包兰铁路惠农至中卫段盐渍土成因分析及防治措施

2011-07-27张立志

铁道建筑 2011年11期

张立志

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

包兰铁路惠农至兰州段线路是京兰通道的重要组成部分，是西北地区与华北地区客货交流的主要通道之一。起点包头，途经宁夏回族自治区石嘴山市、银川市、吴忠市、中卫市，而后进入甘肃省白银市、兰州市，终至兰州东站，全长457.18 km。该线路分为三部分进行勘察设计，即惠农至银川段、银川至中卫段、中卫至兰州段。其中，惠农至中卫段属于既有线，中卫至兰州段属于新线。

地质勘查结果表明，该线路惠农至中卫段沿线普遍存在盐渍土分布，对未来铁路的路基会产生很大危害。本文主要在充分分析包兰铁路惠农至中卫段沿线盐渍土形成机制，盐渍土病害的基础上，结合已有的盐渍土路基病害防治方法，为线路的正常施工和维护提供一定的科学依据。

1 包兰铁路惠农至中卫段盐渍土成因分析

1.1 地质条件

根据地质调查分析，包兰铁路惠农至中卫段沿线经过的地貌单元分为黄河冲积平原及河谷区、山前及山间冲洪积平原区、低缓丘陵区、黄土梁峁区及低中山区。沿线出露的地层主要有第四系、上第三系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石灰系、泥盆系、寒武系、震旦系等地层。其中影响盐渍土分布及特征的主要是第四系的地层。

本区第四系地层包括全新统、下更新统和上更新统，其中全新统地层由人工堆积层、冲积层、洪积层和残坡积层组成，岩性主要为粉质黏土、粉土、黏质黄土、砂质黄土、粉细砂、中砂、粗砂、圆砾土、碎石等。

1.2 气象水文条件

该线路通过的地区主要属于中温带干旱和半干旱气候区，以干燥少雨，多风沙，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜、四季温差大，降雨集中，蒸发强烈为特征。年平均气温8.3℃ ～9.5℃，最冷月平均气温－15.8℃ ～－6.1℃;年平均降水量181.1～319.6 mm，年最大降水量253.7～546.7 mm，雨季集中在7、8、9三个月，年平均蒸发量1 457.7～2 109.9 mm;土壤最大冻结深度为0.83～1.03 m。

沿线主要河流包括黄河干流、宛川河、米粮川等，除黄河干流外沿线沟谷一般为季节性河沟。沿线局部地段分布有季节性或常年积水水塘，是由于地下水位埋藏较浅，局部低洼地带地下水溢出，加之地表排水不畅而形成。地下水类型主要包括第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，分布于山前倾斜平原及黄河冲积平原阶地上，其补给来源为黄河河水、水渠渗漏、农田灌溉水及大气降水。

1.3 研究区土壤盐渍化形成机制

研究表明[1-3]，土壤盐渍化是地下水埋深较浅，地表蒸发强烈地区土壤中水盐运移结果的一种表现形式。主要受土壤类型、土壤质地、地下水埋深和气候条件等影响，且地下水位埋深浅以及地表强烈的蒸发作用是盐渍土形成最重要的因素。

宁夏回族自治区属于西北干旱半干旱地区，其盐渍土的形成主要是自然条件和人为因素综合作用的结果。其中自然因素包括气候、土壤、地形和地下水等，人为因素主要包括引水灌溉和排水条件等，二者相互作用导致了地下水位的升降、水土中盐分的转移和分配状态[4-5]。首先，该区的气候条件为土壤可溶性盐份的积累创造了基础条件;其次，研究区位于平坦、开阔的冲洪积平原内，山区降水和冰雪融水约有35% ～45%渗入地下，并与地表径流一起补给地下水，平原内低洼地区成为地表、地下水径流的汇水聚盐区。

根据取样测试分析，包兰铁路惠农至中卫段沿线盐渍土主要为不同强度的亚硫酸盐渍土，包括弱亚硫酸盐渍土，中亚硫酸盐渍土和强亚硫酸盐渍土，盐分多富集于表层，厚度0.2 m以上，其含盐量一般为3% ～10%，0.2 m以下含盐量逐渐减少，一般在1%以下，属中盐渍土场地。研究区水位一般为0.5～3.0 m，为地表盐渍化的形成提供了必要条件，其侵蚀性研究表明，其矿化度高，水质较差，对混凝土有H1～H3级硫酸盐侵蚀及 L1～L2级氯盐侵蚀。其中 K549+500～K551+500段铁路线位于黄河冲积平原上，由于地势低洼，径流滞缓，地表蒸发强烈，毛细作用导致地下水不断向上补给，水分被蒸发，其携带盐份则逐渐在表层富集，导致地表发生盐渍化，多形成白色盐霜或1～2 cm厚的盐壳。

2 盐渍土路基病害分析

盐渍土对路基有很大的破坏作用，主要表现为路基表层泛碱和表面板结现象、路基下沉、轨道变形等，这些对行车会造成很大的安全隐患。盐渍土之所以对路基有这么大的危害，主要是由于其特殊的工程性质，即盐胀性、溶陷性、冻胀和翻浆以及腐蚀性[6-9]。

2.1 盐胀性

盐胀现象主要形成于硫酸盐盐渍土地区。几种易溶盐中，硫酸盐的盐胀性最强，氯盐次之。硫酸盐溶解度受温度影响较大，当温度升高时，溶解度下降，晶体脱水变成粉末，体积变小，致使土体结构破坏后呈松软潮湿状态，地基强度降低。反之，当温度降低时，硫酸盐吸水结晶，体积增大，促使土体膨胀。例如，当温度超过33℃时，芒硝(Na2SO4·10H2O)的溶解度随温度增加而降低，此时会以无水芒硝的形式析出;当温度在33℃以下时，无水芒硝会结合10个水分子成为芒硝，此时体积能增加2～3倍。

由于西北地区昼夜温差以及季节温差较大，表层土壤的温度随气温变化而变化，土壤中的硫酸盐反复膨胀和收缩，使路基面发生变形甚至破坏，包兰铁路在进行路基处理时应避免此病害的发生。

2.2 溶陷性

盐渍土的含盐类型多为硫酸盐、碳酸盐和氯盐，这些盐类成为土壤颗粒之间胶结物的主要成分，其中钠盐和钾盐等属于易溶性盐类。干燥状态下它具有强度高、压缩性小的特点，但遇水后，可溶性盐类溶解，土体在荷载或自重作用下下沉，这就是盐渍土的溶陷性。其中，氯盐的溶陷性最大。溶陷性一般与含盐量、厚度及浸水程度有关，含盐量、厚度及浸水量越大，下沉量也越大。

通过室内试验和现场浸水试验可以确定出盐渍土的溶陷性系数，根据溶陷性系数大小可以对地基进行分级，选择相应的工程处理措施，如表1。

表1 地基溶陷性处理措施

2.3 冻胀和翻浆

冻胀主要发生在反复冻融地区，路基土沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，对路基和土体结构造成破坏。一般来说，道路的中央部分冻胀量最大，沿着中心线的纵断面方向上容易产生纵向裂缝。影响盐渍土冻胀的因素主要包括土壤含水量、土体类型、含盐量和温度等。在温度＞－4℃时，盐渍土的冻胀率变化最大;当温度＜－4℃后，冻胀率几乎稳定在一定数值范围内。盐渍土的冻胀率还随含水量的增大而增大，随易溶盐含量的增加而降低。

翻浆主要是指在寒冷地区天暖解冻时，路面下的冻土开始融化，使路基土层饱水软化，在行车作用下造成路面破裂，从裂缝中冒出泥浆的现象。这种翻浆也称为冻融翻浆，是季节性冰冻地区的主要病害之一。它主要受盐渍土类型、温度、水以及荷载等因素控制，且土体冻胀的发生会促进翻浆现象的发生。

2.4 腐蚀性

盐渍土的腐蚀性包括物理腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀。盐渍土中NaCl，Na2SO4等盐类的腐蚀作用能导致混凝土构造物、金属物等道路设施产生疏松等损坏。在潮湿或多雨的季节，地表的部分易溶盐由于降雨的溶解随水下渗，形成对路基的溶蚀现象。此外，地下水中的和离子能与混凝土表面的碳酸钙等作用，生成可溶性的Ca(HCO3)2而导致混凝土强度降低，致使路基被腐蚀。当盐渍土中的硫酸盐以钠盐为主时，可以腐蚀水泥、砂浆、混凝土和砖等，这是因为硫酸盐能与水泥水化物起化学反应生成新的物质，同时导致路基体积膨胀而破坏;当以氯盐为主时，氯离子先与铁反应生成FeCl2，在有氧的条件下，铁离子会与氧结合形成氧化物，而氯离子将重新离解出来，大大加快了铁的腐蚀速度。

3 防治措施

盐渍土的存在会对铁路路基的完整性和安全性造成很大的破坏，如路基变形，表面松胀，部分路基板结、下沉，甚至导致轨道的几何形状发生变化，严重影响行车安全。所以在铁路设计施工前，应该结合沿线实际的盐渍土特征及分布情况采取必要的防治措施，避免路基病害的发生。根据已往的盐渍土路基病害防治方法，结合包兰铁路沿线盐渍土的特征，提出以下防治措施[8，10-12]。

1)设置隔离层。包括设置沙石材料隔离层和土工布隔离层，其主要目的是切断毛细水上升的通道。其中沙石材料隔离层还可以提高路基的整体强度控制路基的不均匀变形，其厚度可根据相应的规范进行计算;土工布隔离层则要求土工布对硫酸盐、氯盐等盐类有长期的抗腐蚀性。根据使用位置及目的，确定最优化的渗透系数、顶破系数、耐冻性和耐老化性等参数和性能的具体要求。

2)提高路基。路基的提高高度，应结合防治措施及排水设计综合考虑。排水不良的过湿地带，路基最小高度不应小于有关盐渍土地区路基最小高度的相关规定。

3)加固路基结构。即通过增强铁路路基的整体强度和稳定性来保持路基处于良好状态，具体方法包括强夯、设半刚性基层、挤密桩加固地基等。如在原土路基上打入间距较密的砂砾桩，将原土地基挤密，不仅可以防止土体因冻胀和盐胀而松散和垮塌，而且还可以提高路基对上部荷载的承载力。

4)去除盐分。即通过去除或改变盐分特征来达到治理盐渍土病害的目的，具体方法包括换填法和浸水预溶法。换填法是把路基范围内的强盐渍土用好的土壤或其他材料替换掉;浸水预溶法是在进行工程施工之前，通过水浸地基，把上部地基中的易溶盐溶解渗流到较深层的土中，从而达到改良盐渍土地基的效果。此外，化学固化作用也非常重要，但是对于强硫酸盐盐渍土，当其中含有活性铝时，活性铝与固化剂中的氢氧化钙(CH)迅速反应生成钙矾石而导致固化土膨胀破坏，减少固化剂中的水泥含量及进行二次碾压有利于减小固化土孔隙率，可有效提高改良土的强度和耐久性。