朱芝同，李國民

（中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

包蘭二線鐵路某段硫酸鹽漬土的鹽脹特性及其病害防治

朱芝同，李國民

（中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

該路段地表硫酸鹽漬土的形成與其地形地貌、氣候、工程地質和水文地質條件有關。硫酸鈉含量、含水量和溫度是產生鹽脹的主要因素。防治該段路基鹽脹病害，應針對這些條件和因素，綜合選用提高路基、設置隔斷層、換填墊層、設置地面隔熱層或化學處置等方法。

硫酸鹽漬土；鹽脹；路基處理

1 前言

鹽漬土是鹽土和堿土的總稱，是一種土層內含石膏（主要成分為CaSO4）、芒硝（Na2SO4·10H2O）、巖鹽（硫酸鹽或氯化物）等易溶鹽且其含鹽量大于0.3%的特殊巖土。目前鐵道行業(yè)標準《鐵路工程地質勘察規(guī)范》（TB10012－2007）6.4.2中規(guī)定，土中易溶鹽含量大于0.3%的土定義為鹽漬土。當地表以下1m深度內的土層易溶鹽含量大于0.3%時，應定為鹽漬土場地［1］。

增建包蘭二線銀川南至青銅峽段（DK535＋000～DK562＋000）沿線所經絕大部分區(qū)域，地表土層為鹽漬土，根據易溶鹽檢驗報告，鹽漬土分類表及鹽漬土含鹽量分析表，沿線鹽漬土類型為硫酸鹽漬土，鹽分硫酸鈉多富集于表層0.05m以上，其含鹽量一般為3%～10%，最高達20%；0.05～0.25m范圍內含鹽量也較高，可達2%～5%；以下含鹽量漸少，一般1%以下，多屬中鹽漬土場地，少數為強、弱鹽漬土。

鹽漬土作為一種特殊的路基填料，工程特性主要表現為鹽漬土的鹽脹性，鹽漬土的溶陷性，加劇路基凍脹與翻漿，鹽漬土中的主要鹽分NaCl、Na2SO4對混凝土結構、金屬物等道路設施的腐蝕性等。

在我國西北地區(qū)，廣泛分布著各種類型的鹽漬土，這些地區(qū)先后修建了包蘭、蘭新、南疆、青藏等鐵路。由于這些鐵路所處的自然地理位置特殊，沿線氣候條件和工程、水文地質條件較為復雜，自建成運營后已產生了較為嚴重的鹽漬土病害，所填筑的路堤不同程度地產生了松脹、鹽脹、凍脹和翻漿、次生鹽漬化等病害，大大增加了日常養(yǎng)護維修的工作量，也嚴重影響機車的運營安全。

2 鹽漬土形成的條件

2.1 地形、地貌和水文地質條件

改建包蘭二線銀川南至青銅峽段位于氣勢雄偉的賀蘭山脈東側，黃河西岸。沿線主要地貌單元為黃河沖積平原、山前洪積平原區(qū)，局部穿越低山丘陵區(qū)、緩坡丘陵區(qū)及洪積扇地帶。地勢平坦、開闊，西部、南部較高，北部、東部較低，略呈西南－東北方向傾斜。

沿線地下水為第四系松散堆積層孔隙潛水，含水層以粗顆粒土為主，呈弱堿性，礦化度中－高，埋深淺，一般為1～5m，個別地段潛水位貼近地表，促使了鹽分富集。地形、地貌和水文地質條件是鹽漬土形成的主要因素。

2.2 氣候條件

沿線氣候屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，夏無酷暑，冬無嚴寒。具有冬寒長、夏熱短、春暖快、秋涼早、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強烈、風大沙多等特點。

根據當地氣象資料，沿線區(qū)段年平均氣溫8.5℃～8.7℃，極端最高溫度36.7℃～39.3℃，極端最低溫度－23.7℃～ －30.6℃，平均相對濕度56.8%～59%，年平均降水量181.1～202.9mm，年平均蒸發(fā)量1 575.7～2 109.9mm，多風，年平均風速為1.5～3.5m/s，風向NNE、WNW，年平均大風日數（≥8級）為22.7～28.5d，定時最大風速可達26～34m/s，風向NW。最大積雪厚度12～17 cm，最大季節(jié)凍土深度103cm（銀川、青銅峽氣象局）。溫差大，濕度小，蒸發(fā)量遠大于降水量，在這種干旱條件下，地下水中的鹽分通過毛細作用聚集于地表或近地表土層中，形成白色鹽霜或1～2cm厚的鹽殼，這些自然因素都促成了本地區(qū)的鹽漬土的形成和發(fā)展。

2.3 工程地質條件

經地質勘探揭示，沿線所經區(qū)域廣泛分布第四系沖洪積松散堆積物，厚度達數十米，地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積、洪積的砂類土、碎石類土、粉土及粉質黏土，主要以砂類土、粉質黏土為主，毛細水上升高度較高，地層巖性條件是鹽漬土形成的主要因素之一。

3 鹽脹產生的機理

鹽脹是鹽漬土的特性之一，尤其以硫酸鈉最為明顯。土體中硫酸鈉的存在及遷移聚積是造成鹽脹的物質基礎。如圖1所示，Na2SO4的溶解度是32.4℃，在32.4℃以上時為無水晶體，體積較小，當溫度降至32.4℃以下時，Na2SO4充分吸水結晶形成含10個水分子的結晶體Na2SO4·10H2O，體積增大，體積為無水硫酸鈉的3.18倍［2］。當溫度低于0℃時，土體中除有硫酸鈉引起鹽脹外，還有土中部分自由水結晶析出、體積增大產生的膨脹。而隨著凍脹的產生，土中液相水不斷變成固相，硫酸鈉濃度會逐漸增大到飽和，從而又析出晶體產生鹽脹［3］。

由此可見，路基土鹽脹的形成，是土體內硫酸鈉遷移聚積、結晶體膨脹和土體膨脹3個過程的綜合結果。

4 鹽脹產生的因素

國內外大量研究表明，硫酸鹽漬土的鹽脹特性與含鹽量、含水量、溫度等因素有關。

圖1 硫酸鈉的溶解度曲線Fig.1 Solubility curve of sodium sulfate

鹽漬土中的鹽脹量主要由Na2SO4起關鍵作用，當土中Na2SO4含量超過2%時，在低溫或土中含水量降低的條件下，Na2SO4便結晶產生體積膨脹。野外觀測資料表明，路基路面破壞很嚴重的路段，測定鹽分含量，在地面1m范圍內，總含鹽量＞8%，硫酸根離子在3.93%左右［4］。根據《鐵路路基設計規(guī)范》的規(guī)定，硫酸鹽漬土筑的路堤，含鹽量應限制在2%以內。

水是硫酸鈉結晶膨脹的首要條件，無水或過飽和的硫酸鈉在低溫條件下轉變?yōu)榫w硫酸鈉時需要10個水分子，所需的水分約為自身重量的1.3倍。硫酸鹽漬土最大膨脹量是以該種土的最佳含水量為界限的，當含水量大于或小于最佳含水量時，膨脹量都有不同程度的降低，這是因為在最佳含水量時，土容易達到最佳夯實密度，此時土的空隙率較小，一旦發(fā)生鹽脹，土就會發(fā)生膨脹變形；而小于最佳含水量時，空隙率相應較大，此時即使發(fā)生鹽脹也優(yōu)先填充土中孔隙。

在土中含水量、含鹽量等具備膨脹的條件下，溫度是促使土體膨脹的決定因素。鹽脹出現在溫度14℃～17℃，平均溫度15℃時開始鹽脹，5℃～－3℃鹽脹現象明顯。溫度越低，鹽脹量越大，地溫低于－15℃時，鹽脹趨于平緩。沿線經過地區(qū)晝夜溫差大，硫酸鹽的體積時而增大，時而縮小。尤其在冬季，由于溫度下降幅度較大，土體膨脹破壞也特別厲害［4］。

5 鹽脹病害的防治建議

5.1 鹽漬土路基設計原則

鹽漬土是西北地區(qū)鐵路建設中常遇到的一種特殊巖土，在鹽漬土地區(qū)鐵路路基設計中遵循以下幾個原則：

（1）鹽漬土地區(qū)的鐵路，在選線和路基設計之前，應認真做好調查研究工作，合理確定設計方案，滿足路基強度和穩(wěn)定要求。

（2）鹽漬土地區(qū)鐵路路基應以填方路堤為主，其高度應結合當地氣候特征、水文地質、土質鹽漬化程度、地下水毛細作用高度、鹽脹深度等因素綜合確定。

（3）必須十分重視路基排水設計。應分別視情況因地制宜地做好邊溝、排水溝、截水溝、取土坑設計，鐵路縱橫排水系統(tǒng)應與當地農灌排水和自然水道綜合規(guī)劃，使路基排水暢通。

5.2 鹽漬土路基處治方法

路基處理應針對含水量、鹽漬化程度、當地工程地質、水文地質、地形和筑路材料等條件，因地制宜地采用有效措施。鹽漬土路基處理方法很多，西北地區(qū)常用的辦法有：提高路基、換填砂礫石、換填風積沙或設砂礫石隔斷層和土工布（膜）隔斷層、設置地面隔熱層及化學處置等，可根據不同情況選用。

（1）提高路基

沿線所經區(qū)域地下水位較高，路堤除了有再鹽漬化的問題外，還有凍脹和翻漿的危害，為了使路堤不受凍害和再鹽漬化的影響，應控制路堤高程到不再鹽漬化的最小高度。路堤最小高度一般按下式計算［5］：

式中，H為最低路肩設計高程；h1為凍前地下水位高程；h2為毛細水強烈上升高度；hc為臨界凍結深度；hk為臨界安全高度值，一般取0.5m。

毛細水強烈上升高度可采用鐵一院李善皋提出的用土的物理指標來推求毛細水強烈上升高度的計算公式［6］，供參考：

該公式適用于砂性土的毛細水強烈上升高度。其中：Wm為最大分子吸水量（%）；d10為有效粒徑（μm）；d50為平均粒徑（μm）。

（2）設置隔斷層

一種是砂石材料隔斷層，這種隔斷層在隔斷毛細水上升通道的同時，還可以提高路基的整體強度，消弱或控制路基的不均勻變形。在毛細水隔離層設置中，主要應該考慮材料的選取及合理厚度的確定。隔離層還可作為緩沖層，使下面土的鹽脹變形得到緩沖，不破壞地基表面，這種方法在我國西部的硫酸鹽含鹽地層地區(qū)已經得到廣泛的應用。

另一種是土工布隔斷層，采用土工布隔斷毛細水和下滲水也是行之有效的方法，也得到了廣泛的應用。土工布可為單層或雙層，用于鹽漬土地區(qū)的土工布應具有長期對硫酸鹽、氯鹽等鹽類的抗腐蝕性。選擇土工布應根據使用位置和目的，對滲透系數、頂破系數、耐凍性和耐老化性等提出具體要求。為隔斷毛細水上升，土工布一般設置在路基和墊層之間。如果是為了隔斷地表水、降水通過面層下滲，則土工布應設置在面層和基層之間。

（3）換土墊層

當鹽漬土厚度不大時，常用此方法消除鹽漬土的鹽脹變形。有時，即使鹽漬土土層較厚，但只是表層的溫度和濕度變化大，所以不需要把全部硫酸鹽漬土土層挖除，而只要將有效的鹽脹區(qū)范圍內的鹽漬土挖除，然后換填非鹽漬土或灰土即可。在工程中往往要根據水文地質情況、筑路材料及來源情況等來確定換填深度?？傮w要求是：換土深度宜超過有效的鹽脹性土層厚度，保證殘留鹽漬土的鹽脹性不超過上部結構容許的變形值。換土的寬度則應保證下臥層頂面處的壓力小于該土層浸水后的承載力。同時，墊層材料本身必須不含易溶鹽，以保證周圍土溶陷時換土部分的穩(wěn)定性。

（4）設置地面隔熱層［7］

從硫酸鹽的鹽脹機理可以得知，鹽漬土地基因鹽脹而引起的變形，除與硫酸鹽的含量有關外，主要取決于土的溫度與濕度的變化。當土溫的變化幅度小于某極值［Δt］時，即使含硫酸鹽較多的土，因無相的轉變而不產生鹽脹變形，故鹽脹只發(fā)生在地溫變化Δt＞［Δt］的深度h范圍內。根據這一原理，如果在地面設置一隔熱層，使鹽漬土層頂面的溫度變化小于［Δt］，則有限鹽脹區(qū)深度h＝0，不需要采用換土墊層等方法。

隔熱層厚度可由土的一維穩(wěn)定熱傳導理論，根據簡化的公式求得。若最大的月平均氣溫的變化為Δt0＝tmax－tmin，其中tmax為當地最高月平均氣溫（℃），tmin為當地最低月平均氣溫（℃），則有

式中，λ為隔熱材料的導熱系數，cal/cm·s·℃，由試驗確定或熱工材料手冊查得；α為隔熱材料吸熱（或放熱）系數，cal/cm2·s·℃，由試驗確定或熱工材料查得；Δt0為最大的月平均氣溫變化，℃，由當地氣象資料查得；Δt1為最大的月平均地溫變化，℃，由當地氣象資料查得；［Δt］為不同地溫和硫酸鹽濃度下，產生鹽脹的地溫變化極值，℃。

為了保持隔熱材料的持久性，通常在其頂面鋪設一防水層，以防大氣或地面水滲入隔熱層。

（5）化學處治

鐵道部曾采用摻入氯鹽的辦法來抑制硫酸鹽漬土的鹽脹，并發(fā)現當土中的Cl－/SO2－4的比值增大到6倍以上時，抑制效果最為顯著［2］。這是因為硫酸鈉在氯鹽溶液中其溶解度隨氯鹽濃度增加而有減小的趨勢，如表1所示。這種方法對治理硫酸鹽漬土路基的病害很有效，例如，我國新疆哈密工務段管內K1 352＋867～878m處，具有比較典型的鹽脹危害，在治理前，該路段每年冬季鹽脹量高達90 mm，但在治理后，僅有個別點鹽脹4～8mm。灌注氯鹽的方法有人工和機械兩種，實踐表明，人工灌氯化鈣，經濟效益最為顯著。

表1 不同溫度下Na2SO4在不同濃度的NaCl溶液中的溶解度（g/100g水）Table 1 Solubility of Na2SO4in NaCl solutions of different concentration at different temperatures（g/100g water）

還有一種化學治理是通過摻加化學藥品，將土中易溶硫酸鹽轉化為較難溶解的硫酸鹽，從而消除產生土體膨脹的主要因素，達到治理目的［8］。目前常用的化學藥劑有氯化鋇和氯化鈣兩種，其化學反應式為：

反應生成的硫酸鋇和硫酸鈣都是比較穩(wěn)定的物質，此方法施工簡單安全，經濟有效，在建筑業(yè)已得到廣泛應用?；瘜W處治應特別考慮其成本、安全和是否有毒性，否則會影響其實用性和推廣。

（6）其他方法

除了所提及的上述方法外，還可以通過加固路基路面，增強路基的強度和穩(wěn)定性，達到減緩鹽漬土的鹽脹性，主要措施有強夯法、浸水預溶加強夯法、擠密樁加固地基、石灰（水泥、瀝青）穩(wěn)定土，不再詳細介紹。

在鹽漬土地基處理時，要注重生態(tài)環(huán)境改善方面，通過栽植耐干旱、耐鹽堿的樹木、植被來降低地下水位，防沙固鹽，美化道路環(huán)境，改善氣候和生態(tài)環(huán)境。

總之，鹽漬土地段的地基處理措施應該結合具體實際情況，結合地層物理力學參數、地下水發(fā)育情況（含侵蝕性）、基底持力層以及工程設置情況綜合分析，采用多種方法相結合的處理措施。

6 結語

鹽漬土路基病害是我國西部地區(qū)鐵路普遍存在的主要工程問題，如何對其病害性質、成因、影響程度作出符合實際的判斷與評價，研究切實可行的工程處理措施，是解決這些問題的關鍵所在。本文在總結以往鐵路路基處理措施的基礎上，對增建包蘭二線鐵路鹽漬土病害治理措施提出建議，以達到解決這一問題的目的。

［1］鐵道第一勘察設計院.《鐵路工程地質勘察規(guī)范》（TB10012－2007）［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］史桃開，徐攸在.鹽漬土地基的膨脹性［J］.工程勘察，1994，（03）：17，20.

［3］徐學祖，王家澄.土體凍脹和鹽脹機理［M］.北京：科學出版社，1995.

［4］郭興.硫酸鹽漬土松脹和鹽脹工程性質淺析［J］.青海交通科技，2008，（3）：23－24.

［5］牛璽榮.硫酸鹽漬土地區(qū)路基水、熱、鹽、力四場耦合機理及數值模擬研究［D］.長安大學，2006.

［6］李善皋.《鐵路特殊土路基設計規(guī)范》專題報告——鹽漬土地區(qū)毛細水強烈上升高度計算公式的探討［J］.路基工程，1989，（05）：86.

［7］劉永球.鹽漬土地基及處理方法研究［D］.中南大學，2002.

［8］朱瑞成.鹽漬土地基的評價及處理方法［J］.西部探礦工程，1990，（4）：45.

SALT EXPANDABILITY OF SULFURIC ACID SALINE SOIL AND ELIMINATING ITS HAZARDS ON THE SECOND BAO－LAN RAILWAY

Zhu Zhi－tong，Li Guo－min
（College of Engineering Technology of China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

The formation conditions of the sulfuric acid saline soil include topography，climate，engineering geology and hydrologic geology.Its salt expandability results mainly from sodium sulfate content，water content and temperature.In the roadbed treatment，the salt expansion or its hazards should be comprehensively controlled in accordance with these conditions and factors by raising the roadbed，building set－off layers，changing cushions，placing insulation or conducting chemical treatment.

sulfuric acid saline soil；salt expandability；roadbed treatment

P642；S156.4＋1

A

1006－4362（2011）03－0084－05

2011－04－11 改回日期：2011－06－07

朱芝同（1986－ ），男，漢族，山東菏澤人，中國地質大學（北京）在讀碩士研究生，地質工程專業(yè)，研究方向為基礎工程。