席人雙

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

含鹽量對(duì)鹽漬土力學(xué)特性的影響

席人雙

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

鹽漬土在我國(guó)廣泛分布，由于其具有特殊的工程力學(xué)特性，會(huì)影響到許多地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，含鹽量對(duì)鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。本文采用低塑性黏土作為研究對(duì)象，將不同濃度的NaCl溶液與土樣混合來模擬實(shí)際工程中遇到的不同含鹽量的鹽漬土；將上述飽和重塑土進(jìn)行不同濃度下的固結(jié)以及直剪試驗(yàn)，獲得了含鹽量對(duì)土樣強(qiáng)度以及壓縮特性的影響規(guī)律，并從微觀物理化學(xué)方面對(duì)含鹽量影響鹽漬土物理力學(xué)特性的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

鹽漬土；抗剪強(qiáng)度；壓縮系數(shù)；含鹽量；試驗(yàn)分析

鹽漬土是一種易溶鹽含量＞0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的特殊土［1］，廣泛分布在我國(guó)的大部分地區(qū)，尤其是西北以及沿海地區(qū)。許多基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都可能遇到鹽漬土地層［2］，鹽漬土特殊的工程力學(xué)特性會(huì)影響到該地區(qū)的工程建設(shè)，如公路、鐵路、房屋建筑物等。鹽漬土中的鹽分主要以氯化物或硫酸鹽為主，陽(yáng)離子主要以Na+，Ca2+，Mg2+為主。鹽漬土的工程力學(xué)特性，包括壓縮性、抗剪強(qiáng)度等，與鹽漬土的化學(xué)性質(zhì)（鹽分組成、含鹽類型等）密切相關(guān)。

在人為擾動(dòng)或自然條件變化時(shí)，鹽漬土的化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而引起土體的宏觀力學(xué)和水力學(xué)特性的變化。例如在污染土填埋以及核廢料封存過程中，由于各種溶質(zhì)的遷移，使得土體中孔隙水鹽分的濃度以及組份發(fā)生變化，從而改變土體的結(jié)構(gòu)、變形、強(qiáng)度特性等。在瑞典、加拿大等國(guó)家，由于鹽分溶脫后，造成軟黏土地基上的公路變形加大、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象［3］；在國(guó)內(nèi)濱海地區(qū)，鹽漬土鹽分變化也會(huì)使地基發(fā)生失穩(wěn)、變形增大等現(xiàn)象［4］。而在鹽漬土地區(qū)進(jìn)行的工程設(shè)計(jì)一般依據(jù)現(xiàn)有鹽分狀態(tài)下土樣指標(biāo)或原位測(cè)試指標(biāo)，并未考慮鹽分變化使得土體工程性質(zhì)產(chǎn)生的改變，有可能為工程帶來潛在的危害［5］。

為了解決上述問題，不少學(xué)者開始關(guān)注孔隙水鹽分變化對(duì)黏性土的化學(xué)作用機(jī)理。研究表明，當(dāng)孔隙溶液的物理化學(xué)環(huán)境（包括濃度、離子類型、PH值等）改變時(shí)，由于顆粒和孔隙溶液之間的相互作用，土體的顆粒排列、結(jié)構(gòu)特征以及孔隙水賦存狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生變化，從而改變土體的宏觀物理力學(xué)特性［6-10］。通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著鹽溶液濃度、化合價(jià)及水合半徑的增大，高塑性黏土的液限減?。?1］，滲透性增大［12］，壓縮性降低［13］，抗剪強(qiáng)度增大，但是這種化學(xué)作用隨著外荷載的增大而減弱。

本文采用低塑性黏土為研究對(duì)象，采用不同濃度的NaCl溶液來模擬不同含鹽量的鹽漬土。采用相應(yīng)濃度的NaCl溶液對(duì)土樣進(jìn)行飽和，然后進(jìn)行固結(jié)以及剪切試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了含鹽量對(duì)鹽漬土物理力學(xué)特性的影響機(jī)理。

1　試驗(yàn)材料

本文采用低塑性黏土為研究對(duì)象，其物理性質(zhì)和顆粒分布曲線分別如表1和圖1所示，其中該黏土的比表面積采用N2吸附法獲得，為Sa=22.63 m2/g。試驗(yàn)中采用的土樣均為重塑土樣，即首先將風(fēng)干土碾碎過篩，然后采用不同濃度的NaCl溶液與風(fēng)干土進(jìn)行拌合，按設(shè)定的含鹽量配制成初始含水率為20%的土樣，靜置48 h，使其水分分布均勻?？刂聘擅芏葹?.6 g/cm3，采用靜壓法制備環(huán)刀土樣。該環(huán)刀土樣的橫截面積為30 cm2，高度為2 cm。將制備好的試樣采用抽真空方法進(jìn)行飽和，并浸泡24 h使其完全飽和，飽和時(shí)采用相同濃度的NaCl溶液。在試驗(yàn)中設(shè)定NaCl溶液的濃度分別為：0，1，2，5 mol/L。

表1　土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1　土樣的顆粒分布曲線

2　含鹽量對(duì)鹽漬土固結(jié)特性的影響

將上述飽和土樣放入固結(jié)儀中，向水槽中注滿相應(yīng)濃度的NaCl溶液。在設(shè)定的豎向荷載作用下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，在每一級(jí)壓力下固結(jié)24 h，當(dāng)豎向位移讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，施加下一級(jí)荷載。試驗(yàn)中設(shè)定的加載序列為12.5，25，50，100，200，400，800，400，200，100，50，25，50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa。不同濃度下的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同濃度下的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

從圖2中可以看出，所有的土樣初始孔隙比都在0.7左右，也就是說制備的不同含鹽量的土樣在初始狀態(tài)下孔隙比不存在較大的差別。當(dāng)土樣在設(shè)定的豎向荷載進(jìn)行固結(jié)時(shí)，在相同的豎向荷載作用下，土樣的含鹽量越高，對(duì)應(yīng)的孔隙比越小。而不同含鹽量的土樣對(duì)應(yīng)的回彈曲線幾乎是平行的，也就是說含鹽量對(duì)土樣的回彈特性影響較小，可以忽略。

這與前人的試驗(yàn)結(jié)果是一致的，即在一定的豎向荷載作用下，將蒸餾水飽和的土樣采用鹽溶液進(jìn)行置換，則會(huì)出現(xiàn)孔隙比降低的現(xiàn)象，稱為滲透固結(jié)。而滲透固結(jié)的大小與施加的豎向荷載有關(guān)，即力學(xué)特性和化學(xué)特性存在耦合現(xiàn)象。從上述試驗(yàn)結(jié)果來看，豎向荷載越大，化學(xué)作用引起的固結(jié)現(xiàn)象越明顯。但這僅針對(duì)該黏土的試驗(yàn)結(jié)果成立，對(duì)應(yīng)不同的土則有不同的結(jié)論。另外，隨著含鹽量的增大，土樣的固結(jié)系數(shù)也相應(yīng)增大，即對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)增大，固結(jié)速度加快。

3　含鹽量對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響

將上述飽和土樣放入直剪儀中，向水槽中注滿相應(yīng)濃度的NaCl溶液。在設(shè)定的豎向荷載作用下固結(jié)24 h，穩(wěn)定之后開始慢剪試驗(yàn)。試驗(yàn)中設(shè)定的豎向荷載為50，100，150，200 kPa，剪切速率為0.02 mm/min，剪切變形達(dá)到7 mm為止。不同濃度下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示，其中取剪切位移等于4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。

圖3　不同豎向荷載下含鹽量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

圖4　不同含鹽量下的抗剪強(qiáng)度曲線

由圖3、圖4可知，隨著鹽濃度的增大，土體的強(qiáng)度總體上呈增大趨勢(shì)。其中采用蒸餾水飽和的土樣強(qiáng)度稍高一些，這可能是由于制樣的誤差引起的。由圖4可知，不同含鹽量下的抗剪強(qiáng)度曲線大致是平行的，也就是說含鹽量主要是對(duì)黏聚力產(chǎn)生影響，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

4　影響機(jī)理分析

黏土的顆粒表面帶有負(fù)電荷，由于靜電引力的作用，會(huì)吸引孔隙水中的正電荷離子，形成擴(kuò)散雙電層。黏土顆粒和水之間存在著復(fù)雜的物理化學(xué)作用，包括氫鍵作用、可交換陽(yáng)離子的水化作用、滲析作用、靜電力作用和范德華力作用。文獻(xiàn)［14］最早根據(jù)雙電層理論做了電解質(zhì)溶液對(duì)黏土壓縮性的研究。文獻(xiàn)［15］指出雙電層間的電荷密度和電勢(shì)能分布可用Poisson-Boltzman方程描述，雙電層的厚度可以表示為

式中：1/K為雙電層厚度；E為單位靜電荷；υ為電荷的離子價(jià)；D為擴(kuò)散層介質(zhì)的介電常數(shù)；k為Boltzman常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為絕對(duì)溫度；n0為溶液的離子濃度。

根據(jù)上式可知，雙電層的厚度受孔隙水的介電常數(shù)、離子濃度、離子價(jià)的影響。擴(kuò)散層厚度與孔隙溶液中離子濃度n0的平方根成反比，同時(shí)與離子價(jià)成反比。也就是說隨著土中含鹽量的增大，擴(kuò)散層厚度降低，雙電層間斥力減小，使雙電層距離減小，從而引起孔隙直徑和體積的減小；陽(yáng)離子的化學(xué)價(jià)越高，擴(kuò)散層的厚度越薄。

雙電層中擴(kuò)散水膜的厚度對(duì)黏土的工程性質(zhì)有重要影響。擴(kuò)散層厚度大，從而土體的持水性強(qiáng)，塑性高，顆粒之間的距離相對(duì)也大，因此土體的膨脹和收縮性大，土的壓縮性大，而強(qiáng)度相對(duì)較低。因此，在實(shí)際工程中，可利用這一機(jī)理，通過改變孔隙水溶液的化學(xué)成分來改良黏土的工程性質(zhì)，增加土體的穩(wěn)定性［16］。

由前面的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知（圖2），在某一豎向荷載作用下，隨著含鹽量的增大，土顆粒之間的雙電層變薄，雙電層間斥力減小，使得土樣的孔隙比減小。同時(shí)，由抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知（圖3和圖4），由于含鹽量的增大導(dǎo)致孔隙比減小，土顆粒之間的斥力減小，引力增大，進(jìn)而使得土樣的黏聚力增大。但是內(nèi)摩擦角表征的是相互接觸土顆粒之間的摩擦特性，與土顆粒及其排列有關(guān)，為土樣的本征參數(shù)，與含鹽量無關(guān)，因此保持為常數(shù)；而黏聚力為顆粒之間的黏結(jié)力，受到顆粒間的物理化學(xué)作用力影響較大。

5　結(jié)論

黏性土的工程力學(xué)特性與土樣的化學(xué)性質(zhì)（鹽分組成、含鹽類型等）密切相關(guān)，本文通過對(duì)不同含鹽量下低塑性黏土的固結(jié)試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)獲得了以下的結(jié)論：

1）在相同豎向荷載作用下，隨著土樣含鹽量增大，土樣的孔隙比減小，發(fā)生滲透固結(jié)現(xiàn)象。同時(shí)，滲透固結(jié)的程度與豎向荷載的大小有關(guān)，也就是說力學(xué)作用和化學(xué)作用存在耦合現(xiàn)象。而這種耦合特性與土樣的種類有關(guān)。對(duì)該種黏土來說，豎向荷載越大，滲透固結(jié)現(xiàn)象越明顯。

2）隨著含鹽量的增大，土樣的抗剪強(qiáng)度增大。主要表現(xiàn)在黏聚力隨含鹽量的增大而增大，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小，幾乎保持為常數(shù)。

3）根據(jù)雙電層理論，從微觀物理化學(xué)方面分析了含鹽量對(duì)土體力學(xué)特性的影響機(jī)理。隨著含鹽量的增大，雙電層厚度變薄，則土顆粒之間的斥力減小，造成土樣孔隙比降低，抗剪強(qiáng)度增大。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

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（責(zé)任審編周彥彥）

Effect of Salt Content on Mechanical Properties of Saline Soils

XI Renshuang
（China Railway Siyuan Survey&Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

Saline soils are widely distributed in China and have special mechanical properties，which would affect the construction of many infrastructures.A large number of tests and research results show that the salt content has a strong influence on the physical and mechanical properties of saline soils.In this paper，the low plastic clay was mixed with different concentrations of NaCl solutions，which was used to simulate the saline soils with different salt content encountered in the construction.T he compression and shear tests were performed on the remoulded soils saturated with different concentrations of NaCl solutions.T he effects of salt content on the shear strength and compression properties of the samples were obtained.Based on the test results，the influence mechanism of the salt content on the physical and mechanical properties of saline soils was analyzed from the microscopic physic-chemical aspect.

Saline soil；Shear strength；Compression coefficient；Salt content；T est analysis

TU448

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.23

1003-1995（2016）10-0086-04

2016-05-16；

2016-07-28

席人雙（1985—），男，工程師，碩士。