1.4　硫酸盐渍土的工程性质研究现状

盐渍土在世界各国都有分布。我国的盐渍土主要分布在西北干旱地区的新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古等地势低平的盆地和平原中。其次，在华北平原、松辽平原、大同盆地以及青藏高原的一些湖盆洼地中也有分布。另外，滨海地区的辽东湾、渤海湾、莱州湾、海州湾、杭州湾以及台湾地区的诸海岛沿岸，也有相当面积存在。

土是由固相、液相和气相三相组成的集合体。盐渍土的固相、液相组成和普通土不同，组成盐渍土的固相除土的矿物颗粒外，还含有结晶盐，结晶盐主要有氯化钠（NaCl）、水石盐（NaCl·2H2O）、氯化钾（KCl）、氯化钙（CaCl2）、硫酸钠（Na2SO4）、芒硝（Na2SO4·10H2O）、硫酸镁（MgSO4）、碳酸钠（Na2CO3）、结晶碳酸钠（Na2CO3·10H2O）、碳酸氢钠（NaHCO3）等；液相由水和溶于水中的盐离子组成，盐离子主要有Cl-、、、、Ca2+、Mg2+、K+、Na+等。组成固相的盐和液相的盐受温度、含水量、含盐量、土的结构等因素影响可以相互转换，土中的固相盐随着含水量的增大、温度的升高或其成分的改变，可以转化成溶于水的盐；土中的液相盐随着含水量的减少、温度的降低或其成分的改变，可以转化成固体盐结晶。无水Na2SO4、无水Na2CO3等结晶盐可以转化为芒硝（Na2SO4·10H2O）和结晶碳酸钠（Na2CO3·10H2O），其体积膨胀3.18倍和3.68倍。由于盐渍土有不同于普通土的这一组成成分，决定了盐渍土由含盐的不同表现出其不同的工程特性。

对于硫酸（亚硫酸）盐渍土主要表现出盐胀性、腐蚀性、氯化钠对硫酸钠的盐胀抑制性等。在水利、铁路、道路、石油等工程建设中，硫酸（亚硫酸）盐渍土中硫酸钠结晶引起土体盐-冻胀造成工程破坏的例子屡见不鲜，所以随着工程建设的广泛开展，该领域的研究已经取得了许多可喜的成果。

1.4.1　硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀水分和盐分迁移

邱国庆（1989）在研究溶液单向冻结时，发现由于水的结晶纯化作用，盐分向未冻溶液方向迁移，迁移量与冻结速度和初始浓度有关。莫玲黏土单向开放性冻结过程中，水分和盐分向正冻区迁移。高水化能的盐类更有助于抑制冻胀。

徐学祖、王家澄等（1995）和高江平、杨荣尚在研究土体自上而下冻结过程中发现到水分和盐分自下而上迁移。含盐量的增量受冷却速度、地下水位、初始和补给溶液浓度以及土的初始干密度控制，均呈指数关系。含氯化钠盐土随温度降低出现冷缩现象，盐胀率低于1%。冻胀量与初始含水量成正比关系，与初始干密度、初始浓度和补给溶液浓度呈抛物线关系，随初始顶面温度降低而线性减小，随冷却速度和冻胀历时增大呈平方根关系增大。含碳酸钠盐土当降温速度为3℃/h时，盐胀量为零；当降温速度为1℃/h时，盐胀率可达2%。盐胀量与初始干密度呈抛物线或平方关系，与初始浓度的平方呈正比、与冷却速度呈平方根关系减小。冻胀量与初始浓度呈抛物线关系，随补给浓度增大而线性减小。含硫酸钠盐的兰州黄土，盐胀率可达6%～8.4%，温度主要出现在20～5℃。盐胀量与初始干密度呈平方关系，与初始浓度呈抛物线关系；冻胀量与初始浓度呈抛物线关系，随冷却速度增大呈平方根关系减小。上述研究是在侧重水分和盐分迁移、冷却速度对土体盐-冻胀影响的基础上进行的，同时也揭示了盐-冻胀量与初始干密度、初始浓度的关系。而在含水量、含盐量（或硫酸钠含量）、初始干密度、外界压力等对土体盐-冻胀影响机理方面的研究还不足。

含硫酸钠盐土反复冻融变形曲线，可分为三个阶段，周而复始，第一阶段表现为冷缩和盐胀，第二阶段为冻胀，第三阶段为融化下沉。每次冻融循环中，第一和第二阶段的盐-冻胀变形在第三阶段的融化下沉过程中不能完全恢复，即每次循环后均有残留变形（主要是结构性变形），使得土体中孔径及孔隙体积增大及下一次循环中盐-冻胀变形增量减少。因此，随冻融循环次数增多，第一和第二阶段的变形总量呈指数规律增大。这说明当冻融次数增加到一定程度，第一和第二阶段的变形总量将不再增长。

徐学祖、邓友生等（1996a）在对含氯盐正冻土的水盐迁移单向冻结的研究时，发现土中水分分别以气态和液态方式迁移，而离子则可能以吸附、扩散和对流方式向冷端迁移，离子和含水量迁移总量无对应关系。离子迁移量有关，但非线性，存在一个最佳干密度（最佳通道连续性），大于或小于该密度，其迁移量将减少。钠、氯离子迁移总量和水分迁移总量均随初始含水量增大而直线增大，随干密度增大呈抛物线形变化，随钠离子初始浓度减小而直线增大，随底面温度增高和顶面温度的降低而直线增大。

Kang Shuangyang等（1994）在开展天然条件下土体冻结试验研究后指出，由于含盐冻土中存在较多的未冻水，所以冻土中仍有相当可观的水分迁移和溶质迁移。Cl-、和Na+离子迁移速度比Ca2+、Mg2+离子大，且离子含量始终在减少，其原因是由于发生了化学反应：的结果。含盐量迁移量为0.01%～0.21%，平均为0.079%。

张立新等（1993）研究氯盐盐渍土未冻含水量时发现对于含氯化钠的冻土存在二次相变，由于盐分的影响，在某一负温下未冻含水量急剧减少，其温度一般为-21～-26℃，含有氯化钠的溶液，形成的固相晶体为冰和水石盐（NaCl·2H2O）。其原因是在较低温度状态下，冻土中的未冻水主要部分是土颗粒表面的薄膜水，而在土中溶液第二次相变过程发生的同时，还有带两个结晶水的水石盐生成，土中溶液初始浓度及总含水量越大的冻土即含盐量越大的冻土，水石盐生成时从薄膜水中获取水分子的能力越强、数量越大，这样薄膜水在较小的温度范围内就得以变薄，达到一定厚度，使未冻水含量迅速变小，并趋于稳定，而对于含盐量较小的冻土，要使薄膜水达到同一厚度，则需要一个较大的温度范围。

张立新等（1996）研究含硫酸钠盐渍土未冻含水量时，发现对于含硫酸钠冻土在低于30℃时，析出的硫酸钠以芒硝（Na2SO4·10H2O）的形式存在；未冻含水量受初始含水量及初始溶液浓度的影响不大，随初始含水量增大略有增大，随初始溶液浓度增大略有减小。

Anderson（1972）建立了给定冻土未冻水含量与土温及比表面积关系式，即

式中：S为土的比表面积，m2/g。

注：冻土温度和土的冻结温度在数值上均为负值，但为数学处理的需要，取其绝对值，下同。

徐祖学（1995）建立了利用两个不同的初始含水量及其对应的冻结温度预报给定土未冻水含量的模式，即

式中：θf和θ为初始含水量W0和Wu时的冻结温度，℃。

Banin（1974）给出了不同盐类水溶液冻结温度的计算式，即

式中：θon为盐溶液的冻结温度，℃；C为溶液的浓度，mol/L；Nm为盐分子离解的离子数；Z为盐的化合价。

徐学祖等（1985）得出硫酸盐和碳酸盐的冻结温度因受溶解度的影响，以实测为准。与无盐土相比较，初始含水量和温度相同的情况下，含盐冻土通过冻结温度降低使未冻水含量随含盐量增大而增大。

李宁远、李斌（1989）利用X射线衍射光谱分析土中结晶盐的化学组成，利用电子显微镜技术研究盐结晶的微观结构形态，进一步揭示硫酸盐的膨胀特性。

从上述研究可以看出，对盐渍土盐-冻胀的水分和离子迁移、温度和降温速度对盐-冻胀的影响、盐渍土未冻含水量及其影响因素等方面的研究取得了一些重要成果，但在土体基本性质（含盐量、含水量、密度）及外界压力对盐渍土盐-冻胀率及盐-冻胀力影响的机理研究、盐胀机制和冻胀机制研究等方面还存在很多不足，还有待进一步深入。

1.4.2　硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀率研究

徐学祖等（1996c）研究氯化钠、碳酸钠、硫酸钠盐土的盐-冻胀是土性质（土类、初始含水量、初始干密度、含盐量等）和外界因素（温度、压力和补水状况）的函数时，发现含氯化钠盐土盐-冻胀量随初始含水量增大而线性增大，与初始干密度、初始浓度和补给溶液浓度呈抛物线关系，随初始顶面温度降低呈线性减小，随冷却速度和历时增大呈平方根关系增大；含碳酸钠盐土盐-冻胀量与初始干密度呈抛物线关系，随初始浓度增大呈平方关系减小，随冷却速度增大呈平方根关系减小；含硫酸盐盐土盐胀量与初始干密度和初始浓度呈平方关系，冻胀量与初始浓度增大呈抛物线关系，随降温速度增大呈平方根关系减小。

以上对硫酸盐盐渍土的研究只建立了盐-冻胀与初始干密度、初始浓度、降温速度关系，但使用初始浓度指标建立盐-冻胀关系不太合理，因为盐渍土中某种盐的溶液浓度决定于土体含水量、含盐量（硫酸钠含量、氯化钠含量等）、试样成型温度（或溶解度）、试样成型温度的变化、盐的溶解度发生变化，进而影响溶液盐的浓度，所以初始浓度指标应分解成含水量、含盐量（硫酸钠含量、氯化钠含量等）、试样成型温度。

高民欢等（1997）开展了西安黄土掺氯化钠和无水硫酸钠的盐-冻胀试验，在含水量为12%～18%、硫酸钠含量为2%～5%，起胀温度为12～24℃，盐胀率与其影响因素的关系可用式（1.24）表示，即

式中：η为盐胀率，%；a，b为与土质、含水量、含盐量有关的常数；Δθ为起胀温度与土样的差值，℃。

经回归分析得到初始干密度为1.6g/cm3时的盐胀计算公式为

式中：η为盐胀率，%；为氯化钠含量，%；为硫酸钠含量，%；ω为含水率。

当硫酸钠浓度为7%～30%时，含氯化钠饱和溶液的硫酸钠盐渍土的盐胀剧烈变化温度区间为-6～-10℃，土中不含氯化钠的硫酸钠盐渍土的盐胀剧烈变化温度区间为-9～-20℃。降温速度随降温速率增大，盐胀率呈指数减小。成型温度为15～20℃时土体盐胀率最大。

硫酸钠含量小于1%时，盐胀率小于1%；硫酸钠含量为1%～6%时快速增长；硫酸钠含量为6%～9%时缓慢增长。当氯化钠的含量在2%～5%时，盐胀率随氯化钠含量增大而减小，当氯化钠大于5%后，盐胀率随氯化钠含量增大又略有增大，为抑制盐胀，土中氯化钠含量控制在5%以内为好。起胀含水率约为6%，随含水率增大，盐胀率增大并在含水率达到16%（略大于最优含水率）时，盐胀率达到极值。盐胀率随含水率的增大略有减小。

该试验的氯化钠和硫酸钠以固体形式掺配，不是以溶液形式掺配，在含水量较低，硫酸钠、氯化钠含量较大的试验条件下，部分硫酸钠无法溶于土体溶液中，这部分硫酸钠对土体盐-冻胀的试验研究不起作用，存在试验条件不统一的问题。

高江平、吴家惠（1997）研究揭示盐胀率与含水率、硫酸钠含量、初始干密度、上覆荷载均符合二次抛物线规律。

诸彩平、李斌、侯仲杰（1998）研究表明，含盐量小于1%时，引起破坏的主要因素是盐-冻胀，冻胀的发生加剧了盐胀的程度；当含盐量大于1%时，导致土体结构产生变形破坏的主要原因是盐胀。当含盐量小于1%时，在反复冻融条件下，其累加盐胀率与循环次数的关系为二次反函数曲线；当含盐量大于1%时，累加盐胀率与循环次数的关系为开口向下的二次抛物线。

石兆旭、李斌、金应春（1994）研究表明，土体孔隙大小不能表现为吸收盐胀的程度。

费雪良、李斌（1995）研究表明，盐胀率与初始干密度符合二次抛物线规律，盐胀率与初始干密度存在临界值。

朱瑞成（1989）、费学良等（1994）研究用扫描电镜观察了晶体在孔隙中的分布，进一步提出西安黄土含盐3%时，初始干密度为1.816g/cm3的盐胀率最小。

从上述研究可以看出，硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀与各影响因素关系研究取得了很多成果，但存在试验影响因素确定不准确、试验条件不统一的问题，另外对硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀率与初始干密度、硫酸钠含量、含水量、外界压力等关系的研究，硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀力与初始干密度、硫酸钠含量、含水量关系的研究，硫酸（亚硫酸）盐渍土多次冻融盐-冻胀率与初始干密度、硫酸钠含量、含水量、外界压力关系的研究，建立盐胀预报模型的简化模式方面还很少或没有，有待于建立和进一步完善。

1.4.3　硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀应用研究

1.硫酸（亚硫酸）盐渍土工程分类

（1）盐渍土按含盐化学成分分类。《铁路工程地质勘察规范》（TB 10012）、《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB 10038）、《岩土工程勘察规范》（GB 50021）、《公路路基设计规范》（JTG D30）把盐渍土按含盐化学成分分为氯盐盐渍土、亚氯盐盐渍土、亚硫酸盐盐渍土、硫酸盐盐渍土和碱性盐渍土。

（2）盐渍土按含盐量分类。《公路路基设计规范》（JTG D30）、《铁路工程地质勘察规范》（TB 10012）和《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB 10038）把盐渍土按含盐量分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和超盐渍土。

（3）盐渍土按盐的溶解度分类。《岩土工程勘察规程》（GB 50021）把盐渍土按盐的溶解度分为易溶盐渍土、中溶盐渍土和难溶盐渍土。

（4）盐渍土按土的盐胀性分类。公路部门对314国道的盐胀率η（%）和硫酸钠含量z（%）多年观测，将盐渍土按土的盐胀性分为四类[黄立度等（1997）]，即非盐胀土、弱盐胀土、盐胀土和强盐胀土。

2.硫酸（亚硫酸）盐渍土工程处理措施

硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀应用研究是伴随着工程应用实践而产生的。目前应用着重研究盐-冻胀的预报模型和防盐-冻胀措施。

樊子卿（1990）、张文虎（1992）根据地下毛细上升形成盐渍化的原理，在甘肃红当公路、新疆焉耆铁路工程应用粗砾料隔断毛细水上升，防止土体盐渍化的方法得到了很好的应用。

黄立度等（1997）通过对314国道的焉耆、轮台、阳震段的路表盐胀量的观测及道路病害的基本特征，提出：①公路盐胀的防治应从改善路基土的盐、水、温等环境着手；②新建公路应重视路段填土的选择和盐水的隔断设计；③加强排水措施等。

王鹰（2000）通过对盐胀现场的原位观测，无压时盐胀量比有压时盐胀量大，当P=50kPa时，基本无盐胀，提出增加路面厚度可抑制盐胀。

丁永勤（1992）研究在硫酸盐渍土中加入适量的氯化钠可抑制盐胀。

《公路路基设计规范》（JTG D30）规定，盐渍土填筑路堤的可用性见表1.1，提出路基填筑的以下防治措施。

（1）盐渍土路基可采用排除地面水、提高路基、换填渗水性土、铲除地表过盐渍土、设置毛细水隔断层等防治措施。

（2）当地表为过盐渍土或有盐结皮和松散土层时，应将其铲除。铲除深度应通过试验确定，铲除的过盐渍土应堆置在距路基较远的低处。如地表过盐渍土过厚也可部分铲除，再用渗水性土填筑路堤。

（3）为防止路基冻胀、翻浆、盐胀及再盐渍化，可在路堤下部设置毛细水隔断层，隔断层宜采用渗水性粗粒料填筑，厚40～50cm，其顶面、底面应设反滤层；也可用沥青砂、防渗型土工织物等不透水材料修筑。

（4）硫酸盐渍土路段，为减轻盐胀，可对填筑路床的硫酸盐渍土进行化学处理，常用的化学掺加剂有CaCl2、BaCl2等，掺加剂剂量根据试验确定。

（5）采用盐渍土修筑的高速公路、一级公路，路肩及边坡均应采用加固措施，或加宽路基以保证路基的有效宽度，加宽值宜为0.2～0.3m。

《铁路工程地质勘察规范》（TB 10012）、《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB 10038）规定盐渍土作为路基基底和填料的可用性及允许易溶盐含量及含盐成分见表1.2和表1.3。

由表1.2和表1.3可知，我国的盐渍土的应用研究已经取得了很大进展，但仍显得很薄弱，在硫酸（亚硫酸）盐渍土作为填筑压实用料多次冻融盐-冻胀密度降低（盐-冻胀发育）问题、硫酸（亚硫酸）盐渍土盐-冻胀力确定以及作为挡土墙盐-冻胀力荷载验算及有效防护问题、硫酸（亚硫酸）盐渍土含盐量及硫酸钠含量标准确定等问题有待进一步研究。