盐渍土及盐渍土的研究现状

1.1.1　盐渍土及盐渍土的研究现状

1．盐渍土

盐渍土为含有一定数量盐分的土，含盐量以盐分质量和干土质量的百分比表示。盐渍土或盐碱土是盐土、碱土以及各种盐化、碱化土的总称。

不同的学科专业对盐渍土的评判标准并不一致。中国土壤学会盐渍土专业委员会^［1］对各类盐渍土的判定为:当土表层含盐量达0.6%～2%时应属盐类土。其中，氯化物盐土含盐量下限一般为0.6%左右;氯化物－硫酸盐盐土和硫酸盐－氯化物盐土下限为1%左右;含有较多石膏的硫酸盐盐土含盐量下限为2%左右;当100 g土的可溶性盐类组成中含苏打在0.5毫克当量以上时，即属苏打盐土范畴，其表土层含盐量下限为0.5%左右;当土碱化层的碱化度大于30%(草原盐土大于25%)，pH值为9左右或以上时，表层土的含盐量一般不超过0.5%为碱土类。农业上对以氯化物为主的滨海盐渍土，以表层30 cm深度内土的含盐量小于0.1%，作为非盐渍土与盐渍土的分界值^［2］。

岩土工程以土的易溶盐含量大于0.3%，并具有盐胀、溶陷和腐蚀性，判定为盐渍土，根据含盐量和含盐类型分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和超盐渍土^［3］。公路工程一般指地表下1 m深度内土中易溶盐含量平均大于0.3%的土，根据含盐量和含盐类型分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和过盐渍土^［4］。

按含盐类型，盐渍土分为内陆盐渍土、滨海盐渍土和冲积平原盐渍土三大类。内陆盐渍土多为硫酸盐渍土，少量为氯盐渍土;冲积平原盐渍土主要为碳酸盐渍土;而滨海盐渍土几乎全部为氯盐渍土。内陆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，盐分主要来自含盐岩土层，由于风化、溶解、风蚀等地质作用，并在地下水、地表水和风力作用下移至盆地和平原的土层中，形成盐渍土。滨海盐渍土主要分布在华北平原东部沿海及江苏、浙江沿海地区，如辽东湾、渤海湾、莱州湾、海州湾、杭州湾等地，盐分主要来自海相地层沉积，其次为不恰当的农业灌溉、地面沉降产生局部海水倒灌所致。冲积平原盐渍土主要是由于河床淤积或兴修水利等原因，使地下水位升高，导致局部地区的盐渍化，主要分布在黄河、淮河、海河冲积平原和松辽平原以及三江平原上。

滨海盐渍土因春季升温、空气干燥，盐分随毛细水上升至地表，常出现表土泛盐现象，见照片1.1。滨海盐渍土因为土中有吸附性的阳离子，遇水后能吸收较多的水分，使盐渍土具有较高的吸湿性和保水性特点^［5］。盐渍土吸水强烈且水分不易散失，场地多呈泥泞状态，见照片1.2。

影响盐渍土吸湿性的因素很多，如降水、气压、温度及湿度等，但主要是空气的相对湿度，一般相对湿度在40%以上时容易导致氯盐渍土的吸湿，土的吸湿深度一般在1 m以内。

照片1.1　滨海氯盐渍土春季返盐景象(沧黄高速公路的黄骅市渔沟桥村)

照片1.2　滨海氯盐渍土地表吸湿后的泥泞状况(天津滨海新区)

内陆盐渍土具有盐胀、溶陷和腐蚀性三大工程问题，滨海盐渍土也同样具备，只不过三个问题所占的比重不同而已。河北省黄骅市沿海公路路堤发生的盐胀破坏就是典型的滨海盐渍土盐胀实例^［6］。该路堤填土为氯盐渍土，路堤周围为盐水，施工中采用石灰拌和固化盐渍土，7年后，道路扩建时翻开路面，发现路面鼓胀开裂地段的路堤灰土中有很多结晶盐颗粒，最大者粒径达10 mm。单个完整石灰土块的强度为2 MPa，说明盐胀使灰土的整体性受到破坏，但单个灰土块的强度依然很高。地下水位以下及湿润部分的灰土中没有盐颗粒，但强度很低。这表明掺加石灰虽能提高盐渍土的强度，但也存在石灰固化盐渍土遇水后软化、强度下降的问题。

基于人类工程活动深刻地改变着自然环境的共识，研究工程建设与环境互馈是工程地质及相关学科共同的重大科学技术问题，岩土改性成为人类工程活动中协调人地关系最重要的科学技术方向。中国科学院院长路涌祥在为熊厚金、林天健、李宁编著的《岩土工程化学》^［7］一书所作的序中写到:“岩土工程引入化学原理和方法，研究和改善其结构与受力机理，探索和创造新的结构和工艺类型，以满足工程建设的需要，日益受到有关各界的重视。”岩体改性是以锚固和灌浆为主线，土体改性则是以提高土的强度和增大其密度为目标。随着交叉学科的发展，许多高分子材料被广泛应用于岩土体加固、防治水土流失、遏制沙漠化扩大、修复生态环境等方面的工程中。化学方法是岩土加固与改性的最基本方法，国内外相关学科都在持续不断地探索，从岩土体的防渗到古建筑遗址的加固保护，岩土体的化学加固方法可用“层出不穷”一词来形容，岩土工程化学这一新学科随之应运而生。

在岩土的改性中使用高分子材料就必须深入认识其与岩土间的氧化还原作用，催化、螯合、络合作用，聚电解质作用和离子交换作用，密切关注这些作用在岩土工程环境条件下的响应和效果。研究固化盐渍土物质成分及结构变化对强度的影响，进而对已有的高分子材料予以改进，有针对性地开发新的固化材料与技术。研究高分子材料的固土机理、高分子材料和普通无机胶凝材料共同固化高含盐量、高含水率、以细颗粒为主的滨海盐渍土的适宜性，可为经济发达的滨海地区道路工程建设的新技术开发提供理论支持。盐渍土固化就是利用固化材料增强颗粒间的联结力，改变土的结构形式，因此从黏土矿物与固化材料的结合形式、含盐量对固化盐渍土强度的影响、固化盐渍土宏观强度与微结构指标间的相关关系、室内测试与现场试验指标间的对比研究等角度，来研究固化盐渍土的强度特征具有理论意义。开发固化滨海盐渍土的工程应用新技术，对降低滨海地区的地基土处理成本，提高工程安全性和降低后期维护费用具有积极意义。

进入21世纪以来，我国的工程地质学家们站在一个新的高度，重新定位工程地质学科，提出了“协调人与自然的关系是工程地质工作的基本出发点”。自然环境的变化和人类活动不断改变着岩土体，岩土体及其所发育的物理、化学、生物和地质过程以及这些过程极为复杂的相互作用越来越显著，所有的人类活动既要满足不断提高的多种需求，又要与自然过程相适应^［8］。盐渍土是滨海地区分布广泛的一种特殊土，工程建设和人类活动必然涉及盐渍土的改性和利用问题。盐渍土的改性不仅对环境产生影响，还要使固化盐渍土满足工程使用要求，使人地关系得到更加协调的发展。

2．盐渍土的研究现状

一般土是由水、土颗粒、气三相物质组成的，而盐渍土则由水、土颗粒、气三相物质(全部盐分存在于水溶液中)或水、土颗粒、气、盐颗粒“四相”物质组成(一部分盐以盐粒存在，成为土的骨架部分，另一部分盐存在于水溶液中)。从工程应用的角度讲，在一定条件下盐颗粒可视为土颗粒，所以土力学的基本理论对研究盐渍土依然适用。国内外学者对盐渍土的研究都遵循这一基本原则，同时在研究中又借鉴相关学科的理论，如微观结构测试技术理论、岩土工程化学、土壤物理学、土壤化学等，进行过专门的研究。

国外在盐渍土基础理论研究和工程改性利用研究方面，以苏联的研究水平为高。苏联从20世纪40年代就开始对盐渍土进行科学研究，B A考夫达首先对盐渍土的成因及分布规律进行了研究;B B巴甘诺夫、H A崔托维奇等人对盐渍土的基本物理力学性质、作为地基的工程特性作了系统的论述;A A穆斯塔法耶夫等人对盐渍土的潜蚀溶陷有较深入的理论研究，提出了模拟溶盐和洗盐过程的数学方法，还研究了脱盐过程中各种参数的测定方法。美国科学家H D Blaser和O J Scherer研究了含硫酸钠盐渍土在不同含水率、孔隙水盐浓度、黏土矿物含量以及干密度条件下的膨胀规律。还有学者进行了淋滤对正常固结的滨海盐渍土结构的影响、海洋盐渍土孔隙水的含盐浓度对其力学性质的影响研究。

文献［9—13］研究草地中的植物和土中的微生物种群对固体废弃物溶滤扩散的反应以及对蔬菜的吸附影响;在大气降水作用下，固体废弃物中的Na⁺的扩散造成的孔隙变化及对物理化学性质的影响;钙化土中的Ca²⁺在液体介质和固化地层中的赋存状态;利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和电子探针技术研究了水泥固化土及工业废弃物中的金属种类和矿物的蚀变与风化特征。文献［14—17］研究了土中盐分运移、胶结沙土的特性、黄土和粉煤灰作路堤填料的工程特性等。这些研究成果，对滨海盐渍土的固化试验研究提供了试验方法和工程应用方面的借鉴。

中国盐渍土工程地质研究，一般认为始于20世纪60年代。当时为解决西北盐渍土地区铁路建设，铁道部第一勘测设计院、铁科院西北所和铁路建设研究所对察尔汗盐湖等内陆盐渍土的工程特性、成因、分布以及对路堤工程的危害与治理措施等进行了大量的试验研究，为兰新、青藏(一期)、南疆等铁路建设及运营提供了技术保证。1988年出版的《盐渍土地区铁路工程》是国内第一部盐渍土方面的工程地质专著^［18］。20世纪80年代以后，随着盐渍土地区工程建设的增多，中国石油天然气总公司组织了《盐渍土地区建筑规定》编写组，开展了一系列的专题调查研究。1992年《盐渍土地区建筑规定》作为行业标准颁布实施，相关的内容纳入了后来的国家标准《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)。徐攸在经过多年的研究总结，所著《盐渍土地基》一书于1993年由中国建筑工业出版社出版。进入新世纪，随着西部大开发战略的实施，我国盐渍土地区建设工程规模在不断增大，如西部地区的高速公路、新疆和田机场、库尔勒机场、克拉玛依机场和敦煌机场均建在盐渍土地区，标志着盐渍土研究将更加广泛深入。青海省勘察设计院、新疆建筑勘察设计院、长安大学、中国科学院兰州寒区旱区环境与工程研究所等部门，先后对内陆盐渍土进行过理论和工程应用研究，包括矿物成分、化学成分、微观结构、分类和定名、盐胀和溶陷的机理、防腐措施、改性方法、试验与监测等各个方面。我国在岩土化学加固方面的研发水平与西方发达国家相比，尚有一定差距，目前国内应用的新型土固化剂以进口和引进技术居多，如ISS、Aught-Set、EN－1等。交通部公路科学研究所开发的NCS、浙江大学研制的ZDYT等土固化剂也都得到了很好的工程应用。高分子材料和其他的土质加固材料相比，发展历史较短，其开发应用正处于发展阶段。无毒、功能性、水溶性的高分子材料具有使用简便的突出特点，无疑具有广阔的应用前景。在探索高分子材料的固土机理方面，原西安公路学院在改革开放之后就成立了以张登良教授为首的化学加固土科研组，研究了脲甲醛和高分子合成树脂加固普通土和黄土的原理，从材料的化学成分、分子结构及生成的反应物等方面进行了理论分析，同时指出还应从微结构、颗粒形态、孔隙形状、胶结形式、现场试验等方面做进一步研究。西南交通大学、中科院兰州寒旱所、青海省交通厅等部门也相继开展过高分子材料固化黄土、内陆硫酸盐渍土等试验研究，研究成果众多，许多方面都可供固化滨海盐渍土借鉴。

除此之外，陈肖柏等^［19］研究了温度作用下硫酸盐渍土盐胀敏感性及其应用，总结了盐胀的影响因素、盐胀的影响深度、冻融循环后的无侧限抗压强度变化以及在公路工程中盐渍土的盐胀性评价。张玉宏等^［20］研究了低剂量水泥稳定粒料土的抗压强度、CBR值与水泥用量的关系。顾明芬等^［21］采用电阻率测试技术研究了水泥土在强度增长以及压缩过程中的电阻率变化，分析了电阻率与水泥土物理力学特性间的关系。虞海珍等^［22］使用ESR生态改性剂进行膨胀土化学改性试验研究。ESR将吸附在土胶体表面的、非常容易水合的阳离子赶走，以水合度较低、黏结力较强的铝离子及其水合物代替，这样水分子就不再与膨胀土颗粒结合，使之变为非膨胀土。同时掺加少量的石灰，使吸附在土颗粒上的水化学键破坏，形成自由水，加快反应和离子交换速度，使土颗粒相互吸引形成团粒，导致土体永久性的结构改变，增强了土的强度和土的水稳性。黄晓波等^［23］采用沙井加漫灌的方式对西北硫酸盐渍土地基进行预溶处理，然后进行强夯法挤密，提高了土的密实度，减少了沉降量，收到很好的效果。但这种方法在以细颗粒土为主、地下水位埋深浅、降水量大的滨海地区不适用。周琦^［24］、王生俊^［25］对石灰固化滨海盐渍土进行了室内试验研究，重点集中在提高强度和水稳性、盐渍土公路路堤的施工方案制定及沉降计算方法上。王银梅^［26］测试了SH固土剂固化黄土和移动沙丘的力学性能和抗风蚀性能。这些研究成果从试验方法、固化材料、固化机理分析、工程检测等不同的角度为盐渍土的进一步研究提供了指导。

滨海盐渍土为细颗粒的特殊土，含有0.3%～3%的易溶盐，其中氯化钠占绝大部分，具有强烈的盐胀、溶陷和腐蚀性等工程特性。氯盐易于吸水，致使土体软化。滨海地区的高地下水位和细颗粒土的强烈毛细性，容易引起固化盐渍土的吸水软化。这些都是滨海盐渍土改性加固中应首先考虑的问题，也是有别于内陆盐渍土的特殊之处。盐渍土的工程固化处理一般采用石灰，石灰土具有施工便利、价格低廉的优点，适宜大范围应用。为解决石灰固化盐渍土水稳性差的缺点，选择高分子材料和石灰共同固化盐渍土。初步研究结果表明，使用SH固土剂固化滨海盐渍土，能使土颗粒间的水胶联结改变为抗水联结，克服了纯石灰固化盐渍土水稳性不足的缺陷，同时还可提高固化盐渍土的强度。

道路工程建设涉及路堤土的工程地质问题。天津市工程建设标准《岩土工程技术规范》(DB 29—20—2000)规定^［27］:高速公路、一级公路、城市快速路、主干道的桥台与路堤相邻处的容许沉降≤100 mm;涵洞与箱形通道处≤200 mm;一般路段≤300 mm。这一指标对于地基土为饱和软黏土，路堤填土为盐渍土的滨海地区来说，地基或路堤未经处理是很难达到的。滨海地区地势低平，区内多为沟塘洼淀，道路路堤全部为填方，且只能就近取土(盐渍土)填筑。即使不考虑建设成本而从很远处的非盐渍土区取土，那么工程竣工后，由于下伏的海相地层含盐量高且地下水位埋藏浅，盐分将随毛细水不断上升，路堤土还会逐渐变成盐渍土。这个地质大环境是工程建设无法改变的。

据统计^［28］，我国盐渍土的总面积约为14.87亿亩(1亩= 666.7 m²)。天津市的盐渍化土面积在20世纪50年代为331.75万亩，60年代为296.34万亩，70年代为352.88万亩，80年代为300万亩，90年代以来盐渍化土的面积变化不大。渤海湾西岸地区，包括天津市的汉沽、塘沽和大港3区，以及河北省的昌黎、乐亭、滦南、唐海、丰南、黄骅、海兴等7个县，海岸线全长326 km。距海岸线10～15 km不等的范围内均有滨海盐渍土分布。

本书以天津滨海新区及毗邻的河北省黄骅市和唐海县的盐渍土为研究对象，重点研究固化盐渍土的强度特性、环境因素及含盐量对固化盐渍土强度的影响、固化盐渍土的微结构形貌及固化材料的胶结形式等内容;在河北省“沿海高速公路”(秦皇岛至天津汉沽)施工现场进行了现场碾压试验及相关的检测;在总结室内试验成果和现场试验成果的基础上，在河北省“沧黄高速公路”(沧州至黄骅港)的K80+250～K80+625实施了375 m长的路堤填筑，并进行了现场检测。