庫(kù)岸滑坡黏性土與河水物理化學(xué)作用試驗(yàn)研究

畢仁能，項(xiàng) 偉，郭 義，李濤濤，王菁莪

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）a.工程學(xué)院；b.教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，武漢 430074）

庫(kù)岸滑坡黏性土與河水物理化學(xué)作用試驗(yàn)研究

畢仁能a，項(xiàng) 偉b，郭 義a，李濤濤a，王菁莪a

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）a.工程學(xué)院；b.教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，武漢 430074）

水庫(kù)水位周期性升降加劇了河水與庫(kù)岸滑坡堆積物松散土體之間的水土作用，對(duì)庫(kù)岸表層巖土的工程性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著影響。從水土作用的角度研究河水對(duì)庫(kù)岸黏性土工程性質(zhì)的影響，通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)、Zeta電位試驗(yàn)、可交換陽(yáng)離子試驗(yàn)、固結(jié)快剪試驗(yàn)、電鏡掃描試驗(yàn)等，對(duì)滑坡黏性土與河水作用前后的組分、微結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：在黏性土與河水作用過(guò)程中，由于水化作用和離子吸附作用的共同影響，土顆粒表面Zeta電位降低；由于土顆粒對(duì)2價(jià)陽(yáng)離子的吸附作用，結(jié)合水膜會(huì)變薄，重塑土的微結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度都有一定變化，河水處理后的黏性土在直剪試驗(yàn)中還因土顆粒結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致剪脹效應(yīng)。由此揭示水土間物理化學(xué)作用在河水淹沒(méi)范圍內(nèi)對(duì)細(xì)粒土工程性質(zhì)影響的作用機(jī)理。

水土作用；離子吸附；Zeta電位；抗剪強(qiáng)度；微結(jié)構(gòu)

1 概 述

巖土體物理性質(zhì)決定其力學(xué)性質(zhì)，然而巖土物理性質(zhì)的變化不僅源于機(jī)械作用，更由于巖土介質(zhì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中化學(xué)環(huán)境的變化對(duì)物性的改造［1］。水庫(kù)蓄水必然引起庫(kù)岸巖土介質(zhì)賦存水化學(xué)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，變化的水環(huán)境與滑坡巖土體物質(zhì)之間發(fā)生溶蝕、水解以及離子吸附與交換等水土化學(xué)作用。化學(xué)元素在巖土體與水之間重新分配，導(dǎo)致巖土體化學(xué)性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響巖土體的力學(xué)性質(zhì)［2］。

水土作用是一個(gè)復(fù)雜的多因素相互作用體系，大致包括水土作用（潤(rùn)滑、軟化、泥化作用及結(jié)合水的強(qiáng)化作用）、滲流力學(xué)作用（凈水壓力和動(dòng)水壓力作用）以及水土化學(xué)作用（離子交換、溶解、水化、水解、溶蝕和氧化還原作用）等［3］。地下水變異帶來(lái)的離子交換吸附變化是引起土體性質(zhì)改變的重要環(huán)節(jié)，其作用過(guò)程概括為圖1。文中以室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)黏性土在河水作用前后，土顆粒表面Zeta電位、結(jié)合水膜厚度、可交換陽(yáng)離子種類(lèi)、微結(jié)構(gòu)和宏觀剪切強(qiáng)度等作了對(duì)比研究，說(shuō)明水土作用的影響。

圖1 離子交換吸附作用分析圖Fig.1 Cation absorption and exchange

2 試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自三峽庫(kù)區(qū)香溪河入江口右岸的八字門(mén)滑坡。本文通過(guò)對(duì)香溪河河水與典型堆積層滑坡體黏性土間的水土作用，研究水土作用對(duì)庫(kù)岸黏性土工程性質(zhì)的影響。八字門(mén)滑坡體地形上前緣向河流突起，平面形態(tài)呈不規(guī)則扇形，兩側(cè)邊邊界發(fā)育同源沖溝，后緣呈圈椅狀凹陷?；麦w上部滑坡寬約80～210m，下部寬約400～500m，縱長(zhǎng)550m，總面積約13.5×104m2，滑體平均厚度30 m，總體積約400×104m3?；麦w物質(zhì)主要為紅褐色黏性土，夾少量強(qiáng)風(fēng)化碎石，為香溪西岸侏羅系下統(tǒng)沙鎮(zhèn)溪組和三疊系上統(tǒng)香溪組典型的滑坡堆積物。

將試驗(yàn)用土碾碎后過(guò)2 mm篩，其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)鑒定了試驗(yàn)用土的礦物成分如圖2。分析認(rèn)為，試驗(yàn)用土為黏土，土中黏土礦物以高嶺石為主，含少量伊利石。

表1 試驗(yàn)用土原土樣（重塑土）的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of original soil used in the test

2.2 試驗(yàn)用水

本文試驗(yàn)中主要討論河水中陽(yáng)離子對(duì)土工程性質(zhì)的影響，水樣取自香溪河八字門(mén)滑坡河段，水中主要陽(yáng)離子種類(lèi)和含量見(jiàn)表2。

圖2 原土樣小于2μm粒徑X射線衍射分析Fig.2 X-ray analysis for the original soil of particle size less than 2μm

表2 河水中主要陽(yáng)離子含量Table 2 M ajor cation contents in river water mmol／L

細(xì)粒土中含有較多的黏粒，自然界中的黏粒一般情況下帶負(fù)電。細(xì)顆粒的雙電層、離子吸附交換、黏粒的聚沉與穩(wěn)定等特征，都與水環(huán)境中的陽(yáng)離子種類(lèi)和含量有密切聯(lián)系［4］。水土作用過(guò)程中水分子吸附在土顆粒表面形成結(jié)合水膜，水溶液中的水化陽(yáng)離子與土顆粒表面的陽(yáng)離子發(fā)生交換、吸附等作用，同時(shí)也會(huì)溶解膠結(jié)黏土顆粒的可溶鹽，從而對(duì)土的工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 重塑土的水土作用室內(nèi)處理

庫(kù)水位變化過(guò)程中，滑坡體一定范圍內(nèi)巖土體長(zhǎng)期受河水浸泡。河水主要通過(guò)水分子和河水中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)黏性土的結(jié)合水特性、土顆粒表面吸附陽(yáng)離子種類(lèi)以及顆粒排列的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。浸泡土樣的河水量按約2 L／kg配制，充分?jǐn)嚢瑁o置后移去上清液，并測(cè)試上清液電導(dǎo)率值。重復(fù)此步驟直至電導(dǎo)率值基本穩(wěn)定，視為水土作用已充分進(jìn)行。

3.2 河水處理前后黏粒的Zeta電位、陽(yáng)離子的吸附與交換

Zeta電位的大小與土顆粒表面結(jié)合水?dāng)U散層厚度有關(guān)，介質(zhì)中離子對(duì)Zeta電位的影響是離子影響擴(kuò)散層的結(jié)果［4］。由表3的試驗(yàn)結(jié)果可知河水浸泡土樣土顆粒表面的Zeta電位（絕對(duì)值）顯著小于原土樣。黏粒在河水浸泡過(guò)程中的聚沉作用也是結(jié)合水膜變化的一個(gè)特征。不同的離子具有不同的交換吸附能力、離子半徑及水合離子半徑，因此土粒表面吸附離子的數(shù)量和緊密程度不一致，影響?zhàn)ね恋V物的液塑限［4］。

表3 原土樣與河水處理樣的Zeta電位值Table 3 Zeta potential for original，river water treated samples mV

表4是陽(yáng)離子交換量試驗(yàn)中可交換陽(yáng)離子測(cè)試結(jié)果。分析認(rèn)為：河水浸泡過(guò)程中，土顆粒吸附河水中的陽(yáng)離子，主要是2價(jià)的陽(yáng)離子，致使土顆粒表面結(jié)合水層變薄，土顆粒間距離減小，靜電引力作用下土顆粒聚沉。河水處理樣土顆粒的Zeta電位試驗(yàn)結(jié)果和主要可交換陽(yáng)離子總當(dāng)量，均說(shuō)明對(duì)2價(jià)離子的吸附是土顆粒擴(kuò)散層變薄的原因。

表4 土顆粒吸附的主要陽(yáng)離子含量Table 4 Main absorbed cations for original and river water treated soil samp les mmol／mg

3.3 河水處理對(duì)土強(qiáng)度的影響以及剪切試驗(yàn)中的剪脹效應(yīng)

將原土樣和河水處理樣加水調(diào)至含水率略高于液限的土膏，依次在12.5，25，50，100，200，300 kPa法向壓力下固結(jié)，每級(jí)加荷時(shí)間24 h。在固結(jié)至300 kPa壓力后進(jìn)行快剪試驗(yàn)，得到土的強(qiáng)度?？旒粼囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，50 kPa法向壓力條件下，河水處理樣有顯著的剪脹效應(yīng)，原土樣沒(méi)有剪脹現(xiàn)象。

3.3.1 原土樣和河水處理土樣的重塑土剪切強(qiáng)度

分別對(duì)原土樣和河水處理土樣作了固結(jié)快剪試驗(yàn)，正應(yīng)力－剪應(yīng)力曲線取100，200，300，400 kPa的法向壓力，結(jié)果見(jiàn)圖3和表5。

圖3 原土樣和河水處理土樣固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Fast shear tests for original and river water treated consolidated samples

表5 固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of fast shear test for consolidated sam ples

快剪試驗(yàn)結(jié)果表明河水處理樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角較原土樣均略有提高。細(xì)粒土的黏聚力是土的連接的反映，包括結(jié)合水連接，膠結(jié)連接，毛細(xì)連接，但大部分細(xì)粒土的連接以結(jié)合水連接為主［4］。土結(jié)構(gòu)的破裂面并不是通過(guò)顆粒本身，而是通過(guò)顆粒、顆粒集合體與集合體之間粒間連結(jié)［5］。

河水處理樣的結(jié)合水膜厚度小于原土樣結(jié)合水膜厚度，經(jīng)河水處理后土顆粒間的連接強(qiáng)于原土樣。河水處理樣較原土樣c值增大。河水處理樣的凝聚結(jié)構(gòu)（片架結(jié)構(gòu)）比原土樣的分散結(jié)構(gòu)（片層結(jié)構(gòu)）顆粒間的咬合要更加強(qiáng)烈，細(xì)粒土顆粒間剪切移動(dòng)時(shí)，往往不是土顆粒間直接相互摩擦，而是結(jié)合水膜的相互摩擦，實(shí)質(zhì)是結(jié)合水的黏滯阻力。河水處理樣較原土樣的結(jié)合水膜較薄，其黏滯阻力也較大。河水處理樣φ值較原土樣增大。

3.3.2 剪切試驗(yàn)中的剪脹效應(yīng)及微結(jié)構(gòu)分析

固結(jié)快剪試驗(yàn)中進(jìn)行50 kPa法向壓力下的快剪試驗(yàn)，但河水處理樣發(fā)生明顯剪脹效應(yīng)。試驗(yàn)中的剪脹現(xiàn)象和剪脹效應(yīng)下的應(yīng)力－位移曲線，分別見(jiàn)圖4和圖5?？梢?jiàn)對(duì)于本試驗(yàn)所用黏性土，剪脹效應(yīng)使測(cè)得剪切應(yīng)力值偏高。土的剪脹效應(yīng)是由其結(jié)構(gòu)性引起的，它主要是由于土粒在剪應(yīng)力作用下重新排列而引起的塑性體積變化或變化趨勢(shì)，一般由顆粒的咬合、顆粒的相對(duì)滑動(dòng)、顆粒的形狀及其取向、顆粒間的剛性結(jié)構(gòu)4種效應(yīng)組成［6］。

圖4 法向壓力50 kPa時(shí)河水處理樣快剪過(guò)程中的剪脹效應(yīng)Fig.4 Dilatancy effect during shear test under 50 kPa normal stress for river water treated consolidated samples

圖5 法向壓力50 kPa時(shí)固結(jié)快剪過(guò)程中的應(yīng)力-位移曲線Fig.5 Stress-disp lacement curve for dilatancy effect in shear test under 50 kPa normal stress for consolidated sam ples

原土樣和河水處理樣泥膏在固結(jié)儀上固結(jié)，依次施以12.5，25，50，100，200，300 kPa固結(jié)壓力，每級(jí)壓力下24 h后穩(wěn)定。固結(jié)樣冷凍風(fēng)干的電鏡掃描結(jié)果如圖6、圖7。

圖6 原土樣固結(jié)樣電鏡掃描圖片（分散結(jié)構(gòu)）Fig.6 Photo of scanning electron m icroscopy for consolidated sam ples of original soil（dispersed structure）

圖7 河水處理樣固結(jié)樣電鏡掃描圖片（凝聚結(jié)構(gòu)）Fig.7 Photo of scanning electron m icroscopy for consolidated samples of river water treated soil（condensed structure）

圖6 和圖7分別是原土樣和河水處理樣在固結(jié)至300 kPa下的電鏡掃描圖片，原土樣為分散結(jié)構(gòu)，河水處理樣為凝聚結(jié)構(gòu)。結(jié)合水膜較薄使黏土顆粒的粒間擴(kuò)散層斥力作用弱，而粒間的范德華引力作用強(qiáng)烈。此時(shí)已形成顆粒面對(duì)面、面對(duì)邊及邊對(duì)邊等接觸相混雜的排列形式，稱為凝聚結(jié)構(gòu)或片架結(jié)構(gòu)（圖8（b））。反之易形成顆粒面對(duì)面的片狀堆積，稱為分散結(jié)構(gòu)或片堆結(jié)構(gòu)（圖8（a））［5］。

圖8 土顆粒分散結(jié)構(gòu)與凝聚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Dispersed structure and condensed structure of soil particles

4 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)用土中的黏土礦物以高嶺石為主，含少量伊利石。試驗(yàn)用香溪河河水中的陽(yáng)離子主要是Na＋，Ca2＋，Mg2＋，K＋等；

（2）水土作用過(guò)程中，土顆粒對(duì)河水中2價(jià)陽(yáng)離子的吸附作用，使土顆粒表面結(jié)合水膜變薄，Zeta電位降低；與河水離子交換作用后的土顆粒間斥力減弱，黏土顆粒呈凝聚結(jié)構(gòu)（片架結(jié)構(gòu)），原土樣呈分散結(jié)構(gòu)（片層結(jié)構(gòu)），片架結(jié)構(gòu)排列的黏土礦物會(huì)提高土的剪切強(qiáng)度；

（3）對(duì)于黏性土的固結(jié)快剪試驗(yàn)，較低法向壓力下的剪脹效應(yīng)會(huì)使試驗(yàn)所得結(jié)果比實(shí)際偏高。

［1］ 湯連生.略論巖土化學(xué)力學(xué)［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，41（3）：77－78.（TANG Lian-sheng.On Chemical-Mechanics for Rock and Soil［J］.ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2002，41（3）：77－78.（in Chinese））

［2］ 吳 恒，張信貴，韓立華.水化學(xué)場(chǎng)變異對(duì)土體性質(zhì)的影響［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，24（2）：85－88.（WU Heng，ZHANG Xin-gui，HAN Li-hua.The Change of Ground Water Chemical Field Affect Properties of Soilmass［J］.Journal of Guangxi University（Natural Science Edition），1999，24（2）：85－88.（in Chinese））

［3］ 徐則明，黃潤(rùn)秋，唐光正.黏土礦物與斜坡失穩(wěn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（5）：729－740.（XU Ze-ming，HUANG Run-qiu，TANG Guang-zheng.Clay Minerals and Failure of Slopes［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（5）：729－740.（in Chinese））

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［5］ 張信貴，吳 恒，方 崇，等.水土化學(xué)體系中鈣鎂對(duì)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度貢獻(xiàn)的試驗(yàn)研究［J］.地球與環(huán)境，2005，33（4）：58－64.（ZHANG Xin-gui，WU Heng，F(xiàn)ANG Chong，et al.Experimental Research on Ca2＋and Mg2＋Contributions to Structural Strength in Soil Body Hydrochemistry Environment［J］.Earth and Environment，2005，33（4）：58－64.（in Chinese））

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［7］ 陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1994.（CHEN Zhong-yi，ZHOU Jing-xing，WANG Hong-jin.Soil Mechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1994.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Physical and Chem ical Reaction Between River W ater and Clayey Soil from Reservoir Landslide

BIRen-neng1，XIANGWei2，GUO Yi1，LITao-tao1，WANG Jing-e1
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Three Gorges Research Center for Geohazard of Ministry of Education，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Water level fluctuation in reservoir intensifies thewater-soil interaction between riverwater and loose soil of landslide deposit，and thereby profoundly affecting the engineering properties of surface rock-soil.The impact of river water on the engineering property of clayey soil at the reservoir bank is studied from the perspective ofwatersoil interaction.Contrast tests including X-ray diffraction，Zeta electric potential，exchangeable cation types，shear test for consolidated samples，and SEM are performed to study the change of components，microstructure and shear strength of clayey soil from landslide before and after the interaction.It is concluded that Zeta electric potential at the surface of soil particle decreases under the combined effect of hydration and cation absorption.The thickness of absorbed water of soil grains decreases，and themicrostructure and shear strength of remoulded soil are somewhat varied as the cations absorb divalent cations to soil grains.Moreover，dilatancy effect is generated due to the change of soil particle structure in the shear testofwater-treated clayey soil.Themechanism ofwater-soil interaction affecting on the engineering properties of fine-grained soil is finally revealed.

water-soil interaction；cation absorption；Zeta potential；shear strength；microstructure

TU411.91；P642.1

A

1001－5485（2011）07－0028－04

2010-09-06

畢仁能（1984-），男，湖北荊州人，碩士，主要從事工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)巖土體工程性質(zhì)的學(xué)習(xí)和研究，（電話）18986153373（電子信箱）birenneng＠126.com。