鈉鹽累積對黃土工程性質(zhì)的影響研究

杜宇航 楊秀娟 樊恒輝 武雷杰 羅述偉

摘?要：鈉鹽累積對黃土的基本物理化學(xué)性質(zhì)及工程性質(zhì)有重要影響。以楊凌黃土為研究對象，通過添加不同質(zhì)量的氯化鈉溶液，人工制備鈉鹽含量分別為0.1%、0.3%、0.5%、1.0%和2.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鈉鹽土樣，設(shè)置其含水率分別為13%、16%和19%，干密度分別為1.38、1.48、1.58、1.68 g/cm3，進行相對密度、酸堿度、擊實、滲透、直剪及掃描電鏡試驗，分析鈉鹽含量、干密度和含水率對黃土基本性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：隨著氯化鈉含量的增加，土樣相對密度、最優(yōu)含水率及滲透系數(shù)逐漸減小，掃描電鏡顯示顆粒團聚、孔隙變大現(xiàn)象加劇，黏聚力總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在13%和16%含水率時，內(nèi)摩擦角在30°至40°之間波動，但在含水率較大時呈現(xiàn)W形。研究結(jié)果可為鹽漬化過程中黃土地區(qū)的工程建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：環(huán)境巖土工程;鹽漬土;黃土;鈉鹽含量;工程性質(zhì)

中圖分類號：TV16;TV411?文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.029

Abstract：The accumulation of sodium salt has an important influence to the basic physical and chemical properties and engineering properties of loess. Taking Yangling loess as the research object， the sodium salt samples with the salt content of 0.1%， 0.3%， 0.5%， 1.0% and 2.0% （mass fraction） were artificially prepared by adding different quality sodium chloride solutions. The water content was 13%， 16% and 19%， and the dry density was 1.38 g/cm3， 1.48 g/cm3， 1.58 g/cm3and 1.68 g/cm3， respectively. The relative density， pH， compaction and penetration of soil particles were respectively carried out. Direct shear and scanning electron microscopy experiments were carried out to analyze the effects of sodium salt content， dry density and water content on the basic properties of loess. The results show that with the increase of sodium chloride content， the relative density of soil particles， the optimum water content and the permeability coefficient decrease gradually. Scanning electron microscopy show an increase in particle agglomeration and pore enlargement. The cohesive force generally increases first and then decreases. When the water content is 13% and 16%， the internal friction angle fluctuates between 30° and 40°， but exhibits “W” shape when the water content is high. The research results provide reference for the construction of the loess area during the salinization process.

Key words： environmental geotechnical engineering; saline soil; loess; sodium salt content; engineering property

鹽漬土是鹽土、堿土及各種鹽化、堿化土的總稱，遇水后發(fā)生溶陷、鹽脹等現(xiàn)象，為工程建設(shè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害[1-2]。我國西北黃土地區(qū)地處干旱半干旱區(qū)域，蒸發(fā)過量、灌溉不利等因素導(dǎo)致土體中鹽分含量逐漸增加、土體鹽漬化程度嚴(yán)重。

國內(nèi)外科研人員針對鹽漬土的工程性質(zhì)開展了廣泛研究，并取得了不少成果[3-4]。諶文武等[5-6]對氯鹽和硫酸鹽的液塑限與界限含水率的研究認(rèn)為，鹽會導(dǎo)致黏粒含量變化，從而對液塑限產(chǎn)生影響，同時在含水率較小的情況下，土體強度隨鈉鹽含量增加而增大;陳煒韜等[7]分析了鈉鹽含量及含水率對氯鹽鹽漬土抗剪強度的影響及其作用機理;徐海林等[8]對人工制備的不同鹽濃度鹽漬土的抗剪強度進行試驗研究，結(jié)果表明隨著土樣中可溶性鹽濃度的增加，黏聚力呈線性減小趨勢，內(nèi)摩擦角近似呈線性增大趨勢;于青春等[9]用干燥法和滴水法研究了蘇打型鹽漬土在失水和吸水條件下抗剪強度隨含水率的變化機制;Spagnoli等[10]測試了不同濃度氯化鈉溶液飽和情況下混合土的不排水抗剪強度，并結(jié)合液塑限試驗結(jié)果進行綜合分析，對理解鹽溶液對土體力學(xué)強度的影響機制提供了基礎(chǔ)支撐;Warkentin等[11]通過直剪試驗研究了不同濃度鈉離子、鈣離子溶液對膨潤土、高嶺土強度的影響規(guī)律，認(rèn)為隨著鹽溶液濃度增加，飽和膨潤土的強度會降低，而飽和高嶺土的強度會提高。由此可見，鹽分對土體的工程性質(zhì)尤其是抗剪強度有顯著影響。洪安宇等[12]對高含鹽量氯鹽漬土研究發(fā)現(xiàn)黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含鹽量的增加先減小后增大。以上文獻對含鹽量較高時鹽漬土的物理化學(xué)及工程性質(zhì)研究較多，但對鹽分累積過程中工程性質(zhì)變化缺少相應(yīng)研究。土體鹽漬化過程中，鹽分逐漸累積，鈉鹽含量的不同對黃土的基本物理性質(zhì)及工程性質(zhì)有著顯著影響。為探究鹽分累積過程中鹽漬土工程性質(zhì)的變化，筆者以楊凌黃土為研究對象，采用顆粒相對密度、擊實、酸堿度、滲透、直剪和掃描電鏡等試驗，分析了鈉鹽含量、干密度和含水率對黃土基本物理化學(xué)力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

1?試驗材料與方法

試驗用土取自楊凌臺塬地區(qū)，屬于Q4黃土，取土深度為1.5～2.0 m。土樣相對密度為2.71，最優(yōu)含水率為19.2%，最大干密度為1.73 g/cm3，基本物理化學(xué)指標(biāo)見表1。

將現(xiàn)場取回的土樣風(fēng)干，碾碎過2 mm篩備用。稱取適量風(fēng)干土，放置在試驗盆中。選用化學(xué)分析純氯化鈉作為試劑。根據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，弱鹽漬土的界限鹽含量為0.3%[13]。試驗中，以楊凌黃土為參照（鈉鹽含量假定為0），分別制備鈉鹽含量為0.1%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%（干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的試驗土樣。制樣時控制土樣干密度為1.38、1.48、1.58、1.68 g/cm3，含水率控制為13%、16%和19%。全部測試內(nèi)容包括相對密度、界限含水率、滲透系數(shù)、抗剪強度、酸堿度、掃描電鏡等，具體試驗方法見《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）。

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?鈉鹽含量對土體相對密度的影響

由于土體含有大量易溶鹽，因此測試介質(zhì)用煤油代替純水，測試結(jié)果見圖1。

隨著鈉鹽含量的增加，土樣的相對密度逐漸降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是氯化鈉的加入導(dǎo)致鈉離子增多，使得雙電層被壓縮，土顆粒間斥力減小，引力增大，土體顆粒發(fā)生聚集，孔隙增多，體積有所變大，因而相對密度降低;另一方面，氯化鈉的相對密度為2.17，小于土粒的相對密度2.71，所以加入的氯化鈉摻量越大，含鹽土樣的相對密度就越小。

2.2?鈉鹽含量對黃土擊實特性的影響

不同鈉鹽含量土樣擊實試驗結(jié)果見圖2。隨著鈉鹽含量的逐漸增多，土樣的最大干密度逐漸增大，最優(yōu)含水率逐漸減小。加入氯化鈉后，在含水率較大時，鹽分溶解，鹽分和水的存在對土體起到了較強的潤滑作用，隨著鈉鹽含量的逐步變大，這種潤滑作用進一步加強，土粒間的摩阻力進一步減小，所以土體在擊實時所需的最優(yōu)含水率隨著含鹽量的增大而顯著減小;而最優(yōu)含水率的降低又減小了土中孔隙水的體積，從而提高了擊實土的密實度，所以最大干密度隨著含鹽量的增大而顯著增大[14]。

2.3?鈉鹽含量對黃土酸堿度的影響

不同鈉鹽含量土樣酸堿度的試驗結(jié)果見圖3。隨著加入鹽的量逐漸增多，土樣pH值呈現(xiàn)出先降低后升高的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是氯化鈉呈中性，加入氯化鈉后，土體pH值降低。同時，土體中也存在交換性鈉離子，這兩點在土體中建立一個平衡狀態(tài)，因此，加入少量氯化鈉后，交換性鈉離子作用不明顯，土壤pH值有所降低，但隨著氯化鈉加入量的增加，交換性鈉離子逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，鈉離子置換出土體中的鈣鎂離子，當(dāng)Na+/（Ca2++Mg2+）≥4時，該反應(yīng)得以順利進行，土壤堿化加速[15]。圖3?酸堿度與鈉鹽含量的關(guān)系

2.4?鈉鹽含量對滲透特性的影響

不同鈉鹽含量土樣滲透性質(zhì)的試驗結(jié)果見圖4。試驗選用1.38、1.48和1.58 g/cm33種干密度。隨著鈉鹽含量的增大，土體滲透系數(shù)的變化趨勢可以分為兩段，在鈉鹽含量低于0.5%時，隨著鈉鹽含量的增大土體滲透系數(shù)呈陡降趨勢，當(dāng)鈉鹽含量高于0.5%時，其下降趨勢變緩。由此可見，在鹽漬化發(fā)展過程中，初期鹽漬化對土體的滲透性有較大影響。同時，隨著干密度的增大，滲透系數(shù)也呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在低鈉鹽含量時，干密度對鈉鹽含量影響較大，但在高鈉鹽含量時，干密度對土壤滲透系數(shù)影響較小。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是多方面的。首先，鹽含量的增大，使得土中溶解的鹽濃度變高。在相同溫度下，氯化鈉溶液黏滯性隨著溶液濃度的提高而提高[15]，使得滲透系數(shù)降低。同時，土顆粒擴散層的厚度與離子強度有關(guān)，伴隨著鈉鹽含量的增大，在飽和狀態(tài)時，結(jié)晶鹽溶解變?yōu)橐合?，隨著鹽分的累積，水中鹽分濃度逐漸變大，鈉離子含量逐步增加，膠體擴散層厚度也逐漸降低?；瑒用嫣幣c水溶液離子濃度均勻處的電位差即ξ電位。ξ電位取決于黏土顆粒表面負(fù)電量與吸附層內(nèi)陽離子正電量的差值。ξ電位的高低反映了擴散層的厚度，ξ電位越高，表示在擴散層中被吸附的陽離子越多，擴散層越厚，土水懸液穩(wěn)定，反之，擴散層越薄，土水懸液凝聚[16]。因此，隨著鹽濃度的增大，ξ電位降低，這使得土體中靜電力的平衡被打破，土顆粒間排斥作用減弱，土體顆粒發(fā)生聚集[17]。除此之外，起主導(dǎo)作用的孔隙逐步被大顆粒土阻塞，影響土體中水流速度[16]。同時，隨著濃度的提高，在低溫時鹽分溶解度降低，使得少部分鹽分析出，析出的鹽會增強土顆粒之間的連接，多余的鹽會填充在孔隙中，使得孔隙發(fā)生阻塞，也會對滲透系數(shù)產(chǎn)生影響。圖4?土樣滲透系數(shù)與鈉鹽含量的關(guān)系

工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。隨著干密度的逐漸增大，土壤逐步被壓縮，土顆粒變得緊湊，使得土中有效孔隙進一步被擠密，滲水通道進一步減少，從而使得土體滲透系數(shù)進一步降低。

將加入不同鹽分的土壤放置15 d，制樣進行掃描電鏡試驗，不同鈉鹽含量土樣微觀結(jié)構(gòu)見圖5。隨著鹽分的逐步累積，土體顆粒發(fā)生明顯聚集，土顆粒間起主導(dǎo)作用的大孔隙被聚集而成的大顆粒阻塞，這是滲透性發(fā)生變化的根本原因。

2.5?鈉鹽含量對黃土抗剪強度的影響

不同鈉鹽含量土樣強度性質(zhì)的試驗結(jié)果見圖6。在含水率較低時，土樣黏聚力隨著鈉鹽含量增大呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，但在總體上，土樣的黏聚力隨著鈉鹽含量變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，除個別土樣外內(nèi)摩擦角隨著干密度的變化在30°至40°之間波動。但在19%含水率時呈現(xiàn)出W形，這種現(xiàn)象是兩方面平衡的結(jié)果。在鹽含量較低的情況下，土顆粒發(fā)生有限的聚集，產(chǎn)生的孔隙也較少，由于土體含水率較低，因此土體中鹽分析出，填充在孔隙中，成為土骨架的一部分[18]，對土顆粒起到支撐作用，有助于提高土體強度。但在鈉鹽含量過大時，土體ξ電位進一步降低，土顆粒間排斥作用進一步減弱，土體發(fā)生明顯聚集，孔隙明顯變大，使得析出的鹽分無法對土顆?？紫懂a(chǎn)生有效填充，無法起到有效支撐作用，同時，未析出的鹽分加強了土顆粒之間的潤滑作用，從而使得抗剪強度變差。由圖5可見，土顆粒逐步由面接觸變?yōu)辄c接觸，隨著孔隙的變大，鹽分無法完全填充土顆粒，導(dǎo)致土體黏聚力降低。

鹽分對土體工程性質(zhì)產(chǎn)生影響的根本原因是土顆粒間相互作用，基于土顆粒間作用力分析鈉鹽含量與抗剪強度指標(biāo)的關(guān)系仍需深入研究。

3?結(jié)?論

通過人工配置含鈉鹽黃土試驗，探究鈉鹽含量累積對黃土物理化學(xué)及工程性質(zhì)的影響，研究表明：隨著氯化鈉含量的逐步累積，土粒相對密度、最優(yōu)含水率、滲透性逐步降低，酸堿度先降低后升高，黏聚力總體隨鈉鹽含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。產(chǎn)生以上結(jié)果的原因為：隨著鹽分的累積，土體顆粒會發(fā)生團聚作用，在飽和時易發(fā)生溶陷，使得有效孔隙減少，同時在高濃度時甚至?xí)l(fā)生析出現(xiàn)象，堵塞孔隙，進一步降低滲透系數(shù)。干密度的增大使得土體更加密實，導(dǎo)致土體滲透系數(shù)減小。

致謝：本文是在張路、張宏偉、張鵬程、蘇曉琦等人的幫助下完成的，特此致謝！

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【責(zé)任編輯?馬廣州】