盐渍土的盐胀性和溶陷性

1.3　盐渍土的盐胀性和溶陷性

滨海盐渍土主要含氯盐，盐分结晶，体积膨胀;盐分溶化，产生孔洞。这导致土产生盐胀和溶陷。北方滨海地区一年内的温度变化较大，盐分的结晶和溶化受温度和湿度的影响较为明显。除此之外，土的干密度对盐胀和溶陷也有影响。

1)温度

温度降低时出现的膨胀在宏观上应为冰晶、盐分结晶和含有结合水的盐晶综合作用的产物，至少也是前两者的共同作用所致。NaCl在接近0℃时，水合生成NaCl·2H₂ O，体积膨胀130%^［87］，其结晶膨胀量比一个水分子的水变成冰的结晶膨胀大得多。NaCl·2H₂ O在5～－5℃内结晶析出量很大，需要很长时间才能使土的膨胀变形稳定下来;在－5～－12℃内，土既有盐胀又有冻胀。北方滨海地区的冬季和初春季节正好属于5～－12℃这个温度区间，在地温温度梯度影响下，土中的水由下向上冻结锋面迁移，盐分也随之向上运移。当地温梯度较大或地下水位较高时，水分和盐分的迁移量随之增大。当土含盐时，冻结深度相应减小。水盐被抬升靠近地表，处于潜在盐渍化的孕育期^［88］。

随着冻融循环次数的增加，盐胀具有累加性，但盐胀率的增加量不断减少^［89］。低密度的盐渍土，土中的初始盐晶核可能处于土颗粒接触点之间的概率比高密度的盐渍土要大，土的结构对盐胀发生的抑制作用较小，故其生成的盐结晶量较大且更容易破坏其初始结构;而处于颗粒孔隙间的盐晶体，其体积增长可以被孔隙所吸收^［90］。在无荷载或荷载很小的情况下，盐胀累加到最大值通常只需要6～7次冻融循环。

氯盐渍土和硫酸盐渍土的冻胀试验表明^［91］:①气温相同，含盐量增大，冻胀量变小;②含盐量相同，硫酸盐土冻胀量大于氯盐土;③氯盐土含盐量大于5%，即使在最低气温－20℃，土温在－9℃时，土也不冻结，土水分不迁移;④温度过低，冻结指数高，冻胀量小;⑤随着含盐量的增加，硫酸盐渍土的冻结温度降低不多，氯盐渍土冻结温度降低很多;⑥含盐量相同的条件下，土的冻结温度随着含水率的增大而升高。无论硫酸盐渍土还是氯盐渍土，其盐胀的外因均为温度或湿度发生变化。所以，盐胀量的大小也取决于温度或湿度变化的幅度。近地表处土层的温度、湿度变化最大，因此，盐渍土只在有限深度范围内才发生较明显的盐胀^［92］。考虑北方滨海地区的最大冻土深度和地下水位埋深，发生盐胀的土层深度不超过1.5 m。

2)水

北方滨海地区的春季强烈蒸发，盐分表聚;夏季降水洗盐;秋季水量平衡，盐分含量不变;冬季盐分和水分上移。氯化钠结晶是由于水分蒸发、盐分浓缩形成，春季刚好是蒸发量最大的季节，北方滨海地区的盐胀主要发生在初春季节。

徐学祖^［93］对土的冻胀和盐胀机理进行了深入研究，侧重对含盐土的静态和动态特性、宏观与微观的结合研究。认为:静态特性为土水势特征、含水率、孔径、温度、浓度、溶解度等因素;控制动态特性的基本要素为土、水、盐、温、力，并认为盐渍土的动态特性研究应重点集中在前3项要素上。因为氯化钠在0～50℃下的溶解度基本保持恒定，只有0.3%的变化幅度，而力主要指施加荷载的大小、快慢和方式等。盐胀和溶陷是由于土失水，盐分浓缩结晶，土饱水，盐分溶解造成的，所以温度和力两项因素可以不作为重点考虑，主要考虑水和盐的变化。在水的变化与运移研究方面，铁道部第一勘测设计研究院提出了“毛细水强烈上升高度”的概念，认为盐渍土地区地下水向上运移主要通过4种形式:①由毛细孔隙水与地下水水面压力梯度所引起的毛细水上升运动;②由孔隙中不同浓度溶液的渗透压力梯度所引起的矿化水渗透运动;③由于土粒表面电分子的吸附力梯度所引起的薄膜水楔入运动;④由蒸汽压力梯度所引起的气态水扩散运动。

在以上4种形式中，只有毛细水的上升运动和矿化水渗透运动属于自由水运动，水量大、速度快、溶盐能力强。只有自由水发生运动，才能导致盐分的数量和相态的变化。同时又提出了黏性土的塑限含水率、沙类土的最大分子吸水量与路堤填土中毛细水强烈上升高度有关联的概念，并确定了3种毛细水上升高度的现场测定和室内计算方法。

盐渍土的盐胀和溶陷起因是盐分的结晶和溶解，诱导因素是水。氯盐的结晶主要靠溶液浓缩产生，温度对其影响较小，对滨海氯盐渍土来说主要是地表水和地下水的作用。河北省黄骅市滨海地区地下水的同位素氧－18和氚含量的相关分析表明，地表下20～40 m的地下水氚含量为6.27 TU，属于现代循环水，且盐分主要集中在1.5 m以上^［94］。这说明，大气降水和毛细水影响着滨海盐渍土，含盐量变化同这两种水的变化有关。

天津滨海地区盐渍土的调查及测试结果表明^［95］，不同土类聚积盐分的能力是不同的，依次为:粉细沙＜粉土＜粉质黏土＜淤泥质黏土，其平均聚盐系数(土溶解全盐总量与溶液全盐量之比)分别为0.074、0.083、0.096、0.197。在深度剖面上，自下而上可分为3个带:1.75～2.50 m，为土饱水溶盐带;0.50～1.75 m，为土盐化变动带;0～0.50 m，蒸发浓缩聚盐带。水中溶解盐的高低是控制土盐渍化的重要因素，一般规律是地下水矿化度达2～5 g/L、5～10 g/L和10～20 g/L时，可分别使土形成轻度、中度和重度盐渍化。地下水矿化度的不同，在单位时间里由于蒸发而从地下水迁移到表层土里的盐量也就不同。实测结果表明，地下水位埋深小于1.0 m时，土盐渍化程度随地下水矿化度增加呈直线上升，且土积聚盐量增长较快;当地下水位埋深在1.0～1.5 m以内，蒸发作用相对减弱，积聚盐量增长较慢。

因此在滨海盐渍土地区隔断毛细水上升通道、增大土的粒径、防止地表蒸发是可行的工程措施。

3)土的干密度

在最优含水率条件下，填筑土能达到最大干密度，此时土的力学强度最高。但是由于盐渍土是一种特殊土，存在着盐胀性和溶陷性。在何种干密度条件下，能更好地抑制土的盐胀性和溶陷性，成为一个值得关注的问题。

干密度也影响着盐胀性。当初始干密度小于1.8 g/cm³时，随着初始干密度的增加，盐胀率值不断减小;但当初始干密度超过1.8 g/cm³时，随着初始干密度的增加，盐胀率反而增大。在盐胀率与含水率的关系上，盐胀率峰值出现在最优含水率(重型击实试验)与塑限之间，含盐量少时接近前者，多时接近后者^［96］。

盐渍土浸水后发生的变形即为溶陷。干燥时，氯盐渍土中的盐分以晶体颗粒存在，随着含水率增加或土浸水，原先与土颗粒胶结并共同起骨架作用的盐晶体被溶解，由于土中盐分充填的孔隙在荷载作用下失稳压密，造成地基下沉。溶陷性与含盐量、土层厚度和浸水程度有关。浸水量越大、土层越厚、含盐量越大，下沉量也越大。如果没有浸水这一前提条件，尽管含盐量很高，也不会产生溶陷变形^［97］，但荷载作用下的压缩变形还是会发生的。

盐渍土的溶陷还与土的原始结构状态有关。相同的含盐量，结构疏松的盐渍土溶陷量就大^［98］。滨海盐渍土的溶陷性问题之所以反映不明显，主要是滨海地区的地下水位埋深浅且年变幅不大，而且能够发生溶陷的盐渍土厚度也不大，所以，即使出现少量的溶陷沉降也被误认为是软土地基沉降所致。实际上土的含盐量和密实度不同，必然会造成溶陷沉降量的不同，只不过人们把溶陷和地基土压缩沉降混在一起了。