基于路堤填筑试验的粗粒盐渍土路基防治对策研究

李论基，赵天宇,2，王骑虎，王朋伟，王伟锋

(1.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司， 甘肃 兰州 730030；2.兰州大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730000)

我国西北甘肃、青海、新疆等地处于西北内陆腹地，属于典型的干旱半干旱内陆性气候，典型内陆寒旱区盐渍土或盐渍类土分布广泛。西北地区已建公路盐渍土病害主要为盐胀、翻浆、路面起伏、坑槽等路基路面病害，严重制约了经济发展和公路行车舒适度。而且，盐渍土内含有的可溶盐能够与建筑材料发生化学反应，改变建筑材料的原有性质，使材料发生化学劣化，对公路构筑物造成腐蚀危害，严重影响构筑物的使用年限和正常运营。在盐渍土地区，优质路基填料的遴选和适宜性及盐渍土病害处治问题已成为公路工程地质勘察设计过程中新的挑战。

国外学者对于盐渍土工程特性的研究主要集中在盐渍土改良方面，如利用粉煤灰、水泥、火山灰、蛋白生物制剂、胶凝材料、筋材等进行盐渍土改良工作，并从CBR、无侧向抗压强度、抗剪强度、三轴测试等方面，阐述了改良土体的工程特性，在盐结晶理论分析方面也进行了大量的工作[1-12]。国内学者对于盐渍土的研究主要集中在西北内陆、滨海沿线、东北内陆盐沼区域。对于内陆寒旱区盐渍土的研究主要以西北内陆盐渍土为研究对象，研究方法主要为室内试验、SEM、模型试验、数值分析，研究内容主要涉及几个方面：①盐胀、溶陷、翻浆、腐蚀机理研究，这方面的研究已经进行了大量的工作，取得了可观的成果，但研究对象大多为细粒土，且集中于室内温湿环境下取得的成果，原生环境下的研究成果少见；②盐渍土改良研究，主要利用水泥、石灰、粉煤灰、火山灰、矿渣、HAS固土剂、KD固化剂、SH 固化剂等进行盐渍土的改良工作，但是对于路用效果研究较少；③盐胀预测模型与结晶理论的研究，这方面的研究还需结合工程实践进行深入、系统的研究。④粗粒盐渍土的非饱和特性研究，这方面的研究成果，相对较少。赵天宇等[13-14]采取压力板法和水汽平衡法研究了不同颗粒粒径盐渍土非饱和土水特性，对路基填料遴选与水稳定性评价具有一定的理论指导价值。

综上，盐渍土研究已经取得了客观的成果，但也存在不足，如研究对象具有片面性，研究成果的工程应用具有局限性，同时，原生环境下盐渍土路用性能、路基盐胀变形规律、防治效果这方面的研究还报道较少。基于此，进行内陆寒旱区含盐粗粒土路用性能、探究盐胀变形规律与加筋防治效果研究，在正确认识西北内陆寒旱区盐渍土的工程地质特性、探索适宜的公路盐渍土病害防治技术及路基填料遴选等方面具有一定的理论指导和现实意义。

1 内陆寒旱区粗粒盐渍土赋存特征

为了解盐渍土地区公路病害情况，自兰州出发，途径金昌、酒泉、瓜州、柳园、敦煌、当金山、 察尔汗盐湖“万丈盐桥”、格尔木、茫崖、都兰、西宁等主要盐渍土路段，调查高速公路和国道路基路面病害及盐渍土特征，并沿调查路线对路基填料分段取样进行易溶盐测试，分析盐渍土对相应路段造成的病害情况。在以上工作的基础上进行挖探、天然出露剖面调查工作，重点总结土体内盐分的赋存规律，盐分基本呈条带状与土层平行分布，可以将盐分赋存形态归纳为四种：毛细蒸发条带分布晶簇状盐分、毛细蒸发连片分布晶簇状盐分、富集盐分块状结晶、不连续盐华现象。同时，由于盐胀变形，改变了盐分近水平分布的形态，而在平面上呈波形分布，这种现象在地表下1～3 m较为显著。大量盐胀剖面显示存在一盐分富集结晶层，其决定着盐胀变形的产生(图1)。在该层下部，水盐运移隔断层的隔断作用和上部盐胀抑制层的筛滤作用共同促进了盐分结晶盐胀层的产生；在其上部，盐胀抑制层决定了盐胀变形的程度。已有研究表明上覆荷载对粗粒盐渍土具有较强的抑制作用[15]，因此在路基结构设计时应设置盐胀抑制层，该层应具有缓冲盐胀力和提供足够附加荷载的特点。基于粗粒土盐胀结构层进行路基结构优化设计将成为粗粒盐渍土路基防治有效可取的方法。

图1 粗粒盐渍土盐胀结构层

2 含盐粗粒土路用性能

含盐粗粒土作为路基填料，其含盐量决定了其适用性，以及后期能否维持路基稳定的重要的因素。

国内外学者评价路基填料性能的指标主要为CBR、无侧限抗压强度、回弹模量，各指标与含盐量、含水量关系见图2。由图2可知，含盐量对角砾、砾砂土的路用性能存在一临界值，且这一临界值随着粗粒土中细颗粒的增加而增大。同时，粗粒土CBR与平均含盐量服从高斯分布，即

(1)

(2)

式中：D为平均含盐量。

相较砾砂土，角砾土CBR与平均含盐量的高斯分布关系相关性并不大，而与土体均匀性、细粒含量等因素有关。随着含盐量的增大，路基回弹模量呈骤降趋势。Aiban等[1]研究表明浸水后盐渍土土体CBR下降幅度非常大(图2)，侧面反映在盐渍土路基填筑后，为保证填料长期承载性能，必须加强路基防排水措施。同时，含盐粗粒土也需在最优含水量条件下进行路基填筑。

图2 粗粒土CBR、回弹模量与含盐量、含水量关系

图3为不同盐渍土场地静力载荷试验与浸水载荷试验结果，未浸水之前含盐粗粒土的地基承载力特征值f[a0]相差不大，但是地基变形模量因土体的不同含盐量表现出明显的差异性，含盐量的存在降低了粗粒盐渍土地基的变形模量，其主要受土体溶陷性控制，一般土体溶陷性越高，在浸水条件下粗粒盐渍土地基的变形模量衰减越明显。浸水载荷试验结果表明，粗粒盐渍土大多具备溶陷性，溶陷程度与粗粒土密实度、颗粒组成、易溶盐含量有密切相关性。

图3 不同粗粒盐渍土场地现场载荷试验

土的无侧限抗压强度是指土样在不受侧向限制时能够抵抗外力破坏的最大单轴强度。土体作为常用的基础承载体或建筑材料，使用时往往要确定其承载力，因此抗压强度是工程建设活动中考虑的重要性质。图4所示为不同颗粒组成试样无侧限抗压强度与土体干密度的关系。由图4可以看出，三种土样无侧限抗压强度随干密度增大呈现不同程度地增长，粗颗粒土样(粒径<5 mm)增长幅度较大，细颗粒土样(粒径<0.5 mm)增长幅度较小。随着干密度的增大，土的密度增大，土中孔隙数量减少，土的固结程度明显增大，胶结程度增强，故而能够承受并抵抗较大的外力作用。因此，密度越大试样越不容易被外力破坏，表现为土的抗压强度增大。这符合一般土的无侧限抗压强度规律，因此在路基填筑时必须严格控制压实度。

图4 盐渍土无侧向抗压强度

3 内陆寒旱区路基盐胀规律与预测模型探究

基于室内试验研究成果，在内陆寒旱区某盐渍土地区分别设置不含盐砾砂土，含盐1.0%、2.0%砾砂土及含盐1.0%、2.0%角砾土，探究不同含盐粗粒土路基变形(垂向)规律，试验段路基填料颗粒级配见表1。为探究土工膜对抑制路基盐胀变形的作用，另外设置含盐2.0%砾砂+土工膜、含盐2.0%角砾+土工膜路基两组试验。经取土、掺盐、铺设土工膜、分层碾压等工序，按照原路基施工工艺填筑完成7种路基的铺设工作，借助变形与温度无线远程监测设备进行数据采集，路基盐胀变形监测曲线见图5。

图5 寒旱区某公路路基盐胀变形监测曲线

表1 试验段路基填料颗粒级配表 %

由图5可以看出，盐渍土中含盐量对路基沉降变形影响巨大，表现出明显的春融冻胀及冻融循环过程。监测结果显示，砾类土与砂类土路用性能随含盐量的变化存在分异。相比砂类土，高含盐量砾类土更易发生盐胀变形，变形也更大。同时，一般砾类盐渍土相较砂类盐渍土对温度具有更强的敏感性，但对于砂类土在临界含盐量情况下，其敏感性更强。在路基填筑后沉降变形过程中，初期路基处于固结沉降变形。在低含盐的情况下，第一个冬季时不管是砾类土还是砂类土路基并未发生较大的冻胀变形，但是当固结沉降稳定后的第二个冬季，则出现了明显的冻胀变形，同时砾类土和砂类土也表现出冻胀变形的分异。但是，对于高含盐量而言，则无上述现象，可以推断含盐量的大小对盐渍土路基冻胀的起胀时间具有较大的影响。Benavente等[16]研究表明孔隙大小分布情况决定盐分结晶深度及结晶量。通过环境扫描电镜和X衍射观测，小孔隙相比大孔隙更易产生结晶，材料表面为结晶产生主要部位。Yu 等[17]研究表明，当外部环境发生蒸发和降温时，有利的盐分与水分组合比形成后，结晶就会在过饱和溶液中产生。外部环境恒定时，岩土体孔隙连通、分布情况在盐分侵蚀和结晶过程中充当重要角色，小于0.05 μm(或0.1 μm)的微孔隙在盐分结晶中起着关键作用，更易产生结晶[18-23]。综上，结合米海珍等[24]砂类盐渍土起胀含盐量的试验结果(图6)，分析认为路基填筑后盐胀变形的发生存在一个孔隙、水、盐的不利组合，即盐胀发生存在先决条件。而上述组合作用最终表现为富盐结晶层的产生，而该层的产生间接导致了路基盐胀变形。

图6 粗粒土起胀含盐量-孔隙比关系[24]

从图5可以看出盐渍土路基盐胀变形的产生严重依赖于环境温度，表现出明显的滞回特性，且与含盐量密切相关。砾类土、砂类土路基产生的盐胀变形随温度变化程度不同，见图7，基于线型回归可拟合得到路基盐胀量s与环境温度T呈线性关系，即

图7 角砾土、砾砂土路基盐胀变形-温度关系曲线

s=aT+b

(3)

式中：T为地层温度，℃；a、b为拟合系数，其值与平均含盐量密切相关，见图8。

图8 a、b值与平均含盐量之间的关系

图9为路基不同深度范围内温度随时间变化的等值线图。已有研究表明大气环境温度变化影响地层温度变化。浅表层的地层温度日变化经历白天吸热、夜晚放热过程，年变化经历夏季吸热、冬季放热过程。原位监测表明，地表处温度变化最剧烈，地层温度变化振幅随深度增加逐渐减小。认为存在一个由环境温度、地层组成、地层湿度等影响因素综合确定的临界深度，该深度以下气温对地温影响轻微，该深度以上距地表越近地温受气温影响的变化越剧烈。

图9 盐渍土路基不同深度范围内温度随时间变化等值线图

依据监测结果，路面下3.5 m深度处地层温度年变化量较小，4.0～6.0 m处地层温度年变化量接近0。基于此，给出甘肃省河西内陆寒旱区盐渍土地层温度受环境气温影响的临界深度为4.0～6.0 m。但是，在1月中旬至6月中旬临界深度会加深。

同时，研究表明地层温度较环境温度变化总存在一定时间的滞后，且随着地层深度增大滞后效应越来越明显，滞后时间越来越长，这一现象与升温还是降温过程无关。

综合分析图5、图6可得出，研究区地层温度年变化表现为一定周期的正弦曲线，

(4)

式中：T0为为地表处温度振幅，℃；A为地面温度振幅，也即离地面很近的空气温度，℃；tc为时间常数；ω为指温度曲线的正弦角度，旋转一周为2π；t为时间，d，一年按365 d计算。

表2为不同深度式(4)中各参数的拟合系数与相关性。

表2 不同深度式(4)各参数拟合系数

图10为T0、tc、ω、A随深度的变化关系，其计算式为

图10 式(4)中参数随深度h的变化关系

T0=0.259h+7.765

(5)

tc=15.222h+115.620

(6)

ω=4.059h+152.760

(7)

A=3.037h+15.110

(8)

式中：h为埋深，m。

将式(4)代入式(3)，可以得到路基盐胀变形s盐胀时空预测模型，即

(9)

将图8中a、b与D关系代入式(9)，最终得到角砾土和砾砂土路基盐胀变形预测模型为

2.636D+8.583 0≤D≤3%

(10)

1.667D-0.296 0≤D≤3%

(11)

目前，公路工程行业应用现行JTG C20—2011《公路工程地质勘察规范》[25]相关条款进行路基填料遴选与盐渍土地基适宜性评价，评判结果在一些地区取得预防路基盐胀的效果。然而，在甘肃省河西寒旱区大量公路工程实践表明，依据判定结果进行路基填筑后，判定结果显示填料或者场地适宜地区，皆发生了严重的盐胀变形。行业内专家开始质疑此类评判方法，但是问题仍未得到解决。因此，笔者认为基于寒旱区地温变化模式提出容许变形量[s]，配合现行规范相关条款综合进行盐渍土地区场地与填料适宜性评价，是一种可取的方法。

4 粗粒盐渍土路基加筋防治效果

基于盐胀变形机理及粗粒土盐胀结构层进行路基结构优化设计，图11为河西寒旱区某公路填方路基盐渍土处治设计图，从图5可以看出，铺设土工膜有效限制了路基的盐胀变形。在清楚粗粒盐渍土盐胀结构层的前提下，合理设置土工膜能够有效隔断地下水和地表水的渗入，使路基保持干燥状态，控制了路基中水分，使得新填筑的路基土不被次生盐渍化侵袭，从而达到对路基冻-盐胀的治理。

图11 研究区填方路基盐渍土处治设计图(单位：cm)

粗粒盐渍土大型路堤填筑试验结果见图12。由图12可见，虽然设土工膜路基和不设土工膜路基对于温度变化都有变形的现象，但对于设土工膜路基，对于温度的变化并没有不设土工膜路基那么敏感，说明土工膜的确可以减少路基在温度变化时所发生的变形。路基上覆的土工膜具有“保温减水”的效果，土工膜的保温效果使得路基土体中的温度变化极小，这使得路基土中的硫酸盐很难发生反应形成芒硝晶体，从而抑制了路基的隆起。土工膜的“减水”效果是指，土工膜能阻断自由水进入路基土体内。当路基土体中的水分减少时，硫酸盐没有足够的水分生成芒硝晶体，且路基土体内缺少水分也会使得冻胀也被抑制。Miranda 等[26]研究表明，土体经过加筋之后CBR得到了明显的提高，改善了土体达到峰值强度后的软化变形强烈的情况，降低了土体的体积变形。综上，加筋法在粗粒盐渍土地区路基病害防治过程中能够达到防治目的，防治效果显著。

图12 粗粒盐渍土大型路堤填筑试验结果

5 结论

本文以内陆寒旱区盐渍土与路基病害调查成果为基础，借助室内试验，载荷试验、路基填筑试验，进行寒旱区粗粒盐渍土路基防治对策研究，得出如下结论：

(1)存在由盐分富集结晶层、水盐运移隔断层、盐胀抑制层组成的粗粒盐渍土盐胀结构模式。基于此，路基结构设计时应设置盐胀抑制层，该层应具有缓冲盐胀力和提供足够附加荷载的特点。

(2)含盐量与粗粒土CBR的关系服从高斯分布，存在临界含盐量影响粗粒盐渍土承载性能，而且这一临界值随着粗粒土中细颗粒的增加而增大。控制密实度和保证最优含水量填筑是防治路基盐胀的基础，防水是保证路基承载力持久稳定的关键性措施。

(3)内陆寒旱区路基地温随气温年变化表现为一定周期的正弦曲线，自地表向下地层温度变化幅度呈衰减，至气温影响的临界深度后不再变化，年温度变化临界深度为4.0～6.0 m。研究区1.0～3.0 m深度范围内地层温度变化相对较大，存在发生盐渍土病害的可能性最大。由此，为盐渍土地区换填、地基处理范围及基础埋深提供了理论依据。

(4)基于路基温度变化模式，提出了盐渍土盐胀变形预测模型，并提出了给定一容许变形量[s]配合现行行业相关规范进行路基填料与场地适宜性评价。

(5)路基填筑试验表明，铺设土工布能够很好地限制粗粒盐渍土路基发生盐胀变形，在限制填料软化变形和体积变形方面具有良好的效果。

目前，盐渍土盐胀已经取得了大量的研究成果，但是在河西寒旱区公路工程建设中又发现了新的问题。经过对填筑路基开挖修复工程进行总结分析，发现大部分盐胀部位，路基采取了加筋等防止水盐运移富集的措施，但是仍然出现了半刚性基层松胀破坏的现象，反而下部路基土体并未发生盐胀或者盐胀变形很小。因此，半刚性基层中的盐分从何而来，半刚性基层的松胀破坏机理为何就成了新的问题，解决以上问题并提出有效的防治措施成为下一步研究的方向。