盐岩路基工程特性研究进展

宋 亮, 牛亮亮， 王朝辉， 问鹏辉

(1.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830006；2 同济大学 交通运输工程学院，上海 201804；3.长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)

0 引言

盐岩是在长期地质作用下盐分经结晶、沉淀和积聚上百万年的演变，以及后期的覆盖保护形成的一种特殊岩土，其矿物成分主要为氯盐和硫酸盐，我国现存地表盐岩主要分布在青海察尔汗地区和新疆罗布泊地区。一般来说，盐岩与盐渍土具有类似的工程性质，盐岩力学性能显著优于盐渍土，但其对环境的敏感性也较高。一般来说含盐量高的盐岩胶结能力较强，其盐晶体填充于土体孔隙中，内摩擦角较大，强度相对较高[1]。在盐湖和干盐湖地区，传统筑路材料匮乏，盐岩逐渐被用于筑路工程中，其最早应用于G215 线“万丈盐桥”和青藏铁路察尔汗盐湖段路堤填筑工程中，盐岩作为路用填料的工程特性和适用性也逐渐得到国内学者广泛关注。

由于盐岩环境敏感性极强，将盐岩作为路基填料修筑的公路、铁路在使用过程中均出现不同程度的病害，如万丈盐桥公路路基采用当地盐岩填筑而成，经淡水作用盐岩路基发生溶蚀现象，长时间后在路基内形成的溶洞不断发育，严重影响到行车安全[2]。新疆省道235 线盐岩路基在降雨和交通荷载多种情况影响下逐渐出现盐蚀溶洞、盐泞、车辙等病害，对行车舒适和安全产生影响[3]。在察尔汗车站南段8 km多的铁路线路受大量卤水浸泡溶蚀，盐岩路基的稳定性大幅较低[4]。青藏铁路察尔汗盐湖地段盐岩路基在环境作用下也逐渐发生沉降、翻浆冒泥、盐胀等病害[5]。青藏铁路察尔汗盐湖的盐岩路基受特大洪水浸袭，路基基底盐岩发生溶蚀形成大量空隙，局部发生沉降变形[6-7]，经环境作用盐岩路基逐渐发生翻浆冒泥、盐胀等工程病害。哈罗铁路盐岩路基在距表层1 m深处范围内出现盐胀变形，在距路基表层 1 m以下出现融沉[8]。

盐岩作为一种特殊的路用材料，其具有易变性、各向异性和环境敏感的工程特点，明确盐岩主要工程特征是保证盐岩填筑路基长期性能良好的重要前提。基于此，本文系统梳理盐岩物化特征和力学特性，对比分析盐岩溶蚀特性、盐冻胀特性和融沉特性的作用机理及影响因素，明确盐岩路基易发病害类型及处治措施，以期为盐岩填筑路基稳定性保障提供新思路。

1 盐岩的基本性能

1.1 物化特征

盐岩主要成分为易溶氯盐，局部含光卤石(KCl·MgCl2·6 H2O)和少量钙芒硝晶体[9-10]，如图1所示。常见盐岩易溶盐化学成分如表1所示[10-11]。盐岩根据盐分组成主要分为氯盐型、硫酸盐型和亚硫酸盐型，其中不同类型盐岩均具有易溶特性，对于硫酸盐含量高的盐岩容易产生松胀等病害。盐岩是在区域性干旱气候的影响下湖水浓缩干涸和析盐沉积而形成的，其沿垂直方向具有显著分层的特征，并且在层内垂直和水平方向含泥量、粒度、孔隙度等迥然不同[12]。盐岩遇淡水或低矿化度水会溶解，用作路基填料时如果防护不当则易发生路基沉陷、路面开裂破坏等病害[13]。受地表水影响，盐湖地下卤水矿化度不一，低矿化度承压水容易对盐岩造成不同程度溶蚀[14]。相比于一般盐渍土，盐岩天然密度较低但强度较高，形成条件特殊，盐岩含盐量越高时其内部孔隙较多，盐岩天然密度约1.4～2.0 g/cm3，空隙率可达19.8%～41.1%，溶解度达301～344 g/L，溶解速度达24.00～366.86 g/(cm2·h)，周边矿化度为208.6 g/L[15]。

图1 盐岩局部含有的光卤石和钙盐晶体

表1 盐岩中的易溶盐和其含量表Table 1 Composition and content of soluble salts in salt rock编号CO2-3HCO-3Cl-SO2-4Ca2+Mg2+K+Na+总含盐量(质量百分比)10.000.0342.281.950.291.101.3423.1072.620.000.0341.871.980.271.211.3923.8571.830.000.0241.061.560.261.631.7221.1272.940.020.0240.421.150.511.671.1021.6370.950.037025.932.10.892.911.510.7944.2

1.2 力学特性

盐岩地层结构复杂、岩性多变，地层之间胶结紧密程度、孔隙发育特征、地下水矿化度高低等均严重影响盐岩的力学特性。盐壳下方盐粒结构松散、质地较纯，再往下盐岩胶结逐渐紧密[16]。盐岩按固结程度可分为散粒体、弱固结体、固结体和强固结体4类，其中强固结体盐岩颗粒之间固结紧密，具有较好的力学性质[9，17]。盐岩颗粒间的连接存在较大差异，但应力-应变曲线具有明显的线性变化阶段[18]。盐岩路基受水影响后内部会形成溶蚀孔洞，含孔洞盐岩路基的受力变形将严重影响路基的稳定性。张敦福[19]发现球形孔洞上方盐岩会出现拉伸破坏，而不出现剪切破坏。张波[20-21]等对不同破坏工况下盐岩路基受力状况进行分析，研究发现单个圆形孔洞盐岩路基危险受力点应力随荷载增大而线性增大，椭圆形孔洞的应力集中程度较圆形孔洞大；当2个孔洞在同一竖向时所研究孔洞正下方的孔洞对其危险点的受力影响很小，而处在同一水平向影响较大。

强度是考察盐岩用作筑路材料可行性的关键性能指标。盐岩遇水后强度急剧下降，但经蒸发后盐岩颗粒之间相互胶结能够形成强度较高的盐岩块体[22-23]。安尼瓦[24]等对盐岩进行无侧限抗压强度试验，分析了无侧限抗压强度随烘干时间的变化规律，发现深度为0～60 cm的试样烘干16 h后达到最大值，深度60～160 cm的试样烘干后抗压强度较低，不同位置试样强度测试结果如图2所示。周豫新[25]发现重塑盐岩试件的无侧限抗压强度能满足路基规范要求，并且随压实度提高而增加。肖军华[26]等研究了粒径、干密度和含水率对抗压强度的影响，发现抗压强度随着粒径增大而线性减小,随干密度近似而单调递增；相同含水率和颗粒粒径时，含水量在8%附近抗压强度最高。周鹏海[27]研究了压实度、易溶盐含量与无侧限抗压强度的关系，发现92%压实度无侧限抗压强度超过0.5 MPa，在95%压实度条件下易溶盐含量40%以上的7 d无侧限抗压强度可以达到0.50 MPa，能满足石灰稳定土底基层强度低限要求。刘军勇[15]等对盐岩进行单轴抗压强度实验，发现天然盐岩极限抗压强度可达1.76～7.43 MPa，平均为4.47 MPa。王祥[28]对盐岩试样进行动三轴实验，发现试件竖向变形随循环应力比增加而逐渐增大。杨学英[29]通过整理试验数据发现盐岩的破坏强度随围压近似线性递增。

图2 不同位置盐岩试样的无侧限抗压强度对比 [24]

2 盐岩溶蚀特性与影响因素

2.1 溶蚀作用机理

盐岩溶蚀是基于所含可溶矿物的溶解性，即溶剂与所含易溶盐之间相互作用的过程。目前关于盐岩溶蚀机理主要从化学溶解动力学角度展开研究，盐岩的溶解与可溶性盐相同，主要由3个基本过程构成：溶剂进入被溶物质表面；溶剂溶质的相互作用；溶解后的物质扩散到溶剂中。盐岩溶蚀过程如图3所示[30]。从物理化学角度来说，盐岩溶解包括溶质晶格破坏、溶质粒子向溶液中扩散、吸收热量的物理过程，溶质同水结合生成水合物放出热量的化学过程[31]。汤艳春[32]等对盐岩溶蚀过程进行简化，边界层内侧紧贴盐岩固体表面的是附着层；附着层内盐岩溶液浓度保持不变，可视为饱和浓度；底层以外是扩散区，溶蚀过程如图4所示。

图3 盐岩溶蚀过程示意图[30]

图4 盐岩溶蚀简化示意图

2.2 盐岩溶蚀影响因素

现有研究表明盐岩溶蚀过程受多种因素的影响，包括盐岩的矿物成分、结构构造、溶液浓度、水位、围压等影响，其中盐岩的矿物成分、结构构造是影响溶蚀的内在因素。盐岩试样的内部孔隙结构会因不同盐岩试样有所差别，使得溶解将向不均匀的通道发展[33]。盐岩孔隙率越小，盐岩的矿物构造越致密，水与盐岩固壁接触面积就相对减少，盐岩溶蚀速率减缓；若盐岩呈多孔构造，将会增大与水分的接触面积，从而加快盐岩的溶蚀速率[34-35]。水罐车向蓄水池注水时，淡水洒漏能够对盐岩路基产生溶蚀现象[36]。盐岩地层地下水位受大气降水影响上升会导致所含低矿化度水增多，从而沿路基向上渗透迁移，造成路基不均匀沉降，发生溶陷、裂缝、溶蚀漏斗等病害[3，37]。董亚萍[38]等采用不同浓度卤水对不同组成和结构的盐岩块进行了多状态下的浸泡试验，研究发现静态条件下同一种盐岩块的溶解速度存在差异，随含盐量增加溶解达到平衡的时间缩短。另外汤艳春[39]等研究发现不同围压作用下盐岩的溶蚀质量前后变化较大，溶蚀前后形态差异明显。石振奇[14]等发现随着围压增大盐岩溶蚀质量在相同的溶蚀时间呈现逐渐减小的趋势。吴丽华[11]等基于单轴和三轴压缩试验发现随着预设围压增大盐岩被溶蚀质量逐渐减小，溶蚀速率随盐岩较小的塑性变形有所减缓。

3 盐岩盐冻胀特性与影响因素

3.1 盐冻胀作用机理

盐岩成分复杂，在温湿度变化下会产生不同程度的盐冻胀现象，目前国内研究者借助CT扫描技术对盐岩的微观结构进行了扫描分析，针对盐岩的盐冻胀机理研究也取得了一定进展。盐岩是一种多孔多相介质，通常具有不均匀性和各向异性，图5为天然盐岩的微观结构[10]。刘彦东[37]从CT扫描图像发现盐岩试样裂隙发育以微孔洞和微裂纹为主，结构极为脆弱。徐安花[17]基于CT检测技术发现盐岩主要以散粒体、弱固结体、固结体和强固结体结晶形式共存，其特点是结构离散性大、强度低、密度小、孔隙度大。张宏[40]通过CT试验发现在冲刷盐岩的最初过程中盐岩内部结构损伤发生最快，后续孔隙不断扩展，但损伤速率下降缓慢。总而言之，盐岩填料中的自由水会沿着盐岩结构的孔隙、裂隙、裂纹等进入到盐岩内部，在温度影响下极易发生盐冻胀现象，进一步加速裂隙和裂纹的发展，做好盐岩路基防水，对消除盐岩盐冻胀引发的次生病害极为重要。

图5 天然盐岩的微观结构[10]

3.2 盐冻胀影响因素

4 盐岩融沉特性与影响因素

4.1 融沉作用机理

盐岩融沉主要是发生晶体溶解和冰晶体融化，即盐岩所含易溶盐结合水分子的盐晶体溶解和自由水冻结而成的冰晶体融化。钙芒硝盐岩溶解包括水进入钙芒硝矿物表面、水与被溶矿物间相互作用，溶解后的物质从矿物表面扩散等基本过程[48]。盐岩溶解度高达301～344 g/L，溶解速度为24.00～366.86 g /(cm2·h)，所含可溶性盐遇水极易发生溶解[10]。盐岩遇水后，可溶性盐发生溶解，在荷载作用或自重作用下下沉发生融沉现象，如图6所示[49]。随着外界温度升高，冻结而成的冰晶体发生融化，造成体积减小，裂缝随之开始“愈合”，产生融化沉降，颗粒因冻胀力的消失在自重作用下产生固结沉降和沉降变形[50-51]。

图6 线路护道发生的融沉坍塌

4.2 盐岩融沉影响因素

盐岩填筑路基和附属构造物发生融沉病害受多种因素影响，主要包括温度、含水率影响。盐岩中的部分易溶盐(主要是Na2SO4)温度敏感性强，当温度增加到高于32.4 ℃时，Na2SO4的溶解度将大幅度降低，十水硫酸钠盐晶将失水而生成无水硫酸钠；温度增加到高于冰晶的融化点时，冰晶将会融化成自由水，盐晶溶解和冰晶融化均会使盐岩内部结构失去稳定性，在外界因素下会发生融沉。李志萍[52]获得了芒硝溶解速度与温度关系的曲线方程，发现在温度变化过程中35 ℃左右的芒硝溶解速度达到最大值。在工程应用时把盐岩控制在合理的温度区间，可降低温度变化对盐岩融沉的影响。除温度是影响盐岩融沉量的主要因素外，含水率也是影响融沉量的重要因素。当采用盐岩作为路堤填料时，因盐岩具有遇水即溶的特点，会导致路基稳定性不足，应采取技术措施防止地表水渗入[15]。赵文[42]通过载荷-沉降曲线发现随含水量增加盐分逐渐溶于水中，其胶结能力和骨架作用降低，造成土体发生融沉。

5 盐岩路基易发病害与处治措施

目前，国内采取盐岩作为路基填料的典型公路工程包括察尔汗万丈盐桥和新疆S235 线盐岩公路等[2，25]。其中新疆S235线约190 余km穿过罗布泊干涸盐湖区，在该路段盐岩路基设计施工阶段主要从填料性质和压实质量等方面进行病害预防，包括严格控制盐岩易溶盐含量、拌合卤水浓度和养生条件等措施。在后期使用过程中，盐岩公路在交通荷载和气候环境的影响下逐渐出现溶洞、坑槽、盐泞和车辙等病害，目前主要采取注浆、撒布熟石灰及饱和卤水等方式对表层病害进行处治，针对路基内部结构性病害尚未形成有效处治方法。综合盐岩溶蚀特性、盐冻胀特性、融沉特性和其影响因素可知，路用盐岩的不良工程特性会诱发盐岩路基的病害，因此需采取相应的处治措施，减少在维修养护过程中诱发的病害，根据国内盐岩填筑公路、铁路路基易发病害和处治措施进行归纳，具体措施如表2所示。

表2 易发病害及处治措施Table 2 Vulnerable diseases and treatment measures工程特性诱发病害处治措施溶蚀特性[5-6,25,35-36,53]路面发生坑槽病害;盐岩路基出现溶塘、溶沟、溶洞和溶蚀小孔病害填塞溶洞、挖除换填、翻挖回填;铺设复合土工膜隔断层、铺设塑料排水板;注浆加固盐冻胀特性[24-25,54]路基出现胀坏;路基表层出现泛白、起皮、鼓包等病害控制路基填筑高度;控制卤水喷洒量,提高喷洒工艺;加宽路基宽度和放缓坡率融沉特性[34,43,45]路基出现塌陷、沉降变形采用冲击碾压;挖除换填;路肩设置平台、路基坡脚设置反压护道

6 结论与展望

盐岩作为干盐湖区分布最广泛的工程材料，明确盐岩工程特性对保障盐岩填筑路基承载力和稳定性至关重要，本文系统梳理了盐岩基本物化性能和力学特性的研究进展，明确了盐岩溶蚀特性、盐冻胀特性和融沉特性的作用机理和影响因素，总结了盐岩工程性质所诱发的病害类型和其处治措施，为盐岩路基病害防治和稳定性保障提供参考。根据盐岩现有工程特性研究现状和存在问题，今后对于盐岩路用工程特性的研究可以着力于以下几方面： ① 建立温度、溶蚀、渗流、应力等多场耦合的控制方程，为全面分析盐岩路基稳定性提供理论依据。② 盐岩属于多孔多相介质，可在CT扫描基础上系统研究盐岩在水分作用下结构内部孔隙、裂隙发展情况。③ 盐岩水盐迁移是一个非常复杂的过程，可以设计盐岩水盐渗透迁移装置，模拟不同温度、湿度和承压水作用下盐岩的渗透迁移情况。