伊拉克复合盐渍土形成与分布及工程地质特性研究

李 东，张庚成，钱 明，张志豪

青岛中油岩土工程有限公司，山东青岛 266071

伊拉克复合盐渍土形成与分布及工程地质特性研究

李 东，张庚成，钱 明，张志豪

青岛中油岩土工程有限公司，山东青岛 266071

对伊拉克广泛分布的复合盐渍土进行研究，对整个地区油气设施的安全与维护有着重要的意义。针对具有氯盐和硫酸盐双高特征的伊拉克盐渍土，通过收集大量伊拉克油田盐渍土工程勘察数据和历史研究成果，综合分析了其分布和成因，而后在室内较详细地开展了盐渍土的成分对该盐渍土强度和压实性影响的试验研究。结果表明，伊拉克土壤盐渍化总体呈现从西北向东南递增的趋势；随着含盐量的增加，复合盐渍土与单盐渍土的抗剪强度，总体表现为先增大、后减小、再增大趋势，但复合盐渍土的变化趋势更复杂一些；随着含盐量的增加，复合盐渍土的压实密度增加得更为明显，且比正常盐渍土高。研究发现，在做好防水等措施的前提下，复合盐渍土比正常土体表现出更好的工程地质特性。

伊拉克；复合盐渍土；成因；分布；微观结构；抗剪强度；压实性

伊拉克两河流域属大陆性亚热带半干旱型气候，气温高，降雨少，夏季最高气温达50℃以上，地表水分蒸发严重；沉积地层中广泛发育着高含硫酸盐、氯盐的地层，其中伊拉克两河流域东岸，第四纪土层中和Cl-含量可以同时达到几千至数万mg/kg，这种土层在我国极为罕见，其特性异于我国常见的盐渍土类型，具有极强的地域特征。本文将此盐渍土定名为“复合盐渍土”。伊拉克地下石油储量丰富，分布在各种不同的地理环境。近年来，我国在伊拉克各地区开展了大量石油勘探开发项目，建设了大量大型石油化工及油气开采设施，因此，对伊拉克广泛分布的复合盐渍土进行研究，对整个地区油气设施的安全与维护有着重要的意义。

本文结合伊拉克地区工程勘察资料和试验分析，对该地区盐渍土形成、分布及工程地质特性进行了研究，并结合以往类似研究的经验[1-10]，提出相应工程建议，为以后该类场地工程建设提供技术参考。

1 伊拉克盐渍土形成及分布规律

1.1 复合盐渍土形成原因分析

伊拉克盐渍土的形成主要是自然因素综合作用的结果，包括气候、地形、土壤和地下水等，本节拟以美索不达米亚平原为中心向周边扩展进行研究。

（1）伊拉克盐渍土总体分布及成因。伊拉克土壤盐渍化总体表现为从西北向东南依次递增的趋势，最南端法奥地区由于受海潮侵袭和海水地下水补给的影响，氯盐含量相当高。

（2）伊拉克北部高原和山地、中南部平原内陆盆地和局部洼地、两河流域东岸盐渍土分布的成因。由于盐类在水中的溶解度不同，沉淀先后顺序也不同，先析出溶解度较小的重碳酸钙和重碳酸镁，然后是碳酸镁、硫酸钙和硫酸钠，最后是溶解度较大的氯化钙、氯化钠和氯化镁。伊拉克北部高原和山地位于两河流域的上游，因此上游盐渍化程度较低或多为难溶盐及局部中溶盐。同时由于伊拉克地形为由西北向东南逐步倾斜，盐分多随地表、地下径流由高处向低处汇集，在地下径流缓慢地带，地下水溶解盐量较高，当地下水位升高，蒸发作用强烈时，地下径流中的盐分很容易由毛细水带到地表，并随着水分的蒸发，残留在地表的盐分增高，因此，盐渍土多分布于中南部平原内陆盆地、局部洼地等。其中两河流域东岸，地下水位较浅，约1～2 m，第四纪土层中和Cl-含量可达到2万～3万mg/kg，有些地表形成很厚的盐壳。

（3）西部高原和荒漠盐渍化土的成因。西部高原和荒漠同样为第四纪冲积沉积物，母质的沉积类型及沉积特性对土壤盐渍化的形成有着重要的影响。大多数第四纪沉积物具有较大的移动性和不连续性，多为松散的堆积物，没有经过硬结成岩作用。该地区由于物理化学风化十分剧烈，且降雨稀少，蒸发量较大，地表水不发育，因此植被稀疏，风沙地貌较为发育，多为荒漠或戈壁。碳酸盐和硫酸盐类的迁移，就发生在这些地带，该地区硫酸盐和石膏含量较高，表现为从东部向西部递减的趋势，但由于气候和水文的影响，该地区盐渍化不会随着时间迁移呈现加重的趋势。

1.2 盐渍土平面分布特征分析

研究发现伊拉克复合盐渍土主要分布在冲积平原地貌中，硫酸盐和氯盐均处于很高的水平，但局部表现出含量的差异，以下将依照伊拉克复合盐渍土分布区划（见图1）和盐分含量随深度分布规律分别对各区域含盐特点进行定性和定量分析。

（1）北部高原和山地。该区域位于两河流域的上游，除山区外，主要含有上游早期沉积形成的中溶盐或难溶盐，氯盐含量较少，易溶盐均被冲向下游，该区域地下为石灰岩。Taqtaq油田位于该区域。

图1 双高盐渍土分布区划

（2）米索不达米亚平原。该区域总体含盐量由北向南依次递增，但氯盐分布随着河流走向逐渐增高，Cl-含量为2 400～10 000 mg/kg，含量为1 250～11 600 mg/kg。艾哈代布油田、米桑油田、哈法亚油田、西古尔纳油田及鲁迈拉油田东部位于该区域内。

（3）幼发拉底河西侧。该区域与荒漠接壤，受荒漠气候和水文环境影响较大，该区域硫酸盐含量较高，氯盐次之，含量平均值为150 000 mg/kg，Cl-含量平均值为3 800 mg/kg。塞马沃和卡尔巴拉两大石油生产地位于该区域内。

（4）西部荒漠及高原。该区域地下为石灰岩，上部土层石膏含量稍高。

（5）位于波斯湾入海口的法奥。该区域历史上为受潮汐影响的沼泽退化区域，因此，该区域氯盐含量非常高，为其他区域的几倍，硫酸盐含量相对较低，Cl-含量平均为70 000 mg/kg，含量平均为2 200 mg/kg。为石油生产和输出服务的法奥港位于该区域内。

1.3 复合盐渍土立体分布特征分析

本节重点研究伊拉克代表性地区的盐渍土实测数据，分析土中双高盐分含量随深度的分布规律。

（1）从图1可知，油田工程项目主要集中在米索不达米亚平原、幼发拉底河东岸及法奥入海口这三个区域，其中位于米索不达米亚平原的阿玛拉、西古尔纳、艾哈代布和巴士拉以北地区的硫酸盐和氯盐含量随深度的增加逐渐减少，达到一定深度后出现骤减趋势，由于地下水位的影响，四个区域盐分含量随深度骤减位置分别在6、15、3、10 m处，见图2～5。

图2 阿玛拉地区双高盐分含量随深度分布

图3 西古尔纳地区双高盐分含量随深度分布

图4 艾哈代布地区双高盐分含量随深度分布

图5 巴士拉地区双高盐分含量随深度分布

（2）幼发拉底河西岸。该区域处于荒漠和冲积平原过渡带，历史上受幼发拉底河影响较大，处于季节性干湿交替地带，形成了盐渍土场地；但近代由于河流影响减弱，降雨稀少，地下水位埋深较大且常年无变动，因而土中盐分随深度变化较小，见图6。另外，如上节所述，由于该区域位于冲积平原中上游，主要处于硫酸盐沉积地带，硫酸盐和石膏含量很高，因而该地区含量很高，平均值可达157 000 mg/kg，而Cl-含量较低，见图6。

图6 卡尔巴拉地区双高盐分含量随深度分布（为了方便表示，图中的Cl-含量放大为实际含量的10倍）

（3）法奥地区。该区域的数据主要取自表层土样。法奥地区软土层厚度较大，由于长期受海水侵蚀的影响，盐分随深度的变化较均匀，又由于位于冲积河流下游地区，且受波斯湾海洋潮汐和蒸发量大的影响，Cl-含量非常高，最高可达70 000 mg/kg，含量相对较低，见图7。

图7 法奥地区双高盐分含量随深度分布

2 复合盐渍土微观结构分析

本研究选取代表性土样，采用HORIBA EMAX mics型扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构，见图8；同时采用EX-250X-stream型能谱仪（EDS）测得相应部位的化学成分，见图9。

从图8可以看出，试样中都含有大量石膏（CaSO4·2H2O），颗粒之间孔隙较多，土样盐质胶结。从EDS分析结果中可得知试样中包含Ca、C、O、S、Si等元素，如图9所示，由此可推测试样含有 Ca（HCO3）2、CaSO4、SiO2等主要矿物；再由试样中含有Al、Mg、Fe、Na、K等元素，可推测其含有一些黏土矿物（如高岭石Al4（Si4O10） OH6、蒙脱石（Al，Mg）2（OH）2·nH2O、伊利石KAl2[（Al，Si）Si3O10]（OH）2·nH2O、绿泥石（Mg，Al）6（Si，Al）4O10（OH）8等）及方铁矿（FeO）等。

图8 土样的SEM照片

图9 土样的能谱分析

3 复合盐渍土主要物理力学性能与含盐量的关系分析

以伊拉克现场取土为原料，通过掺加一定量的氯化钠、硫酸钠和水，制备不同盐类型和不同含盐量的盐渍土，而后采用控制变量法以及正交试验法进行抗剪强度和击实试验。

3.1 抗剪强度试验分析

抗剪强度关系到土体承载力和破坏模式，因此研究氯盐和硫酸盐含量对土体抗剪强度的影响至关重要。

图10、11为在各级围压下，单盐渍土和复合盐渍土抗剪强度随含盐量变化的曲线。在单盐渍土中，其抗剪强度基本上呈现先上升、再下降、再上升的趋势，随着Cl-质量分数由0%至3%的增加，在质量分数为1%时出现波峰，2%时出现波谷，Cl-对土强度的影响相对稍大。在复合盐渍土中，由于土中同时含有Cl-和，强度的变化较复杂，在Cl-质量分数为1%和2%时，随着含量的增加，抗剪强度表现为先上升、再下降、再上升的趋势，在Cl-质量分数为3%时，其抗剪强度的波动是相反的。这可能是由于土中黏粒含量少，易溶盐含量高，导致孔隙液中离子浓度高，而土颗粒表面电荷密度低，从而造成这一反常现象。

图10 单盐盐渍土抗剪强度与盐质量分数的关系

图11 复合盐渍土抗剪强度与盐质量分数的关系

3.2 击实强度试验分析

击实试验是控制路基和垫层压实质量不可缺少的试验项目，是了解土的压实性的重要方法。不同盐质量分数土样的击实试验结果见图12、13。

（1）Cl-的影响。由图12可见，当土中不含盐时，土的最优含水率（质量分数）为9%，最大干密度为1.74 g/cm3。当土中含Cl-时，其最优含水率和最大干密度均相应提高，最优含水率为9.5%～11%，最大干密度为1.81～1.86 g/cm3。

图12 不同Cl-质量分数下土击实试验曲线

图13 不同质量分数下土击实试验曲线

（3） Cl-与的复合影响。图14为复合盐渍土击实试验曲线，与图12、13相比，复合盐渍土的干密度整体偏高，其最优含水率为9.5%～11.5%，最大干密度为1.87～1.94 g/cm3。曲线的波动较大，说明土中氯盐和硫酸盐共同对土体最大干密度和最优含水率产生的影响，比单盐要大。

4 伊拉克复合盐渍土工程应用分析

4.1 复合盐渍土作为填料的工程特性分析

击实试验发现，在单盐情况下，最大干密度随着含盐量的增加而增大，为1.87 g/cm3；复合盐分下，最大干密度同样随着含盐量的增加而增大，但增大趋势更加明显，达1.94 g/cm3。表1为某复合盐渍土场地地基土压实测试结果，可见最大干密度值较高，该土在较小的压实功作用下即可达到95%以上的压实系数。

图14 复合盐渍土的击实试验曲线

表1 现场压实系数测试结果

由于该地区易溶盐浓度很高，基本达到饱和状态，土颗粒间可见析出的盐分晶体，因此，该类土空隙基本被盐分填满，土的密度比正常土体要大，孔隙的减少使土的压缩系数相应增大。可见该复合盐渍土，在缺水环境下作为建筑地基垫层或路基填料具有很优越的条件。

在阿玛拉、卡尔巴拉和法奥地区，土体相对比较容易达到较高的压实度，在采取防水措施的情况下，该复合盐渍土是很好的填料。其他地区土体压实效果稍差，这已在西古尔纳地区施工中得到证实，部分垫层压实很难达到合格，因此，这些地区需要对取土进行掺料处理，以达到合格的压实效果。

4.2 复合盐渍土强度工程特性分析

对复合盐渍土的抗剪强度进行研究发现，两类盐的共同作用对土抗剪强度的影响更加显著。当土中水未被盐饱和时，由于盐溶液对土颗粒起到一定的润滑作用，因而土的抗剪强度随着含盐量的增加出现缓慢降低的趋势。当含盐量超过饱和状态时，饱和的盐类以晶体的形态在土孔隙中析出，盐晶与土颗粒产生一定的胶结，因而土的抗剪强度会随着含盐量的增加而增强。对比表2与图11可知，整个伊拉克地区复合盐渍土抗剪强度均因含盐量的提高而得到了提高。

表2 各地区复合盐渍土Cl-与含量

表2 各地区复合盐渍土Cl-与含量

4.3 复合盐渍土工程防护分析

通过以上研究可知，含盐量和含水量极大地影响了复合盐渍土的工程特性，其中的水更是关键因素。

在干燥环境下，当土体中的含水量比较低时，复合盐渍土中的易溶盐会析出，从而加强了土体的胶结作用，增强了土体的抗剪强度和地基承载力；但在饱水的环境下，当水在土体裂隙中运移时，会溶蚀土体中的硫酸盐和氯盐，使土体的结构性变差，土质软化，颗粒变得分散，显著降低了土的抗剪强度，从而会在构筑物的建设中导致较大的沉降变形。

应在盐渍土地表和构筑物周围采取适宜的防水措施。因为水一旦渗入地基，会使地基土的水分增大，晶体盐被溶解，从而使得地基土的强度随着含盐量的减少而发生变化，地基变得不稳定。在地表以下，基础周围需要用沥青等材料作为防护层，并在基础周围填充砂、卵石，以降低地下水毛细上升作用。

5 结论

（1）伊拉克复合盐渍土的形成主要是气候、地形、土壤和地下水等综合作用的结果。盐渍化总体表现为由西北向东南逐步增强的趋势，北部和西部高原和山地以中溶盐和难溶盐为主，中部和南部则以易溶盐为主，尤其是到了入海口冲积退化沼泽地区。平原区为氯盐和硫酸盐双高区，西侧荒漠过渡地带为硫酸盐高、氯盐稍次之；南部入海口为氯盐高、硫酸盐次之。盐分含量在深度分布上主要是以浅层为主，一定深度后含量骤减。

（2）对于复合盐渍土和单盐渍土，随着含盐量的增加，土体抗剪强度变化的总体趋势是一致的，表现为先增大、后减小、再增大的趋势；但其中复合盐渍土的变化趋势更复杂一些，曲线变化的幅度稍大。

（3）氯盐和硫酸盐共同对土体最大干密度及最优含水率产生的影响，比单盐渍土大。由于土体双高盐分的存在，盐分均达到饱和状态，孔隙内充满盐晶，孔隙率减小，压实密度比单盐渍土要高。

（4）复合盐渍土在干旱环境下可以作为很好的天然地基或路基填料，且作为基础持力层可表现出更好的强度。防水是保证复合盐渍土强度的关键措施。

[1]温利强.我国盐渍土的成因及分布特征[D].合肥：合肥工业大学，2010：9-10.

[2]门青波，吴兴辉，常玉娟.伊拉克某燃油气电站项目岩土工程勘察实录[J].工程地质学报，2016，24（S）：1 276-1 282.

[3]史敏.中东盐渍土特性的介绍[J].勘察科学技术，1987（4）：40-42.

[4]AL-SAOUDI N K S，AI-KHAFAJI A N，AI-MOSAWI M J.Challenging problems of gypseous soils in Iraq[C]//Proceeding of the 18th international conference on soil mechanics and geotechnicalengineering.Paris:[s.n.]，2013：479-482.

[5]侯伟龙，徐正宣，付开隆.伊拉克美索不达米亚平原软土分布特征及工程性质分析[J].铁道标准设计，2016，60（90）：52-55.

[6]李敬业.用预浸水法处理盐渍土地基及施工技术[J].石油工程建设，1986，12（6）：15-19.

[7]傅世法，郑云生.察尔汗盐湖盐渍土地基工程性能探讨[J].勘察科学技术，1984（2）：33-36.

[8]于沉香，张虎元，王志硕，等.盐渍土土水特征曲线测试及预测[J].水文地质工程地质，2013，40（2）：113-118.

[9]傅玉成.盐渍土地基的现状与将来[J].石油工程建设，1993，19（2）：16-18.

[10]拉索克S S，伊尔雅拉比O A.长期浸水引起石膏土CBR减小[J].水利水电快报，2000，21（6）：31-32.

Research on development，distribution and geotechnical properties of composite saline soil in Iraq

LIDong，ZHANG Gengcheng，QIAN Ming，ZHANG Zhihao
Qingdao China Petroleum GeotechnicalEngineering Co.，Ltd.，Qingdao 266071，China

The analysis of development and distribution of the composite saline soil containing high contents of chlorine salt and sulphate in Iraq is conducted according to a great number of engineering data and historical researches.Comparison of soil properties versus salt content is made basing on composition，strength and compaction of salt soil.The results indicate that salt content of the composite saline soil increases progressively from the northwest area to the southeast area in Iraq.The shear strengths of the composite saline soil and the single saline soil keep the trend of increasing，decreasing than increasing basically，but the trend variation of the composite saline soil is more complicated.The compacted density of the composite saline soil increases remarkably with salt content increasing and is higher than that of normal saline soil.According to the research，the composite saline soil has better engineering geotechnical properties than that of normal saline soilif waterproof measures are welltaken.

Iraq；composite saline soil；cause；distribution；microstructure；shear strength；compaction

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.001

中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目（CPECC2014KJ03）资助。

李 东（1983-），男，山东菏泽人，工程师，2009年毕业于中国海洋大学岩土工程专业，硕士，主要从事石油工程岩土工程勘察、设计与施工工作。Email：lee_cp@163.com

2017-07-10