硫酸鈉濃度對黃土強度影響的試驗研究*

賈艷軍 莊建琦② 王 穎 趙 勇 牛鵬堯 賈珂程

( ①長安大學地質工程與測繪學院 西安 710054)

( ②長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室 西安 710054)

0 引 言

黃土是第四紀時期以粉粒為主，富含鈣質的褐黃色、黃白色的風成堆積物，具有大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、滲透性良好、易崩解和濕陷等特點。在黑方臺灌區(qū)，黃河灌溉水流經巖土體的過程中，攜帶走在細粒土中起膠結作用的大量易溶鹽且與黃土內礦物發(fā)生破壞微觀結構的水－巖( 土) 相互作用，導致峰值和殘余剪切強度降低，誘發(fā)了災難性高速遠程黃土滑坡，造成了巨大的生命和財產損失( 李志強等，2017) 。在蘭州及其周邊地區(qū)，灌溉水滲出過程中溶解并淋濾了其中的可溶鹽，在水－土物理作用下降低了紅層風化泥巖的抗剪強度( 何蕾，2014) 。

研究表明孔隙水中離子濃度及成分影響土體的性質( Wen et al.，2012) 。一方面，孔隙水中離子濃度在一定范圍內變化才會影響土體的性質，例如NaCl 濃度在0～1 mol·L－1范圍內變化對鈉－膨潤土的殘余剪切強度影響顯著，而NaCl 濃度在1 mol·L－1到飽和范圍內變化不會顯著影響鈉－膨潤土的殘余剪切強度( Di Maio，1996a) 。另一方面，不同孔隙水成分對土體的剪切強度影響不同( Man et al.，2010; Scaringi，2016) ，例如氫氧化鈣與六偏磷酸鈉對土體強度的影響不同( Ramiah et al.，1970) 。最后，同一孔隙水中離子對不同土體影響不同，例如氯化鈉溶液飽和高嶺土不會影響其剪切強度，但氯化鈉溶液飽和膨潤土會顯著影響其剪切強度( Di Maio et al.，1994) 。

一些學者研究了孔隙水中離子對黃土強度的影響。盧雪清( 2012) 通過三軸試驗研究易溶鹽、難溶鹽及碳酸鹽含量變化對黃土強度特性的影響。張帆宇( 2013) 通過環(huán)剪試驗研究不同濃度氯化鈉溶液飽和黃土后的強度，發(fā)現(xiàn)黃土的強度隨氯化鈉濃度的增加先增大后減小。李姝( 2016) 研究了黃土中離子不同程度減少后的強度，得出離子減少后黃土的強度降低。黃土中含有Na+、Ca2+、CI－、最多，在灌溉入滲的過程中，這些離子會隨著水淋濾流失，從而影響到黃土的強度。黃土含有的陽離子中Na+最多，陰離子中CI－最多，因為NaCl 濃度對黃土強度的影響已被研究，所以選擇Na2SO4來研究其對黃土強度的影響。為豐富孔隙水中離子濃度對黃土強度影響的試驗研究，本文以甘肅黑方臺黃土為研究對象，用不同濃度硫酸鈉溶液配制18%含水量的土樣，通過三軸試驗研究硫酸鈉濃度對黃土強度的影響。

1 材料與方法

1.1 黃 土

黃土樣取自黑臺滑坡后壁。通過Bettersize2000激光粒度分布儀分析了黃土的粒徑分布，圖1 是黃土的粒徑級配曲線，有效粒徑d10為6 μm，控制粒徑d60為40 μm，不均勻系數(shù)Cu為6.67，曲率系數(shù)Cc為1.67，黃土中黏粒含量為 8.56%，粉粒含量74.22%，砂粒含量17.22%。黃土的一些基本物理性質參數(shù)如表1 所示。

圖1 黃土的粒徑級配曲線Fig. 1 Particle-size distribution curve of loess

表1 黃土的基本物理性質參數(shù)Table 1 The basic physical property parameters of the loess

將100 g 黃土和200 g 蒸餾水混合裝入塑料瓶中，靜置，浸泡20 d，用注射器抽取瓶中的上層清液，過0.45 μm 的水相濾頭后，保存于新塑料瓶中，然后測其K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI－、、、－、的濃度( 單位: mg·L－1) ( 李姝，2016) 。上層清液的離子濃度如表2 所示，從中可以看出，黃土中含有K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI－、、、，在水進入黃土過程中這些離子會溶于水被水帶走，從而影響黃土的結構和強度。

表2 上層清液的離子濃度Table 2 Ion concentration of supernatant liquid

1.2 溶 液

用天平稱取60 g 的無水硫酸鈉，把準確稱量好的無水硫酸鈉放在燒杯中，用少量蒸餾水溶解，然后將溶液轉移到1000 mL 容量瓶里。為保證無水硫酸鈉能全部轉移到1000 mL 容量瓶中，要用蒸餾水多次洗滌燒杯，并把洗滌溶液全部轉移到1000 mL 容量瓶里。向1000 mL 容量瓶內加入的液體液面離標線1 cm 左右時，應改用滴管滴加，最后使液體的彎月面與標線正好相切。蓋緊瓶塞，用倒轉和搖動的方法使瓶內的液體混合均勻。至此就配制成功60 g·L－1的硫酸鈉溶液。用同樣的方法分別配制120 g·L－1、150 g·L－1、180 g·L－1、210 g·L－1的硫酸鈉溶液。

1.3 試驗方法

將黃土過2 mm 標準篩后放入烘箱內，在100 ℃溫度下烘烤24 h 以去除土體中的水分，然后用不同濃度的硫酸鈉溶液制備含水量為18%的土樣。密封靜置24 h 后，將土樣制成直徑為39.1 mm、高度為80 mm 的試樣( 干密度為1.54 g·cm－3) 。安裝好試樣后，進行等壓固結不排水試驗( ICU) ，圍壓設定為100 kPa、200 kPa、300 kPa，剪 切 速 率 設 定 為0.6 mm·min－1，固結排水30 min 后關閉排水閥門，開始剪切試驗，每剪切0.02 mm 取一個試驗數(shù)據(jù)，最大變形量達到25 mm 時結束試驗。

2 試驗結果

2.1 硫酸鈉濃度和圍壓對黃土強度的影響

圖2 ～圖4 是黃土在不同硫酸鈉濃度及圍壓下的應力－應變曲線。從圖2 ～圖4 中可以看出，在不同圍壓下，黃土都表現(xiàn)出一定的應力軟化現(xiàn)象，可以觀測到明顯的峰值。硫酸鈉濃度對黃土強度有明顯影響，在本文所研究的硫酸鈉濃度范圍內，在同一應變下，隨著硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1，黃土的強度減小，硫酸鈉濃度從60 g·L－1增加到210 g·L－1，黃土的強度增大。

圖2 100 kPa 圍壓下的應力－應變曲線Fig. 2 Stress-strain curve with the confining pressure of 100 kPa

圖3 200 kPa 圍壓下的應力－應變曲線Fig. 3 Stress-strain curve with the confining pressure of 200 kPa

以硫酸鈉濃度為橫軸，以同一圍壓下的黃土的峰值強度及應變?yōu)?5%時的黃土強度為縱軸繪出不同圍壓下黃土的峰值強度、殘余強度與硫酸鈉濃度的關系曲線圖，如圖5～圖7 所示，在同一圍壓下，黃土的峰值剪切強度和殘余剪切強度受硫酸鈉濃度的影響，具體表現(xiàn)為:在100 kPa、200 kPa、300 kPa 圍壓下，隨硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1，黃土的峰值強度分別減小了9.7 kPa、19.3 kPa、18 kPa，硫酸鈉濃度從60 g·L－1增加到210 g·L－1，黃土的峰值強度分別增大了64.5 kPa、82 kPa、107.4 kPa; 殘余強度隨硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1分別減小了3.2 kPa、13.6 kPa、4.2 kPa，硫酸鈉濃度從60 g·L－1增加到210 g·L－1，黃土的殘余強度分別增大了56.4 kPa、68.4 kPa、88.6 kPa。

圖4 300 kPa 圍壓下的應力－應變曲線Fig. 4 Stress-strain curve with the confining pressure of 300 kPa

圖5 100 kPa 圍壓下硫酸鈉濃度與黃土強度關系Fig. 5 Relationship between the concentration of sodium sulfate and strength of loess with the confining pressure of 100 kPa

圖6 200 kPa 圍壓下硫酸鈉濃度與黃土強度關系Fig. 6 Relationship between the concentration of sodium sulfate and strength of loess with the confining pressure of 200 kPa

圖7 300 kPa 圍壓下硫酸鈉濃度與黃土強度關系Fig. 7 Relationship between the concentration of sodium sulfateand strength of loess with the confining pressure of 300 kPa

2.2 硫酸鈉濃度對黃土抗剪強度指標的影響規(guī)律

總應力強度參數(shù)c、φ 值可由應力莫爾圓和相關表達式( 1) 和( 2) 求得:

根據(jù)三軸試驗的數(shù)據(jù)繪制了同一硫酸鈉濃度下不同圍壓下黃土的應力莫爾圓，將3 個圍壓下黃土的應力莫爾圓頂點連成一條直線－總應力破壞主應力線( Kf線) ，Kf線與p 軸的傾角為α，在q 軸上的截距為a，利用式( 1) 、式( 2) 可計算出總應力強度參數(shù)c、φ 值，由總應力強度參數(shù)可得到總強度包線( τf線) 。

表3 不同硫酸鈉濃度下黃土的強度參數(shù)Table 3 Strength parameters of loess under different concentration of sodium sulfate

圖8 不同硫酸鈉濃度下黃土的應力莫爾圓Fig. 8 Stress molar circle of loess at different concentration of sodium sulfate

圖9 黃土總內摩擦角、有效內摩擦角、總黏聚力、有效黏聚力與硫酸鈉濃度關系Fig. 9 Relationship between total internal friction angle，effective internal friction angle，total cohesive force，effective cohesive force of loess and concentration of sodium sulfate

同理可以求得有效應力強度參數(shù)c' 和φ'。不同硫酸鈉濃度下黃土的總應力強度參數(shù)和有效應力強度參數(shù)如表3 所示。不同硫酸鈉濃度下黃土的Kf線、τf線、有效應力破壞主應力線( K'f 線) 、有效強度包線( τ'f 線) 和應力莫爾圓如圖8a～圖8f 所示。

在干密度1.54 g·cm－3、硫酸鈉濃度不同的條件下，以硫酸鈉濃度為橫軸，以黃土的抗剪強度指標為縱軸繪出黃土總黏聚力、總內摩擦角、有效黏聚力、有效內摩擦角與硫酸鈉濃度的關系曲線圖，如圖9所示:在干密度相同的條件下，隨硫酸鈉濃度從0 到60 g·L－1，黃土的總內摩擦角減小，硫酸鈉濃度從60 g·L－1到120 g·L－1，黃土的總內摩擦角幾乎不變，硫酸鈉濃度從120 g·L－1到210 g·L－1，黃土的總內摩擦角增大; 隨硫酸鈉濃度從0 到60 g·L－1，黃土的有效內摩擦角減小，硫酸鈉濃度從 60 g·L－1到210 g·L－1，黃土的有效內摩擦角增大; 隨硫酸鈉濃度從0 到60 g·L－1，黃土的總黏聚力減小，硫酸鈉濃度從60 g·L－1到210 g·L－1，黃土的總黏聚力增大;硫酸鈉濃度從0 到210 g·L－1，黃土的有效黏聚力單調增大。

圖10 不同硫酸鈉濃度的黃土SEM 圖Fig. 10 SEM image of loess at different concentration of sodium sulfate

3 硫酸鈉濃度對黃土強度影響的機理

黏粒含量少于10%的黃土剪切強度對孔隙水中離子濃度變化非常敏感，這與比表面積大的黏粒之間的物理化學相互作用相關( 張帆宇，2011) 。隨著孔隙水中離子濃度的增大，由于離子向內擴散或向內滲透流入黏粒之間，黏粒的雙電層厚度減小，黏粒之間的物理化學力增加，形成比黏粒更粗糙的顆粒集合體( Sridharan et al.，1999; Wen et al.，2012;Zhang et al.，2013; Fan et al.，2017) 。

從圖10 中可以看出，隨著硫酸鈉濃度的增加，黃土中的顆粒集合體越多越大，這是因為硫酸鈉濃度增大時，擴散或滲透進入黏粒之間的硫酸鈉會更多，這樣黏粒的雙電層厚度減小，這會使黏粒之間的靜電斥力減小、范德華引力增大，黏粒間連結力顯著增強，所以黏粒形成更多更大的顆粒集合體。當硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1時，黏粒形成的顆粒集合體充當大顆粒間的接觸或填充于大顆?？紫吨校箢w粒間的顆粒集合體接觸更易于破壞，所以黃土的強度減小; 當硫酸鈉濃度從60 g·L－1繼續(xù)增大時，充當大顆粒間接觸的顆粒集合體更大，所以不易破壞，從而黃土的強度增大。

4 結 論

( 1) 同一圍壓下，隨硫酸鈉濃度從0 增大到210 g·L－1，黃土峰值剪切強度和殘余剪切強度先減小再增大。

( 2) 在干密度相同條件下，隨硫酸鈉濃度從0增大到210 g·L－1，黃土的總內摩擦角、總黏聚力、有效內摩擦角先減小再增大，黃土的有效黏聚力單調增大。

(3) 硫酸鈉濃度的增大會減小黏粒的雙電層厚度，使黏粒之間的力增強，從而黏粒的顆粒集合體增多，進而影響黃土的強度。