用，能降低溶液中Na2SO4的浓度，从而可使盐胀率降低，且Na2SO4含量越高降低效果越显著。随着NaCl含量的增加，各种Na2SO4含量的盐土的盐胀率均趋于减小，但NaCl含量＞5% 以后效果不显著。

NaCl还使含Na2SO4盐土的起胀温度降低，NaCl含量越高降低越多，但NaCl含量＞5% 以后效果不显著。

NaCl缩小盐胀剧烈增长的温度区间。

Cl−/S对盐胀的影响也是比较复杂的（如图2.15）。

在Cl−/SO比值≤2 的情况，随着比值的增大，盐胀率明显降低；比值在 2-6 区间盐胀率无明显变化；比值＞6以后的盐胀率，随着比值的增大可能降低（Na2SO4含量为 2%），也可能缓慢升高（Na2SO4含量为3%）。

根据Cl−/S划分的亚氯盐渍土、氯盐渍土，在Na2SO4含量较大时，也会产生较高的盐胀率。

Cl−/S比值一定时，盐胀率随Na2SO4含量的增加而不断增大（如图2.16）。

5）温度

起胀温度与Na2SO4含量有关，也与含水量和NaCl含量有关。室内试验多数在 25 °C 左右起胀，Na2SO4含量大时起胀温度可提高，Na2SO4含量小可降低，Na2SO4含量小而含水量又大时则可降低更多。

盐胀剧烈增长的温度区间主要与孔隙溶液中 Na2SO4 浓度有关。浓度增大时，剧胀的温度区间扩大、起胀、温度升高；浓度减小时，则正好相反。

图2.16　不同Na2SO4含量水平下不同Cl−/S与盐胀量关系曲线

降温速率对盐胀有显著影响，类似于冻结速率对冻胀的影响。盐胀率与降温速率成幂函数关系，即盐胀率随降温速率的减少以幂函数增大。降温速率对盐胀率的影响还与土的密度和 Na2SO4含量有关。在含盐量≤1% 时，降温速率变化对盐胀率几乎没有影响，只当含盐量≥2% 时，降温速率变化对盐胀率才有显著影响，而且随着含盐量的增大影响越来越大；采用轻型标准击实的土比采用重型标准击实的土对降温速度变化要更敏感。

在多次冻融循环作用下盐胀具有累加性。循环次数与累加盐胀率的关系近似二次抛物线。临近土体结构彻底破坏前累加的盐胀总量达到最大值，以后反倒有所减小。土体盐胀累加至最大所需冻融循环次数与外荷载有很大关系，外荷载越大所需次数越多，在无荷载或荷载很轻的情况下通常只需6～7次。显然，一般建筑物在确定容许含盐量时都应该考虑盐胀的累加性。

新疆温度差较大，春秋两季时间虽然持续较短，但温差相对于夏季更大，这样盐胀产生的频率增大，盐胀的累加程度大大提高，盐分向表面移动，虽这些移动幅度较小，累加性却不容忽视；夏季地面蒸发强烈，毛细作用强烈，盐分向地表迁移，此时土中的含盐量显著增加，这些普遍现象可以通过各盐渍土路段附近地表呈一片白色的盐渍化表观可知。漫长冬季温差一般在15～20 °C左右，但是持续的低温使得路基中水分在温度梯度的作用下逐渐向路基顶部移动，并在合适的温度以及含水量条件下产生盐胀和冻胀的结合病害；春融季节温度升高，土中含水量增加，盐分溶解下渗，表层含盐量相对减少，路基逐渐恢复原状。

6）上覆荷载

上覆荷载对盐胀如同冻胀一样具有较强的抑制作用，随着荷载的增加盐胀率急剧降低，二者的关系曲线可用指数函数表示（如图 2.17）。当上覆荷载超过88 kPa时，盐胀率渐趋于零。

图2.17　上覆荷载与盐胀率的关系曲线

就实际工程一般而言，含盐量尤其是硫酸钠的含量对盐胀量影响量最大，其次是含水量，再次是密实度等因素，当然也不绝对，笔者曾就弱盐胀性土进行工程实践，路床成型降温前，留有相当的时间，使之含水量降至6% 以下，结果未发生盐胀，这一结果可用于工程施工方案的选定。但是垦区公路的路面结构层厚度较薄，一般在 38～48 cm，其对盐胀的抑制作用是有限的，但随着盐胀的累加，其上部荷载对盐胀的抑制作用就相对较小。

综上所述：就新疆公路而言外界温度是无法控制的，因此含盐量尤其是硫酸钠的含量对盐胀量影响量最大，其次是含水量，再次是密实度等因素，而氯盐含量对盐胀有一定的抑制作用，但是当其含量较大时，会引起路基翻浆、地基承载力下降等病害。路面结构和上覆荷载对于盐胀也有一定的抑制作用，但是要受到投资的限制，因此在进行新疆道路盐胀病害防治中应综合考虑，采取行之有效的防治措施。