盐渍土地区公路路基病害与防治技术

刘军勇

张留俊

1 引言

盐渍土在我国的西北、华北、东北西部和内蒙古河套地区均有分布，但大部分集中在西北部内陆盆地中，这些地区地下径流和盐分缺乏出路，加以气候干燥，蒸发量大于降水量几十倍，积盐条件相当有利，盐分来源途径多样。由于盐渍土含盐种类和含盐量的不同，盐渍土的工程性质也大不相同。氯盐渍土溶解度大，具有溶陷性；碳酸盐具有较强的吸水性，易引起土体膨胀；硫酸盐渍土吸水结晶体积膨胀、脱水体积缩小，造成土体疏松。此外，由于盐分迁移运动，引起修建在盐渍土之上的路基次生盐渍化。

2 盐渍土地区公路路基主要病害调查与分析

国道218线、217线、216线、312线和315线等穿越盐渍土地区，由于公路早期建设对盐渍土的危害认识不足，或限于当时建设技术水平、经济条件等因素的制约，使得公路通车运营期间出现了不同程度的路基、路面病害，如：国道314线乌鲁木齐至红其拉甫、国道315线芒崖至喀什段、国道217线阿尔泰至库车段等公路经过硫酸盐、氯化盐为主的盐渍土地区，地下水位高，常有地表积水。公路运营后路基出现了不均匀沉降、严重纵向裂缝和坑槽，路基次生盐渍化程度较高，路面受到毛细水和盐分侵蚀，导致路面出现鼓包、裂缝、波浪、弹簧和冒浆，影响了路基稳定和行车安全。

根据含盐成分的不同分为氯盐渍土、硫酸盐渍土和碳酸盐渍土。各种不同类型的盐分，对公路工程产生着不同程度的破坏。

2.1 次生盐渍化

次生盐渍化，它本身并非路基病害，但它能加速路基的各种形式的破坏。有害毛细水上升高度范围内，存在自由水参与毛细运动，从而携带盐分向上迁移。土体水分的蒸发引起盐分的析出。因盐分的累积造成土体结构的改变，或疏松或致密。当有大气降雨情况下，盐分又会溶解随雨水析出，必然造成路基土体密实度降低，强度减弱，导致路基的沉陷破坏。

2.2 腐蚀

盐渍土中以氯盐型和硫酸盐盐渍土的腐蚀性为甚。氯盐中起主要腐蚀作用的是氯离子（Cl^-），它对金属和混凝土均具有强腐蚀性。氯盐的腐蚀机理一般属于电化学腐蚀，腐蚀过程必须得有水、气的参与。

硫酸盐腐蚀属于一种物理和化学综合腐蚀。一方面，盐渍土中的Na₂SO₄与水泥水化物起化学反应生成新相，另一方面，新生成物体积较反应前水化物体积大，使得结构体积膨胀和粉化，最终导致强度降低而破坏。此外，硫酸盐溶液对温度变化比较敏感，在外界温度降低的情况下，易析出硫酸盐晶体，引起结构内应力，当内应力超过结构的极限应力时，结构发生脆裂破坏。

2.3 盐胀

盐渍土的体积膨胀一般分为结晶膨胀和非结晶膨胀，具有代表性的分别为硫酸盐渍土和碳酸盐渍土。

硫酸盐渍土在一定的含水率情况下，会吸收一定量的水分，生成芒硝晶体（Na₂SO₄·10H₂O），其体积约为原晶体体积的3倍之多。研究结果表明，当盐渍土体中硫酸盐含量大于0.5%，且温度低于5℃时，盐胀就会发生。

碳酸盐渍土的膨胀机理与硫酸盐渍土有所不同，它是一个盐的非结晶过程。碳酸盐中含有大量的吸附性阳离子，具有很强的亲水性，遇水后很快地与胶体颗粒相互作用，在胶体颗粒和粒土颗粒周围形成稳固的结合水薄膜，从而减少了颗粒间的凝聚力而引起土体膨胀。

2.4 松胀

松胀就是指本来密实度较高的土体，在土体膨胀的反复周期作用下，出现不可逆变形，致使体积膨胀，土体结构松散。松胀的本质还是在于盐渍土的膨胀性，因而多发生在硫酸盐和碳酸盐含量较高的盐渍土路基填料中，且多出现在路基表层，随着昼夜温度升、降的反复作用，由于路基表面一些地方（如路肩、边坡等）并无外载作用，致使其体积膨胀部分不能恢复，同时，随着土体体积的增大，路基表面会出现宽度不等的裂缝，随着裂缝的不断发展，在风及强烈阳光的作用下，使路基表层土体中的水分迅速散去，剩下土颗粒及不含水分的盐晶，更促使裂缝的发展，并使之相互贯通，并向地层下延伸，加速了土体的松胀程度。

另外，盐渍土地区夏季气候炎热，地温极高，土中含易溶盐的溶液经土体中的毛细管上升至地面，继而水分蒸发后，留下无水的结晶盐，久而久之在表层形成一层污雪状的松散层，路基表层原来的密实土被这层松散层所覆盖，致使松胀病害出现。松胀程度与土中含硫酸盐的多少、土的类型以及当地的气候、水文条件有关，此外松胀深度还与路堤的阳坡和阴坡有关。

2.5 冻胀和翻浆

盐渍土地区冬季寒冷，含盐的水比不含盐的水的冰点低，但冬季温度低于含盐水的冰点以后也将冻结，所以盐渍土仍然产生冻结现象。当路堤在冬季受到冰结作用时，水分经常是由温度较高的土层向温度较低的土层方向移动，以致在临界冻结深度聚冰层附近就发生水分聚集的现象。聚集的水分来自地基的地下水，通过其毛细管作用而上升。形成冰冻的土层中具有大小不同的冰粒或冰层，使其体积大大超过了土原有的孔隙和含水体积，即冻胀现象。至春季融冻时，上层冰粒首先溶化，而下层一时尚未溶化，则上层的水分无法下渗，致使上层填土中的含水量超过液限，在振动荷载的周期性挤压、冲击作用，路基就出现翻浆，导致路面泥泞不堪。

3 公路路基病害防治技术

根据工程实践、盐渍土地区已建公路和国内盐渍土地区公路建设技术调查和研究，提出盐渍土地区公路路基病害防治方法。

3.1 提高路基法

提高路基填筑高度，使路基高度大于毛细水在路基内最大上升高度，避免或减少水分和盐分对上部路床的影响。在绿洲境内排水不良过湿地带，一般采用该法。当采用提高路基法时应注意：路基高度应满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）盐渍土地区路基最小高度的要求；路基填料尽可能采用粗粒组填料，减少毛细水上升高度；分层压实填筑，保证路基压实度和强度；路基高度设计前还应通过室内试验或现场监测确定毛细水特别是盐分在路基中的最大上升高度。提高路基法应注意以下问题：

（1）盐渍土路段路基高度应满足路床处于干燥或中湿状态，保证路基的强度和稳定性。采用提高路基法，路基最小高度应不低于JTG D30—2004规定。

（2）提高路基法还应考虑考虑其他有关因素：如考虑冻胀与翻浆，则应取临界冻胀深度；如考虑盐胀，则应取盐胀深度；如两者综合考虑，则取最大值。此外，还应加上0.15～0.3m的安全值。

（3）路基的最小高度应满足有利于排除地表水，保证路基不受地表临时积水的影响。

（4）提高路基法应进行现场调研、类似成功工程比较、经济和方案比选，结合室内试验与分析论证确定。

3.2 路基填料控制

相关研究表明：土的粒度对毛细水上升高度的影响最为显著，细粒组比粗粒组毛细水上升的高度大。毛细水高度与土粒间的毛细管直径成反比，毛细管直径约等于土粒直径，即土越细，毛细水上升越高。当粒径大于0.1mm，土颗粒表面能很低，表面吸附作用几乎没有，很难形成毛细机构；当粒径处于0.05～0.005mm时，土颗粒间的毛细作用比较强烈；但当土颗粒小于0.005mm或更小时，因为颗粒分散性极大，表面性能相当高，土中的水多为土粒强烈束缚，如果这种粒径的含量超过50%土颗粒间空隙过小，毛细阻力大，从而毛细水迁移比较困难。

土体密实度，土体密实度越大，土粒间接触越紧密，其孔隙体积变小，且水分迁移的部分通道被切断，再加之孔隙体积小的土体其容水能力低，故导致其水分、盐分迁移量的减小。

因此，盐渍土地区路基填料应选择非盐渍土的粗粒组材料填筑，且级配良好的粗粒组材料构成的骨架密实结构路基长期稳定性好；路基填料分层填筑压实，保证压实度。

3.3 隔断法

隔断法就是在路基某一层位设置一定厚度的隔断层，其根本目的是隔断毛细水的上升，防止水分和盐分进入路基上部，从而避免路基或路面遭受破坏。隔断层类型按采用材料划分有土工布（膜）隔断层、风积砂或河砂隔断层、砾（碎）石隔断层和沥青砂、油毛毡等隔断层。砾石和风积砂属透水性隔断层，只可隔断毛细水的上升。土工膜、沥青砂、油毛毡属于不透水性隔断层，可隔断下层毛细水和水蒸气上升。

3.4 缓冲层法

缓冲层法是设一层一定厚度的不含砂的大粒径卵石，使盐胀变形得到缓冲，从而减小对路面的破坏作用。缓冲层的设计应满足两个基本要求：一是其强度要满足上部荷载的要求；二是缓冲能基本消除盐胀变形。

3.5 设置护坡道和排碱沟

在路基坡脚两侧设置护坡道，减少地表径流水（卤水）对路基的侵蚀，并对路基具有保温作用，避免路基底部出现负温区，避免盐分伴随聚流上升；在路基坡脚或护坡道坡脚一定距离设置排碱沟，起到了脱盐、排水和降低地下水位等作用。

4 工程实例

察尔汗至格尔木高速公路是察尔汗盐湖区修建的第一条高等级公路，也是我国第一条在内陆盐湖上修建的高速公路。盐湖区地基土主要为氯盐型过盐渍土，地表土含盐量高达90%以上；地下水位较高，表层潜水0～2.0m，矿化度为310～370g/L；承压卤水层水头高度2～5m，水的矿化度为79～392g/L。察格高速公路察尔汗盐湖区路堤主要为低路堤，平均填土高度2.0m。察格高速公路路基采用多种阻盐措施相结合，达到了理想的处理效果。主要的阻盐措施如下。

4.1 察格高速公路路基阻盐措施

4.1.1 措施一：采用砾类土填筑路基

由第2章节知，土的粒度对盐分迁移影响显著，粗粒组毛细水上升高度小，且级配良好的粗粒组材料构成的骨架密实结构路基长期稳定性好。察格高速公路路基填料采用级配良好的砾类土填筑，并严控路基的压实度，减少毛细水上升高度。

路基填料采用砾类土，天然含水率为1.4%～1.6%，最佳含水率为4.4%～5.5%，最大干密度2.22～2.30g/cm³。路基填料最小强度和最大粒径要求按JTG D30—2004中的规定执行。路基填料颗粒分析试验结果见表1，粒径主要分布在40～2mm范围内，所占百分率合计为70.4%，不均匀系数C_u=27.81＞5，曲率系数 1<C_c（=1.7）<3，为级配良好砾（砾类土）。

4.1.2 措施二：采用隔断层技术

在路堤和路床之间设置砾石隔断层和隔水土工布隔断层相结合的措施。砾石隔断层通过一定厚度的粗粒组砾石层减少毛细水效应，隔断毛细水上升路径，从而阻止毛细水上升；隔水土工布隔断层可以有效地阻止气态毛细水上升，并减少了路面结构中雨水下渗对下部路基的冲蚀，有利于路基的整体稳定。

结合察尔汗工程地质情况和察格高速公路路基设计高度，隔断层应采用砾石隔断层。另外，公路沿线砾石料储量丰富，也适宜修筑砾石隔断层。隔断层材料颗粒分析试验结果见表2，粒径主要分布在40～2mm范围内，所占百分率为99.06%，不均匀系数C_u=3.14<5，为级配不良砾。为防止气态水上升，避免路基填料中细粒土进入砾石隔断层以及隔断路面水渗入下部路堤，在隔断层顶面铺设一层隔水土工布，隔水土工布采用两布一膜，各项指标应符合《土工合成材料 非织造布复合土工膜》（GB/T 17642—2008）和《公路土工合成材料应用技术规范》（JTJ/T 019—98）表5.1.3中Ⅱ级土工织物的强度要求。察格高速公路采用的复合土工膜技术参数见表3。

隔断层设置部位，JTG D30—2004条文说明7.10.4指出“新建高速公路路堤隔断层顶面标高应比路基设计标高低1.5m，同时应满足最大冻深+0.25m的距离”。《盐渍土地区公路设计与施工指南》条款5.6.6指出，“隔断层铺设位置应保证路床的强度和稳定性。为保证路床填土质量及稳定性要求，新建高速公路及一级公路的路堤隔断层应设在路床之下，同时应满足最大冻深的要求。”经过现场试验路段铺筑，结合隔断层试验路段施工合宜性检验，确定了隔断层设置及施工技术：砾石隔断层厚度30cm；其上铺设隔水土工布，土工布下铺10cm砂砾石作为保护层；隔断层施工完成后及时填筑路床。隔断层设置见图1。

4.1.3 措施三：设置护坡道和排碱沟

在路基坡脚两侧设置护坡道，减少地表径流水（卤水）对路基的侵蚀，并对路基具有保温作用，避免路基底部出现负温区，避免盐分伴随聚流上升；在路基坡脚或护坡道坡脚一定距离设置排碱沟，起到了脱盐、排水和降低地下水位等作用。

对于地表湿软及盐渍化河漫滩路段，为防止路基两侧积水侵蚀坡脚，保证路基稳定，减少工后沉降，采用弱盐渍土细粒土填筑护坡道；备料充足或料源较近的路段，采用路基填料相同的材料。护坡道宽度为3m，设计高度为0.8，护坡道高度变化应与地形变化相匹配。护坡道应与路基同时填筑、碾压施工，压实度不低于94%，且护坡道顶部标高应至少低于隔断层土工布边缘标高15cm。

排碱沟主要用于降低路基下卧地基土的含盐量，同时降低路基影响范围地下水位，并汇集、蒸发路界范围以内的降、排水；为防止公路路界以外的水流入排碱沟，在排碱沟外侧培土，拦挡水流。公路营运期间，排碱沟内结晶的岩盐，应定期由养护部门清理。排碱沟设置在路基两侧，排碱沟距路基边坡坡脚或护坡道坡脚2m，沟底宽为1m，开挖深度根据地形及地下水位等变化而定，一般为1.5m。排碱沟沟底标高不得低于地下水位（排碱沟沟底标高应至少高出地下水位15cm）。护坡道和排碱沟设置见图2。

4.2 路基阻盐效果检验

在室内进行盐分迁移试验，试验所用土样与公路路基填料相同，且分层压实度控制与现场路基压实度相同。土样初始含水率0.4%，初始含盐量1.321%。盐分迁移试验观测周期为2年，取样和测定分层厚度为5cm。测定各层路基填料的含水率和含盐量，检测结果见表4和图3，以地表为零高度。

（1）水分迁移情况：含水率曲线上可以看出含水率从下至上逐渐减小，在50cm处含水率为0.9%，55cm处含水率为0.3%。50cm处曲线为明显转折点，毛细水上升高度为50cm。

（2）盐分迁移情况：含盐量曲线上可以看出含盐量从下至上逐渐减小，在毛细水上升高度50cm处，含盐量为1.752%，大于初始含盐量，说明毛细水的上升带来了盐分的迁移，使得土体的含盐量发生变化。在45cm高度处含盐量为2.494%，大于2%的界限含盐量，非盐渍土已转化为弱盐渍土，得出在卤水供应条件下级配良好砾的次生盐渍化临界高度为45cm。

检测结果表明，水、盐在砾类土路基内部迁移高度为50cm，且随高度迁移量逐渐减小，路基阻盐效果明显。公路投入运营以来，路基下地表3个月沉降量约为0～2mm，未发现路基由于次生盐渍化引起的沉陷和不均匀沉降等病害，说明采取的阻盐措施效果良好，达到了设计的目的。

5 总结

（1）通过对盐渍土地区公路路基现状的调查，主要存在的病害有：由于毛细水的上升，造成对路基和路床的次生盐渍化，同时盐分对路面材料有一定的腐蚀性，造成路面结构过早破坏；盐胀和松胀造成路基结构体积发生循环变化，导致路基填料松散，强度降低；由于地区冬季寒冷多雪，容易造成路基盐渍土冻胀，春季解冻后路基湿化，路面发生沉降、裂缝和反浆等病害。

（2）通过对盐渍土地区公路建设技术的调查和工程经验，提出了盐渍土地区公路路基病害防治技术。

（3）依托察尔汗至格尔木高速公路新建工程，提出了察尔汗盐湖区高速公路路基阻盐技术：路基采用粗粒度材料—砾类土填筑；在路基结构层内设置砾石隔断层和土工布隔断层；在路基坡脚设置护坡道和排碱沟。通过室内模拟试验和公路运营期的监测，路基范围内各结构层的含水率和含盐量与初始值基本一致，路基下地表沉降量小，路基未发现次生盐渍化的病害，证明察格高速公路采用的阻盐措施有效。

（4）研究成果可为盐渍土地区高速公路新建工程、改扩建工程以及公路养护等提供技术参考和案例支持。

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