粗颗粒盐渍土的基本特征及工程性能研究

程东幸，樊柱军，姜翠萍，张 博

(西北电力设计院有限公司， 陕西 西安 710054)

粗颗粒盐渍土的基本特征及工程性能研究

程东幸，樊柱军，姜翠萍，张 博

(西北电力设计院有限公司， 陕西 西安 710054)

粗颗粒盐渍土是一种特殊的岩土体，由于其独特的结构特征及复杂的工程性能，常常给此类地区的工程建设带来了较大难题。结合大量工程实践和室内外专门试验，在系统总结粗颗粒盐渍土基本特征的基础上，提出了粗颗粒盐渍土溶陷和盐胀的宏观评价标准，即：盐胶结型盐渍土以盐胀为主，盐充填型盐渍土以溶陷为主，以及含盐量、渗透系数的一些具体量值等，该标准的提出，为此类地区粗颗粒盐渍土工程性能的快速、合理评价提供了技术依据。

粗颗粒盐渍土；基本特征；溶陷判定依据；盐胀判定依据

关于“粗颗粒盐渍土”一词，20世纪90年代初国内许多专家在研究甘肃河西走廊和新疆地区盐渍土工程特性时就已提出。国内最早是高树森等[1]提出“粗颗粒盐渍土”一词的，后来华遵孟等[2]、罗炳芳等[3]和丁兆民等[4]都在公路/铁路工程中对粗颗粒盐渍土的工程性能进行了室内研究，但是，粗颗粒盐渍土由于受所处环境条件、地层结构以及颗粒组成等的影响，室内结果难以反应其真实特性。为了对粗颗粒盐渍土的基本特征及工程性能有系统的认识和了解，本文结合大量电力工程勘察成果及专门室内外试验结果，对粗颗粒盐渍土的特性进行了系统研究。

1 粗颗粒盐渍土的基本特征

1.1 粗颗粒盐渍土的组成

对于非盐渍土来说，其三相是由气、水、土颗粒组成的。虽然粗颗粒盐渍土也由这三相组成，但是，其三相体与非盐渍土不同，其液相实质上不是水而是一种盐溶液，其固相除土的固体颗粒外，还有不稳定的结晶盐。

粗颗粒盐渍土三相组成中骨架颗粒占有较大的比重，一般大于2 mm样的比重占到60%左右。而且在评价粗颗粒盐渍土特性时，随着骨架颗粒比重的变化，盐渍土的含盐量也有明显的差异，表1为甘肃河西走廊、新疆吐哈盆地及准噶尔盆地多个工程的统计表。

1.2 粗颗粒盐渍土的结构特征

地基土的结构是指土的颗粒组成、土粒形状及其相互排列、土粒表面特征、土粒间胶结情况和孔隙特征等。研究地基土的结构特征，可为解读其物理力学特性及工程性能提供分析依据。粗颗粒盐渍土在宏观结构上主要分为两类：盐胶结类及盐充填类。盐胶结地层呈半成岩状态，渗透性弱，强度高，承载性能好；盐充填地层呈松散状，渗透性强，具备溶陷的可能，承载性能差(见表2)。

表1 粗颗粒盐渍土颗粒组成及含盐量

表2 粗颗粒盐渍土地层结构对场地工程性能的影响

1.3 粗颗粒盐渍土的水理特征

1.3.1 透水性

土的透水性指土体透过水的能力，土可以透水的根本原因在于土体本身具有相互连通的孔隙，水沿着这些相互连通的孔隙通路流过，溶解或潜蚀土中的盐分，进而影响盐渍土的工程性能。

对粗颗粒盐渍土，其透水性能的强弱与地层结构特征紧密联系。盐胶结型盐渍土地层结构致密，地基土颗粒被盐溶液完全充填，没有联通的孔隙或水的运移通道，透水性能非常弱，通常渗透系数在10-5cm/s～10-7cm/s之间，而盐充填型盐渍土盐晶体主要包裹在骨架颗粒周围，不论是密实的还是松散的地基土，其骨架颗粒之间不存在胶结作用，是以散体的形式存在的。因此，地基土中存在联通的孔隙通道，具备地下水运移的条件，透水性能非常强，渗透系数通常在10-2cm/s～10-3cm/s之间。

1.3.2 毛细性

土的毛细性是指水通过土的毛细孔隙受毛细作用各方向运动的性能。对粗颗粒盐渍土毛细性影响的因素主要为粒度成分和水溶液的化学成分。试验结果统计发现，粗颗粒盐渍土的毛细上升高度随粒径的增大而降低；水溶液中随着无机盐浓度的增大，则会使毛细水上升的高度明显降低。李自详[5]通过室内试验对粒径在2 mm～60 mm之间的角砾(土质1)、粒径在0.075 mm～2 mm之间的砂砾(土质2)及粉质黏土(土质3)进行了水盐迁移试验研究(见图1)，发现地基土粒度越粗，毛细水达到最大高度的时间越短，且高度最小；本文通过在新疆准噶尔盆地粗颗粒盐渍土地区建立“地基土盐分迁移监测试验点”，动态监测了粗颗粒盐渍土在毛细作用下的盐分迁移特征(见图2)，结果显示：在夏季，雨水较广，易溶盐易被溶解带走或者随水下渗，减少地表含量，而冬季随着温度降低，地表毛细作用增强，易溶盐向冻结封面迁移，使得地表易溶盐含量明显增加。

图1 不同土质水盐迁移结果

图2粗颗粒盐渍土现场监测点盐分动态迁移曲线

1.4 粗颗粒盐渍土的力学特征

1.4.1 压缩性

粗颗粒盐渍土的压缩性指标与一般土一样， 也是用压缩系数、 压缩模量和变形模量来表示。 对于盐胶结型盐渍土， 由于地基土呈半成岩状态， 压缩系数非常小， 变形模量很大， 承载性能很好， 而盐充填型盐渍土通常孔隙比较大， 土体结构松散， 压缩系数与变形模量与地基土的密实度关系密切(见表3)。

表3 不同类型盐渍土的压缩性

1.4.2 抗剪强度

粗颗粒盐渍土强度与其含盐量、颗粒组成及含水率等有密切的关系，其强度参数的确定一直受试验条件的影响难以获得准确值，工程上常以粗粒土的经验参数为借鉴，但粗粒土取值中常常忽略了地基土的黏聚力，即强度参数取值时一般黏聚力为零，这样则忽视了盐渍土地基中充填细粒土及盐分胶结的作用，使得工程设计时难以充分体现地基土的强度特性[6-11]。为了客观了解粗颗粒盐渍土的强度特性，本文在常乐某电厂盐渍土场地进行了现场直接剪切试验(见图3)，获得了表4的结果。试验表明：粗颗粒盐渍土的强度参数由摩擦角和黏聚力共同组成，而且强度参数的变化与盐的胶结作用和地基土颗粒组成有着明显的关系。通常情况下，盐胶结作用主要影响地基土的黏聚力，颗粒组成主要影响地基土的摩擦角。

图3 现场直剪试验曲线

表4 典型粗颗粒盐渍土地基抗剪强度参数

2 粗颗粒盐渍土的工程性能

粗颗粒盐渍土的工程性能主要指地基土在温度和含水率变化时的溶陷、盐胀及腐蚀性，对于腐蚀性目前已经有较为成熟的评价体系，而对于粗颗粒盐渍土的溶陷和盐胀，目前，除了现场试验之外，还没有较好的评价方法。本文结合在河西走廊、吐哈盆地、准噶尔盆地以及青海和内蒙等地区的发电和变电项目等9个工程中进行的37个试验点的现场试验结果，对该类特殊土的溶陷和盐胀性进行了总结。

2.1 粗颗粒盐渍土的溶陷性

盐渍土的溶陷变形主要分为两种情况：溶陷变形和潜蚀变形。盐充填型粗颗粒盐渍土由于颗粒间存在大的孔隙，盐分遇水的溶陷变形大部分被孔隙耗散，对地基土的沉陷量贡献不大，其变形主要是由于渗流引起的潜蚀变形；对于盐胶结型的粗颗粒盐渍土，由于地基土渗透系数非常小，水的渗透能力很弱，难以引起地基土的溶陷变形。粗颗粒盐渍土典型的溶陷曲线见图4、图5。

图4 盐胶结类地层溶陷曲线

图5盐充填类地层溶陷曲线

通过大量试验的总结，对粗颗粒盐渍土的溶陷性获得了如下判定：当地基土的渗透系数小于10-5cm/s时，在保持地层原状结构的形态下，可不考虑盐渍土的溶陷性；当地基土的渗透系数大于10-5cm/s、易溶盐含量大于1%时需要考虑盐渍土地基的溶陷性，通常溶陷厚度只在地表2 m～3 m内。

2.2 粗颗粒盐渍土的盐胀性

盐渍土地基的盐胀主要分为两类，即结晶盐胀和非结晶盐胀。对粗颗粒盐渍土，盐胀变形主要是由硫酸钠晶体析出产生的体积膨胀。《盐渍土地区建筑规范》[12](SYT 0317—2012)中规定土中硫酸钠含量小于0.5%时，盐渍土地基可初步判定为非盐胀性地基或可不考虑盐胀性对建(构)筑物的影响，《盐渍土地区建筑技术规范》[13](GB/T 50942—2014)规定，盐渍土地基中硫酸钠含量小于1%，且使用环境条件不变时，可不计盐胀性对建(构)筑物的影响。可见，目前对盐渍土盐胀性的认识和判定还不是非常成熟。本文结合现场和室内试验(见图6、图7)，对盐渍土盐胀性评判进行了细化，获得了如下结论：环境温差不大、地层渗透系数大于10-3cm/s时，即便Na2SO4含量超过1%，可不考虑盐胀对重要建筑物的影响；环境温差较大、地层渗透系数小于10-5cm/s，Na2SO4含量超过0.3%时，应评价地基土的盐胀性。

图6 盐胶结地层的现场盐胀试验

图7盐充填地层的室内盐胀试验

3 结 论

粗颗粒盐渍土在我国分布非常广泛，其工程性能较为复杂，目前关于其基本特点和工程性能系统性研究成果较为偏少，相应的规范在工程性能评价上也有一定出入，为此，本文根据大量室内外试验，在总结、归纳的基础上，获得了如下认识：

(1) 该类特殊土通常粗颗粒含量较高，骨架颗粒含量在60%左右。

(2) 粗颗粒盐渍土分为盐胶结类和盐充填类两种类型。各类型在强度参数选择和工程性能评价上均有差异，应区别对待。

(3) 粗颗粒盐渍土强度参数由黏聚力和摩擦角构成，黏聚力的大小与盐胶结程度有关，摩擦角大小与骨架颗粒有关。

(4) 粗颗粒盐渍土的溶陷和盐胀性与地基土是否存在盐胶结有关，在评价粗颗粒溶陷性和盐胀性时，应对盐胶结型粗颗粒盐渍土和盐充填型粗颗粒盐渍土区别对待。

[1] 高树森，师永坤.碎石类土盐渍化评价初探[J]．岩土工程学报，1996，18(3)：96-99．

[2] 华遵孟，沈秋武.西北内陆盆地粗颗粒盐渍土研究[J].工程勘察，2001(1)：28-31.

[3] 罗炳芳，潘菊英.粗颗粒易溶盐含量测定方法的研究[J].公路，2006(11)：192-193.

[4] 丁兆民，张莎莎，杨晓华.粗颗粒盐渍土路用填料指标研究[J].2008，30(4)：623-631.

[5] 李自详.盐渍土中盐分迁移规律研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[6] 程东幸，许 健，等.粗颗粒盐渍土大型剪切强度试验研究[J].水利与建筑工程学报，2017，15(5)：149-153.

[7] 鲁先龙，童瑞铭，等.输电线路戈壁滩地基抗剪强度参数取值的试验研究[J].电力建设，2011，32(11)：11-15.

[8] 张莎莎，杨晓华，等.粗颗粒盐渍土大型冻融循环剪切试验[J].长安大学学报(自然科学版)，2012，32(5)：11-16.

[9] 郭菊彬，张 昆，王 鹰,等.盐渍土抗剪强度与含水量，含盐量及干密度关系探讨[J].工程勘察，2006(1)：12-14.

[10] 王学明，康 王月，等.粗颗粒盐渍土地区掏挖基础抗拔承载力特性及数值模拟研究[J].2017，15(5)：94-99.

[11] 刘军勇，张留俊.察尔汗盐湖地区盐渍土微观结构及其力学与强度表现[J].盐湖研究，2014，22(2)：60-67.

[12] 盐渍土地区建筑规范：SY/T 0317—2012[S].北京：石油工业出版社，2012.

[13] 盐渍土地区建筑技术规范：GB/T 50942—2014[S].北京：中国计划出版社出版，2014.

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

程东幸(1978—)，男，甘肃会宁人，博士，主要从事特殊土研究工作。 E-mail:chengdongxing759@163.com

TU448

A

1672—1144(2017)06—0028—04