易溶鹽濃度對黃土抗剪強度影響研究

摘 要：本次研究通過室內(nèi)試驗，將原狀黃土土樣處理后采用浸泡不同濃度易溶鹽溶液的方法進(jìn)行處理，以模擬長期下雨滲流后鹽分變化的土體，然后進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗研究，分析鹽分的變化對黃土強度特性的影響。結(jié)果表明：土樣中易溶鹽含量的變化會使得土樣的電導(dǎo)率發(fā)生變化，進(jìn)而黃土的抗剪強度指標(biāo)發(fā)生明顯變化，黃土的粘聚力隨易溶鹽含量呈遞增趨勢，內(nèi)摩擦角也發(fā)生不同程度的變化。

關(guān)鍵詞：黃土；易溶鹽；電導(dǎo)率；強度

工程地質(zhì)勘察中黃土的粘聚力、內(nèi)摩擦角是有局限性的。一般情況下，粘聚力、內(nèi)摩擦角不是一個定值，是受很多因素共同決定的，如土方的開挖、降水，土樣的擾動等。以粘聚力和內(nèi)摩擦角的最不利值進(jìn)行工程設(shè)計能更好地保證工程的安全，因此研究土的抗剪強度指標(biāo)與其影響因素的關(guān)系是非常有必要的。

王海濤、張遠(yuǎn)芳[1]等人研究選取羅布泊地區(qū)兩種典型天然細(xì)粒鹽漬土，進(jìn)行易溶鹽試驗和電導(dǎo)率測定。結(jié)果表明，該地區(qū)鹽漬土易溶鹽含量與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，隨著含鹽量增加電導(dǎo)率增加。徐龍飛、張愛軍[2]等人通過對4種不同碳酸鈣含量的黃土試樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗，研究了黃土在不同初始含水率、不同圍壓、不同干密度下的強度特性，進(jìn)而分析碳酸鈣含量變化對土體強度特性的影響。梁建偉、房營光[3]等人先通過對一系列含鹽量即不同空隙液離子濃度下的人工土進(jìn)行常規(guī)直剪與液塑限試驗，同時測定人工土的陽離子交換量與比表面積等微細(xì)觀參數(shù)用于計算顆粒的表面電位，建立抗剪強度與表面電位之間的關(guān)系，繪制二者之間的相位關(guān)系分析圖得出結(jié)論。柴壽喜、楊寶珠[4]等人做了“含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學(xué)強度影響試驗研究”，隨著含鹽量的增加，改變了土的顆粒級配和微結(jié)構(gòu)形式，使土的力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。無側(cè)限抗壓試驗和三軸壓縮試驗結(jié)果表明，隨著含鹽量的增加，石灰固化土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度降低，隨含鹽量的增加，固化土試樣浸水和不浸水無側(cè)限抗壓強度之間的差值越來越小。趙星潔[5]研究了“土壤中易溶鹽含量的快速測定”，該文介紹了一種對土壤中易溶鹽含量進(jìn)行快速測定的方法。該方法采用離心微孔濾膜過濾，依據(jù)土樣分類建立起分類EC易溶鹽含量的線性關(guān)系曲線，利用電導(dǎo)率計算含鹽量。該方法實驗步驟少，具有測定快速、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性好的特點。所以文章不同易溶鹽含量通過電導(dǎo)率儀來測定。

1 材料及方法

1.1 原狀黃土的基本物理性質(zhì)

本次試驗土樣為第四紀(jì)馬蘭黃土，采取土樣深度在5.5m左右的剖面上，采樣環(huán)刀均為直徑0.618m，高0.02m。原狀黃土的天然含水率為w=15.5%，原狀黃土的濕密度為？籽0=■，干密度為？籽d=■，原狀黃土的液限？棕L=34.18%，塑限？棕P=23.06%，則該場地黃土的塑性指數(shù)為IP11.12，黃土的液性指數(shù)為IL-0.68；按塑性指數(shù)IP來分類該場地黃土屬于中塑性黃土；按液性指數(shù)IL對黃土的天然稠度狀態(tài)分類，該黃土是堅硬的。該原狀黃土的內(nèi)聚力C=18.8kpa，內(nèi)摩擦角？漬=40.36°，則得出該地區(qū)黃土的庫倫公式為？子f=18.8+0.85？啄。

1.2 試驗方案

（1）先配置8%、10%、12%、15%、18%等五組不同濃度的NaCl溶液各1000ml，待其充分溶解后測定其電導(dǎo)率值，然后繪制不同濃度易溶鹽溶液電導(dǎo)率曲線圖。

（2）采集環(huán)刀土樣7組，每組4個環(huán)刀，一組原狀黃土用于直剪試驗[7]，一組浸泡蒸餾水，五組環(huán)刀土樣分別浸泡在不同濃度的NaCl溶液，浸泡環(huán)刀黃土24h后，測定其溶液電導(dǎo)率，浸泡后的電導(dǎo)率曲線圖。

（3）將六組浸泡不同濃度易溶鹽的環(huán)刀土樣，24 h后分別做環(huán)刀黃土的直剪試驗。

（4）數(shù)據(jù)的處理，利用Origin軟件繪制七種不同環(huán)刀土樣的剪切變形曲線；繪制電導(dǎo)率K與黃土內(nèi)摩擦角？漬的關(guān)系曲線圖；繪制電導(dǎo)率儀K與粘聚力？漬的關(guān)系曲線圖；擬合不同電導(dǎo)率K值下的剪切變形曲線。

2 不同易溶鹽含量下黃土抗剪強度試驗結(jié)果分析

2.1 浸泡前后不同易溶鹽濃度下電導(dǎo)率變化曲線圖

通過繪制黃土浸泡前后不同易溶鹽濃度下電導(dǎo)率變化曲線圖1，從圖1明顯可以看出，黃土浸泡前后不同易溶鹽濃度的電導(dǎo)率均為遞增趨勢，但在同一濃度易溶鹽溶液浸泡后較浸泡前有所減小，造成這種結(jié)果的主要原因是黃土中總鹽含量為16%左右，其中易溶鹽含量約占0.4%-1.2%，而鹽溶液中的鹽分通過溶解在水中吸附在黃土中孔隙之中，從而造成鹽溶液離子濃度減小，導(dǎo)電率較浸泡前同時也減小。

2.2 浸泡后不同電導(dǎo)率下剪切變形曲線對比圖

（1）浸泡后不同電導(dǎo)率下黃土內(nèi)摩擦角？漬變化趨勢如圖2。

從圖2可以看出，黃土內(nèi)摩擦角？漬與電導(dǎo)率K（代表黃土含鹽量）呈非線性關(guān)系，黃土內(nèi)摩擦角？漬有一個特殊拐點，該電導(dǎo)率點處的內(nèi)摩擦角值最小，隨后內(nèi)摩擦角？漬隨電導(dǎo)率K呈遞增趨勢，變化范圍在22°～32°之間。

（2）浸泡后不同電導(dǎo)率下黃土粘聚力C變化趨勢如圖3。

從圖3可以看出粘聚力隨著電導(dǎo)率呈非線性遞增趨勢，即黃土中易溶鹽含量越高，黃土的粘聚力也會變大。

（3）利用Origin軟件線性擬合浸泡后黃土的直剪試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1。

浸泡不同濃度易溶鹽24h后，且測定其電導(dǎo)率值K（見圖1），其環(huán)刀土樣在不同電導(dǎo)率下剪切變形曲線對比如圖4。

隨著易溶鹽含量的增加，黃土的抗剪強度指標(biāo)發(fā)生明顯變化，黃土的粘聚力隨易溶鹽含量呈遞增趨勢，內(nèi)摩擦角也發(fā)生不同程度的變化，說明土中的鹽分對土強度存在影響。

易溶鹽含量變化對黃土強度的影響表現(xiàn)為：相同垂直壓力下，其影響隨含水率的增大而減小，含水率越高影響越小，含水率越低其影響反而越大；相同垂直壓力情況下，其影響隨含鹽量的增大而增大，含鹽量越高影響越大，含鹽量越低其影響越小。

3 直剪試驗過程數(shù)值模擬

3.1 直剪試驗?zāi)Ｐ徒?/p>

3.1.1 環(huán)刀模型建立

本次原狀黃土剪切變形試驗先運用Geostudio軟件中的SIGMA/W模型建立原狀黃土的直剪試驗?zāi)Ｐ?，然后模擬其原狀黃土的剪切變形狀況。環(huán)刀模型的建立如圖5，環(huán)刀土樣直剪模型的水平方向劃分為30個小網(wǎng)格，垂直方向劃分為10個小網(wǎng)格。

3.1.2 邊界條件

由于在直剪試驗過程中，環(huán)刀土樣上半部分施加垂直方向的壓力？啄，上半部分兩邊固定不允許產(chǎn)生水平方向的位移；而環(huán)刀土樣下半部分左邊施加水平方向的剪應(yīng)力？子，底端不允許產(chǎn)生豎直方向的位移。其垂直方向的壓力？啄和水平方向的剪應(yīng)力？子選取見表2。

3.1.3 計算參數(shù)選取

本次模擬剪切變形試驗的綠色區(qū)域為黃土試樣，其環(huán)刀黃土所受垂直壓力？啄=100kpa和剪應(yīng)力？子=105.28kpa與黃土的粘聚力C和內(nèi)摩擦角？漬的選取見表2：

3.2 直剪過程模擬及結(jié)果分析

3.2.1 垂直壓力？啄=100kPa的直剪試驗?zāi)M

原狀黃土在垂直壓力？啄=100kPa和剪應(yīng)力？子=105.28kPa的作用下發(fā)生剪切變形破壞，其X方向的剪切位移圖6呈現(xiàn)左右對稱分布，上半部分中間位移量最大，向兩邊同時呈遞減；而下半部分中間位移量最小，向兩邊呈遞增趨勢。右下角粉紅區(qū)域X位移量最大0.0013m，左上角和右上角藍(lán)色區(qū)域X位移量最小0.0001m。從Y方向的剪切位移圖7可以看出，位移量從上到下依次遞減。原狀黃土X-Y方向的剪應(yīng)變圖8可以看出應(yīng)變量從剪切面中間處向兩邊遞增。原狀黃土X-Y方向的剪應(yīng)力圖9得出，剪應(yīng)力值從剪切面破壞處附近向兩邊呈遞增趨勢。從圖10可以得出，剪切破壞面附近處Y方向的位移量左邊最大，右邊Y方向的位移量最小。從圖11原狀黃土X-Y剪應(yīng)力分布值可以得出，X-Y方向剪應(yīng)力值從剪切破壞面附近向兩邊呈遞增趨勢，而X-Y方向剪應(yīng)力最小值在0.002m附近，最大值在0.06m附近。

4 結(jié)論

文章研究了土體中易溶鹽含量與黃土抗剪強度之間的關(guān)系。由于試驗條件和時間的限制，黃土浸泡不同濃度的易溶鹽溶液24h后，假定其電導(dǎo)率不再變化，測定其電導(dǎo)率代表浸泡后的鹽含量。分析整理試驗數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：

（1）土樣中鹽分含量的變化會使得土樣的電導(dǎo)率發(fā)生變化，黃土浸泡前后不同易溶鹽濃度的電導(dǎo)率均為遞增趨勢，但在同一濃度易溶鹽溶液浸泡后較浸泡前有所減小，造成這種結(jié)果的主要原因是黃土中總鹽含量為16%左右，其中易溶鹽含量約占0.4%-1.2%，而鹽溶液中的鹽分通過溶解在水中吸附在黃土中孔隙之中，從而造成鹽溶液離子濃度減小，導(dǎo)電率較浸泡前同時也減小。

（2）隨著易溶鹽含量的增加，黃土的抗剪強度指標(biāo)發(fā)生明顯變化，黃土的粘聚力隨易溶鹽含量呈遞增趨勢，內(nèi)摩擦角也發(fā)生不同程度的變化，說明土中的鹽分對土強度存在影響。

（3）易溶鹽含量對黃土強度的影響表現(xiàn)為：相同圍壓情況下，其影響隨含水率的增大而減小，含水率越高影響越小，含水率越低其影響反而越大；相同圍壓情況下，其影響隨含鹽量的增大而增大，含鹽量越高影響越大，含鹽量越低其影響越小。

參考文獻(xiàn)

[1]王海濤，張遠(yuǎn)芳，慈軍，等. 羅布泊鹽漬土含鹽量與電導(dǎo)率及稠度指標(biāo)的關(guān)系[J].水利與建筑工程學(xué)報，2013，11（5）：14-17.

[2]徐龍飛，張愛軍，張宇齊，等.不同碳酸鈣含量黃土強度特性的研究[J].人民黃河，2013，35（9）：135-138.

[3]梁建偉，房營光，陳松.含鹽量對極細(xì)顆粒粘土強度影響的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28：3821-3829.

[4]柴壽喜，楊寶珠，王曉燕，等.含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學(xué)強度影響試驗研究[J].巖土力學(xué)學(xué)報，2008，29（7）：1770-1772.

[5]趙星潔.土壤中易溶鹽含量的快速測定[J].城市道橋與防洪，2013（12）：183-186.

[6]中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999.土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社.

[7]唐大雄.工程巖土學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1999.

作者簡介：李冬陽（1991-），男，陜西渭南人，在讀碩士研究生，研究方向：巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應(yīng)。