河套平原盐渍土公路工程病害机理分析及对策研究

摘要：分析了西北内陆盐渍典型区（河套平原）公路工程的主要盐渍土病害，分析其发生机理，、规律特征，进而提出相应的工程病害防治措施，在河套平原进行具体实践应用，为盐渍土地区道路的设计、施工、维护提供一定的技术支撑。

关键词：河套平原；盐渍土；病害；机理分析；对策

盐渍土广泛分布在我国西北内陆地区和滨海河流冲积平原内，面积大，类型多。据文献[1]统计，全国约有19.08万km2现代（活化）盐渍土，约占国土面积的2%，目前我国约有1/5耕地存在不同程度的盐渍土和次生盐渍化特征，有2.6亿亩受潜在盐渍化威胁的土壤。其中西北内陆区的青海、新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等省区的分布较广，约占盐渍土分布地区总面积的60%。

盐渍土既具有一般土的共性，又是一种由于盐胶结而具有特殊性质的多相复杂体系[2]。盐渍土最大的特点就是在水、热、力学方面的不稳定性。西北干旱地区分布广泛的盐渍土给公路建设带来了许多挑战，其中由于盐渍土具有溶陷性、盐胀性和腐蚀性等特殊的工程性质，在盐渍土中的水会携盐上聚，使路基次生盐渍化，危害路基稳定，导致公路地质灾害发生。

本论文首先对西北地区典型区域-河套平原的盐渍土分布和特点进行阐述，其次总结了典型地区的路基的盐渍类型，并基于已有的盐渍土水分运动、病害机理的研究成果，提出的相应对策措施，研究成果对我国盐渍土公路建设理论丰富和社会实践指导意义。

1 河套平原盐渍土概述

河套平原位于内蒙古自治区的西部，平原北部是阴山山脉的主体狼山，西为乌兰布和沙漠，南临黄河，东依乌梁素海（图1）。河套平原自北向南又分为山前冲洪积倾斜平原，呈条带状分布，微向南倾，往南为黄河冲湖积平原，为平原的主体，略有西高东低，南高北低的趋势。本区属于温带大陆性干旱气候带，降水量很少，而蒸发强烈，地势平坦开阔，局部有一定的起伏，总的地势自西南向北东微倾[3]。该区域为西北干旱区盐渍土分布的典型区域。

河套平原为黄河冲积平原，海拔850米，广阔的河套平原可以利用黄河水自流灌溉，地下水位高、土壤水分蒸发量大、含有较多可溶性盐。其盐渍土的形成是一定气候、地形、水文地质等自然条件共同对水盐运动产生影响的结果。

区域内主要的行政区为巴彦淖尔市（简称巴市），下辖杭锦后旗、乌拉特后旗、乌拉特中旗、乌拉特前旗、五原县、磴口县和临河区（一区、两县、三旗）。盐渍土的整体分布为中、西部较轻，东部较重，即乌拉特前旗盐害较为严重。乌拉特前旗、五原县境内以钙、镁氯化物（黑油盐土）为主，临河区乌拉特后旗境内以硫酸盐氯化物为主。境内原生盐渍化不是主要的，主要是灌溉引起的次生盐渍化，农田大量引用黄河水灌溉，抬高了地下水水位，将沉淀土质的大量矿物质带到了土壤表层，形成表面盐分。

巴市境内各等级公路里程5520公里，其中110国道东西贯穿巴市，是巴市唯一的国道主干线，全长278.6公里，全市公路养护里程总长4502公里，其中盐渍土路段占70%以上。

2. 公路工程存在的主要问题及病害机理分析

河套地区的公路路基路面因盐渍土的特殊性能而导致了一些特殊病害，经调查主要有盐胀、溶蚀、翻浆、腐蚀以及因此而引起的公路边坡的病害。

1.1 盐胀病害及病害机理分析

盐胀对河套地区公路工程的破坏主要有三个方面：一是对地基的破坏（如图1），盐胀会使地基出现疏松、裂缝、变形等，从而影响路基的承载能力及公路工程的整体的稳定性；二是对路面的破坏，盐胀会使路面出现不均匀变形、隆起、开裂等病害，从而影响公路工程的使用性能；三是对道路边坡的破坏，盐胀会使道路边坡失稳，严重时会造成坡面开裂、碎落，甚至造成流水不畅、路面结构层悬空等病害。

盐渍土盐胀的形成，是土体内硫酸钠迁移聚积、结晶体胀和土体膨胀过程的综合结果，是由于土中液态或粉末状硫酸钠在外界条件变化时吸水结晶而产生体积膨胀所造成的。硫酸盐当温度低时吸水膨胀，温度高时，脱水收缩。土体在膨胀收缩反复交替作用下，形成松胀层，且愈接近地表，盐胀值愈大[4][5]。

1.2 溶蚀病害及病害机理分析

河套地区盐渍土中的易溶盐被流经或土体中所含的水分所溶解，造成土体的疏松、崩解、坍塌等现象被称为盐渍土的溶（湿）蚀。溶蚀是属于盐渍土地区公路的一种特殊病害，它的形成主要关系到两个方面：一是土中的易溶盐分；二是以各种方式侵入路面土体中的不饱和溶液。溶蚀的形成正是由于土体中的易溶盐分被侵入的不饱和溶液带走，造成土体空隙率增大，甚至直接在土体中形成孔洞，使得土体承载能力下降。

溶蚀在易溶盐含量大以及降雨集中的地区尤其常见，给公路的营运带来了极大的不便。在受到低矿化度的水溶蚀之前，盐渍土中过量的易溶盐在某些自然条件下会在土体内以固态晶体的形式出现，这些固态晶体本身具有足够的强度，而且对土体内的松散颗粒具有团聚作用，有一定“结晶增强”效应。如图2所示，盐晶将周围的岩石碎屑粘连在周围，并充填土中的空隙，能提高土的承载能力。

盐渍土路基受雨水冲洗后，盐分被溶解而随雨水下渗，造成路基顶部层次的退盐作用，孔隙增大、颗粒疏松，结果使路基变松，承载能力与稳定性均下降。降水量小的地区，路肩出现许多细小的冲沟，降雨量大的地区，路基结构体内形成空洞，同时这些孔洞一般以“暗洞”的型式藏于路基中，呈口小肚大之态，等到出露之时，往往孔洞已经较大了，这些空洞会导致路基局部塌陷，危及行车舒适性与安全。

1.3 翻浆病害及病害机理分析

粘性盐渍土路段经冬天冻胀后，在春天由上而下的逐步消融过程中最容易产生路面翻浆，其原因主要是粘性盐渍土颗粒小、渗透性差、含水量大，路基内形成泥浆，在车辆的碾压作用下，泥浆被挤出路面，形成翻浆。

春融时，随着气温的提高，盐的溶解度提高，盐渍土发生固相向液相的转变，固相的减少同样导致路基承载力的下降，路基更易吸水，因而更易翻浆。盐渍土由于盐的溶解，含水量相同的情况下，其含液量相对于非盐渍土而言往往较高，换句话说，盐渍土路基较非盐渍土路基能够在较低的含水量时发生翻浆。

1.4 公路构筑物的腐蚀及病害机理分析

普通混凝土是一种非均质、多孔的材料。不同的侵蚀介质对混凝土的不同组分产生影响，而侵蚀程度还受产物的分布、结构组成等的影响。另外，易溶盐还会对混凝土中的钢筋产生腐蚀，从而影响钢筋混凝土的工程特性。盐渍土含盐量过高时，对桥涵底部混凝土及钢筋具有强烈的腐蚀性，表现形式为混凝土表层被侵蚀，钢筋锈斑脱皮。同时由于盐胀作用，也会对桥涵地基造成一定程度的损害，缩短桥涵的使用寿命。图3为内蒙巴彦淖尔市郊某桥桥墩受腐蚀的图片[6]，所摄桥墩未采取任何防腐措施。如图所示，钻孔灌注桩成型的水泥混凝土桥墩的所有过水面均因腐蚀而使混凝土表面严重粗化，砂浆脱落，石子外露，严重处甚至钢筋外露。

盐渍土中NaCl，Na2SO4等盐类的腐蚀作用能使混凝土构造物、金属物等道路设施产生麻面和疏松等损坏。同时盐渍土对基础或地下设施可能产生腐蚀，一般来说为结晶性腐蚀。混凝土呈高碱性，钢筋的表面自动形成钝化膜，能阻止钢筋的锈蚀，但盐溶液可以削弱混凝土的碱度从而使钝化膜丧失自行修复的能力外，氯盐渍土地区更主要的是氯盐的侵入导致钢筋的锈蚀。氯盐在非冻融情况下对混凝土材料形成盐结晶腐蚀。氯离子从混凝土表面扩散到钢筋的位置，积累到一定的浓度后与钢筋发生电化学反应，使得钢筋锈蚀。硫酸盐与混凝士中的水化产物和水化氯酸钙发生化学作用生成石膏和钙钒石，这两种反应均造成体积膨胀使混凝土开裂剥落，过饱和的硫酸盐溶液在混凝土孔隙中结晶还会对孔壁产生极大的应力，使混凝土破坏。酸能溶解混凝土中的Ca（OH）2等水化产物，破坏混凝土的内部结构和密实性，并使混凝土中性化（碱度降低）[7]。

3. 公路工程病害的对策分析

围绕上述盐渍土病害开展，有针对性地防治病害的对策和措施，以下是不同病害的养护维修技术介绍。

3.1 盐胀病害防治

针对不同影响因素引起的盐胀而导致的路基病害，可采取土工合成材料加固、换填处理、化学处治法、提高路基填筑高度等养护维修措施。

（1）土工合成材料加固

采用土工格栅、土工织物等土工合成材料对路基路面进行加固，可以有效地减小水对盐渍土地区路面病害发生的可能。土工网对土体周向变形产生了约束，使得土体的抗剪强度增大、可压缩量减小。土工格栅上述效能只有在格栅具有足够高的刚度，可以限制路基路面组成颗粒的移动，且不发生的形变的条件下才能实现，因此，格栅材料应具有较高的拉伸强度和非常低的伸长率。在加固土体的同时，还有必须采取必要的隔水措施，以进一步保证结构的稳定性。图4为在巴彦淖尔市境内盐渍化较严重的路段，铺设不透水的土工布。通过土工布隔断地下水的上升渠道，同时阻断易溶盐随地下水的上升，以减缓路基土体的次生盐渍化进程，从而达到防止盐碱造成路面失平的目的。

（2）换填处理

在公路建设中，将地表盐体及其上超过允许含盐量的土均应清除，用一定厚度的非盐渍土、灰土或砂砾料回填，可从根本上消除由于盐渍土造成的盐胀、塌陷等病害。在实践中，在内蒙古巴彦淖尔市在杭锦前旗-新安线的道路维护中采取了换填当地的明砂（风积砂）的措施，取得了良好的效果。

（3）化学处治法

对含盐量较高、盐渍土层较厚的地基可以采用化学处治的方法。化学治理是在不破坏原土结构情况下，灌注化学药剂将土中易溶硫酸盐转化为较难溶解的硫酸盐，从而清除产生土体膨胀的主要因素，达到治理目的。实践中采用氯化钙作为化学药剂，氯化钙与易溶硫酸盐作用生成稳定性稍差的中溶性硫酸钙，能达到清除易溶硫酸盐和治理路基膨胀的效果，由于成本较低、无毒和具有较大的溶解度。

3.2 溶蚀病害防治

水是造成溶蚀的主要因素，因此，在大多数情况下，溶蚀的防治最重要的是做好防水工作，防水也就是防止雨水滞留并侵入路面中，造成溶蚀。防水重点在于保证路面排水的顺畅以及地面排水设施的合理设置，其次通过路基土进行适当高出正常压实标准的压实。通过压实可防治溶蚀，是由于在路基土的压密过程中，预先将溶蚀可能造成的密实度降低考虑在内，因此即使土中易溶盐被完全溶蚀后，路基土的密实度仍能满足公路工程要求。

3.3 翻浆病害防治

翻浆是一个四季都可能发生的道路病害，其发生、发展与变化无不与水分在土体中的分布有关。通常其变化是一个连续的过程，因此在各个季节内，应根据水分在土体中各自不同的分布特点，采取适当的办法进行道路养护与病害防治。所以，在翻浆处理方面，应以防为主，防治结合，积极根治。在平常的维护管理中，注意对水的控制，尽可能防止水分进入路基。

3.4 腐蚀病害防治

虽然不同类型的盐对混凝土的腐蚀作用机理有所不同，但有一点是共同的，即只有盐进入混凝土内部以后才能对混凝土结构产生腐蚀破坏作用。因此，阻止盐类侵入混凝土是提高混凝土的耐腐蚀性基本措施。盐渍土地区公路构筑物防腐的主要措施为首先隔断盐分与混凝土以及钢筋直接接触的途径，其次阻止盐分向混凝土内渗透，最后减缓混凝土和钢筋锈蚀。实践中可以考虑将特殊配方的防腐涂料、防腐砂浆涂在混凝土表面后，可有效地隔断或阻止盐分向混凝土内部的扩散速度，大大减缓混凝土的腐蚀。

4. 结语与展望

盐渍士的种类繁多，公路工程的等级要求不同，而且工程特性随着地貌特征、气候环境等的改变而变化，所以工程病害机理研究都具有一定的地区局限性。本研究根据西部内陆典型盐渍区（河套平原）公路病害开展研究，对河套平原这个特定区域的公路病害进行机理分析和防治措施的探索实践，有不少遗留问题，需要进一步深入研究。需要今后进一步研究盐渍土盐胀机理，深入研究和验证盐渍土盐胀与冻胀的划分区间，进一步完善盐渍土土工参数的测试与修正工作，得到更加符合实际的测试参数，从而总结出盐渍土地区公路建设与一般地区的工程建设不同的技术参数要求。

致谢：本文得到了内蒙古巴彦淖尔市公路管理局项目“盐渍土地区公路养护、维修及环境保护技术研究”的支持，在此表示衷心的感谢。

参考文献

[1] 牛玺荣， 李志农， 高江平.盐渍土盐胀特性与机理研究进展[J]. 土壤通报. 2008（01）：163-168.

[2] 包卫星.盐渍土公路工程分类的现状与思考[J]. 公路. 2008（11）：119-123.

[3] 杨素珍， 郭华明， 唐小惠， 等.内蒙古河套平原地下水砷异常分布规律研究[J]. 地学前缘. 2008（01）：242-249.

[4] 杨正荣， 杜滨.盐渍土路基设计[J]. 公路. 2013（02）：33-35.

[5] 邢小宁.阿克苏地区盐渍土路基的病害机理及防治措施[J]. 山西建筑. 2008（32）：285-286.

[6] 汪林， 甘泓， 于福亮， 等.西北地区盐渍土及其开发利用中存在问题的对策[J]. 水利学报. 2001（06）：90-95.

[7] 李勇， 李建中， 秦建明， 等.盐渍土地区公路构筑物腐蚀的维修技术[C].内蒙古自治区第四届自然科学学术年会，呼和浩特，2007：120-124.