程?hào)|幸，樊柱軍，姜翠萍，張 博

(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安 710054)

粗顆粒鹽漬土的基本特征及工程性能研究

程?hào)|幸，樊柱軍，姜翠萍，張 博

(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安 710054)

粗顆粒鹽漬土是一種特殊的巖土體，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征及復(fù)雜的工程性能，常常給此類地區(qū)的工程建設(shè)帶來(lái)了較大難題。結(jié)合大量工程實(shí)踐和室內(nèi)外專門試驗(yàn)，在系統(tǒng)總結(jié)粗顆粒鹽漬土基本特征的基礎(chǔ)上，提出了粗顆粒鹽漬土溶陷和鹽脹的宏觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即：鹽膠結(jié)型鹽漬土以鹽脹為主，鹽充填型鹽漬土以溶陷為主，以及含鹽量、滲透系數(shù)的一些具體量值等，該標(biāo)準(zhǔn)的提出，為此類地區(qū)粗顆粒鹽漬土工程性能的快速、合理評(píng)價(jià)提供了技術(shù)依據(jù)。

粗顆粒鹽漬土；基本特征；溶陷判定依據(jù)；鹽脹判定依據(jù)

關(guān)于“粗顆粒鹽漬土”一詞，20世紀(jì)90年代初國(guó)內(nèi)許多專家在研究甘肅河西走廊和新疆地區(qū)鹽漬土工程特性時(shí)就已提出。國(guó)內(nèi)最早是高樹(shù)森等[1]提出“粗顆粒鹽漬土”一詞的，后來(lái)華遵孟等[2]、羅炳芳等[3]和丁兆民等[4]都在公路/鐵路工程中對(duì)粗顆粒鹽漬土的工程性能進(jìn)行了室內(nèi)研究，但是，粗顆粒鹽漬土由于受所處環(huán)境條件、地層結(jié)構(gòu)以及顆粒組成等的影響，室內(nèi)結(jié)果難以反應(yīng)其真實(shí)特性。為了對(duì)粗顆粒鹽漬土的基本特征及工程性能有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和了解，本文結(jié)合大量電力工程勘察成果及專門室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)粗顆粒鹽漬土的特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 粗顆粒鹽漬土的基本特征

1.1 粗顆粒鹽漬土的組成

對(duì)于非鹽漬土來(lái)說(shuō)，其三相是由氣、水、土顆粒組成的。雖然粗顆粒鹽漬土也由這三相組成，但是，其三相體與非鹽漬土不同，其液相實(shí)質(zhì)上不是水而是一種鹽溶液，其固相除土的固體顆粒外，還有不穩(wěn)定的結(jié)晶鹽。

粗顆粒鹽漬土三相組成中骨架顆粒占有較大的比重，一般大于2 mm樣的比重占到60%左右。而且在評(píng)價(jià)粗顆粒鹽漬土特性時(shí)，隨著骨架顆粒比重的變化，鹽漬土的含鹽量也有明顯的差異，表1為甘肅河西走廊、新疆吐哈盆地及準(zhǔn)噶爾盆地多個(gè)工程的統(tǒng)計(jì)表。

1.2 粗顆粒鹽漬土的結(jié)構(gòu)特征

地基土的結(jié)構(gòu)是指土的顆粒組成、土粒形狀及其相互排列、土粒表面特征、土粒間膠結(jié)情況和孔隙特征等。研究地基土的結(jié)構(gòu)特征，可為解讀其物理力學(xué)特性及工程性能提供分析依據(jù)。粗顆粒鹽漬土在宏觀結(jié)構(gòu)上主要分為兩類：鹽膠結(jié)類及鹽充填類。鹽膠結(jié)地層呈半成巖狀態(tài)，滲透性弱，強(qiáng)度高，承載性能好；鹽充填地層呈松散狀，滲透性強(qiáng)，具備溶陷的可能，承載性能差(見(jiàn)表2)。

表1 粗顆粒鹽漬土顆粒組成及含鹽量

表2 粗顆粒鹽漬土地層結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)地工程性能的影響

1.3 粗顆粒鹽漬土的水理特征

1.3.1 透水性

土的透水性指土體透過(guò)水的能力，土可以透水的根本原因在于土體本身具有相互連通的孔隙，水沿著這些相互連通的孔隙通路流過(guò)，溶解或潛蝕土中的鹽分，進(jìn)而影響鹽漬土的工程性能。

對(duì)粗顆粒鹽漬土，其透水性能的強(qiáng)弱與地層結(jié)構(gòu)特征緊密聯(lián)系。鹽膠結(jié)型鹽漬土地層結(jié)構(gòu)致密，地基土顆粒被鹽溶液完全充填，沒(méi)有聯(lián)通的孔隙或水的運(yùn)移通道，透水性能非常弱，通常滲透系數(shù)在10-5cm/s～10-7cm/s之間，而鹽充填型鹽漬土鹽晶體主要包裹在骨架顆粒周圍，不論是密實(shí)的還是松散的地基土，其骨架顆粒之間不存在膠結(jié)作用，是以散體的形式存在的。因此，地基土中存在聯(lián)通的孔隙通道，具備地下水運(yùn)移的條件，透水性能非常強(qiáng)，滲透系數(shù)通常在10-2cm/s～10-3cm/s之間。

1.3.2 毛細(xì)性

土的毛細(xì)性是指水通過(guò)土的毛細(xì)孔隙受毛細(xì)作用各方向運(yùn)動(dòng)的性能。對(duì)粗顆粒鹽漬土毛細(xì)性影響的因素主要為粒度成分和水溶液的化學(xué)成分。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，粗顆粒鹽漬土的毛細(xì)上升高度隨粒徑的增大而降低；水溶液中隨著無(wú)機(jī)鹽濃度的增大，則會(huì)使毛細(xì)水上升的高度明顯降低。李自詳[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)粒徑在2 mm～60 mm之間的角礫(土質(zhì)1)、粒徑在0.075 mm～2 mm之間的砂礫(土質(zhì)2)及粉質(zhì)黏土(土質(zhì)3)進(jìn)行了水鹽遷移試驗(yàn)研究(見(jiàn)圖1)，發(fā)現(xiàn)地基土粒度越粗，毛細(xì)水達(dá)到最大高度的時(shí)間越短，且高度最??；本文通過(guò)在新疆準(zhǔn)噶爾盆地粗顆粒鹽漬土地區(qū)建立“地基土鹽分遷移監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)”，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了粗顆粒鹽漬土在毛細(xì)作用下的鹽分遷移特征(見(jiàn)圖2)，結(jié)果顯示：在夏季，雨水較廣，易溶鹽易被溶解帶走或者隨水下滲，減少地表含量，而冬季隨著溫度降低，地表毛細(xì)作用增強(qiáng)，易溶鹽向凍結(jié)封面遷移，使得地表易溶鹽含量明顯增加。

圖1 不同土質(zhì)水鹽遷移結(jié)果

圖2粗顆粒鹽漬土現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鹽分動(dòng)態(tài)遷移曲線

1.4 粗顆粒鹽漬土的力學(xué)特征

1.4.1 壓縮性

粗顆粒鹽漬土的壓縮性指標(biāo)與一般土一樣， 也是用壓縮系數(shù)、 壓縮模量和變形模量來(lái)表示。 對(duì)于鹽膠結(jié)型鹽漬土， 由于地基土呈半成巖狀態(tài)， 壓縮系數(shù)非常小， 變形模量很大， 承載性能很好， 而鹽充填型鹽漬土通?？紫侗容^大， 土體結(jié)構(gòu)松散， 壓縮系數(shù)與變形模量與地基土的密實(shí)度關(guān)系密切(見(jiàn)表3)。

表3 不同類型鹽漬土的壓縮性

1.4.2 抗剪強(qiáng)度

粗顆粒鹽漬土強(qiáng)度與其含鹽量、顆粒組成及含水率等有密切的關(guān)系，其強(qiáng)度參數(shù)的確定一直受試驗(yàn)條件的影響難以獲得準(zhǔn)確值，工程上常以粗粒土的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為借鑒，但粗粒土取值中常常忽略了地基土的黏聚力，即強(qiáng)度參數(shù)取值時(shí)一般黏聚力為零，這樣則忽視了鹽漬土地基中充填細(xì)粒土及鹽分膠結(jié)的作用，使得工程設(shè)計(jì)時(shí)難以充分體現(xiàn)地基土的強(qiáng)度特性[6-11]。為了客觀了解粗顆粒鹽漬土的強(qiáng)度特性，本文在常樂(lè)某電廠鹽漬土場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)，獲得了表4的結(jié)果。試驗(yàn)表明：粗顆粒鹽漬土的強(qiáng)度參數(shù)由摩擦角和黏聚力共同組成，而且強(qiáng)度參數(shù)的變化與鹽的膠結(jié)作用和地基土顆粒組成有著明顯的關(guān)系。通常情況下，鹽膠結(jié)作用主要影響地基土的黏聚力，顆粒組成主要影響地基土的摩擦角。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)曲線

表4 典型粗顆粒鹽漬土地基抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2 粗顆粒鹽漬土的工程性能

粗顆粒鹽漬土的工程性能主要指地基土在溫度和含水率變化時(shí)的溶陷、鹽脹及腐蝕性，對(duì)于腐蝕性目前已經(jīng)有較為成熟的評(píng)價(jià)體系，而對(duì)于粗顆粒鹽漬土的溶陷和鹽脹，目前，除了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之外，還沒(méi)有較好的評(píng)價(jià)方法。本文結(jié)合在河西走廊、吐哈盆地、準(zhǔn)噶爾盆地以及青海和內(nèi)蒙等地區(qū)的發(fā)電和變電項(xiàng)目等9個(gè)工程中進(jìn)行的37個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該類特殊土的溶陷和鹽脹性進(jìn)行了總結(jié)。

2.1 粗顆粒鹽漬土的溶陷性

鹽漬土的溶陷變形主要分為兩種情況：溶陷變形和潛蝕變形。鹽充填型粗顆粒鹽漬土由于顆粒間存在大的孔隙，鹽分遇水的溶陷變形大部分被孔隙耗散，對(duì)地基土的沉陷量貢獻(xiàn)不大，其變形主要是由于滲流引起的潛蝕變形；對(duì)于鹽膠結(jié)型的粗顆粒鹽漬土，由于地基土滲透系數(shù)非常小，水的滲透能力很弱，難以引起地基土的溶陷變形。粗顆粒鹽漬土典型的溶陷曲線見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 鹽膠結(jié)類地層溶陷曲線

圖5鹽充填類地層溶陷曲線

通過(guò)大量試驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)粗顆粒鹽漬土的溶陷性獲得了如下判定：當(dāng)?shù)鼗恋臐B透系數(shù)小于10-5cm/s時(shí)，在保持地層原狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)下，可不考慮鹽漬土的溶陷性；當(dāng)?shù)鼗恋臐B透系數(shù)大于10-5cm/s、易溶鹽含量大于1%時(shí)需要考慮鹽漬土地基的溶陷性，通常溶陷厚度只在地表2 m～3 m內(nèi)。

2.2 粗顆粒鹽漬土的鹽脹性

鹽漬土地基的鹽脹主要分為兩類，即結(jié)晶鹽脹和非結(jié)晶鹽脹。對(duì)粗顆粒鹽漬土，鹽脹變形主要是由硫酸鈉晶體析出產(chǎn)生的體積膨脹?！尔}漬土地區(qū)建筑規(guī)范》[12](SYT 0317—2012)中規(guī)定土中硫酸鈉含量小于0.5%時(shí)，鹽漬土地基可初步判定為非鹽脹性地基或可不考慮鹽脹性對(duì)建(構(gòu))筑物的影響，《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[13](GB/T 50942—2014)規(guī)定，鹽漬土地基中硫酸鈉含量小于1%，且使用環(huán)境條件不變時(shí)，可不計(jì)鹽脹性對(duì)建(構(gòu))筑物的影響?？梢?jiàn)，目前對(duì)鹽漬土鹽脹性的認(rèn)識(shí)和判定還不是非常成熟。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)(見(jiàn)圖6、圖7)，對(duì)鹽漬土鹽脹性評(píng)判進(jìn)行了細(xì)化，獲得了如下結(jié)論：環(huán)境溫差不大、地層滲透系數(shù)大于10-3cm/s時(shí)，即便Na2SO4含量超過(guò)1%，可不考慮鹽脹對(duì)重要建筑物的影響；環(huán)境溫差較大、地層滲透系數(shù)小于10-5cm/s，Na2SO4含量超過(guò)0.3%時(shí)，應(yīng)評(píng)價(jià)地基土的鹽脹性。

圖6 鹽膠結(jié)地層的現(xiàn)場(chǎng)鹽脹試驗(yàn)

圖7鹽充填地層的室內(nèi)鹽脹試驗(yàn)

3 結(jié) 論

粗顆粒鹽漬土在我國(guó)分布非常廣泛，其工程性能較為復(fù)雜，目前關(guān)于其基本特點(diǎn)和工程性能系統(tǒng)性研究成果較為偏少，相應(yīng)的規(guī)范在工程性能評(píng)價(jià)上也有一定出入，為此，本文根據(jù)大量室內(nèi)外試驗(yàn)，在總結(jié)、歸納的基礎(chǔ)上，獲得了如下認(rèn)識(shí)：

(1) 該類特殊土通常粗顆粒含量較高，骨架顆粒含量在60%左右。

(2) 粗顆粒鹽漬土分為鹽膠結(jié)類和鹽充填類兩種類型。各類型在強(qiáng)度參數(shù)選擇和工程性能評(píng)價(jià)上均有差異，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

(3) 粗顆粒鹽漬土強(qiáng)度參數(shù)由黏聚力和摩擦角構(gòu)成，黏聚力的大小與鹽膠結(jié)程度有關(guān)，摩擦角大小與骨架顆粒有關(guān)。

(4) 粗顆粒鹽漬土的溶陷和鹽脹性與地基土是否存在鹽膠結(jié)有關(guān)，在評(píng)價(jià)粗顆粒溶陷性和鹽脹性時(shí)，應(yīng)對(duì)鹽膠結(jié)型粗顆粒鹽漬土和鹽充填型粗顆粒鹽漬土區(qū)別對(duì)待。

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BasicCharacteristicsandEngineeringPropertiesofCoarseSalineSoil

CHENG Dongxing, FAN Zhujun, JIANG Cuiping, ZHANG Bo

(NorthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Coarse saline soil is special soil because of its unique structural characteristics and complex engineering properties, therefore it often cause great construction problems in these areas. Based on a large number of engineering practice and indoor and outdoor special test, this paper proposed the macroscopical evaluation criteria for salt resolving slump and salt expansion of coarse saline soil, which could provide technical basis for the coarse saline soil engineering properties rapid and reasonable evaluation in such areas.

coarsesalinesoil;basiccharacteristics;saltresolvingslump;saltexpansion

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.006

2017-06-21

2017-07-30

程?hào)|幸(1978—)，男，甘肅會(huì)寧人，博士，主要從事特殊土研究工作。 E-mail:chengdongxing759@163.com

TU448

A

1672—1144(2017)06—0028—04