易溶盐与盐渍土层微观结构及竖向分布关系

付玉涛

山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250102

0 引言

我国盐渍土主要分布在西北干旱地区的青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区，在华北平原、松辽平原、大同盆地和青藏高原的一些湖盆洼地也有分布[1]。不同地区盐渍土的工程性质存在差异，且同一地区不同深度的盐渍土也有很大差异[2]。盐渍土含有较多易溶盐类，可以参照文献[1,3]按分布区域、含盐类性质及易溶盐的质量分数进行分类。盐渍土具有盐胀性、溶陷性、腐蚀性、吸湿性以及有害毛细作用等，是盐渍土地区建设公路的主要病害[4-8]。在此类地区勘察施工时，除测量含水率、密度、界限含水率，进行直剪及压缩等常规性试验外，还应对盐渍土进行溶陷、盐胀试验、毛细水上升高度试验及易溶盐试验，并通过电镜扫描分析岩土结构等[9-11]。

本文以察尔汗至格尔木高速公路工程为依托，对察尔汗盐湖中过盐渍土的土样进行含盐量试验研究，测定沿线10 km、8个不同测区、20 m深度内土样中易溶盐的质量分数，并观察其微观结构。

1 取样与试验方法

试验样本均采自青海察尔汗至格尔木高速公路项目，采样地点分别位于察格高速公路K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、K597+500、K599+500、K601+500、K602+280等桩号位置。

1.1 土体取样

采用竖直向下钻孔设点取土的方法,研究土样盐分在垂直方向随深度的变化规律，即盐分竖向分布规律。勘察野外施工采用人工探井和钻探2种取样方法，人工探井取样是指采用槽壁刻划取样，孔内取样是指采用单动三重管回转取土器采取Ⅰ级原状土样[12]。探井与钻探相辅取样，探井深3.0～3.5 m，取样间距为0.3～0.5 m，土样长20 cm；钻孔深20～23 m，自探井底部向下在内部取样，取样最大间距为1 m，逐段间隔取样，土样长20 cm。本次探井和钻探各8孔，共取原状土样224件。

1.2 土体基本性质

线路区揭露地层为第四系全新统和更新统地层，本地区岩土主要以粉质黏土、黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂、圆砾、卵石等。本次采样及试验土样以粉质黏土、粉土为主，按照文献[13-14]的要求进行试验，参照文献[3,15]对土样进行分类，主要物理性质如表1、2所示，易溶盐的质量分数如表3所示。

表1 粉质黏土主要物理性质

表2 含砂粉土主要物理性质及颗粒组成

注：Cu为不均匀系数，Cc为曲率系数，ρ为天然密度

表3 盐渍土试样各离子质量分数试验结果 %

由表1～3可知，所采试样以低液限粉质黏土和含砂粉土为主，易溶盐的质量分数为7.10%～89.66%，平均为47.59%，盐渍土类别为氯盐型过盐渍土和强盐渍土。

1.3 试验测试方法

采用质量法测定易溶盐总质量，先按土水质量比1：5制取浸出液，注入蒸发皿中，放在水浴锅上蒸干，称量蒸发皿与试样的总质量，计算易溶盐质量。采用硝酸银滴定法测定氯离子(Cl-)，采用EDTA络合滴定法测定硫酸根离子(SO42-)，本文易溶盐试验方法参照文献[13]266[14]354进行试验。采用S-570型扫描电子显微镜，获得放大400倍的照片。

2 试验结果分析

2.1 含盐质量分数随深度变化规律

通过易溶盐质量分数试验，测得K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、K597+500、K599+500、K601+500、K602+280等8个测区的含盐质量分数，结果如图1、2所示。

图1 K593+550、K594+600、K595+550、K596+250测区易溶盐的质量分数随深度变化曲线 图2 K597+500、K599+500、K601+500、K602+280测区易溶盐的质量分数随深度变化曲线

由图1、2可知，各测区易溶盐的质量分数均随深度的增加逐渐减少，中间出现多个盐晶层，距地表14 m以下的土壤中易溶盐的质量分数趋于稳定，为10%～30%。表层易溶盐集聚，一般在地表至地下2～4 m内，易溶盐的质量分数为40%～80%，有的表层高达90%以上，地表至地下0.3 m内易溶盐的质量分数较高，达70%以上，原因是表层受日照蒸发影响，盐层出现富集作用。随着深度的增大，易溶盐的质量分数逐渐减小，一般距地表2 m以下为10%～40%，仅K593+550测区在距地表0～4 m易溶盐质量分数较大，为70%～90%，深度超过4 m后易溶盐的质量分数逐渐减小。距地表4～8 m，易溶盐的质量分数急剧减小，为8%～37%，仅为表层的一半,并在稳定范围内波动。距地表8～14 m，K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、、K599+500和K601+500测区均出现多个盐晶层，盐晶层中易溶盐的质量分数均与表层相当，一般为60%～80%，原因是毛细水上升引起易溶盐富集[16]。只有K597+500和K602+280在此深度内未出现盐晶层，与其他测区对比分析发现，其表面盐层易溶盐的质量分数较其他测区小，距地表20 m内均小于15%，说明孔内土层易溶盐较少时不易通过毛细水上升作用产生富集现象。深度超过14 m时，易溶盐的质量分数趋于稳定，在较小范围内波动。K593+550和K599+500测区易溶盐的质量分数在深度为16 m时趋于稳定，K594+600和K596+250测区易溶盐质量分数为8%～15%，K593+550和K595+550测区易溶盐的质量分数为29%～39%，K597+550、K599+500、K601+500和K602+280测区易溶盐的质量分数为8%～12%。

2.2 氯根离子质量摩尔浓度、硫酸根离子质量摩尔浓度与土层深度变化规律

盐渍土中含有氯盐及硫酸盐，氯盐对路基产生溶蚀现象，硫酸盐对盐渍土的盐胀特性有重要作用[17-21]。分析氯根离子和硫酸根离子的质量摩尔浓度与土层深度的变化规律，8个测区氯离子质量摩尔浓度与土层深度变化曲线如图3、4所示。

由图3、4可知：氯离子的质量摩尔浓度随土样深度的变化规律与易溶盐的质量分数基本一致，说明易溶盐以氯盐为主，由统计数据发现，氯盐质量摩尔浓度为170.0～14 911.2 mmol/kg，易溶盐的质量分数为6.03%～52.93%。距地表0～4 m,氯离子摩尔浓度较高，超过4 m出现回落。距地表4～8 m时，氯离子的质量摩尔浓度急剧减小并在稳定范围内波动，为906.5～5 905.2 mmol/kg；深8～14 m时，K593+550、K594+600、K595+500、K596+250、K599+500和K601+500测区氯离子的质量摩尔浓度急剧增长，与易溶盐的质量分数变化一致，同样证实盐渍土中易溶盐以氯盐为主。深14 m以下氯盐的质量摩尔浓度趋于稳定，在较小范围内波动，而K593+550和K599+500测区土壤的氯离子质量摩尔浓度在深16 m左右趋于稳定，K594+600和K596+250测区氯离子质量摩尔浓度为850.5～1 547.0 mmol/kg，K597+500、K599+500、K601+500和K602+280测区氯离子质量摩尔浓度为710.5～1 151.5 mmol/kg，而K593+550测区的结果波动范围较大，为3 575.0～13 056.3 mmol/kg。在本地区处理路基时，需着重研究氯盐对路基的溶蚀作用，及氯盐对构筑物的腐蚀性影响。处理路基时，预防盐渍土的盐胀性对路基的影响，处理深度应超过4 m。

图3 K593+550、K594+600、K595+550、K596+250测区氯离子的质量摩尔浓度随深度变化曲线 图4 K597+500、K599+500、K601+500、K602+280测区 氯离子的质量摩尔浓度随深度变化曲线

图5 各测区硫酸根离子的质量摩尔浓度随深度变化曲线

各测区硫酸根离子质量摩尔浓度随深度的变化曲线如图5所示。

由图5可知：硫酸根离子的质量摩尔浓度与土样深度之间的关系有较强的波动性，在20～60 mmol/kg时表现尤为明显，易溶盐的质量分数为0.1%～0.9%，硫酸根离子在盐渍土易溶盐中质量分数较小，不是主要易溶盐。在盐晶层富集区内，硫酸根离子的质量摩尔浓度急剧增加，最高达324 mmol/kg。K593+500测区硫酸根离子的质量摩尔浓度在深6.5～9.0 m及18.0～23.0 m时较高，突变明显；K594+600测区硫酸根离子的质量摩尔浓度分别在0.4、6.9、12.9、18.9 m处明显突变。由统计数据发现，各测区硫酸盐的质量摩尔浓度为7.3～324.0 mmol/kg，易溶盐的质量分数为0.35%～1.92%。本地区硫酸根离子的质量摩尔浓度远远小于氯根离子。

2.3 盐渍土微观结构

表4 电镜扫描盐渍土样

盐渍土特殊的物理力学性质由其微观结构决定，盐渍土特殊的性质决定了其特殊的路基病害[22]。为了研究盐渍土的盐胀性和溶陷性，反映盐渍土的物理力学特性，本文在5个测孔内选取同一深度的盐渍土进行微观电镜扫描，分别选取易溶盐质量分数不同的盐渍土进行试验[23]，所选取电镜扫描的盐渍土样如表4所示，电镜照片如图6、7所示(扫描倍数均为放大400倍)。

主要从试样的密实性、结构形式、孔隙、空隙、颗粒形状、孔隙排列及连接形式等方面进行分析，结果如表5所示。

a) 样本1 b) 样本2 c) 样本3

a) 样本4 b) 样本5

表5 电镜扫描分析结果

3 结语

对察尔汗至格尔木高速公路工程的盐渍土进行试验研究，可得到以下结论：

1)测区内盐渍土易溶盐质量分数为7.1%～89.66%，盐渍土类别为氯盐型过盐渍土。

2)各测区易溶盐质量分数随取样深度的增加而减少，距地表4 m内易溶盐富集，深8～14 m时出现多个盐晶层，深度超过14 m土壤中的易溶盐的质量分数均趋于稳定。

3)氯盐的质量摩尔浓度随土样深度的变化规律与易溶盐的质量分数一致，说明本地区盐渍土内的易溶盐以氯盐为主，距地表0～4 m时氯盐的质量摩尔浓度较高。预防盐渍土的盐胀性对路基的影响时，处理深度应超过4 m。

4)硫酸盐的质量摩尔浓度随土样深度的变化有较强的波动性，本地区硫酸根离子的质量摩尔浓度远远小于氯根离子。

5)研究盐渍土的微观结构发现，易溶盐质量分数不同，其组织结构不同，结构主要有架空、点式接触以及接触-胶结形式等。易溶盐质量分数小于20%时，颗粒以胶结为主，孔隙较小；易隙较大，而组织结构较密实；当易溶盐的质量分数大于40%时，盐晶体和盐颗粒清晰可见，并且盐颗粒体积较大;易溶盐的质量分数为45.74%时结构最为致密，孔隙较小；当易溶盐质量分数较高时，孔隙以镶嵌排列方式为主，出现架空孔隙，整体结构较疏松。