包兰二线铁路某段硫酸盐渍土的盐胀特性及其病害防治

朱芝同，李国民

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

包兰二线铁路某段硫酸盐渍土的盐胀特性及其病害防治

朱芝同，李国民

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

该路段地表硫酸盐渍土的形成与其地形地貌、气候、工程地质和水文地质条件有关。硫酸钠含量、含水量和温度是产生盐胀的主要因素。防治该段路基盐胀病害，应针对这些条件和因素，综合选用提高路基、设置隔断层、换填垫层、设置地面隔热层或化学处置等方法。

硫酸盐渍土；盐胀；路基处理

1 前言

盐渍土是盐土和碱土的总称，是一种土层内含石膏（主要成分为CaSO4）、芒硝（Na2SO4·10H2O）、岩盐（硫酸盐或氯化物）等易溶盐且其含盐量大于0.3%的特殊岩土。目前铁道行业标准《铁路工程地质勘察规范》（TB10012－2007）6.4.2中规定，土中易溶盐含量大于0.3%的土定义为盐渍土。当地表以下1m深度内的土层易溶盐含量大于0.3%时，应定为盐渍土场地［1］。

增建包兰二线银川南至青铜峡段（DK535＋000～DK562＋000）沿线所经绝大部分区域，地表土层为盐渍土，根据易溶盐检验报告，盐渍土分类表及盐渍土含盐量分析表，沿线盐渍土类型为硫酸盐渍土，盐分硫酸钠多富集于表层0.05m以上，其含盐量一般为3%～10%，最高达20%；0.05～0.25m范围内含盐量也较高，可达2%～5%；以下含盐量渐少，一般1%以下，多属中盐渍土场地，少数为强、弱盐渍土。

盐渍土作为一种特殊的路基填料，工程特性主要表现为盐渍土的盐胀性，盐渍土的溶陷性，加剧路基冻胀与翻浆，盐渍土中的主要盐分NaCl、Na2SO4对混凝土结构、金属物等道路设施的腐蚀性等。

在我国西北地区，广泛分布着各种类型的盐渍土，这些地区先后修建了包兰、兰新、南疆、青藏等铁路。由于这些铁路所处的自然地理位置特殊，沿线气候条件和工程、水文地质条件较为复杂，自建成运营后已产生了较为严重的盐渍土病害，所填筑的路堤不同程度地产生了松胀、盐胀、冻胀和翻浆、次生盐渍化等病害，大大增加了日常养护维修的工作量，也严重影响机车的运营安全。

2 盐渍土形成的条件

2.1 地形、地貌和水文地质条件

改建包兰二线银川南至青铜峡段位于气势雄伟的贺兰山脉东侧，黄河西岸。沿线主要地貌单元为黄河冲积平原、山前洪积平原区，局部穿越低山丘陵区、缓坡丘陵区及洪积扇地带。地势平坦、开阔，西部、南部较高，北部、东部较低，略呈西南－东北方向倾斜。

沿线地下水为第四系松散堆积层孔隙潜水，含水层以粗颗粒土为主，呈弱碱性，矿化度中－高，埋深浅，一般为1～5m，个别地段潜水位贴近地表，促使了盐分富集。地形、地貌和水文地质条件是盐渍土形成的主要因素。

2.2 气候条件

沿线气候属于温带大陆性气候，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒。具有冬寒长、夏热短、春暖快、秋凉早、干旱少雨、日照充足、蒸发强烈、风大沙多等特点。

根据当地气象资料，沿线区段年平均气温8.5℃～8.7℃，极端最高温度36.7℃～39.3℃，极端最低温度－23.7℃～ －30.6℃，平均相对湿度56.8%～59%，年平均降水量181.1～202.9mm，年平均蒸发量1 575.7～2 109.9mm，多风，年平均风速为1.5～3.5m/s，风向NNE、WNW，年平均大风日数（≥8级）为22.7～28.5d，定时最大风速可达26～34m/s，风向NW。最大积雪厚度12～17 cm，最大季节冻土深度103cm（银川、青铜峡气象局）。温差大，湿度小，蒸发量远大于降水量，在这种干旱条件下，地下水中的盐分通过毛细作用聚集于地表或近地表土层中，形成白色盐霜或1～2cm厚的盐壳，这些自然因素都促成了本地区的盐渍土的形成和发展。

2.3 工程地质条件

经地质勘探揭示，沿线所经区域广泛分布第四系冲洪积松散堆积物，厚度达数十米，地层主要为第四系全新统冲积、洪积的砂类土、碎石类土、粉土及粉质黏土，主要以砂类土、粉质黏土为主，毛细水上升高度较高，地层岩性条件是盐渍土形成的主要因素之一。

3 盐胀产生的机理

盐胀是盐渍土的特性之一，尤其以硫酸钠最为明显。土体中硫酸钠的存在及迁移聚积是造成盐胀的物质基础。如图1所示，Na2SO4的溶解度是32.4℃，在32.4℃以上时为无水晶体，体积较小，当温度降至32.4℃以下时，Na2SO4充分吸水结晶形成含10个水分子的结晶体Na2SO4·10H2O，体积增大，体积为无水硫酸钠的3.18倍［2］。当温度低于0℃时，土体中除有硫酸钠引起盐胀外，还有土中部分自由水结晶析出、体积增大产生的膨胀。而随着冻胀的产生，土中液相水不断变成固相，硫酸钠浓度会逐渐增大到饱和，从而又析出晶体产生盐胀［3］。

由此可见，路基土盐胀的形成，是土体内硫酸钠迁移聚积、结晶体膨胀和土体膨胀3个过程的综合结果。

4 盐胀产生的因素

国内外大量研究表明，硫酸盐渍土的盐胀特性与含盐量、含水量、温度等因素有关。

图1 硫酸钠的溶解度曲线Fig.1 Solubility curve of sodium sulfate

盐渍土中的盐胀量主要由Na2SO4起关键作用，当土中Na2SO4含量超过2%时，在低温或土中含水量降低的条件下，Na2SO4便结晶产生体积膨胀。野外观测资料表明，路基路面破坏很严重的路段，测定盐分含量，在地面1m范围内，总含盐量＞8%，硫酸根离子在3.93%左右［4］。根据《铁路路基设计规范》的规定，硫酸盐渍土筑的路堤，含盐量应限制在2%以内。

水是硫酸钠结晶膨胀的首要条件，无水或过饱和的硫酸钠在低温条件下转变为晶体硫酸钠时需要10个水分子，所需的水分约为自身重量的1.3倍。硫酸盐渍土最大膨胀量是以该种土的最佳含水量为界限的，当含水量大于或小于最佳含水量时，膨胀量都有不同程度的降低，这是因为在最佳含水量时，土容易达到最佳夯实密度，此时土的空隙率较小，一旦发生盐胀，土就会发生膨胀变形；而小于最佳含水量时，空隙率相应较大，此时即使发生盐胀也优先填充土中孔隙。

在土中含水量、含盐量等具备膨胀的条件下，温度是促使土体膨胀的决定因素。盐胀出现在温度14℃～17℃，平均温度15℃时开始盐胀，5℃～－3℃盐胀现象明显。温度越低，盐胀量越大，地温低于－15℃时，盐胀趋于平缓。沿线经过地区昼夜温差大，硫酸盐的体积时而增大，时而缩小。尤其在冬季，由于温度下降幅度较大，土体膨胀破坏也特别厉害［4］。

5 盐胀病害的防治建议

5.1 盐渍土路基设计原则

盐渍土是西北地区铁路建设中常遇到的一种特殊岩土，在盐渍土地区铁路路基设计中遵循以下几个原则：

（1）盐渍土地区的铁路，在选线和路基设计之前，应认真做好调查研究工作，合理确定设计方案，满足路基强度和稳定要求。

（2）盐渍土地区铁路路基应以填方路堤为主，其高度应结合当地气候特征、水文地质、土质盐渍化程度、地下水毛细作用高度、盐胀深度等因素综合确定。

（3）必须十分重视路基排水设计。应分别视情况因地制宜地做好边沟、排水沟、截水沟、取土坑设计，铁路纵横排水系统应与当地农灌排水和自然水道综合规划，使路基排水畅通。

5.2 盐渍土路基处治方法

路基处理应针对含水量、盐渍化程度、当地工程地质、水文地质、地形和筑路材料等条件，因地制宜地采用有效措施。盐渍土路基处理方法很多，西北地区常用的办法有：提高路基、换填砂砾石、换填风积沙或设砂砾石隔断层和土工布（膜）隔断层、设置地面隔热层及化学处置等，可根据不同情况选用。

（1）提高路基

沿线所经区域地下水位较高，路堤除了有再盐渍化的问题外，还有冻胀和翻浆的危害，为了使路堤不受冻害和再盐渍化的影响，应控制路堤高程到不再盐渍化的最小高度。路堤最小高度一般按下式计算［5］：

式中，H为最低路肩设计高程；h1为冻前地下水位高程；h2为毛细水强烈上升高度；hc为临界冻结深度；hk为临界安全高度值，一般取0.5m。

毛细水强烈上升高度可采用铁一院李善皋提出的用土的物理指标来推求毛细水强烈上升高度的计算公式［6］，供参考：

该公式适用于砂性土的毛细水强烈上升高度。其中：Wm为最大分子吸水量（%）；d10为有效粒径（μm）；d50为平均粒径（μm）。

（2）设置隔断层

一种是砂石材料隔断层，这种隔断层在隔断毛细水上升通道的同时，还可以提高路基的整体强度，消弱或控制路基的不均匀变形。在毛细水隔离层设置中，主要应该考虑材料的选取及合理厚度的确定。隔离层还可作为缓冲层，使下面土的盐胀变形得到缓冲，不破坏地基表面，这种方法在我国西部的硫酸盐含盐地层地区已经得到广泛的应用。

另一种是土工布隔断层，采用土工布隔断毛细水和下渗水也是行之有效的方法，也得到了广泛的应用。土工布可为单层或双层，用于盐渍土地区的土工布应具有长期对硫酸盐、氯盐等盐类的抗腐蚀性。选择土工布应根据使用位置和目的，对渗透系数、顶破系数、耐冻性和耐老化性等提出具体要求。为隔断毛细水上升，土工布一般设置在路基和垫层之间。如果是为了隔断地表水、降水通过面层下渗，则土工布应设置在面层和基层之间。

（3）换土垫层

当盐渍土厚度不大时，常用此方法消除盐渍土的盐胀变形。有时，即使盐渍土土层较厚，但只是表层的温度和湿度变化大，所以不需要把全部硫酸盐渍土土层挖除，而只要将有效的盐胀区范围内的盐渍土挖除，然后换填非盐渍土或灰土即可。在工程中往往要根据水文地质情况、筑路材料及来源情况等来确定换填深度。总体要求是：换土深度宜超过有效的盐胀性土层厚度，保证残留盐渍土的盐胀性不超过上部结构容许的变形值。换土的宽度则应保证下卧层顶面处的压力小于该土层浸水后的承载力。同时，垫层材料本身必须不含易溶盐，以保证周围土溶陷时换土部分的稳定性。

（4）设置地面隔热层［7］

从硫酸盐的盐胀机理可以得知，盐渍土地基因盐胀而引起的变形，除与硫酸盐的含量有关外，主要取决于土的温度与湿度的变化。当土温的变化幅度小于某极值［Δt］时，即使含硫酸盐较多的土，因无相的转变而不产生盐胀变形，故盐胀只发生在地温变化Δt＞［Δt］的深度h范围内。根据这一原理，如果在地面设置一隔热层，使盐渍土层顶面的温度变化小于［Δt］，则有限盐胀区深度h＝0，不需要采用换土垫层等方法。

隔热层厚度可由土的一维稳定热传导理论，根据简化的公式求得。若最大的月平均气温的变化为Δt0＝tmax－tmin，其中tmax为当地最高月平均气温（℃），tmin为当地最低月平均气温（℃），则有

式中，λ为隔热材料的导热系数，cal/cm·s·℃，由试验确定或热工材料手册查得；α为隔热材料吸热（或放热）系数，cal/cm2·s·℃，由试验确定或热工材料查得；Δt0为最大的月平均气温变化，℃，由当地气象资料查得；Δt1为最大的月平均地温变化，℃，由当地气象资料查得；［Δt］为不同地温和硫酸盐浓度下，产生盐胀的地温变化极值，℃。

为了保持隔热材料的持久性，通常在其顶面铺设一防水层，以防大气或地面水渗入隔热层。

（5）化学处治

铁道部曾采用掺入氯盐的办法来抑制硫酸盐渍土的盐胀，并发现当土中的Cl－/SO2－4的比值增大到6倍以上时，抑制效果最为显著［2］。这是因为硫酸钠在氯盐溶液中其溶解度随氯盐浓度增加而有减小的趋势，如表1所示。这种方法对治理硫酸盐渍土路基的病害很有效，例如，我国新疆哈密工务段管内K1 352＋867～878m处，具有比较典型的盐胀危害，在治理前，该路段每年冬季盐胀量高达90 mm，但在治理后，仅有个别点盐胀4～8mm。灌注氯盐的方法有人工和机械两种，实践表明，人工灌氯化钙，经济效益最为显著。

表1 不同温度下Na2SO4在不同浓度的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）

还有一种化学治理是通过掺加化学药品，将土中易溶硫酸盐转化为较难溶解的硫酸盐，从而消除产生土体膨胀的主要因素，达到治理目的［8］。目前常用的化学药剂有氯化钡和氯化钙两种，其化学反应式为：

反应生成的硫酸钡和硫酸钙都是比较稳定的物质，此方法施工简单安全，经济有效，在建筑业已得到广泛应用。化学处治应特别考虑其成本、安全和是否有毒性，否则会影响其实用性和推广。

（6）其他方法

除了所提及的上述方法外，还可以通过加固路基路面，增强路基的强度和稳定性，达到减缓盐渍土的盐胀性，主要措施有强夯法、浸水预溶加强夯法、挤密桩加固地基、石灰（水泥、沥青）稳定土，不再详细介绍。

在盐渍土地基处理时，要注重生态环境改善方面，通过栽植耐干旱、耐盐碱的树木、植被来降低地下水位，防沙固盐，美化道路环境，改善气候和生态环境。

总之，盐渍土地段的地基处理措施应该结合具体实际情况，结合地层物理力学参数、地下水发育情况（含侵蚀性）、基底持力层以及工程设置情况综合分析，采用多种方法相结合的处理措施。

6 结语

盐渍土路基病害是我国西部地区铁路普遍存在的主要工程问题，如何对其病害性质、成因、影响程度作出符合实际的判断与评价，研究切实可行的工程处理措施，是解决这些问题的关键所在。本文在总结以往铁路路基处理措施的基础上，对增建包兰二线铁路盐渍土病害治理措施提出建议，以达到解决这一问题的目的。

［1］铁道第一勘察设计院.《铁路工程地质勘察规范》（TB10012－2007）［S］.北京：中国铁道出版社，2007.

［2］史桃开，徐攸在.盐渍土地基的膨胀性［J］.工程勘察，1994，（03）：17，20.

［3］徐学祖，王家澄.土体冻胀和盐胀机理［M］.北京：科学出版社，1995.

［4］郭兴.硫酸盐渍土松胀和盐胀工程性质浅析［J］.青海交通科技，2008，（3）：23－24.

［5］牛玺荣.硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力四场耦合机理及数值模拟研究［D］.长安大学，2006.

［6］李善皋.《铁路特殊土路基设计规范》专题报告——盐渍土地区毛细水强烈上升高度计算公式的探讨［J］.路基工程，1989，（05）：86.

［7］刘永球.盐渍土地基及处理方法研究［D］.中南大学，2002.

［8］朱瑞成.盐渍土地基的评价及处理方法［J］.西部探矿工程，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，汉族，山东菏泽人，中国地质大学（北京）在读硕士研究生，地质工程专业，研究方向为基础工程。