含鹽量對亞硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)

付江濤，栗岳洲，胡夏嵩，余冬梅，趙 丹，劉亞斌，祁兆鑫

（1．中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧810008；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3．青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧810016）

含鹽量對亞硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)

付江濤1，2，栗岳洲1，2，胡夏嵩1，3※，余冬梅1，趙 丹1，2，劉亞斌1，2，祁兆鑫1，2

（1．中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧810008；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3．青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧810016）

為探討含鹽量對鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響，該研究對采自于青海柴達(dá)木盆地大柴旦鹽湖地區(qū)的鹽漬土進(jìn)行了洗鹽試驗(yàn)以獲得素土試樣；根據(jù)該區(qū)鹽漬土類型及鹽漬化程度，在洗鹽后土體中分別加入不等量的無水硫酸鈉（Na2SO4），以獲得不同含鹽量的人工配制硫酸鹽漬土，并對上述不同含鹽量的人工配制硫酸鹽漬土開展室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，洗鹽試驗(yàn)后土體中的易溶鹽離子含量及pH值均顯著低于洗鹽前鹽漬土；當(dāng)土體密度和含水量分別為1.41 g/cm3和25.68%時，洗鹽后土體粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值分別為14.8 kPa和26.5°，均高于洗鹽前鹽漬土的粘聚力值（6．7 kPa）和內(nèi)摩擦角值（24．6°）；不同含鹽量梯度條件下的人工配制硫酸鹽漬土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，隨土體含鹽量增加均表現(xiàn)出先減小后增加的變化特征。當(dāng)含鹽量由0.74%增至5.17%時，人工配制硫酸鹽漬土粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值均呈逐漸減小的變化規(guī)律，當(dāng)土體含鹽量由5.17%增至14.17%時，人工配制硫酸鹽漬土粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值均表現(xiàn)出增加的變化規(guī)律，且當(dāng)含鹽量為5.17%時，其粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值分別為8.3 kPa和26.1°，均為最小值，即該值對應(yīng)的含鹽量值即為人工配制硫酸鹽漬土的含鹽量閾值。本項(xiàng)研究成果對于進(jìn)一步探討含鹽量變化對鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響，及含鹽量變化與鹽漬土粘聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系等方面具有理論研究價值和實(shí)際意義。

土壤；鹽；柴達(dá)木盆地；洗鹽試驗(yàn)；人工配制硫酸鹽漬土；抗剪強(qiáng)度；含鹽量閾值

付江濤，栗岳洲，胡夏嵩，余冬梅，趙 丹，劉亞斌，祁兆鑫.含鹽量對亞硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（6）：155-161.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.021 http://www.tcsae.org

Fu Jiangtao,Li Yuezhou,Hu Xiasong,Yu Dongmei,Zhao Dan,Liu Yabin,Qi Zhaoxin.Effect of salt content on shear strength of sulfurous saline soil[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6): 155－161.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.021 http://www.tcsae.org

0 引言

鹽漬土是鹽土、堿土、鹽化土和堿化土的總稱[1-2]。工程上指易溶含鹽量超過0.3%且具有鹽脹性、溶陷性和腐蝕性等不良工程特性的土為鹽漬土[1-5]。鹽漬土在世界各地均有廣泛分布，其中，中國的鹽漬土主要分布在西北干旱地區(qū)的低平盆地和平原、華北平原、青藏高原以及濱海地區(qū)[2]。區(qū)別于一般土質(zhì)，鹽漬土中含有一定量的易溶鹽，當(dāng)易溶鹽遇水溶解后，鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生很大程度的改變，如鹽漬土的強(qiáng)度、孔隙度等發(fā)生變化從而導(dǎo)致鹽漬土發(fā)生溶陷等災(zāi)害現(xiàn)象[4-10]。此外，當(dāng)周圍溫度或濕度變化時，鹽漬土中的鹽分溶解度亦隨之改變，引起鹽漬土體積膨脹或縮小等現(xiàn)象的發(fā)生，從而對鹽漬土區(qū)建筑物和地面構(gòu)筑物產(chǎn)生影響[4-10]。另外，土體中鹽分類型亦會對鹽漬土的力學(xué)特性產(chǎn)生一定程度影響[8]。張國輝等[10]通過向碳酸鹽漬土加入碳酸氫鈉（NaHCO3）的方式，制備了含鹽量分別為0.31%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%的碳酸鹽漬土試樣，并對以上試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，認(rèn)為隨著含鹽量增加，鹽漬土的黏聚力值呈減小趨勢，而內(nèi)摩擦角則呈先減小后增大的變化規(guī)律。楊曉松等[11]采用在洛陽黃土中添加氯化鈉（NaCl）的方式，制備了含鹽量分別為0、2%、6%、8%、10%、14%的氯鹽漬土試樣，并通過固結(jié)快剪試驗(yàn)研究了氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度隨含鹽量的變化規(guī)律，即在該含鹽量梯度內(nèi)氯鹽漬土黏聚力值由13.0 kPa增加至26.0 kPa，內(nèi)摩擦角由18.9°增至21.6°。張飛等[12]選取鄭徐高鐵蘭考段粉土為試驗(yàn)材料，采用向原料土中添加無水硫酸鈉（Na2SO4）的方式，制備了含水率均為21%，含鹽量分別為0、1%、3%、5%、8%、10%等6個梯度的鹽漬土試樣，直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，6個含鹽量梯度下鹽漬土黏聚力值為12.4～24.1 kPa，且黏聚力值隨含鹽量增加而增加?？傊鲜鲅芯拷Y(jié)果表明，土體中的鹽分類型及含鹽量對土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有不同程度影響。此外，上述研究主要采用的方法是在背景土中分別加入不同類型和不等量的鹽分，制備成相同含鹽類型、不同含鹽量梯度的鹽漬土，然后采用剪切試驗(yàn)探討鹽漬土試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角變化規(guī)律，這種情況下所存在的問題是并未考慮背景土中已存在的鹽分對土體抗剪強(qiáng)度的影響。因此，如何有效地解決土體試樣中已存在鹽分對土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，需要開展進(jìn)一步深入和系統(tǒng)的探討。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本項(xiàng)研究中鹽漬土采集于青海柴達(dá)木盆地東北緣的大柴旦鹽湖區(qū)及其周邊地區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)95°02′～95°22′，北緯37°46′～37°55′[13]，該區(qū)地勢東北高西南低，地形以戈壁灘、沙丘、高山為主，區(qū)內(nèi)植被稀疏，土壤沙化、鹽漬化程度嚴(yán)重[13]。本項(xiàng)研究中鹽漬土密度、含水率、顆粒分析結(jié)果如表1所示，土體顆粒大小分布曲線如圖1所示，鹽漬土試樣中的易溶鹽離子試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，試驗(yàn)區(qū)土體試樣含鹽量為2.165%，此外，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第四版）中關(guān)于“鹽漬土按含鹽化學(xué)成分分類”標(biāo)準(zhǔn)[14]，可將試驗(yàn)區(qū)的鹽漬化類型歸為亞硫酸鹽漬土，如表3所示。

表1 研究區(qū)鹽漬土試樣洗鹽前和洗鹽后物理和化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Testing result of indices of soil basic physical and chemical properties before and after salt-leaching in testing area

表2 研究區(qū)鹽漬土試樣洗鹽前和洗鹽后易溶鹽離子含量試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Testing result of soluble ion content of soil in testing area before and after salt-leaching in testing area

表3 研究區(qū)鹽漬土按含鹽化學(xué)成分分類結(jié)果Table 3 Categorization of saline soil based on saliferous chemical constitution in testing area

1.2 研究區(qū)鹽漬土洗鹽原理與方法

為了研究素土試樣以及鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，加入無水硫酸鈉之前，先對鹽漬土進(jìn)行洗鹽試驗(yàn)，其具體步驟與方法為[15]：稱取一定量鹽漬土，將其置于塑料水桶中，并按水質(zhì)量：土質(zhì)量為5∶1的比例注入蒸餾水，并將鹽漬土與蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，靜置24 h后抽取浸出液，再次注入蒸餾水，如此反復(fù)多次。為了檢驗(yàn)洗鹽試驗(yàn)效果是否較為完全，可在重復(fù)上述步驟5次后，分別在2個試管中盛入5 mL左右的浸出液，然后向其中一個試管中加入數(shù)滴100 mL/L硝酸和50 mL/L硝酸銀溶液，向另一個試管中加入數(shù)滴100 mL/L鹽酸和50 mL/L氯化鋇溶液，觀察2試管中是否有白色沉淀，如有白色沉淀則繼續(xù)用蒸餾水進(jìn)行洗鹽試驗(yàn)，然后按照上述方法對浸提液進(jìn)行檢測，直至沒有白色沉淀析出為止[15]。根據(jù)以上步驟，本項(xiàng)研究先后共進(jìn)行了16次洗鹽試驗(yàn)處理，洗鹽試驗(yàn)前、后鹽漬土粒徑分布如圖1所示，洗鹽前、后鹽漬土的物理、化學(xué)性質(zhì)及其易溶鹽離子含量試驗(yàn)結(jié)果分別如表1和表2所示，由該表可知，隨著洗鹽次數(shù)逐漸增加，土體中CO2-3、HCO-3、SO2-4、Cl-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等8種易溶鹽離子含量表現(xiàn)出逐漸降低的變化特征，且洗鹽試驗(yàn)結(jié)束后，土體中易溶鹽離子含量為0.74%，該值顯著低于洗鹽試驗(yàn)前鹽漬土中的含鹽量。

圖1 研究區(qū)洗鹽試驗(yàn)前和洗鹽試驗(yàn)后土體顆粒大小分布曲線Figure 1 Distribution curve of soil particle size before and after salt leaching in testing area

1.3 含鹽量梯度的確定

為了研究不同含鹽量梯度對土體抗剪強(qiáng)度影響，本項(xiàng)研究根據(jù)鹽漬土洗鹽試驗(yàn)前、后土體含鹽量，即2.17%和0.74%，并結(jié)合研究區(qū)自然條件下土體含鹽量實(shí)測值（0.199%～10.452%）以及陳煒韜等[8]、張飛等[12]關(guān)于人工配制鹽漬土的相關(guān)文獻(xiàn)，共設(shè)置6個含鹽量梯度，其中，除洗鹽后土體外（本文中稱之為素土，作為對比組），其余5個人工配制鹽漬土試樣相鄰濃度間含鹽量差值均為3%，故該6個含鹽量梯度分別為0.74%、2.17%、5.17%、8.17%、 11.17%和14.17%，如表4所示。以上含鹽量梯度的設(shè)定，充分考慮了研究區(qū)土體含鹽量的變化范圍，以及土體鹽漬化程度的進(jìn)一步加劇的變化規(guī)律。本試驗(yàn)中待含鹽量梯度確定完畢后，則按照設(shè)定的含鹽量梯度值依次在洗鹽后土體試樣中，分別添加質(zhì)量為0、1.20、3.74、6.28、8.82、11.35 g的無水硫酸鈉（Na2SO4），如表4所示，并分別制備不同含鹽量梯度的人工配制鹽漬土直剪試樣，以進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，探討含鹽量變化對土體抗剪強(qiáng)度影響。

表4 研究區(qū)土體試樣中含鹽量梯度布設(shè)結(jié)果Table 4 Arrangement of salt gradient for artificially salinized soil in testing area

1.4 土體直剪試樣制樣方法及試驗(yàn)方法

鑒于本項(xiàng)研究中，人工配制鹽漬土硫酸鈉含量相對較高，為了有效地避免硫酸鈉在溶解過程中的不易溶解現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致鹽漬土直剪試樣內(nèi)含鹽量分布的不均勻性。在本項(xiàng)研究中，無水硫酸鈉均以固體粉末的形式加入洗鹽試驗(yàn)后的素土試樣中，將無水硫酸鈉與素土充分拌勻后，按25.68%的含水率和1.41 g/cm3的土體密度制備不同含鹽量梯度下的人工配制鹽漬土直剪擾動試樣，將制備好的直剪試樣密封靜置24 h后即進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)。直剪試樣的制備主要包括鹽漬土直剪試樣、素土直剪試樣和人工配制鹽漬土直剪試樣的制備，上述3種直剪試樣的具體步驟如下所示。

1.4.1 素土直剪樣制備

洗鹽試驗(yàn)結(jié)束后，將所獲得的素土放入烘箱中，在105℃的溫度下烘干，烘干時間為12 h，即可獲得烘干后的素土；根據(jù)試驗(yàn)所需土量，取其中的20 kg烘干后的素土，放在橡皮墊上用木碾碾散，然后過篩（篩的孔徑為0.25 mm）；將過篩的土平鋪在不吸水的鐵質(zhì)瓷盤中，根據(jù)公式(1)計(jì)算出所需加入的水量，采用小噴壺噴灑計(jì)算得到的加水量，并將土和水拌勻，然后將土樣裝入小塑料桶中，蓋上桶蓋，桶蓋與塑料桶接觸處用保鮮膜包裹，以防水分蒸發(fā)，使得放置于塑料桶中的土體潤濕一晝夜[16]；將擊實(shí)筒（內(nèi)徑×筒高=61.8 mm×125 mm）安裝好，并在筒壁和底板上均勻地涂抹一薄層潤滑油，然后根據(jù)試驗(yàn)所需土量，稱取制備好的土體，將其分為4等份，分4層倒入擊實(shí)筒中內(nèi)，將土面整平，分層擊實(shí)，每層擊數(shù)保持一定，從而確保每層土的擊實(shí)功一致，需指出的是層與層之間的接觸面須刷毛[16]；將擊實(shí)筒從底座中取下，取下筒套，然后用修土刀輕擊擊實(shí)筒邊緣，使擊實(shí)筒中土柱與擊實(shí)筒分離，然后拆除擊實(shí)筒，即可獲得尺寸為61.8 mm×125 mm的擊實(shí)樣土樣[16]；將環(huán)刀刃口向下，放在制備完成的擊實(shí)樣土樣上，將環(huán)刀垂直下壓，直至土樣伸出環(huán)刀為止，再用修土刀削去兩端余土，并將土樣兩側(cè)修平，擦凈環(huán)刀外壁，稱取環(huán)刀、土樣總質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.1 g；放入第二個環(huán)刀，依照上一步驟，即將環(huán)刀刃口向下，放在制備完成的擊實(shí)樣土樣上，將環(huán)刀垂直下壓，直至土樣伸出環(huán)刀為止，再用修土刀削去兩端余土，并將土樣兩側(cè)修平，擦凈環(huán)刀外壁，稱取環(huán)刀、土樣總質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.1 g，重復(fù)3次，即可制備一組用于室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)的素土試樣[16]。

1.4.2 人工配制鹽漬土直剪試樣制備

根據(jù)試驗(yàn)所需土量，取其中的20 kg烘干后的素土，放置在橡皮墊上用木碾碾散，然后過篩（篩的孔徑為0.25 mm）；根據(jù)試驗(yàn)所需土量，將過篩的土平鋪在不吸水的鐵質(zhì)瓷盤中，根據(jù)公式（2）計(jì)算所需的加鹽量[16]，為了有效地避免硫酸鈉在溶解過程中的不易溶解現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致鹽漬土直剪試樣內(nèi)含鹽量分布的不均勻性，將無水硫酸鈉均以固體粉末的形式加入洗鹽試驗(yàn)后的素土試樣中，然后將無水硫酸鈉與素土拌勻；根據(jù)公式（1）計(jì)算所需加水量，用小噴壺噴灑計(jì)算得到的加水量，將水和土拌勻，然后將土樣裝入小塑料桶中，蓋上桶蓋，桶蓋與塑料桶接觸處用保鮮膜包裹，以防水分蒸發(fā)，使得放置于塑料桶中的土體潤濕一晝夜；其余步驟和素土直剪試樣制備過程相一致。

1.4.3 鹽漬土直剪試樣制備過程

將從試驗(yàn)區(qū)采集的鹽漬土放入烘箱中，在105℃的溫度下烘干，烘干時間為12 h，即可獲得烘干后的鹽漬土；根據(jù)試驗(yàn)所需土量，取其中的20 kg烘干后的鹽漬土，放在橡皮墊上用木碾碾散，然后過篩（篩的孔徑為0．25 mm）；其余步驟與素土直剪試樣制備過程相一致。

在此需要說明的是，上述步驟中公式（1）和公式（2）分別如下所示[17-18]：

式中ω為土體質(zhì)量含水量，%；mw為土體中水的質(zhì)量，g；msoil為土粒質(zhì)量，g。

式中m為人工配制鹽漬土中固體顆粒質(zhì)量，g；msalt為人工配制鹽漬土無水硫酸鈉摻入量，g；msoil為土粒質(zhì)量，g。

將制備完成的素土、人工配制鹽漬土和鹽漬土直剪試樣密封靜置24 h后，即進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，即在50、100、200、300 kPa等4級垂直壓力作用下，分別對洗鹽試驗(yàn)后制備的素土試樣、不同含鹽量梯度下的人工配制鹽漬土試樣和洗鹽試驗(yàn)前鹽漬土試樣等3種試樣進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為TSZ應(yīng)變控制型直剪儀，剪切應(yīng)變速率為2.4 mm/min，其具體試驗(yàn)操作方法按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[16]進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 洗鹽前與洗鹽后人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度變化特征

本項(xiàng)研究中，在實(shí)施的第6～12次洗鹽試驗(yàn)過程中，所測得的土體易溶含鹽量表現(xiàn)出呈逐漸減小的變化趨勢，當(dāng)洗鹽試驗(yàn)次數(shù)為13～16次時，含鹽量為0.74%～0.81%，即反映出在洗鹽試驗(yàn)后期，土體中的含鹽量基本趨于穩(wěn)定，如表2所示，故在進(jìn)行第16次洗鹽后即停止了洗鹽試驗(yàn)。由表2可知，在對研究區(qū)進(jìn)行鹽漬土洗鹽試驗(yàn)后，鹽漬土中的Cl-、K+、Na+、Ca2+等離子減少相對較為顯著，SO2-4等離子則相對變化不大。此外，洗鹽前、后鹽漬土的物理和化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由該表可知，洗鹽試驗(yàn)前、后鹽漬土中的含鹽量由2.17%降低為0.74%，土體中砂粒組分由33.0%降低至31.3%，黏粒含量則由11.8%增加至14.7%，土體pH值由洗鹽前的8.65降低至洗鹽后的8.01。

表5所示為洗鹽試驗(yàn)前、后土體試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力值和內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果。由該表可知，洗鹽試驗(yàn)前，土體的黏聚力值和內(nèi)摩擦角分別為6.7 kPa和24.6°；洗鹽試驗(yàn)后，土體黏聚力值和內(nèi)摩擦角值為14.8 kPa和26.5°。與洗鹽試驗(yàn)前相比，洗鹽試驗(yàn)后土體黏聚力值和內(nèi)摩擦角值分別增加120.90%和7.94%。這種洗鹽試驗(yàn)后土體黏聚力、內(nèi)摩擦角分別較洗鹽前增大的主要原因，是由洗鹽試驗(yàn)后土體試樣中的砂粒組分相對降低，而黏粒含量則相對增加所致；其次洗鹽試驗(yàn)后土體黏聚力、內(nèi)摩擦角增加的原因與土體試樣中鹽分含量變化亦有一定程度的關(guān)系，該研究結(jié)果與邴慧等[15]研究結(jié)果一致。

表5 研究區(qū)洗鹽試驗(yàn)前、后土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Testing results of shear strength indices for soil before and after salt-leaching in testing area

2.2 人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度與含鹽量關(guān)系

按不同的含鹽量梯度，在洗鹽試驗(yàn)后土體中摻入無水硫酸鈉（Na2SO4）后，本項(xiàng)研究分別對不同含鹽量梯度下的人工配制鹽漬土試樣，在50、100、200、300 kPa等4級垂直壓力作用下進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，得到不同含鹽量梯度下人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，如表6所示。由該表可知，在50、100、200、300 kPa等4級垂直壓力作用下，0.74%、2.17%、5.17%、8.17%、11.17%、14.17%等6個含鹽量梯度下人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度為32.9～ 193.1 kPa。此外，結(jié)合表6所示的不同含鹽量梯度下的人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，得到不同含鹽量梯度下的人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度與含鹽量關(guān)系。此外，由該表亦可知，對于人工配制鹽漬土試樣，當(dāng)含鹽量由0.74%增加至5.17%時，土體的抗剪強(qiáng)度由163.6 kPa減少至32.9 kPa，且人工配制鹽漬土試樣含鹽量由5.17%增加至14.17%時，其抗剪強(qiáng)度則由32.9 kPa增加至193.1 kPa，即土體抗剪強(qiáng)度隨含鹽量增加表現(xiàn)出先減小后增加的變化特征。

表6 研究區(qū)不同含鹽量梯度下土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Testing result of shear strength for salt-leached soil and artificially salinized soil with different salt contents in testing area

2.2.1 土體黏聚力值與含鹽量關(guān)系

已有結(jié)果表明，鹽漬土的含鹽量對其抗剪強(qiáng)度影響較大。在一定含水量時，少量鹽分可使土體黏聚力減小，內(nèi)摩擦角降低；但當(dāng)鹽分增加到一定程度后，鹽分在土體中形成結(jié)晶，結(jié)晶作用使土體黏聚力和內(nèi)摩擦角增大[14]。上述結(jié)論實(shí)質(zhì)上反映了鹽分對土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響存在一個閾值，即表現(xiàn)在當(dāng)土體中含有少量鹽分時，黏聚力和內(nèi)摩擦角均表現(xiàn)出降低的趨勢，而當(dāng)土體中的鹽分增加至一定程度且達(dá)到某一界限值時，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大，因此，該界限值即為閾值。本項(xiàng)研究中表7為不同含鹽量梯度下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，由該表可知，當(dāng)含鹽量為0.74%～14.17%時，6種含鹽量梯度下土體黏聚力值為8.3～24.1 kPa。此外，對表7做進(jìn)一步分析可知，在該鹽分梯度內(nèi)，存在含鹽量閾值，該值為5.17%，即當(dāng)含鹽量小于該值時，土體黏聚力隨著含鹽量增加表現(xiàn)出逐漸減小的變化特征；當(dāng)含鹽量大于該值時，土體黏聚力隨含鹽量增加表現(xiàn)出呈逐漸增加的變化特征。

表7 研究區(qū)不同含鹽量梯度下素土及人工配制鹽漬土試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Testing result of shearing strength indices of salt-leached soil and artificially salinized soil with different salt gradients in testing area

2.2.2 土體內(nèi)摩擦角與含鹽量關(guān)系

由表7可知，土體試樣含鹽量由0.74%增加至5.17%時，其內(nèi)摩擦角由26.5°降低至最小值26.1°，而當(dāng)土體含鹽量由5.17%增長至14.17%時，其內(nèi)摩擦角則由26.1°增加至29.1°，達(dá)到最大值。故由以上結(jié)果可知，土體含鹽量對土體內(nèi)摩擦角影響亦存在一閾值，且該值亦為5.17%。

綜上所述，本項(xiàng)研究中人工配制鹽漬土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量增加均表現(xiàn)出呈先減小后增加的變化趨勢，且黏聚力和內(nèi)摩擦角最小值所對應(yīng)的含鹽量均為5.17%，導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因在于硫酸鹽漬土含水量為定值條件下，當(dāng)該土體含鹽量較小時，土體中的鹽含量尚未達(dá)到飽和程度[17,19-20]，故鹽分溶解于水中，硫酸鈉以離子的形式存在于該土體中，從而導(dǎo)致土粒間距增大，使得土顆粒間的引力被削弱[17]；此外，該土體中存在的水分對土體的潤滑作用較為顯著，故宏觀上表現(xiàn)為硫酸鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角減小[17]。隨著該土體中硫酸鈉含量進(jìn)一步增多，且超過含鹽量閾值時，多余的硫酸鈉會以結(jié)晶鹽的形式析出[17,19-20]，結(jié)晶鹽作為固體顆粒的一部分起到膠結(jié)作用[17]，并填充于土體孔隙，從而增大了土粒間的摩擦作用，同時，硫酸鈉在重結(jié)晶過程會形成固體形態(tài)的芒硝，即Na2SO410H2O[19-22]，該過程會進(jìn)一步消耗土體中的水分，使得水分對土體的潤滑作用降低，從而進(jìn)一步增加土粒間的摩擦作用[17,19-20]，此外，飽和硫酸鈉的重結(jié)晶鹽亦構(gòu)成了土體的一部分骨架[17-19]，故硫酸鹽漬土在宏觀上表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量增加而增加[17,19-20]。

3 結(jié)論

1）洗鹽試驗(yàn)會引起土體含鹽量下降，且土體中粒徑級配程度亦會產(chǎn)生一定程度的變化，主要表現(xiàn)為砂粒組分的減少和黏粒組分的增加。由于受黏粒組分含量增加等因素影響，洗鹽試驗(yàn)后土體抗剪強(qiáng)度大于洗鹽試驗(yàn)前土體抗剪強(qiáng)度，且土體黏聚力值由洗鹽前的6.7 kPa增至洗鹽后的14.8 kPa，土體內(nèi)摩擦角則由洗鹽試驗(yàn)前的24.6°增至洗鹽后的26.5°。

2）含鹽量對土體抗剪強(qiáng)度及其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)亦產(chǎn)生一定程度影響，即存在一閾值含鹽量，當(dāng)含鹽量小于這一閾值含鹽量時，隨含鹽量增加土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力值、內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢；當(dāng)含鹽量大于該閾值含鹽量時，隨含鹽量增加土體黏聚力值與內(nèi)摩擦角則呈增長趨勢，本項(xiàng)研究所得到的界限含鹽量為5.17%，其黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為8.3 kPa和26.1°。

3）在設(shè)定的0.74%、2.17%、5.17%、8.17%、11.17%、14.17%等6個含鹽量梯度下，4級垂直壓力作用下土體抗剪強(qiáng)度為32.9～193.1 kPa，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力值為8.3～24.1 kPa，內(nèi)摩擦角為26.1～29.1°，其黏聚力值和內(nèi)摩擦角均隨含鹽量增加表現(xiàn)出呈先減小后增加的變化趨勢，且黏聚力最大減小幅度為43.92%，最大增幅為62.84%，內(nèi)摩擦角最大減小幅度為1.51%，最大增加幅度為9.81%。

[1]GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2] 柴壽喜，楊寶珠，王曉燕，等.渤海灣西岸濱海鹽漬土的鹽漬化特征分析[J].巖土力學(xué)，2008，29(5)：1217-1226. Chai Shouxi,Yang Baozhu,Wang Xiaoyan,et al.Analysis of salinization of saline soil in west coast area of Bohai gulf[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(5):1217-1226.(in Chinese with English abstract)

[3] 高江平，王永剛.鹽漬土工程與力學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展[J].力學(xué)與實(shí)踐，2011，33(4)：1-7. GaoJiangping,WangYonggang.Researchprogressinengineering and mechanical properties of the saline soil[J].Mechanics in Engineering,2011,33(4):1-7.(in Chinese with English abstract)

[4] 包衛(wèi)星，謝永利，楊曉華.天然鹽漬土凍融循環(huán)時水鹽遷移規(guī)律及強(qiáng)度變化試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(3)：380-385. Bao Weixing,Xie Yongli,Yang Xiaohua.A laboratory test study on water and salt migration in natural saline soils and association shear strength changes under freezing and thawing cycles[J]. Journal of Engineering Geology,2006,14(3):380-385.(in Chinese with English abstract)

[5] 尤蘇南.察爾汗鹽漬土工程特性與地基處理方法研究[J].工業(yè)建筑，2013，(sup.43)：450-454. You Sunan.Engineering properties of Qarham saline soil and studyonfoundationtreatmentmethods[J].IndustrialConstruction, 2013,(sup.43):450-454.(in Chinese with English abstract)

[6]張英，邴慧.含鹽凍土物理力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].冰川凍土，2013，35(6)：1527-1536. Zhang Ying,Bing Hui.Study of the physical and mechanical properties of saline frozen soil:research status and progress[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2013,35(6):1527-1535. (in Chinese with English abstract)

[7]錢玉林.鹽漬土力學(xué)性狀改性試驗(yàn)研究[J].工程勘察，2003，(5)：1-4. Qian Yulin.The experimental study on the mechanical property of improved salt soil[J].Geotechnical Investigation and Surveying, 2003,(5):1-4.(in Chinese with English abstract)

[8] 陳煒韜，李姝，王鷹.含鹽量、含鹽類別對鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響[J].鐵道建筑技術(shù)，2005，(6)：54-57. Chen Weitao,Li Shu,Wang Ying.Influence of shearing strength of salt bearing soil from salt content and salt sort[J].Railway Construction Technology,2005,(6):54-57.(in Chinese with English abstract)

[9] 洪安宇，楊曉松，黨進(jìn)謙，等.非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(4)：52-55. Hong Anyu,Yang Xiaosong,Dang Jinqian,et al.Shear strength property of unsaturated chlorine saline soil[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,30(4):52-55.(in Chinese with English abstract)

[10]張國輝，李建朋，于青春，等.含鹽量對松嫩平原碳酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19(1)：128-131. Zhang Guohui,Li Jianpeng,Yu Qingchun,et al.Influence of salt content on shearing strength of the carbonate saline soil in Songnen(Songhuajiang River-Nenjiang River)Plain[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2008,19(1): 128-131.(in Chinese with English abstract)

[11]楊曉松，黨進(jìn)謙，王利莉.飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].工程勘察，2008，(11)：6-9. Yang Xiaosong,Dang Jinqian,Wang Lili,et al.Shear strength property ofsaturated chlorine saline soil[J].Geotechnical Investigation and Surveying,2008,(11):6-9.(in Chinese with English abstract)

[12]張飛，胡小慶，劉亞薇，等.含鹽量對硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2014，(6):162-164. Zhang Fei,Hu Xiaoqing,Liu Yawei,et al.The experimental study on the influence of Na2SO4content on the shear strength of salt soil[J].Railway Engineering,2014,(6):162-164.(in Chinese with English abstract)

[13]孫世洲，孔令韶.青海省大柴旦盆地植被[J].西北植物學(xué)報(bào)，1992，12(1)：59-69. Sun Shizhou,Kong Lingshao.The vegetation of Daqaidam basin in Qinghai province[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,1992,12(1):59-69.(in Chinese with English abstract)

[14]工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[15]邴慧，武俊杰，鄧津.黃土狀鹽漬土洗鹽前后物理力學(xué)性質(zhì)的變化[J].冰川凍土，2011，33(4)：796-800. Bing Hui,Wu Junjie,Deng Jin.Variations of physical and mechanicalpropertiesofsalineloessbeforeandafterDesalting[J]. Journal of Geology and Geocryology,2011,33(4):796-800.(in Chinese with English abstract)

[16]SL237-1999，土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[17]李飛，王貴君，張季超.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[18]張克恭，劉松玉.土力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[19]張寧霞，劉保健，趙麗婭.氯鹽漬土的工程特性研究[J].工程勘察，2012，(6)：14-17. Zhang Ningxia,Liu Baojian,Zhao Liya.Study on engineering characteristics of chlorine saline soil[J].Geotechnical Investigation and Surveying,2012,(6):14-17.(in Chinese with English abstract)

[20]楊曉琴，梁衛(wèi)國，張傳達(dá)，等.不同溫度下鈣芒硝礦溶解細(xì)觀結(jié)構(gòu)顯微CT試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(12)：2031-2037. Yang Xiaoqin,Liang Weiguo,Zhang Chuanda,etal. Experimental study on meso-structure of glauberite soaked in water under different temperature[J].Journal of China Coal Society,2012,37(12):2031-2037.(in Chinese with English abstract)

[21]楊立斌，杜娟，沙作良，等.十水硫酸鈉冷卻結(jié)晶動力學(xué)的研究[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2009，41(4)：18-20. Yang Libin,Du Juan,Sha Zuoliang,et al.Crystallization kinetics of cooling sodium sulfate decahydrate[J].Inorganic Chemical Industry,2009,41(4):18-20.(in Chinese with English abstract)

[22]趙天宇，張虎元，王志碩，等.含氯硫酸鹽漬土中硫酸鈉結(jié)晶量理論分析研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(7)：1340-1346. Zhao Tianyu,Zhang Huyuan,Wang Zhishuo,et al.Theoretical analysis of crystallization of sodium sulphate for sulphate saline soil containing chloride[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(7):1340-1346.(in Chinese with English abstract)

Effect of salt content on shear strength of sulfurous saline soil

Fu Jiangtao1,2,Li Yuezhou1,2,Hu Xiasong1,3※,Yu Dongmei1,Zhao Dan1,2,Liu Yabin1,2,Qi Zhaoxin1,2
(1.Qinghai Institute of Salt Lakes,Chinese Academy of Sciences,Xining,810008,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Department of Geological Engineering,Qinghai University,Xining,810016,China)

To investigate the influence of salt content on the shear strength of salinized soil as well as the relationship between cohesion force,internal friction angle and salt content,the Da Qaidam Salt Lake and surrounding areas located in the Qaidam Basin,Qinghai Province,have been selected as the testing area.The salinized soil samples at 0～30 cm beneath the ground surface have been collected and meanwhile salt-leaching tests on these collected salinized soil samples have been conducted to produce salt-leached soil.On the basis of the procedures mentioned above,according to the type and salinization degrees of the collected salinized soil,anhydrous sodium sulphate(Na2SO4)with different masses has been separately added into the salt-leached soil to make artificial sulphate saline soil with 6 salt gradients,and then direct shear tests have been conducted on these artificial sulphate saline soil to further investigate the influence of salt content on the shear strength,as well as the shear strength indices such as cohesion force and internal frictional angle.The results are as follows:after salt-leaching tests,soluble salt ions′content and pH value are markedly lower than the counterparts before salt-leaching.Total ion content decreases from 2.165 0%to 0.74%,which is lower than the value before salt-leaching and pH value decreases from 8.65 to 8.01.Moreover,after salt leaching,soil grain composition has changed by some extent, sand is reduced from 33.0%to 31.3%,silt is declined from 55.2%to 54.0%,and clay particle is increased from 11.8%to 14.7%,respectively.Meanwhile,as the soil density and moisture content are 1.41 g/cm3and 25.68%respectively,the cohesion force and internal friction angle for salt-leached soil are 14.8 kPa and 26.5°,which are higher than the counterparts(6.7 kPa and 24.6°,respectively)for salinized soil before salt leaching.With different salt contents,the cohesion force and internal frictional angle of the artificially salinized soil exhibit an trend of initial decreasing and then increasing as the salt content increases.And further study results show when salt content increases from 0.74%to 5.17%, the cohesion force and internal frictional angle for artificially salinized soil gradually decline,and as salt content increases from 5.17%to 14.17%,the cohesion force and internal frictional angle for artificially salinized soil increase gradually.And as salt content is 5.17%,the corresponding cohesion force and internal frictional angle for artificially salinized soil are 8.3 kPa and 26.1°,respectively,which are both the minimum values.So the corresponding salt content value is the threshold value of the artificial sulphate saline soil,which indicates that there exists a threshold value for sulfate saline soil.As the salt content is below this value,the cohesion force and internal friction angle decline with salt content increasing,and as the salt content is beyond this value,the cohesion force and internal friction angle increase with salt content increasing.The achievement has theoretical and practical significance in further exploring the influence of various salt contents on the cohesion force and internal friction angle as well as on the shear strength of the salinized soil.And this study can also serve as a basis for the further studies on the engineering characteristics of salinized soil.

soils;salt;Qaidam Basin;salt-leaching test;artificially salinized soil;shear strength;salt content threshold value

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.021

S157

A

1002-6819（2016）-06-0155-07

2015-09-18

2016-01-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41162010；41572306）；中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”資助項(xiàng)目（Y110091025）；中國科學(xué)院青海鹽湖所“青年基金”項(xiàng)目資助（Y360441058）

付江濤（1981－），男，陜西漢中人，博士生，主要從事環(huán)境巖土工程與巖土工程穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算研究，西寧 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，810008。Email:fujiangtao865＠sina．com

※通信作者：胡夏嵩（1965-），男，研究員，主要從事環(huán)境巖土工程與地質(zhì)工程等方面的教學(xué)與研究工作。西寧 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，810008。Email:huxiasong＠tsinghua．org．cn