风积沙在新疆公路盐胀病害防治中的应用

2013-04-16郑育新

交通运输研究 2013年24期

郑育新

（新疆建设职业技术学院土木工程系，新疆乌鲁木齐 830054）

0 引言

土壤盐渍化是新疆公路破坏的主要原因，对公路工程建设的危害性很大，其危害主要有盐胀与盐溶蚀，其中公路盐胀病害较为严重。盐渍土地区路基土体随着气温的年周期性变化而变化，引起土体中水分、盐分的不断迁移以及Na2SO4的结晶和溶解，并且由于“盐随水走”，加剧了Na2SO4的结晶与溶解过程，进而导致Na2SO4渍土地区路基土体体积的膨胀和收缩，如此反复胀缩，严重破坏了土体的工程性质。同时，上覆荷载的存在，抑制了盐胀的产生。因此，盐渍土的盐胀，是水、盐、热、力四场综合作用的结果。盐胀主要随温度变化而发生体积变化，引起地表松胀，导致公路路基、路面变形破坏。盐胀使新疆公路路面每年都随季节产生不同程度的破坏，造成很大的经济浪费。

1 盐胀影响因素

盐胀量大小的影响因素有：Na2SO4的含量、含水量、初始干湿度、温度、NaCl的含量、土的成份、上覆荷载等。

1.1 Na2SO4含量

一般认为：Na2SO4含量达到0.5%时，土体开始膨胀，则该值为起胀含盐量临界值。Na2SO4含量在1%～4%的盐土盐胀递增速度较快，Na2SO4含量越高，最终的盐胀量就越大。盐胀率η（%）与Na2SO4含量z（%），有指数关系：η＝a＋blnz。当然盐胀率除了与Na2SO4的含量有关外，还与别的影响因素有关。

总之，当Na2SO4含量＜1%时，盐胀率小于1%；当Na2SO4含量＞2%时，盐胀率随Na2SO4含量的增大而迅速增大；当Na2SO4含量超过了土中水所能溶解的数量时，含盐量再继续增加，盐胀率亦不再增加，除非有新的水源补给。由于新疆公路大多是在原先的田间道路上改建而成，对田地基本上都进行了改良处理，而对道路未进行此项工作，导致路基含盐量普遍较大，在以后的公路改建中由于受到投资造价的限制，基本上也未对原路基进行很好的处理，致使路基含盐量普遍超标，因此，在新疆公路中如前所述硫酸盐盐渍占到了77%，为新疆公路盐胀病害提供了条件依据。

1.2 含水量

起胀含水量与土质有关。起胀含水量应略大于土中不溶解盐的含水量，后者约为土中强结合水的0.9～0.95倍。一般而言，当含水量＜6%时，无论Na2SO4含量多少，盐胀率均＜1%（此可为工程所用）；当含水量＞6%时，盐胀率随含水量的增加而迅速增大，但有一峰值，超过此值后，含水量继续增加，盐胀率反而减少；盐胀率峰值出现在最佳含水量（重型击实标准）与塑限之间，含盐量少时接近前者，多时接近后者。由于新疆部分道路与渠道伴行或林带灌水，为路基提供了较充分的水源补给，而新疆道路受到投资的限制等级较低，路基高度一般较小，因此，毛细水上升过程中将部分底部的盐分带到了路基顶部，从而增大了路基的盐分含量，为路基盐胀创造了条件。

1.3 初始干容重

一般而言，随着初始干密度增大，盐胀率逐渐减小，但当超过了一定界限后，盐胀率又随初始干密度的增加而增大。但盐胀有累加性，目前施工均是按照交通部有关规范执行，压实度均要满足验评标准要求，故初始干容重对防治盐胀病害意义不大。

1.4 NaCl含量

NaCl对盐胀的影响是复杂的、多方面的，该因素只能抑制部分盐胀而不能防止和消除盐胀，且NaCl容易随水迁移流失，故工程意义不太大。

1.5 温度

起胀温度与Na2SO4含量有关，也与含水量和NaCl含量有关。室内试验多数在25℃左右起胀，Na2SO4含量大时起胀温度会提高，Na2SO4含量小则会降低，Na2SO4含量小而含水量大时则降低更多。

盐胀剧烈增长的温度区间主要与孔隙溶液中Na2SO4浓度有关。浓度增大时，盐胀的温度区间扩大、起胀温度升高；浓度减小时，则正好相反。

降温速率对盐胀有显著影响，类似于冻结速率对冻胀的影响。盐胀率与降温速率成幂函数关系，即盐胀率随降温速率的减少以幂函数增大。降温速率对盐胀率的影响还与土的密度和Na2SO4含量有关。在含盐量≤1%时，降温速率变化对盐胀率几乎没有影响，只当含盐量≥2%时，降温速率变化对盐胀率才有显著影响，而且随着含盐量的增大其影响越来越大；采用轻型标准击实的土比采用重型标准击实的土对降温速度变化要更敏感。

在多次冻融循环作用下盐胀具有累加性。循环次数与累加盐胀率的关系近似二次抛物线。临近土体结构彻底破坏前累加的盐胀总量达到最大值，以后反倒有所减小。土体盐胀累加至最大所需冻融循环次数与外荷载有很大关系，外荷载越大所需次数越多，在无荷载或荷载很轻的情况下通常只需6～7次。显然，一般建筑物在确定容许含盐量时都应该考虑盐胀的累加性。

新疆温度差较大，一般在夏季日温差可以达到25～30℃左右，春秋两季时间虽然持续较短，但温差相对于夏季更大，这样盐胀产生的频率增大，盐胀的累加程度大大提高，盐分向表面移动，虽这些移动幅度较小，累加性却不容忽视；夏季地面蒸发强烈，毛细作用强烈，盐分向地表迁移，此时土中的含盐量显著增加，这些普遍现象可以通过各盐渍土路段附近地表呈一片白色的盐渍化表观可知。漫长冬季温差一般在15～20℃左右，但是持续的低温使得路基中水分在温度梯度的作用下逐渐向路基顶部移动，并在合适的温度以及含水量条件下产生盐胀和冻胀的结合病害；春融季节温度升高，土中含水量增加，盐分溶解下渗，表层含盐量相对减少，路基逐渐恢复原状。

1.6 上覆荷载和路面结构

有关资料表明，上覆荷载和路面结构对盐胀如同冻胀一样具有较强的抑制作用，随着荷载的增加盐胀率急剧降低，二者的关系曲线可用指数函数表示。当上覆荷载超过88kPa时，盐胀率渐趋于0。但是新疆公路的路面结构层厚度较薄，一般在380～480mm，其对盐胀的抑制作用是有限的，但随着盐胀的累加，其上部荷载对盐胀的抑制作用就相对较小。

综上所述：新疆公路外界温度是无法控制的，因此含盐量尤其是Na2SO4的含量对盐胀量影响量最大，其次是含水量，再次是密实度等因素，而氯盐含量对盐胀有一定的抑制作用，但是当其含量较大时，还会引起路基翻浆、地基承载力下降等病害。路面结构和上覆荷载对于盐胀也有一定的抑制作用，但是又受到投资的限制，因此，在进行新疆道路盐胀病害防治中应综合考虑，采取行之有效的防治措施。

2 风积沙用于公路盐胀病害防治的可行性

2.1 盐份含量

风积沙的化学组成以SiO2（70%左右）、Al2O3（10%左右）为主，MgO、CaO、K2O、Na2O、Te2O3等的含量较少；且不含引起公路冻胀和翻浆的硫酸盐和氯盐成分，属于非盐胀性土，并且在新疆多用风积沙进行盐渍土土壤改良，效果很好。另外风积沙与粉土、黄土相比，由于SiO2含量较多，其颗粒的硬度和强度均较大，可作路基填料，适合于治理盐胀，玉阿公路充分证明了这一点。

2.2 颗粒组成

风积沙的颗粒组成相对于粉土、黏土较粗，粉黏粒含量较小，特别是SP、SF类风积沙更是如此。由于风积沙颗粒较粗，相对比表面积小于一般路基填土，颗粒之间的结合水相对较少，毛细水上升高度也较小，使得风积沙路基中底部盐分通过温度梯度上升到路面的速度慢，可起到隔断层的作用，从而使得路基土次生盐渍化的程度减小。

2.3 强度

风积沙具有良好的水稳性和较高的强度，其用于盐胀路基中可以增强路基的强度，起到抑制盐胀的作用。

2.4 路面结构层

风积沙良好的水稳性，在压实状况下也有良好的稳定性，并且其较小的毛细水上升高度、较好的抗冻性能和较大的强度（回弹模量值和CBR值）又起到了垫层的功能，也就是说采用风积沙层处理盐胀问题，相当于增加了路面结构层，增强了路面结构的强度和增加了盐渍土顶部的路面结构覆盖，从而达到抑制盐胀的作用。

3 风积沙防治公路盐胀病害的工程实例

盐胀病害在新疆公路中较为普遍，为此对公路盐胀病害的治理措施和盐胀控制效果进行了路况调查，现将各调查路段进行说明。

3.1 风积沙在阿塔公路中的应用

阿塔公路起点为阿克苏市，终点为阿拉尔市。该公路等级为二级路。公路位于阿克苏河流域冲积细土平原中下游，基本走向与塔河平行，部分路段穿越盐碱沼泽区，因此，设计上有土工膜布铺设。工程起点穿越盐碱沼泽区，原设计在路面下1.0m～1.2m处铺设一道土工膜布，其上填筑风积沙，分层压实至底基层底面。但施工中由于多种原因从K10＋000～K11＋800段以及K13＋000～K13＋500段膜上没有填筑风积沙，而是从路旁土甩方填筑，K21＋800～K22＋800段按设计施工。完工后的第一个秋冬季，便在没填风积沙路段出现了路面纵向裂缝。经过4年的运行，裂缝在每年秋季都会发生，并随时间的推移而加宽，范围加大，入春后裂缝回落，入夏后大部分裂缝恢复，但裂缝及其周边沥青面层松弛、脱落，逐年加重；而填筑风积沙段则完好无损。在K32＋000～K41＋000段也完全用风积沙填筑路床，目前通过4年的运行，凡在结构层下填有风积沙（0.5m以上的厚度）的路段，均无路面破坏，而未填风积沙的路段或多或少都有路面损坏。

两段（K10＋000～K11＋800，K13＋000～K13＋500）未填筑风积沙铺设了土工膜布的路段，虽然膜布防止了其下部的水分上升，保证了其上部的路面在干燥和潮湿状态下运行，对其上部的路基起到了很好的防止次生盐渍化发生的可能。但同时也阻止了其上部水份的散失和盐分的下排，其上部在施工中的最佳碾压含水量（14%左右）可较长时间保持在较高的水平，从现场取样（2009年秋季），其路肩下0.8m的含水量在10%～12%之间。这一含水量足以使膜上含一定量的Na2SO4盐渍土发生胀裂的路面破坏，而且由于施工中的错误，恰好形成了上下路段的对比，两段未填风积沙的路段，恰好一前一后将填筑风积沙的路段夹到了中间。如此路面反映出的差异，应该归结为土工膜上的填料不同所致，路段胀裂的时间以及当时的温度又说明这不可能是由于冻胀原因，而膜的存在使得膜上土只能靠蒸发才能减少其中的含水量，而沥青面层的存在又起到了阻碍其水分蒸发的作用，如此盐胀年年重复、累积，使得路面逐年破坏。

3.2 风积砂在巴莎公路中的应用

S215线巴楚—莎车公路，大部分路段路基两侧为林带与农田，个别段落为盐碱荒滩，老路路面结构为30mm沥青表处，100～200mm厚级配砂砾，路基宽10m，路基高度在2m左右，路基普遍采用就地盐渍土或粉土填筑。老路病害路段基本分布在盐碱荒滩、地下水位高的路段，病害表现为路基不均匀沉陷、翻浆、盐胀、路面网裂、老化剥落严重。沿线地表土大多属硫酸盐类盐渍土，局部硫酸盐含量较高，属强盐渍土，部分路段路基两侧因季节不同偶有积水。多处路段盐胀病害久治不愈，经现场调研发现公路路面自11月中旬发生了隆胀，持续到次年2月，而隆胀始发期的气温和地温均大于0℃，进行人工开挖坑槽发现是Na2SO4所致。因此以K75＋000～K79＋500为试验段进行防治试验，该段路基平均高出地面约2m，其一侧10m远为与公路并行的干渠（无防渗的老渠），渠身上缘几近与公路路面同高程，渠路之间为一取土沟槽，深度为1～1.5m不等。另一侧为一洼地，未建立排水系统，春灌或大雨过后，有地下水出露现象，试验段区域最大标准冻深为0.65m。试验段实施方案：挖弃原路面下1.0～1.2m的旧路基，先换填0.6～0.8m的风积沙，分2～3层碾压密实，其上部填筑400mm砂砾结构层并压实，再作35mm沥青面层。试验段至2010年（已有4年）运行品质良好，达到了治理盐胀的预期效果。

3.3 使用效果

风积沙在新疆境内分布较为广泛，利用风积沙筑路防治路基盐胀，可以达到治理环境的目的。并且风积沙运距较近，利用风积沙技术可以防治路面结构层砂石料的嵌入而节省了土工布或砂砾石封层，又在防治盐胀中取消土工布的隔水层，从而有效地降低了筑路成本，使其在低等级、低造价公路工程的应用有了较为广阔的条件。