罗布泊盐渍土理化性质试验研究

吴欢欢，白净钞，廖昕，范茂基，周劲松，席英伟

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756；2.廊坊市中铁物探勘察有限公司，廊坊 065000；3.中国石油天然气管道工程有限公司，廊坊 065000；4.四川省生态环境监测总站，成都 610091）

我国盐渍土分布范围较广，根据其分布地理位置的不同可分为内陆盐渍土、平原盐渍土和滨海盐渍土［1］。其中西北地区（如新疆、青海、甘肃等地区）分布着大面积的内陆盐渍土［2］。如图1所示，我国公路交通盐渍土又可细分为滨海盐渍土、东部半干旱－半湿润盐渍土、中部干旱盐渍土、西部强干旱盐渍土与特干盆地盐渍土5个大区［3］。

图1 中国盐渍土分区图（修改自文献［3］）

盐渍土中富含易溶盐，当含盐量超过一定标准时盐分溶解或结晶，从而引起土体物理力学性质发生变化［4］。此外，盐渍土工程特性受地域性影响较大，受水、热环境影响，不同地区不同类型的盐渍土工程性质有显著的差异性［5］。由于盐渍土本身的特性，它对铁路路基、管线公路等常常引起较大的工程危害，盐渍土地区常常带来的病害有松胀、膨胀、溶陷、建筑材料的腐蚀、基床冻胀翻浆冒泥等［6］。

随着中国交通建设的迅猛发展，大量公路铁路等线性工程将不可避免的穿越盐渍土地区，同时也引起越来越多的学者关注盐渍土的工程特性问题。前人对盐渍土的研究主要集中在以下几个方面，慈军、张远芳［2，5］等人研究盐渍土的盐胀融沉规律发现，土样的含水率比干密度更能影响土样的盐冻胀率，含水率是影响盐冻胀率的主要因素。张莎莎、杨晓华、包卫星［7，8］等人针对粗颗粒盐渍土开展了工程特性、盐胀特性等系列研究。汪为巍［9－11］等研究盐渍土地区的道路病害规律得出，南疆盐渍土地区路面的病害形式主要为开裂和凸起，冬季的温度愈低破坏愈严重。万旭升、赖远明［12，13］等通过试验分析了硫钠钠晶体析出和温度变化对土体含水率的影响，得出盐分晶体在土体中析出可造成含水率减小，且随温度递减，土体含水率也递减。由于不同地区盐渍土成因机制与所处地域环境的差异，其工程性质亦表现为各不相同。本文选取新疆罗布泊广泛分布的湖积平原区盐渍土为研究对象，对不同埋深下的土体物理力学性质及水土化学性质开展试验研究，分析了其基本物理化学性质对其工程特性的影响规律，为罗布泊沿线盐渍土地区工程建设与运营维护提供参考依据。

1 样品采集与测试分析

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州若羌县罗布泊镇，该地区降水稀少，蒸发旺盛，昼夜温差大，大多属于湖积平原地貌，地形起伏不大，海拔在650～700m。地层自下而上为石炭系下石炭统红柳园组（C1hb）、第四系上更新统湖沼沉积和冲洪积层（Q3al＋pl）。由于独特的地理气候、地形地貌等，该地区分布有大量的盐渍土，属于西北地区较为典型的盐渍土区［14］。罗布泊盐渍土主要分布于冲洪积平原下部、湖泊周边及低地等地区，地表主要分布为盐壳。研究区沿线长约62km，随地质测绘在盐渍土区沿线野外随机布点，点位尽可能布置规则，土样按钻孔深度3.5m采取，水样则在沿线揭露地下水段的钻孔可见地下水位深度处采取。

1.2 样品采集与测试分析

以选取布设于研究区盐渍土广泛分布的湖积平原区域的点位钻孔数据为原则，本文采取研究区内土样29件、地下水样本18件开展室内试验分析。通过数据分析筛选去掉异常值，其中选取10件采样深度在3.5m内的代表性土样进行颗粒筛分试验，得到盐渍土粒径级配曲线。选取8件采样深度在3 m内代表性样品通过固结试验、直接剪切试验得到对应土样力学参数；进行土样测试分析得到相应的天然含水率、孔隙、饱和度与界限含水率等。选取研究区地下水出露点2.5m内的9件水样及前面所选取的8件土样进行盐离子成分分析，按照《土工试标准方法》，经粉碎、过筛、烘干土样后与蒸馏水按1∶5的比例混合，最后进行抽滤清液测试样品的易溶盐含量；称取筛选风干的土样于塑料管中加纯水100ml，振荡分离过滤后采用离色谱仪及电导率仪测试样品的离子成分及含量；采用离子剂测试pH值。

2 基本物理力学性质

2.1 颗粒级配特征

选取10件代表性样本依据各粒组的百分含量作出土样级配曲线，如图2所示，研究区内盐渍土颗粒组成主要分布在0.075～2mm之间，颗粒含量为60%～92.8%，砾类颗粒（＞2 mm）含量最高为6.1%，小于0.075mm的颗粒占比均大于5%。由颗粒分布特征可知研究区盐渍土主要表现为粉砂，而新疆板块状盐渍土主要由砾类土组成［15］，与研究区有所不同。此外，如表1所示，盐渍土级配特征在不同取样深度具有显著差异。以0.7m和1.5m处土样为例，经计算，在取样深度0.7m处属于均匀、级配不连续土，1.5m处属于不均匀、级配不连续土；可判定这两处深度的盐渍土为级配不良土。而其它取样深度的粒组分布范围比较广，＜0.075 mm的细颗粒百分含量较高。

图2 土的粒径级配曲线

表1 不同深度代表性土样颗粒级配分析结果

2.2 基本物理特征指标

选取不同埋深处8件代表性盐渍土样开展密度、含水率等基本物性测试，测试分析结果如图3、图4所示。由图3可知界限含水率在地下3m以内主要表现为随深度增加而增大，在大多数深度范围的液性指数为负值，平均值约－0.02，大多数盐渍土属于坚硬状态，极少数处于可塑状态，这是由于研究区常年干旱，蒸发量远大于降水量导致。液限均值为30.45%，塑限为22.62%，塑性指数平均值为7.84，符合筛分试验得出研究区盐渍土属于砂类土的结果。从图4中看出，罗布泊盐渍土孔隙比、天然密度、天然含水率和饱和度随取样深度有所变化，尤其在1.5m和2.8m处取样的物理性质变化较明显。区内盐渍土天然含水率平均值为22.54%，天然密度为1.89g／cm3，孔隙比0.75，饱和度为81.75。新疆作为西北内陆盐渍土分布最广的地区，研究区与喀什［15，16］等典型盐渍土地区有所差异，主要表现为喀什地区盐渍土以低液限土为主，和田地区盐渍土的天然含水率、孔隙比和饱和度与罗布泊差异较小。但就塑性指数而言喀什与和田地区盐渍土较研究区大1.5～2倍，其他物理指标较为接近。

图3 界限含水量

图4 土样物理特征指标

2.3 力学强度试验分析

对罗布泊盐渍土取原状样，通过固结和剪切试验得到其压缩指标及抗剪强度指标，实验结果如图5所示。压缩系数平均值为0.24MPa－1，压缩模量为7.89MPa，根据工程上土的压缩性分级定为中等压缩性土［1］，而压缩系数和压缩模量与土的孔隙比有关，孔隙比减小，土的压缩性越高。另外，对土样开展直剪试验得到盐渍土的c、φ平均值分别为25.32kPa、24.7°。从结果来看，土的力学指标随着孔隙比变化而变化，呈现负相关性，孔隙比减小，土的c，φ值增大，反之，土的c，φ值减小。从深度变化来看，盐渍土的力学强度整体变化不显著。

图5 盐渍土力学参数

3 化学性质分析与讨论

以研究区地下水波动范围内的土层为主，取8件土化学样开展土的相关化学试验以及定性定量分析讨论，得到土成分的pH值、易溶盐含量、离子类型、离子含量等相关数据及相关关系。

3.1 土壤易溶盐离子成分及含量

如图6所示，研究区盐渍土阳离子中主要含Na＋、K＋和Ca＋，其中以Na＋居多，Ca＋和K＋次之。阴离子中主要含Cl－、SO42－和HCO3－，其中以Cl－含量最高，SO42－次之，HCO3－含量最少。Na＋占比在87.20%～93.16%之间，含量在102.12～176.63 g／kg，占着阳离子含量中的高百分比。氯离子占比在83.08%～91.68%之间，含量在162.65g／kg～286.03g／kg。那姝姝、张远芳［17］通过对罗布泊强氯盐渍土溶陷性试验研究得到土中易溶盐各离子含量，与文中得到的结论一致。

图6 易溶盐离子含量随深度变化图

盐渍土的判别和评价盐渍化程度的重要指标是土中易溶盐含量。试验结果表明：罗布泊地区盐渍土层平均含盐量均大于8%，最高可达78.67%。研究区盐渍土按盐的化学成分分类，＞2.0，以氯盐渍土为主，按土层平均含盐量≥8%，综合判定研究区盐渍土为超强氯盐渍土。另外，从图中可以看出各离子含量随取样深度整体呈减小的趋势，尤其以含量较高的Cl－及Na＋＋K＋显著，在1.5m和2.8m处各离子含量有骤减的趋势。结合相关资料，罗布泊地处我国北方干旱、半干旱地区，水分蒸发量大于降水量，地势较低，径流缓且较易汇集，对盐渍土的形成提供了条件，地下水中的可溶性盐向上迁移容易在表层聚积，导致易溶盐含量随深度增加而降低［18］。盐渍土中的易溶盐含量是产生腐蚀性的一大原因，由于土中含大量易溶盐离子，导致土体对混凝土结构、钢筋、水泥和石灰等建筑材料产生强腐蚀性。

3.2 土壤pH值变化特征

研究区盐渍土平均pH值为8.3，天然状态下呈碱性，如图7所示，随深度增加，研究区含盐量减小，pH整体有增大的趋势。由于土中易溶盐成分主要由氯盐组成，随氯盐等含量降低，离子浓度有所变化影响其碱性发生变化，pH值增大。另外，土壤的碱度与其中的的含量有关，分析结果表明土壤盐分中几乎没有，因为的稳定性较差，容易与水中的H－结合形成从而导致土的碱性增强［16］。pH值在各土层深度中可以明显看到在某深度有突变，如在1.5m处骤增，结合钻孔资料显示该处地下水埋深1.4～1.5m，土样刚好处于地下水波动范围内的土层，说明土体性质与地下水位埋深密切相关［19］。

图7 易溶盐含量与pH关系

3.3 地下水盐离子化学分析

选取研究区2.5m取样深度范围内9件水样开展离子类型、离子含量、矿化度、pH值等水质分析测试，测试结果如图8所示，钻孔水中离子含量较为稳定，波动范围不大，表明该地区钻孔水的成分较为稳定，不受外界因素影响或者影响较小。地下水中主要阳离子为Na＋＋K＋，变化范围为104.78g／l～246.92g／l，其次为Mg2＋、Ca2＋；主要阴离子为Cl－，变化范围为101.86g／l～184.0 2g／l和含量较低。阴阳离子含量变化特征相似，都处于以其中一种离子含量最大、其他离子的含量相对较小的情况。

图8 地下水各离子含量

对各水样的水化学类型进行划分，大部分地下水的水化学类型为Cl-Na型、Cl-Na·Mg型，与按土壤盐分成分特征得出的研究区盐渍土属于氯盐渍土一致。如图9所示，研究区钻孔水pH值的均值为7.2，呈弱碱性，处于正常的地下水酸碱性变化范围内。地下水的pH值随水中矿化度含量变化趋势一致，水样的矿化度变化范围较大，在184.18g／l～351.93g／l之间，平均为275.36g／l，根据地下水矿化度分级，该区冷水均属于卤水。分析结果表明研究区的盐渍土、地下水的易溶盐组分及含量占比特征一致，说明土壤的盐渍化与地下水运移密切相关，盐渍土的类型由地下水的矿化度及水化学类型决定［15］。另外，罗布泊水质含盐量很高，属于卤水，具有超强侵蚀性，以化学侵蚀类为主。地下水对混凝土结构、钢筋、水泥石灰等建筑材料具有强腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。

图9 地下水矿化度与pH

4 理化性质变化特征

4.1 力学强度变化特征

研究区土层的力学强度随深度变化并不显著，其原因是随深度增加，当土的孔隙比减小，且盐分成固体形态存在土粒间起到胶结作用时［17］，理论上力学强度随之变大，盐渍土含盐量极高，土的强度受到盐分含量影响，盐分含量过高可能减弱土的透水性，当它以离子状态存在水中，则在孔隙中起不到胶结作用，对土体抗剪强度影响较小［15］。因此，研究区在这两种因素的影响下，其力学强度与埋深的相关性并不显著。

4.2 可塑性降低成因分析

罗布泊盐渍土含盐量高，盐渍土中的易溶盐含量对土的物理性质有很大的影响。分析结果显示，在垂直方向上，随着含盐量降低，充填在土颗粒间的盐分减少，盐渍土的孔隙比随之减小，饱和度增大，其液限、塑限越高，土的可塑性增强。为此，本文开展相关研究分析，得到了易溶盐含量与盐渍土的界限含水率间的关系，如图10所示：随着含盐量升高，土的液、塑限含水量降低。原因可能是土中的易溶盐一部分溶解于水中，未溶解的则残留在土颗粒的孔隙中［18］，改变了土颗粒原来的排列方式，导致土的可塑性降低。

图10 土样易溶盐含量与界限含水率的关系

4.3 某深度物理指标变化特征

孔隙比、天然密度、天然含水率和饱和度随取样深度有所变化，在1.5m和2.8m取样深度处有突变，在这两个取样深度的土中盐分离子浓度呈现骤减的趋势，而土的pH值则增大。在1.5m处，颗粒筛分得出＜0.075mm的细颗粒含量较少，易溶盐离子明显有所减少；同样在2.8m处易溶盐离子明显减小，界限含水率也明显减小，土颗粒含水量低且砂质含量高，土质较坚硬，饱和度等也急剧变小。此外，造成盐分在土样垂直方向有所波动的原因与地下水埋深有很大的关系。1.5m处于地下水位波动水位，土中的水与地下水交换作用强烈，由于土中的盐分主要来源于地下水，地下水埋深浅则盐分随水分发生迁移聚集到土层［15］，因此在随埋深变化含盐量有较大的变化。

5 结论

本文结合实际调查资料，通过对罗布泊盐渍土进行颗粒筛分、室内理化性质等试验，并结合试验研究成果分析讨论，得出以下结论：

（1）罗布泊盐渍土根据土类定名大多数为粉砂，极少数为细砂和中砂。天然含水率、饱和度、孔隙比和液性指数随取样深度的变化规律基本一致，界限含水率随深度增加而增大，大多数盐渍土属于坚硬状态，极少数处于可塑状态，土层力学强度随深度变化不显著。

（2）罗布泊盐渍土呈碱性，阳离子中以Na＋＋K＋居多，阴离子中主要含Cl－。土层平均含盐量大于8%，属于超强氯盐渍土，对建筑材料均具有强腐蚀性。地下水水化学类型为Cl-Na型和Cl-Na·Mg型，水成分呈弱碱性，阳离子中Ca2＋较少，Mg2＋含量较高。阴离子中的Cl－含量最高，其次为，HCO3－含量最少。地下水除了对钢结构具有中等腐蚀性，对其他建筑材料均具有强腐蚀性。

（3）研究区盐渍土、地下水的易溶盐组分及含量占比特征一致，土壤的盐渍化与地下水运移密切相关。随深度增加，含盐量减小，土体pH值整体有增大的趋势，地下水pH值则与地下水矿化度有关。