盐渍土的工程性质.ppt
盐渍土的工程性质,盐渍土的工程性质,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土的定义岩石在风化过程中分离出少量的易溶盐类（氯盐、硫酸盐、碳酸盐），易溶盐被水流带至江河、湖泊洼地或随水渗入地下溶入地下水中，当地下水沿土层的毛细管升高至地表或接近地表，经蒸发作用水中盐分分离出来聚集于地表或地表下土层中，当土层中易溶盐的含量大于0.5%时，这种土成为盐渍土。盐渍土形成应具备的条件：1.地下水的矿化度较高，有充分的盐分来源。岩层含盐矿物的风化产物是盐渍土中盐分的主要来源，而且盐渍土中盐分的化学成分也与这些风的成分有关。2.地下水位较高，毛细作用能达到地表或接近地表，有被蒸发作用影响的可能。土中水能通过土层蒸发而形成盐的深度称为临界深度。土中水的埋深大于临界深度时，则不致形成盐渍土。临界深度的大小决定于土的毛细上升高度和蒸发强度。3.气候比较干燥，一般年降雨量小于蒸发量的地区，易形成盐渍土。例如我国西北地区降水稀少，蒸发量大，一般年降水量在200mm以下而蒸发量却高达3000mm以上，干燥度可高达80左右，相对湿度只有40%。,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土路基的毛细上升过程,在这种极端干旱的气候条件下，使盐分有利于在土层中聚集。,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土的成土过程 盐渍土中的盐分积累是地壳表层发生的地球化学过程的结果，其盐分来源于矿物风化、降雨、盐岩、灌溉水、地下水以及人为活动，盐类成分主要有钠、钙、镁的碳酸盐、硫酸盐和氯化物。土壤盐渍化过程可分为盐化和碱化两种过程。（一）盐化过程 盐化过程是指地表水、地下水以及母质中含有的盐分，在强烈的蒸发作用下，通过土体毛管水的垂直和水平移动逐渐向地表积聚的过程。我国盐渍土的积盐过程可细分为：1）地下水影响下的盐分积累作用；2）海水浸渍影响下的盐分积累作用；3）地下水和地表水渍涝共同影响下的盐分积累作用；4）含盐地表径流影响下的盐分积累作用（洪积积盐）；5）残余积盐作用；6）碱化-盐化作用。,一、盐渍土的成因及主要特征,由于积盐作用和附加过程的不同，分别形成相应的盐土亚类。盐化过程由季节性的积盐与脱盐两个方向相反的过程构成，但水盐运动的总趋势是向着土体上层，即一年中以水分向上蒸发、可溶盐向表土层聚集占优势。水盐运动过程中，各种盐类依其溶解度的不同，在土体中的淀积具有一定的时间顺序，使盐分在剖面中具有垂直分异。在地下水借毛管作用向地表运动的过程中，随着水分的蒸发，土壤溶液的盐分总浓度增加，溶解度最小的硅酸的化合物首先达到饱和，而沉淀在紧接地下水的底土中，随后，溶液为重碳酸盐饱和，开始形成碳酸钙沉淀，再后是石膏发生沉淀，所以在剖面中常可看见下部为硅酸的化合物，其上是石膏层，表层是碳酸钙淀积层。易溶性盐类（包括氯化物和硫酸钠、镁）由于溶解度高，较难达到饱和，一直移动到表土，在水分大量蒸发后才沉淀下来，形成第三个盐分聚积层。因此表层通常为混合积盐层。在地下水位高（1米左右）的情况下，石膏也可能与其他可溶盐一起累积于地表。,一、盐渍土的成因及主要特征,当然，自然条件的复杂性也会造成盐分在土壤剖面分布的复杂性，例如：雨季或灌溉造成的淋溶，使可溶盐中溶解度最高的氯化物首先遭到淋溶，使土壤表层相对富集了溶解度较小的硫酸盐类。又如在苏打累积区，因为碳酸钠的溶解度受温度影响较大，在春季地温上升时期，碳酸钠随其他可溶盐类一起上升到地表。到秋冬温度下降，苏打的溶解度减小，因而大部分仍保留在土壤表层而不被淋洗，所以一般情况下，苏打都累积于土壤的表层。总之，在底土易累积溶解度最小的盐类，包括R2O3、SiO2、CaMg（CO3）2、CaCO3、CaSO4和 Na2SO4等。其他的盐类由于具有较高的溶解度，且溶解度随温度而变，因此具有明显的季节性累积特点，一般累积于土壤的表层。（二）碱化过程碱化过程是指交换性钠不断进入土壤吸收性复合体的过程，又称为钠质化过程。碱土的形成必须具备两个条件：一是有显著数量的钠离子进入土壤胶体；二是土壤胶体上交换性钠的水解。阳离子交换作用在碱化过程中起重要作用，特别是Na-Ca离子交换是碱化过程的核心。碱化过程通常通过苏打（Na2CO3）积盐、积盐与脱盐频繁交替以及盐土脱盐等途径进行。,一、盐渍土的成因及主要特征,1当土壤溶液含有大量苏打时，交换性钠进入土壤胶体的能力最强，其反应式为：以上反应式中，CaCO3和MgCO3不易溶于水（特别当有苏打存在时），因此，钠几乎完全置换了交换性钙、镁。土溶液中苏打的形成有若干途径：1）岩石的风化作用：岩石风化产物使土壤和地下水中含Na2CO3和 NaHCO3。2）物理化学作用（碱交换作用），反应式如下：,一、盐渍土的成因及主要特征,3）中性钠盐与CaCO3的作用：CaCO32NaClCaCl2Na2CO3，或CaCO3Na2SO4CaSO4+Na2CO3 4）生物化学的还原作用：Na2SCO2H2ONa2CO3H2S 5）植物体的腐解作用：草原地区植物体内吸收了不少钠离子，当植物腐烂后，就转变为碳酸钠，逐渐累积在地表。2当土壤中积盐和脱盐过程频繁交替发生时，促进了钠离子进入土壤胶体取代钙、镁的过程，使土壤发生碱化。土壤中盐分为氯化物或硫酸盐时，其反应式如下：,一、盐渍土的成因及主要特征,此反应是可逆的，钠在胶体上仅能交换一部分钙镁。当土壤溶液中钠的浓度与钙、镁总量之比等于或大于4时，钠便能被土壤胶体吸收。季节性干湿交替乃至每次晴雨变化，盐分在土体中都有上下移动，钠盐溶解度大而趋于表聚，钙、镁则向下层淋淀，致使土壤表层中钠盐逐渐占绝对优势，钠离子能进入交换点，碱化过程得以进行。3碱土的形成往往与脱盐过程相伴发生。在土壤胶体表面含有显著数量的交换性钠但土中仍含有较多可溶盐（以Na2SO4、NaCl为主，而非Na2CO3或 NaHCO3）的情况下，因土壤溶液浓度较大，阻止了交换性钠的水解，土壤的pH值并不升高，物理性质也不恶化。只有当该盐土脱盐到一定程度，一部分交换性钠水解，产生的 OH-使 pH升高，反应式为,胶体 NaH2O 胶体 HNa+OH-,一、盐渍土的成因及主要特征,粘粒交换性钠的水化程度增加，粘粒分散，土壤物理性质才劣化。如图所示，当土壤碱化度（ESP）为 a时，若土壤溶液的电导率（EC）b，粘粒仍呈絮凝状；当ECb，则粘粒膨胀、胶溶。,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土的分布由于盐渍土的形成受上述条件的限制，因此其分布一般易在地势较低和地下水位较高的地段，如内陆洼地，盐湖和河流两岸的漫滩、低级阶地、牛轭湖及三角洲洼地、山间洼地等地段。我国西北地区的青海、新疆、宁夏等省份由于气候干燥，内陆湖泊较多，在盆地到高山区段，往往形成盐渍土，在滨海地区，由于海水侵袭也常形成盐渍土，在平原地带，由于河床淤积或灌溉等原因也常使土壤盐渍化形成盐渍土。盐渍土的厚度一般不大，平原及滨海地区的盐渍土一般分布在地表下2.0-4.0m其厚度与地下水埋深、土的毛细上升高度以及蒸发作用影响深度（蒸发强度）有关，内陆盆地的盐渍土厚度有的可达几十米。如柴达木盆地中的盐渍土厚度可达30m以上。,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土的分类1.按分布的区划分 a 滨海盐渍土:滨海一带受海水侵袭后，经蒸发作用，水中盐分聚集于地表或地表下不深的土层中，即形成滨海盐渍土。其主要分布在长江以北，江苏、山东、河北、天津等滨海平原。长江以南也有零星分布。b 内陆盐渍土：易溶盐类随水流从高处带到洼地，经蒸发作用盐分凝聚而成。一般因洼地周围地形坡降较大、堆积物颗粒较粗多为碎石土，因此，土层盐渍化的发展，向洼地中心较为严重。主要分布在盆地型盐渍土，在卧高新疆的塔里木盆地、准葛尔盆地、青海柴达木盆地、宁夏银川平原等都是这类盐渍土。c 冲积平原盐渍土：主要由于河床淤积或兴修水利等，使地下水为局部升高，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，松辽平原以及三江平原上。2.按含盐成分划分,一、盐渍土的成因及主要特征,注：离子含量以100g土中离子毫克当量计,土中盐阴离子比值定性分析,一、盐渍土的成因及主要特征,一、盐渍土的成因及主要特征,3.按土中所含盐量多少划分 当土中含盐量超过一定值时，土的工程性能就有一定的影响。当图中易溶盐含量小于0.5%时，盐分对土的物理、力学性质不产生影响，只有大于0.5%时才显出影响，所以按含盐量来分类是对含盐性质分类的补充。,一、盐渍土的成因及主要特征,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土凝结成块状,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土的龟裂,一、盐渍土的成因及主要特征,盐渍土壤上稀疏的植物,一、盐渍土的成因及主要特征,在盐渍地带新建的公路,二、盐渍土的基本性质物理性质,盐渍土的物理性质与含水量有关的物理指标 盐渍土中含有大量的易溶盐。在自然条件下部分溶解在土中的水份里，当含盐量超过饱和浓度时，多余部分盐则以固体形态存在于土中，溶解在水份里的盐并不能协同土颗粒起骨架作用。而现在的含水量测定方法（烘干法）把土中含盐的“水溶液”，当作纯水考虑，这就使土中的“固相”增加，“液相”减少，根据土的三相图求得的计算指标与实际有出入，如干密度偏大，饱和度偏小等。在目前尚无新的测试方法的情况下，铁道部第一勘测设计院建议将氯盐渍土的实测含水量折算为“含液量”来考虑。所谓“含液量”是指图中的水溶液质量与土和固体盐的质量比。可按下式计算：,二、盐渍土的基本性质物理性质,式中：含液量，含水量，强结合水含量，B 每100克水中溶解的盐重，按上式计算时，关键在于如何确定 和B值。强结合水目前还没有很好测定方法，一般取最大吸湿水（土在94的性对湿度下所能吸收的含水量）的80，或吸湿水（风干土稳定含水量）的1.5倍。B值可按下式计算：式中：Ds 实测的易溶盐含量，。当B 35.7%时，取35.7%（35.7%为0200C时的氯化钠的溶解度值），小于35.7%时，可查相关测试表。（如岩土工程手册P952表29-2-3）,二、盐渍土的基本性质物理性质,在求得含液量后,其它计算指标凡是用含水量的均以含液量带入即可:如:,二、盐渍土的基本性质物理性质,氯盐渍土的可塑性研究资料表明,液、塑限随含盐量的增加而降低，有色西安勘察院对察尔汗盐湖区的氯盐渍土进行试验时，土的可溶盐含量为6%-10%,进行了洗盐（自来水和蒸馏水各洗三遍）及未洗盐的可塑性试验，发现未洗盐的土其液限含水量平均值比洗盐后的土小2%-3%,塑限含水量小1%-2%。另外人工配置的含盐量的试验也表明含盐量越大，土的可塑性越低。不同含盐量的可塑行试验,二、盐渍土的基本性质物理性质,硫酸盐渍土的膨胀性硫酸盐渍土的膨胀性（又称盐胀）是硫酸盐渍土一项重要的工程性质，硫酸盐沉淀结晶时，体积增大，脱水时体积缩小，致使原有土体结构破坏而疏松。土中硫酸钠含量、温度变化以及含水量及密度等是影响硫酸盐渍土的膨胀变形的主要因素。a）含水量水是硫酸钠结晶膨胀的首要条件，无水或过饱和的硫酸钠在低温条件下转变为晶体硫酸钠时需要10个水分子，所需的水分约为自身重量的1.3倍。在硫酸盐渍土中，肉眼鉴定为较干的土时，往往实测的含水量却比较大，这主要是结晶水被烘干的缘故。所以用烘干法测定硫酸盐渍土的含水量存在一定问题，可用计算方法修正。若土中硫酸钠的含量为46%，那么它的结晶吸水量为5.087.62%。可以看出，在一定的含盐量条件下，只要能吸水分，就会使硫酸盐渍土产生松胀。为了使试验数据协调一致，可在实测的含水量中减去含盐量计算出的结晶吸水量，并以这一结果计算干密度、孔隙比、饱和度等指标。,二、盐渍土的基本性质物理性质,b)含盐量土中硫酸钠含量的多少是决定硫酸盐渍土膨胀程度的主要因素，一般认为含盐量在2%以内时因膨胀带来的危害性较小。试验表明：土中硫酸盐含量小于2%时一般路基完好，高于这个含量膨胀量迅速增加。c)温度在土中含水量、含盐量等具备膨胀的条件下，温度是促使土体膨胀的决定因素，试验表明，一般在正温150C左右开始有膨胀反映，至负60C冰点附近时膨胀量达到最大值，在这个温度变化相应的范围内，膨胀反映速度最快，一般能完成膨胀量的90%以上，若温度继续下降，膨胀增量也不再明显增加。西北干旱地区昼夜温差大，硫酸盐的体积时而增大，时而缩小。尤其在冬季，由于温度下降幅度较大，土体膨胀破坏也特别厉害。,二、盐渍土的基本性质物理性质,碳酸盐对土的膨胀影响碳酸盐中含有大量吸附性阳离子，遇水时便于胶体颗粒相互作用，在胶体颗粒和粘土颗粒周围形成结合水膜，减少了颗粒间的粘聚力，使其互相分离，引起土体膨胀。试验表明，当土中碳酸钠含量超过0.5%时，其膨胀量即显著增大。氯盐渍土的吸湿性氯盐渍土内含有较多的一价钠离子，一价钠离子的水解半径大，水化能力强，在其周围可形成较厚的水化薄膜，因此使盐渍土具有较强的吸湿性和饱水性。这种现象也叫“泛潮”。影响吸湿性的因素很多，如降雨、气压、风、温度、湿度等，但主要因素是空气中的相对湿度，据观测一般泛潮时的相对湿度在40%以上。氯盐渍土吸湿的深度只限于表层，见下表。,二、盐渍土的基本性质物理性质,氯盐渍土吸湿影响深度表,二、盐渍土的基本性质化学成分,根据铁道部第一勘测设计院及中国有色金属工业总公司西安勘察院的研究，内陆盐渍土的化学成分见下表：柴达木盆地察尔汗盐湖盐渍土的化学成分,二、盐渍土的基本性质化学成分,三、盐渍土的力学性质,概论在一定含水量条件下，因土粒中含有盐分，土粒彼此间的距离将会加大，粘聚力随之减小。当含盐量少时，盐溶解于水中起到润滑作用，内摩擦角减少。但当含盐量增加到某一程度后，盐分的胶结能力逐渐增加，结果使粘聚力随盐量增加而增加。其原因是：当含盐量增加到某一程度后，盐开始结晶，晶体充填于孔隙中，起到骨架作用，内摩擦角增大。,三、盐渍土的力学性质,在干燥状态时盐渍土中的含盐量增加到某一程度后，比不含盐的土的强度高，当含盐量增加时，其强度则急剧降低，比不含盐的土的强度小。在潮湿状态时，土中的含盐量越大，强度越低。降低的原因，一是由于土粒表面的薄膜水及其离子的作用而起变化（其中以碳酸盐表现最显著）；其二是由于盐渍土的结晶盐溶解而增加空隙。硫酸盐渍土的总含盐量对土的强度的影响与盐渍土的影响相比，效果恰好相反，土的强度随含盐量增加而减少，见图。,三、盐渍土的力学性质,其原因是由于硫酸盐在膨胀及收缩过程中吸水及析水使土体结构破坏而松懈，致使力学性质变坏，地基强度降低，特别是高温析水时，土的含水量大大增加，可使地基处于泥泞状态。盐渍土的有害毛细水作用影响盐渍土中有害毛细水上升能直接引起地基土的浸湿软化和次生盐渍化，进而使土的强度降低，产生盐胀、冻胀等病害。所以，盐渍土地区的岩土工程问题之一就是如何降低地下水位，控制有害毛细水上升高度。毛细水作用的影响主要是属于自由水运动部分中的毛细水，这部分毛细水运动速度快、溶盐能力强，参与运动的水量也大，因此对土中水、盐运移起主要作用。而属于毛细水中薄膜水部分则运动能力差，溶盐量小，蒸发困难。因此把毛细水的作用影响划分为有害毛细水和无害毛细水，这里仅对有害毛细水的危害性进行讲解。,三、盐渍土的力学性质,从只有自由水参与运动对盐渍土的地基才有影响的概念出发，提出对于粘性土以塑限含水量，砂类土以最大分子吸水量作为有害毛细水上升高度的界限。这是因为：从物理意义上讲，处于塑限或最大分子吸水量时，土中的水属于结合水，高于这个限度就转变为毛细水；从力学意义上讲，塑限是粘性土从可塑状态转变为干硬状态的分界含水量，高于或低于这个含水量，土的力学强度差异很大；从土的冻胀作用来说，当土中含水量不超过塑限或最大分子吸水量时，土就不产生显著的聚冰现象，也不致引起冻害。所以，只有当土中毛细水运动，使其含水量大于塑限或最大分子吸水量时，对盐渍土地基才有危害。,三、盐渍土的力学性质,影响毛细水上升高度的主要因素影响毛细水上升高度和上升速度的因素很多，主要是土的粒度成份、矿物成份、土颗粒的排列和孔隙大小，以及水溶液的成份、浓度、温度等。土的粒度成份对毛细水上升高度的影响最为显著，一般颗粒越细上升高度越高，颗粒越粗上升高度越小。能产生毛细管现象的颗粒的极限直径一般为2mm，大于这一粒径就形不成毛细管。,三、盐渍土的力学性质,各种粒组的毛细水上升高度及上升速度,三、盐渍土的力学性质,盐分含量对毛细水上升高度的影响盐分的影响主要是盐的含量和盐的类型，一般同一种盐分，含量越高上升高度越低，而硫酸盐又比氯盐对毛细水上升高度有更大的减缓作用，如表所示。盐分对毛细水上升高度有着正反两方面的影响，一方面水中含盐量可以提高其表面张力，毛细水上升高度随着表面张力增大而增大；另一方面水中盐分又使其溶液比重增大，并使颗粒表面分子水膜厚度增大，从而增加了毛细水上升的阻力使毛细水上升值减小。当矿化度较低时，前者占优势，反之，则后者优势。见下表。,三、盐渍土的力学性质,盐对粉砂毛细水上升高度的影响,三、盐渍土的力学性质,盐渍土的冻结深度a)起始冻结温度概念盐渍土中的水，是具有一定浓度的溶液，所以土中水的冻结温度要远低于摄氏零度。盐渍土中的水开始冻结的温度称为盐渍土的起始冻结温度。不同溶液的浓度有相应的起始冻结温度，而起始冻结温度又随溶液浓度的增大而降低，同时起始冻结温度也与盐的类型有关。b)影响盐渍土冻结温度的主要因素含盐量当土的类型和盐的类型一定时，土的起始冻结温度与土中水溶液的浓度有关，一般随土中水溶液浓度的增大而起始冻结温度降低，当土中含盐量在5%以上时，土的起始冻结温度下降到-200C，见下表。盐类性质当土质条件及盐溶盐浓度相同条件下，不同盐类的起始冻结温度也不相同。在水溶液浓度大于10%后氯盐渍土的起始冻结温度比亚硫酸盐渍土低得多。,三、盐渍土的力学性质,土中水溶盐浓度与土的起始冻结温度关系,三、盐渍土的力学性质,三、盐渍土的力学性质,盐渍土的冻结深度c)盐渍土地区冻结深度的确定盐渍土地区冻结深度的确定可通过土中水溶液起始冻结温度的测定来确定，当土中的地温高于起始冻结温度时则不会冻结，当地温低于土中水溶液起始冻结温度时，则土冻结，所以可以根据不同深度地温的资料和不同深度盐渍土中水溶液的起始冻结温度的试验成果来判定。此外，也可在冻结末期在现场直接测定。,四、盐渍土地基的工程处置措施,盐渍土盐溶地基处理的目的盐渍土盐溶地基处理的目的，主要在于改善土的物理力学性质，以消除或减少地基因浸水而引起的溶陷现象。盐渍土地基处理方法浸水预溶法机理：浸水预溶法即对待地基处理土基预先浸水，在渗透过程中易溶盐溶解，并渗流到较深的土层中，易溶盐的溶解破坏了土颗粒之间的原有结构，在土自重压力下压密。对以砂、砾石和渗透性较好的非饱和粘性土为主的盐渍土，土体结构疏松，具有大孔隙结构特征，在浸水后，胶结土颗粒的盐类被溶解，土体中一些小于孔隙的土颗粒落入孔隙中，土层发生溶陷。对以砂土为主的盐渍土，天然状态下砂颗粒直径多数大于100m，而这些砂颗粒中很多是由很小的颗粒经盐胶结而成的集粒，遇水后盐类被溶解，导致由盐胶结而成的集料还原成细小土粒，填充孔隙，因而土体产生溶陷。一些文献指出，浸水预溶可消除溶陷量的70%-80%，通过浸水预溶可改善地基溶陷等级，具有效果较好，施工方便，成本低等优点。适用范围：浸水预溶法一般适用于厚度较大，渗透性较好的砂砾石土、粉土和粘性盐渍土。对于渗透性较差的粘性土不宜采用浸水预溶法。浸水预溶法用水量大，场地要有充足水源。,四、盐渍土地基的工程处置措施,强夯法 适用范围：对于含结晶盐不多，非饱和低塑性盐渍土，采用强夯法的处理可有效改良地基土的土体结构，减少孔隙率，从而达到减少溶陷沉降量的目的。浸水预溶强夯法 适用范围：一般用于含结晶盐较多的砂石类土中。由于浸水预溶后地基土中含水量增大，压缩性增高，承载力降低。可通过强夯处理改善土体结构，提高地基土强度，也可进一步增大地基土密实度，剪浸水溶陷性。换土垫层法 适用范围：对于溶陷性较高，但不很厚的盐渍土采用换土垫层法消除其溶陷性是较为可靠的，即把基础下一定深度范围内的盐渍土挖除，如果盐渍土层较薄，可全部挖除，然后回填不含盐渍土的砂石、灰土等，分层压实。垫层类型：砂石垫层 如果全部清除盐渍土层较困难，也可以部分清除，将主要影响范围内的溶陷性盐渍土层挖除，铺设灰土垫层。由于灰土垫层具有良好的隔水性能，对垫层下残留的盐渍土层形成一定厚度的隔水层，起到防水作用。,四、盐渍土地基的工程处置措施,降低地下水位 采用集水槽，井点降水，排水沟等方法降低地下水位，并配合其它处理措施如：强夯，可较好地处理盐渍土问题。碎石桩法 以碎石、卵石为集料用机械将其振密形成复合地基。碎石、卵石可起到排水作用，并起到破坏毛细水通道的作用，可较好地处理盐渍土问题。,四、盐渍土地基的工程处置措施,四、盐渍土地基的工程处置措施,四、盐渍土地基的工程处置措施,四、盐渍土地基的工程处置措施,
