粗颗粒盐渍土地基

第1章 绪论 1.1 粗颗粒盐渍土的概念 1.1.1 盐渍土的定义 盐渍土是指土体含盐量超过一定数量的土。到目前为止，国内外对地基土是否属于盐渍土的判定，在含盐量和含盐类别方面是有所差异的。苏联曾规定，土中易溶盐的含量超过 0.5%或中溶盐含量超过 5%的土，称为盐渍土；我国以前沿用的界限标准是土体易溶盐含量达 0.5%的土归为盐渍土。现在国内不同行业使用的界限标准也有所差异。公路系统一般用易溶盐含量为 0.3%作为界限值判定是否为盐渍土，超过这一含量时，就应按盐渍土地基进行勘察、设计和施工；铁路系统则规定地表土层 1m内，易溶盐含量超过 0.5%的土为盐渍土。 我国一些盐渍土地区的勘察资料表明，不少土样的易溶盐含量虽然小于 0.5%，但其溶陷系数却大于 0.01，*大可达 0.09及以上；同样，一些地基土的硫酸钠含量小于 1%，但也明显表现出盐胀力和盐胀量的现象。我国 1982年《公路设计手册 路基》、2012年《盐渍土地区建筑规范》以及《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009年版）等规定，当地基土中易溶盐含量大于或等于 0.3%且小于 20%时，就应按盐渍土地基进行勘察、设计和施工。国家标准《盐渍土地区建筑技术规范》（GB/T 50942—2014）规定：易溶盐含量大于或等于 0.3%且小于 20%，并具有溶陷或盐胀等工程特性的土为盐渍土。 1.1.2 粗颗粒盐渍土的定义 20世纪 90年代初，在研究甘肃河西走廊和新疆地区盐渍土工程特性时，高树森和师永坤（1997）提出“粗颗粒盐渍土”一词，之后华遵孟和沈秋武（2001）、罗炳芳和潘菊英（2005）、丁兆民等（2008）对粗颗粒盐渍土的工程性能进行了较为详细的研究，但是，所有资料中都没有对粗颗粒盐渍土的含义做出明确界定。我国《土工试验规程》（YS/T 5225—2016）中把 d>0.1mm的颗粒统称为粗粒，美国统一分类标准把 d>0.075mm的颗粒统称为粗粒，英、法、德、日、瑞典等国把 d>0.06mm的颗粒称为粗粒。可见关于粗颗粒的定义，国际上也没有统一的标准。本书根据电力行业在西北内陆盆地，尤其是河西走廊和新疆吐哈盆地、准噶尔盆地、青海等地一些粗颗粒盐渍土地区的工程经验，结合《粗颗粒盐渍土区电力工程岩土勘测技术规程》的相关规定，给出粗颗粒盐渍土的概念，即：洗盐后，按《土工试验规程》（YS/T 5225—2016）土颗粒粒径组成定名为粗粒土的盐渍土。 1.2 粗颗粒盐渍土的成因 盐渍土的形成、发展与演变，是其所在地区自然条件（地形、地质、水文地质、气候等）和人类活动综合作用的结果。其中，气候条件是引起地基土盐渍化的主要外在因素，易溶盐（甚至部分中溶盐）的存在，及其通过地形、土质、水文、水文地质等条件发生迁移和积聚是内在因素。 内陆粗颗粒盐渍土地区大都属于荒漠生态环境，缺乏降水的淋滤作用，土中积累的易溶盐较其他区域为多；加上强烈的蒸发，不仅地表水蒸发浓缩，同时矿化的地下水借助毛细作用上升到地表形成盐渍化。这是内陆粗颗粒干旱地区盐渍土形成的普遍原因。 粗颗粒盐渍土的形成主要受以下一些条件的影响。 1. 气候条件 （1）降水稀少，蒸发量大。我国粗颗粒盐渍土所处的内陆地区，除新疆北部和部分高大山地外，年降水量均在 200mm以下，如柴达木盆地*大年降水量只有 60mm，塔里木盆地 10mm左右，河西走廊西部地区不足 30mm。同时，这些地区蒸发量极大，有的区域蒸发量竟达 3000mm以上，干燥度也高达 80左右，而相对湿度只有 40%左右。极端干旱的气候条件有利于盐分在土层中积累。 （2）气温变幅大。粗颗粒盐渍土所处环境夏季酷热、冬季严寒。年温差、日温差都很大，素有“早穿皮袄午穿纱”之说。例如，新疆地区极端*高温度多在 40℃以上，极端*低温度可达 –30℃以下，日温差达 25℃以上。剧烈的气温变化，不仅加速盐类的运移，同时还改变着盐类的溶点和冰点，从而影响土的工程性质。例如，硫酸盐渍土，随着温度变化而发生相态的转变，破坏土的结构。 （3）风大、风多。粗颗粒盐渍土所处区域普遍多风，以西北风为主，风力可达 8级以上，特别是山谷隘口处风力更大。例如，阿拉山口、达坂城、十三间房、头道河、三个泉、吐鲁番西部三十里风区，年大风日数多达 100日以上。由于风的吹干，地面蒸发和植物蒸腾作用加剧，盐渍化临界深度加深，地下水矿化度间接增大。 2. 地形、地貌条件 地形、地貌对盐渍土生成*主要的影响在于促使盐分沿地形剖面的重新分配，这是因为不同地貌单元直接影响着地下水埋藏深度、矿化度及矿化类型等。 盐渍土分布区所处地形多为低地、内陆盆地、局部洼地等，这是由于盐分随地表、地下径流由高向低处汇集，洼地成为水盐汇集中心。例如，准噶尔盆地位于阿尔泰山与天山褶皱带之间，北有阿尔泰山，南有天山，仅西部额尔齐斯河谷及阿拉山口为两个地势较低的缺口，来自山地的水、盐均汇入盆地，几无流出。因此，特殊的地形、地貌条件造就了盐渍土发育环境。 3. 水文地质条件 水既是溶剂，又是盐的载体，“盐随水走，水去盐留”。由此可见，水文地质条件与盐渍土的形成有着十分密切的关系。特别是地表径流、地下径流的运动规律和水体运移途中水化学特性的动态变化，对地基土盐渍化的发生、分布具有极其重要的作用。地表径流和地下径流明显受特殊的地形、地貌条件的控制。山前地段，地形坡度大，地基土以碎石类土为主，难以形成水的汇集区，盐渍化程度低；沟谷和缓冲平原地段，地基土颗粒逐渐变细，地表、地下径流条件变差，容易形成水的汇集区和蒸发区，盐分会出现强烈积累的现象。这些因素的综合作用是促进盐渍土形成和发育的原因。 4. 地层岩性 粗颗粒盐渍土地层岩性大多以砂类土为主。该类土的毛细管孔隙直径较大，地下水借毛细管引力上升的速度快，但高度较小，从理论上讲，该类土不易积盐。 5. 人类活动 人类活动也是盐渍土形成的重要因素。例如，污水乱排导致下游地段土层含盐量增加及地下水位上升，从而造成地基土表层含盐量增高；又如，工程建设对既有生态系统的破坏，改变原有地表和地下径流通道，也可影响盐渍土空间分布范围。 6. 物质基础 盐渍土的形成，必须有源源不断的盐分来源。岩层含盐矿物的风化产物，是内陆地区粗颗粒地层盐渍化的来源。土层盐类性质与岩石矿物成分有关。例如，花岗岩侵入体和以片麻岩为主的变质岩系，多含钠长石矿物，这些地区必然反映出土层的苏打（碳酸钠）盐渍化；多岩盐、石膏、黏土等沉积岩系地区，也必然反映出土层的氯化物、硫酸盐的盐渍化。 粗颗粒盐渍土富集的西北内陆盆地周围不少山麓、丘陵多为三叠系、侏罗系、古近系和新近系含黏土质的砂岩、泥岩及砾岩，或白垩系紫红色砾岩夹薄层砂页岩等，大部分为钙质、铁质胶结，含盐的风化壳就成为盆地的盐分来源。例如，天山南麓和青海柴达木盆地广泛分布这类岩层。这些地层在强烈的物理风化作用下，残积层中富存了大量的易溶盐类，这些盐类被冰雪融水及大气降水溶解，一部分随地表水注入洼地，另一部分渗入土中注入地下，使地下水矿化度升高。 1.3 粗颗粒盐渍土的分布 1.3.1 全球盐渍土的分布概况 盐渍土在世界各地分布非常广泛，在欧洲、南北美洲、亚洲、非洲等均有大面积的分布，涉及 100多个国家和地区。其中大部分分布在亚洲、非洲及亚非交界地区。非洲的盐渍土主要分布在南非、东非和北非，特别在尼罗河三角洲一带，面积相当广阔。亚洲和中东地区盐渍土主要分布在我国及蒙古、印度、巴基斯坦、土耳其、伊朗、伊拉克、叙利亚、科威特、沙特阿拉伯等。据联合国科教文组织的不完全统计，全世界盐渍土面积约有 955.45×104km2。盐渍土在苏联的分布面积约为 75×104km2，主要分布在中亚、后高加索、乌拉尔第聂伯、黑海，以及东、西西伯利亚等地区。 1.3.2 我国盐渍土的分布概况 我国各类型的盐渍土总面积约为 99×104km2，主要分布于 23个省（直辖市、自治区）。具体来说，青海、新疆、内蒙古、甘肃、陕西、宁夏和黑龙江等省（自治区）分布较广，辽宁、吉林、河北、河南、山东、江苏等省也都有零星分布。新疆、青海、甘肃、宁夏和内蒙古是我国盐渍土分布面积*多的地域。 各地自然条件的差异，使得盐分在积聚程度和组成上有较大的差别。 内陆地区盐渍土：分布广、含盐量高、类型繁多、成分复杂，其含盐量一般高达 10%～20%，有的甚至超过 50%（如青海柴达木盆地、新疆塔里木盆地的盐渍土）。内陆盐渍土一般厚度大（有达数十米者），粒径组成复杂，有细粒土，也有粗粒土。内陆地区盐渍土的盐分以氯盐、亚氯盐、硫酸盐及亚硫酸盐为主。 滨海盐渍土：滨海地区成陆时间短，受海水侵袭后，经过蒸发作用，水中盐分凝聚于地表或地表较浅土层中，形成盐渍土。滨海盐渍土分为华南和华东滨海盐渍土两种。华南滨海地区地基土因淋溶作用强烈，含盐量较低，盐渍土分布面积小，以氯盐、亚硫酸盐为主；华北、华东的滨海地区淋溶作用相对较弱，土层盐分淋失较少，含盐量较高，可达 3%以上，盐分以氯盐为主，土呈微碱性。 冲积平原盐渍土：河床淤积或兴修水利等，地下水位局部升高，导致局部地区的盐渍化。主要分布在黄、淮、海河冲积平原，以及松辽平原和三江平原上。 1.3.3 我国粗颗粒盐渍土的分布概况 粗颗粒盐渍土的形成及分布，与其所依存的地理、地形、气候及工程地质和水文地质条件等自然因素相关。另外，人类活动改变原来的自然环境，也使本来不含盐的土层产生盐渍化，形成次生盐渍土。 在我国，粗颗粒盐渍土主要分布在甘肃河西走廊、内蒙古、青海及新疆干旱地区的内陆盆地，多见于山前冲洪积形成的戈壁荒漠上。粗颗粒盐渍土以氯盐、亚氯盐及亚硫酸盐为主。 1.4 粗颗粒盐渍土的分类 根据不同行业的分类标准和分类依据，盐渍土的分类方法很多。概括起来，大致可从盐的性质、含盐量、盐在水中的溶解度，以及盐分在粗颗粒土中的所处状态等几个方面进行分类。 1. 按盐的性质分类 地基土中常含有多种盐类，不同性质盐的含量多寡，影响着盐渍土的工程性质。例如，含氯盐为主的盐渍土，因氯盐的溶解度大，遇水后土中的结晶盐极易溶解，使土质变软，强度降低，并发生溶陷变形。同时，其盐溶液对钢筋混凝土基础和其他地下设施中的钢筋或钢材产生腐蚀作用。又如，以硫酸盐为主的盐渍土，除了会产生溶陷变形外，其中的硫酸钠（俗称芒硝）在温度和湿度变化时，还将产生较大的体积变形，造成地基的膨胀和收缩，其溶液对基础和其他地下设施的材料（如混凝土等）将产生腐蚀作用。碳酸盐对土的工程性质的影响，视盐的成分而定，碳酸钙和碳酸镁等很难溶于水，对土起着胶结和稳定的作用，而碳酸钠和碳酸氢钠则使土在遇水后产生膨胀。 目前，对盐渍土按盐的性质分类的依据是以 100g土中阴离子含量（以毫克当量计）的比值作为分类指标。土中含盐成分为氯盐、硫酸盐和碳酸盐，故根据氯离子（Cl-）、硫酸根离子（SO42-）、碳酸根离子（CO32-）和碳酸氢根离子（HCO3-）含量的比值，我国的规范把盐渍土分为氯盐渍土、亚氯盐渍土、亚硫酸盐渍土、硫酸盐渍土和碳酸（氢）盐渍土（表1.1），而苏联按表1.2进行分类。 2. 按盐的溶解度分类 各种盐在水中溶解的难易程度不同，通常可用一定温度下的溶解度来衡量，即以 100g溶液中能溶解该盐的克数来表示。土中固态的盐结晶遇水后是否溶解而变为液态以及溶解的程度，直接影响地基的变形和强度特性。因此，根据土中含盐的溶解度，盐渍土可分为易溶盐渍土、中溶盐渍土和难溶盐渍土（表1.3）。 表1.1 我国按盐的性质分类的盐渍土 表1.2 苏联按盐的性质