氯化鈉溶液對膨脹土強度影響研究

周 榮，莊心善，周睦凱，彭承鴻

(湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院，湖北 武漢 430068)

目前國內(nèi)外學者對膨脹土物理、化學改良后的土體強度進行了研究，虞海珍[1]等將ESR生態(tài)改性劑摻入土中進行化學改良，研究表明：試樣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力在改良后明顯提高，水穩(wěn)性達到了較好的效果；查甫生等[2]使用乙炔的主要廢棄物電石渣對膨脹土進行化學改良，得到了電石渣摻入比例、養(yǎng)護時間與改良土的強度、漲縮性的關系，并采用掃描電鏡驗證其結果；周葆春等[3]在膨脹土中摻入石灰，通過開展單軸、側限、三軸等試驗，研究了石灰試樣土在不同狀態(tài)下其強度變化，得出濕化飽和后改良土剛度與強度較高；楊俊等[4]通過直剪試驗得出風化砂摻量與黏聚力、內(nèi)摩擦角關系；邊加敏等[5]采用了石灰改良膨脹土方法，研究了初始含水率、摻灰率等因素對改良土抗剪強度參數(shù)的影響。李妥德等[6]在膨脹土中摻加工業(yè)廢料-礦渣對其進行改良，通過一系列試驗得出了改良土摻合料的最佳配比，得到了強度隨固化劑摻量、壓實密度、齡期的變化曲線；莊心善等[7]采用摻入石灰-玄武巖纖維來改性膨脹土，得到了石灰-玄武巖纖維摻量與膨脹土強度的關系，并確定了其最佳摻量；姚傳芹[8]等研究了不同濃度NaCl、CaCl2溶液對膨脹土力學性質(zhì)的影響，分析了溶液組分與濃度大小對土樣抗剪強度產(chǎn)生影響。

綜上所述，盡管許多學者對物理化學改良后的膨脹土強度進行研究，但在孔隙溶液環(huán)境變化時的膨脹土強度研究較少。當今，諸多工程建設對凍土路基進行撒鹽處理，該做法易導致土體孔隙溶液環(huán)境發(fā)生改變[9]，進而影響膨脹土路基的宏觀力學性質(zhì)，因此本文研究不同濃度氯化鈉溶液下膨脹土強度變化具有十分重要的意義。

1 試驗材料

本試驗采用的土樣為河南南陽某公路的膨脹土，呈淡黃色，自由膨脹率為44%，為弱膨脹土，見圖1。主要由蒙脫石、伊利石和少許高嶺土組成，其基本物理力學指標見表1。試驗采用氯化鈉溶液，其濃度配制分別為0、0.1、0.3、0.5 mol/L。

圖 1 膨脹土土樣

表1 膨脹土物理力學指標

2 試驗方案

為了研究在氯化鈉溶液下土體強度的變化，參照《土工試驗方法標準》對不同濃度氯化鈉溶液下的膨脹土進行固結不排水試驗。試驗開始前，先將風干過的土樣碾碎，過2 mm孔徑篩，將篩好的土放入溫度為105 ℃的烘箱中，烘烤24 h取出，待其完全冷卻后用密封袋進行裝樣保存。

用量筒和燒杯等配制0、0.1、0.3、0.5 mol/L的氯化鈉溶液，并按照土的最優(yōu)含水量與干土進行調(diào)配后，放置在塑料薄膜內(nèi)，燜料48 h，使土樣與氯化鈉溶液混合均勻。然后將配置好的土樣放入三瓣模內(nèi)，其中三瓣模直徑為39.1 mm，高度為80 mm，土樣按最大干密度分4層進行壓實制樣，并對每層壓實土樣做刮毛處理。試樣制備完成后，使用真空飽和裝置來抽氣飽和，其養(yǎng)護溶液為氯化鈉溶液。將已養(yǎng)護好的試樣取出，放入TSZ-2型全自動三軸儀進行CU試驗。試驗圍壓分別取100 kPa、200 kPa、300 kPa，剪切速率為0.05 mm/min,試驗所用儀器和破壞后的土樣見圖2。

圖 2 試驗儀器與試樣

3 試驗結果與分析

3.1 土樣含水率與干密度關系

按照《土工試驗方法標準》進行擊實試驗。分別制備五組不同含水率的試驗土樣，將每組土樣分層裝入擊實儀內(nèi)，按照相關規(guī)定，控制相同條件加以壓實；最后得到土樣的最優(yōu)含水率為17%，最大干密度為1.7 g/cm3，試驗結果如圖3所示。

圖 3 含水率與干密度關系曲線

3.2 應力-應變關系曲線

為了研究0、0.1、0.3、0.5 mol/L氯化鈉溶液對膨脹土強度的影響，本文采用全自動三軸儀進行固結不排水試驗，得到不同濃度氯化鈉溶液下應力-應變關系，見圖4；不同圍壓下試驗土土樣應力-應變關系，見圖5。

(a)σ3=100 kPa

由圖4可見：

1)在相同圍壓下，0、0.1、0.3、0.5 mol/L氯化鈉溶液下的土樣主應力之差隨著軸向應變的增加呈先上升后下降的趨勢。

2)在圍壓為100 kPa時，素土樣的峰值強度最高，為410.5 kPa，0.5 mol/L氯化鈉溶液下土樣的峰值強度為109.8 kPa，遠低于素土樣的峰值強度，表明氯化鈉溶液會降低膨脹土的強度。在圍壓為200 kPa、300 kPa時，測得數(shù)據(jù)同樣也是素土樣的峰值強度遠高于0.5 mol/L氯化鈉溶液峰值強度。

這是由于，一方面黏土顆粒表面帶有不平衡的負電荷，在電場作用下，四周游離狀態(tài)的陽離子會被吸引在土顆粒表面，從而與水分子、土體表面負電荷構成雙電層；另一方面隨著氯化鈉溶液濃度增加，更多Na+吸附在土顆粒周圍，使土顆粒表面雙電層厚度減小，即減小了土顆粒間結合水膜厚度，土體結構隨著結合水膜厚度的減小由集聚結構轉(zhuǎn)換為絮凝結構，進而導致土體強度降低[8]。

由圖5可知，在相同氯化鈉溶液濃度下，隨著圍壓的增加，同一濃度下的土樣峰值強度會逐漸增加，在圍壓為300 kPa時，0、0.1、0.3、0.5 mol/L氯化鈉溶液下試樣土的峰值強度最大，依次為489.5 kPa、440.9 kPa、370.1 kPa、286.6 kPa，呈明顯降低趨勢。

(a)0 mol/L

因為土樣在固結狀態(tài)下，土體孔隙中水分逐漸排出、體積發(fā)生大幅度減小，內(nèi)部孔隙逐漸被壓縮。而且飽和土體是兩相體系，土顆粒與水的壓縮可忽略不計，土體變形量取決于孔隙的變化量，孔隙中水被壓出的量。圍壓較大時，試樣內(nèi)的砂顆粒和土顆粒充分地受擠壓，互相包裹，孔隙本身被大幅度壓縮，其變形的空間減少，逐漸形成密實結構。顆粒表面充分摩擦，隨著體積的減小，改良土顆粒被壓縮得更加緊密，土體的抗剪強度增大。

3.3 氯化鈉濃度對內(nèi)摩擦角、黏聚力的影響

通過極限狀態(tài)莫爾-庫倫圓，得出氯化鈉溶液濃度與土樣內(nèi)摩擦角和黏聚力的關系(表2、圖6)。由圖6可知：不同濃度氯化鈉溶液對內(nèi)摩擦角和黏聚力有著不同程度的影響。0 mol/L氯化鈉溶液下的土樣內(nèi)摩擦角最小，為9.52°；0.5 mol/L氯化鈉溶液下的土樣的內(nèi)摩擦角最大，為17.9°；氯化鈉溶液濃度從0～0.1 mol/L、0.1～0.3 mol/L、0.3～0.5 mol/L，其內(nèi)摩擦角依次增加量為1.99°、3.42°、2.97°，可得出0.3 mol/L土樣內(nèi)摩擦角變化量最大。原因可歸結為，隨著氯化鈉溶液濃度增加，雙電層厚度隨之減小，土顆粒重新排列更加困難，致使摩擦力增大，即表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大。

表2 不同氯化納濃度下內(nèi)摩擦角和黏聚力的關系

圖 6 不同氯化納濃度下內(nèi)摩擦角和黏聚力的關系曲線

膨脹土的黏聚力隨氯化鈉溶液濃度增加而逐漸減小。0 mol/L氯化鈉溶液下的土樣黏聚力最大，為158.3 kPa；0.5 mol/L氯化鈉溶液下的土樣黏聚力最小，為9.6 kPa。隨著濃度依次增大，黏聚力呈逐漸下降趨勢，氯化鈉溶液濃度的提高會使雙電層厚度減小，擴散雙電層斥力減弱，從而使黏聚力逐漸降低?？傮w來說，濃度對內(nèi)摩擦角的影響相對較小。

由上述試驗結果可得到氯化鈉溶液濃度與內(nèi)摩擦角、黏聚力擬合關系曲線(圖7)；濃度與土樣抗剪強度指標擬合方程表達式,見表3，最終可得濃度與土抗剪強度指標的一次函數(shù)表達式。

(a)內(nèi)摩擦角與氯化鈉溶液濃度

表3 內(nèi)摩擦角和黏聚力的擬合方程

可得出：

c=ax+b

(1)

φ=dx+e

(2)

其中，a、b、d、e為試驗參數(shù)，參數(shù)取值見表3，黏聚力和內(nèi)摩擦角的擬合相關系數(shù)R2為0.9979、0.9955，表明擬合程度較好。

土的抗剪強度公式為：

τf=c+σtanφ

(3)

式中：τf土的抗剪強度，c土的黏聚力，φ土的內(nèi)摩擦角。

將(1)和(2)代入(3)氯化納可得氯化納濃度與土的抗剪強度函數(shù)：

τf=-291.85x+152.541+σtan(16.688x+9.71)

4 結論

在保持土樣干密度與含水率均為最佳條件下，分別將0，0.1，0.3，0.5 mol/L氯化鈉溶液與膨脹土均勻混合，依次進行擊實試驗與CU剪切試驗，得到結論如下：

1)在相同圍壓下，不同濃度氯化鈉溶液的主應差值呈現(xiàn)先增加后減小逐漸趨于平緩的趨勢，試樣土的抗剪強度會隨著氯化鈉溶液濃度的增加而降低，素土樣抗剪強度最大，說明氯化鈉溶液會降低膨脹土的抗剪強度。

2)在同一氯化鈉溶液濃度下，試樣土的峰值強度隨圍壓增大而增大。

3)氯化鈉溶液濃度的變化對內(nèi)摩擦角和粘聚力皆有影響，但兩者相比之下，對黏聚力影響極大。

4)濃度變化與土體抗剪強度指標呈線性關系，可得出相對應的一次函數(shù)表達式。