水鹽含量對(duì)寒旱區(qū)黃土狀鹽漬土強(qiáng)度特性和滲透特性的影響

馬歡歡, 常立君,2*

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院, 西寧 810016; 2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810016)

鹽漬土是鹽土、堿土以及各種鹽化、堿化土壤的總稱?！稁r土工程勘察規(guī)范》[GB 50021—2001(2009)][1]中規(guī)定,鹽漬土是指易溶鹽含量大于0.3%,并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的土。特殊的工程性質(zhì)極易對(duì)工程建設(shè)帶來不利影響[2-3]。黃土狀鹽漬土作為廣泛分布于黃土高原與青藏高原的特殊土,因富含硫酸根離子和金屬離子,且這些離子隨外界環(huán)境變化較為敏感,故其力學(xué)性質(zhì)和滲透特性不同于一般土體。

關(guān)于硫酸鹽漬土的力學(xué)性質(zhì)諸多學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)研究。文獻(xiàn)[4]研究表明,鹽漬土的抗剪強(qiáng)度與含鹽量呈正相關(guān)關(guān)系。錢曉明[5]研究了含水率、壓實(shí)度、含鹽量、凍融循環(huán)等多因素下的硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度指標(biāo),結(jié)果表明,壓實(shí)度與含水率在一定范圍內(nèi)對(duì)黏聚力有增強(qiáng)作用,但超過臨界值會(huì)降低黏聚力,含鹽量與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)黏聚力具有削減作用。馬君澤等[6]研究了不同含鹽量和不同干濕循環(huán)周期下的硫酸鹽漬土的抗剪強(qiáng)度,結(jié)果表明隨著含鹽量的增大,土樣的黏聚力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),內(nèi)摩擦角則隨著含鹽量的增大而減小。Liu等[7]通過結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)不同鹽含量、降溫速率、氯硫比下土壤的鹽凍溶脹力的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,建立了硫酸鹽漬土和含氯化鈉硫酸鹽土的最終鹽凍膨脹力預(yù)測(cè)模型。Wang等[8]以顆粒級(jí)配、壓實(shí)度、含水率和硫酸鈉含量為自變量,研究了凍結(jié)作用下土樣的結(jié)晶變形特性,研究結(jié)果可為鹽堿地土地資源的利用和管理提供指導(dǎo)。

土體的滲透系數(shù)影響因素較多,研究表明初始孔隙比、干密度、凍融循環(huán)、初始含水率等因素均會(huì)影響土體的滲透特性[9-13]。目前有關(guān)鹽漬土的滲透特性研究較少,主要研究了含鹽量、干重度、含鹽類型、含水率等對(duì)鹽漬土滲透特性的影響。鄧友生等[14]以青藏地區(qū)的黏土和粉土為研究對(duì)象,研究了干容重、含鹽量及含鹽類型對(duì)土體滲透系數(shù)的影響。劉力等[15]通過變水頭滲透試驗(yàn)研究指出,硫酸鹽鹽漬土的滲透系數(shù)隨含鹽量的增大而減小。徐文碩[16]通過室內(nèi)試驗(yàn)與掃描電鏡,研究了含鹽量、含水率、干密度及凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土滲透性能的影響。Liu等[17]采用多種微觀試驗(yàn)手段,對(duì)黃河三角洲區(qū)域的鹽漬土的滲透特性進(jìn)行了研究,建立了當(dāng)?shù)氐呐披}工程模型。郭愛科等[18]通過模擬降雨,研究了不同降雨時(shí)長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度等影響因素下鹽漬土的雨水入滲能力,結(jié)果表明,降雨總量對(duì)鹽漬土土壤含水率影響最為顯著,降雨強(qiáng)度次之。車寶等[19]以粗粒鹽漬土為研究對(duì)象,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn),指出鹽漬土的滲透性受中溶鹽含量、易溶鹽的含量和顆粒粒徑影響顯著。

綜上可知,不同土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及滲透系數(shù)均隨外界環(huán)境變化(含鹽量、含水率等)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),但現(xiàn)有文獻(xiàn)大多以鹽漬土的力學(xué)特性或滲透特性為切入點(diǎn),少有研究將其力學(xué)特性與滲透特性聯(lián)系起來。此外多數(shù)研究以宏觀試驗(yàn)為主,沒有從微觀量化角度對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行解釋說明。鑒于此,以分布在西寧市坡洪積扇上的黃土狀鹽漬土為研究對(duì)象,考慮其特殊的工程性質(zhì)在此類地區(qū)常會(huì)引起一些工程病害,如建(構(gòu))筑物裂縫、地基下沉、基礎(chǔ)腐蝕、邊坡滑塌等,通過室內(nèi)三軸、恒水頭滲透和掃描電鏡等試驗(yàn)方法,評(píng)價(jià)黃土狀鹽漬土的力學(xué)特性和滲透特性,以期對(duì)本地區(qū)的工程安全提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及材料

1.1 試驗(yàn)儀器

三軸試驗(yàn)使用的儀器為SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀,該儀器由應(yīng)力應(yīng)變控制器、加載系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成(圖1)。

圖1 SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀Fig.1 SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear seepage tester

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)用土取自西寧市北山滑坡帶,為黃土狀土。研究指出西寧市區(qū)內(nèi)的鹽漬土全鹽量最大為5%[20],北山邊坡的含鹽量平均值為1.2%[21],綜合考慮確定無(wú)水硫酸鈉的摻量為0、0.8%、1.2%、3.2%、5.2%;并依據(jù)該土樣的天然含水率、液塑限等綜合確定試驗(yàn)試樣的含水率分別為9%、12%、15%和18%,干密度取天然干密度1.55 g/cm3,試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 黃土狀鹽漬土力學(xué)特性及滲透特性試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme of mechanical properties and permeability properties of loess saline soil

1.3 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)過程

天然土樣取回后進(jìn)行室內(nèi)基本物理性質(zhì)試驗(yàn),試驗(yàn)后得出土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示,顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

表2 試驗(yàn)用土的基本物性指標(biāo)Table 2 Basic physical properties of test soil

圖2 天然土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle gradation curve of natural soil sample

將無(wú)水硫酸鈉與烘干碾碎過2 mm篩后的干土按目標(biāo)配比攪拌均勻,依據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的含水率,分別配置不同含水率和不同含鹽量的土樣,在擊樣器中分五層擊實(shí)為直徑39.1 mm,高度80 mm的圓柱形試樣,每個(gè)試驗(yàn)條件下試樣制備6個(gè),兩個(gè)為力學(xué)平行試樣,兩個(gè)為滲透平行試樣,兩個(gè)用于電鏡掃描試驗(yàn)。

力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)中,試驗(yàn)類型為不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn),圍壓分別設(shè)置為50、100、200 kPa,加載速率為0.8 mm/min,試驗(yàn)參數(shù)在軟件系統(tǒng)中設(shè)置無(wú)誤后即可開始試驗(yàn),待圍壓達(dá)到設(shè)定值后開始剪切。

恒水頭滲透試驗(yàn)中,反壓差設(shè)置為10 kPa,圍壓50kPa,待圍壓達(dá)到設(shè)定值后開始滲透,當(dāng)數(shù)據(jù)采集器中上游流量和排水流量差值恒定后即認(rèn)為試樣內(nèi)部已形成穩(wěn)定的滲流通道,記錄數(shù)據(jù),依據(jù)式(1)計(jì)算滲透系數(shù)。

(1)

式(1)中:k為滲透系數(shù);γw為水的容重;V為流經(jīng)試樣的水量;L為試樣高度;A為過水?dāng)嗝婷娣e;t為滲透時(shí)間;σc1為底部反壓力1;σc2為頂部反壓力2。

沿圓柱試樣的高度方向切樣,取圓柱試樣中心的1 cm×1 cm×2 cm立方體塊為SEM試樣,將該試樣用真空冷凍干燥儀凍結(jié)干燥,保證試樣干燥并保持原有結(jié)構(gòu)形態(tài)。將干燥完成的試樣垂直于長(zhǎng)邊掰開,并取新鮮橫斷面進(jìn)行噴金處理后進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn),掃描倍數(shù)分別為500倍、1 000倍、1 500倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含鹽量對(duì)鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

經(jīng)試驗(yàn)所得的各圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律一致,故僅選取圍壓為200 kPa的曲線分析。不同含水率條件下含鹽量對(duì)鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變曲線[主應(yīng)力差(σ1-σ3)與應(yīng)變(ε1)的關(guān)系圖]的影響如圖3所示?？梢钥闯?在同一含水率下土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨含鹽量的不同呈現(xiàn)出不同的硬化趨勢(shì),具體表現(xiàn)為:含水率為9%時(shí),隨著含鹽量的增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線的硬化特征逐漸弱化,當(dāng)含鹽量為5.2%時(shí),土樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線有應(yīng)變軟化的趨勢(shì),即土樣的破壞形式為塑性破壞,如圖4(a)所示,可以看出,含水率為12%和15%時(shí),隨著含鹽量的增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出硬化型特征,土樣的破壞形式為延性破壞,如圖4(b)所示,當(dāng)含鹽量為5.2%時(shí),土樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線硬化特征最為明顯;含水率為18%時(shí),隨著含鹽量的增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線的硬化特征逐漸弱化,且當(dāng)含鹽量高于1.2%時(shí),隨含鹽量的增大,曲線的硬化趨勢(shì)更加顯著。

圖3 不同含鹽量下鹽漬土的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of saline soil under different salt content

圖4 應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化試樣破壞圖Fig.4 Failure diagram of strain hardening and strain softening specimens

同時(shí),在軸向應(yīng)變相同時(shí),低含水率條件下(9%、12%、15%)隨含鹽量的增大,偏應(yīng)力逐漸減小,此時(shí)土中的易溶鹽硫酸鈉溶解于水中,使得鹽漬土強(qiáng)度減小。當(dāng)含鹽量繼續(xù)增大至5.2%時(shí),同等軸應(yīng)變下,隨著含鹽量增大,偏應(yīng)力也增大,這是由于鹽分過飽和使得鹽晶體填充在土體孔隙中,使土體抗剪強(qiáng)度隨之增大;高含水率條件下(18%),隨著含鹽量的增大,偏應(yīng)力持續(xù)減小,這是由于高含水率下鹽分未達(dá)到飽和狀態(tài),一直以離子形式存在與水中,顆粒間的膠結(jié)較弱,使其抗剪強(qiáng)度減小。

2.2 含水率對(duì)鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

圍壓200 kPa條件下,不同含鹽量條件下鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變曲線隨含水率的變化如圖5所示?？梢钥闯?同一含鹽量下土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線[主應(yīng)力差(σ1-σ3)與應(yīng)變(ε1)的關(guān)系圖]隨含水率的增大,曲線變化趨勢(shì)幾乎一致。在軸向應(yīng)變相同時(shí),含水率的增大使得偏應(yīng)力減小。這是因?yàn)楹}量一定時(shí),抗剪強(qiáng)度與土中含水率變化密切相關(guān),隨著含水率的增大,土中自由水增多,結(jié)晶鹽溶解量增多,一方面使得土顆粒間的聯(lián)結(jié)變?nèi)?另一方面溶液在顆粒間的潤(rùn)滑作用顯著。

圖5 不同含水率下鹽漬土的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系Fig.5 Stress-strain curve relationship of saline soil under different moisture contents

2.3 含鹽量對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

含鹽量對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響如圖6所示。可以看出,當(dāng)含水率小于18%時(shí),鹽漬土的黏聚力隨含鹽量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì),在硫酸鈉摻量為3.2%時(shí)黏聚力和內(nèi)摩擦角均達(dá)到最小值。分析其原因,當(dāng)硫酸鈉摻量小于3.2%時(shí),無(wú)水硫酸鈉溶解率較高,硫酸鈉以硫酸根離子和鈉離子的形式存在與土體中,離子濃度增大使擴(kuò)散層厚度增大,增大了土顆粒之間的距離,顆粒與顆粒之間的聯(lián)結(jié)被削弱,土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角也隨之減小。當(dāng)硫酸鈉摻量大于3.2%時(shí),土體中鹽溶液達(dá)到過飽和,鹽分以晶體形式析出,析出的結(jié)晶鹽填充在土體孔隙中,使得土體變得更密實(shí),另外結(jié)晶鹽的膠結(jié)作用使土顆粒間的聯(lián)結(jié)更牢固,顆粒間距離更小,最終表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大。當(dāng)含水率為9%和12%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化幅值均較小,具體為:含水率為9%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化幅值分別為13.24 kPa和3.92°,含水率為12%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化幅值分別為11.99 kPa和2.44°。含水率為15%,含鹽量從3.2%增大到5.2%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的增幅小于同條件下低含水率土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的增幅。究其原因,當(dāng)含鹽量進(jìn)一步增大的時(shí)候,土體中鹽溶液達(dá)到過飽和,鹽分以晶體形式析出,析出的結(jié)晶鹽填充在土體孔隙中,使得土體變得更密實(shí),另外結(jié)晶鹽的膠結(jié)作用使土顆粒間的聯(lián)結(jié)更牢固,顆粒間距離更小,最終表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大。當(dāng)含水率為18%時(shí),鹽漬土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均隨含鹽量的增大而減小,變化幅值較大,分別為17.32 kPa和6.74°。由于土體中液相占比較大,隨含鹽量的增加,無(wú)水硫酸鈉不斷溶解,直至含鹽量達(dá)到5.2%時(shí),土體中的鹽分仍析出,隨著鹽分的增多擴(kuò)散層厚度逐漸變厚,顆粒間的作用力更小,使土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角一直在減小。另外同一含水率下黏聚力隨硫酸鈉摻量的變化較內(nèi)摩擦角更為明顯。原因?yàn)?該土樣中黏粒成分較多,黏聚力在強(qiáng)度中占主導(dǎo)地位,黏聚力大小取決于土粒間的聯(lián)結(jié)程度,隨著硫酸鈉摻量的增大,土中結(jié)晶鹽增多,鹽脹更為顯著,土顆粒間間距增大,黏聚力減小趨勢(shì)顯著。

圖6 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含鹽量的關(guān)系Fig.6 Relationship between shear strength index and salt content

2.4 含水率對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

含水率對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響如圖7所示,在含鹽量一定的條件下,鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而降低,且在低含鹽量的情況下(硫酸鈉的摻量小于等于1.2%時(shí))黏聚力隨含水率的變化率相近,變化幅值也相似,為22.71 ～25.57 kPa。當(dāng)含鹽量進(jìn)一步增大時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)含水率的變化較為敏感,表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率變化其變化率增大,同時(shí)黏聚力的變化幅值也增大,含水率為15%時(shí),變化幅值為29.89 kPa,當(dāng)含水率增大到18%時(shí),變化幅值為48.92 kPa。在含水率較小的情況下,土顆粒間的水膜較薄[22],顆粒間的分子力強(qiáng),其次結(jié)合水的存在使得顆粒間形成了水膠連結(jié),兩者共同作用使得低含水率的土樣黏聚力較高;隨著含水率不斷增大,土體中的弱結(jié)合水以及自由水逐漸增多,顆粒間水膜增厚,顆粒間的分子力減弱,土顆粒被水包圍,水分子的潤(rùn)滑作用顯著,土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小。所以對(duì)于無(wú)水硫酸鈉摻量為零的土樣,黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大而減小。對(duì)含鹽量較高的土樣而言,如當(dāng)含鹽量5.2%時(shí),隨著含水率的增大,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的降幅也最大。這是由于高含鹽量下,除水分子的潤(rùn)滑作用外,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)還受鹽離子的影響。當(dāng)含水率不斷增大,結(jié)晶鹽的溶解度也相應(yīng)增大,鈉離子水化增強(qiáng),土中鹽溶液濃度降低,電動(dòng)勢(shì)位增加,膠粒間分散作用增強(qiáng)[23],進(jìn)而導(dǎo)致土體的黏聚力隨著含水率增大而顯著減小。

圖7 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的關(guān)系Fig.7 Relationship between shear strength index and moisture content

2.5 含鹽量對(duì)鹽漬土滲透系數(shù)的影響

含鹽量與土體滲透系數(shù)的關(guān)系如圖8所示。由圖8(a)可知,隨著土樣含鹽量的增大,其滲透系數(shù)逐漸減小。高含水率(大于15%)下土樣的滲透系數(shù)隨含鹽量變化較為明顯,低含水率下,土樣的滲透系數(shù)隨含鹽量的變化不明顯,總體呈減小趨勢(shì)。含水率為18%時(shí),各含鹽量下滲透系數(shù)的變化幅值達(dá)到3.7×10-6cm/s,不同含鹽量下,滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)(10-5);當(dāng)含水率為15%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值為2.8×10-6cm/s,滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)從10-5降至10-6。當(dāng)含水率為12%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值為3.3×10-6cm/s,滲透系數(shù)的數(shù)量級(jí)沒有隨含鹽量變化而變化。當(dāng)含水率為9%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值為9.4×10-7cm/s。以無(wú)水硫酸鈉摻量為零的土樣為基礎(chǔ),對(duì)比滲透系數(shù)的變化值隨含鹽量的變化,如圖8(b)、圖8(c)所示。可以看出,隨著含鹽量的增大,滲透系數(shù)的變化值逐漸增大,尤其在含鹽量為5.2%時(shí)滲透系數(shù)的變化率達(dá)到48.8%。含鹽量的增多會(huì)導(dǎo)致土壤的滲透性變差,其原因有兩方面:一是由于硫酸鈉室溫下的溶解度較大,硫酸鈉溶解后形成的鹽溶液黏滯系數(shù)較大[14],同時(shí)會(huì)增大土中土水勢(shì)。結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)可知:低含水率條件下,當(dāng)含鹽量小于等于3.2%時(shí),隨著含鹽量的增大,硫酸鈉溶液的濃度不斷增大,其黏滯系數(shù)也相應(yīng)增大,降低了土樣的滲透性。二是土體中摻入鹽分,一定程度上改變了土體孔隙結(jié)構(gòu),孔徑及孔隙含量都將直接影響土體的滲透系數(shù)[24]。低含水率條件下,由于含鹽量持續(xù)增大至5.2%時(shí),鹽分開始結(jié)晶析出,填充了土體孔隙,大顆粒間的架空孔隙被補(bǔ)充或填滿,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更密實(shí)。鹽分結(jié)晶析出改變了土中孔隙含量和土中孔隙的孔徑,使相應(yīng)的聯(lián)通孔隙含量變少及主導(dǎo)滲流的孔徑變小,入滲過程不易形成穩(wěn)定的滲流通道。

圖8 滲透系數(shù)與硫酸鈉摻量的關(guān)系Fig.8 Relationship between permeability coefficient and salt content

2.6 初始含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響

含水率與土樣滲透系數(shù)的關(guān)系如圖9(a)所示,可以看出,相同含鹽量下,非飽和滲透系數(shù)隨著初始含水率的增大而增大。較含鹽土的滲透系數(shù),不摻無(wú)水硫酸鈉的土樣滲透系數(shù)隨含水率的變化最為明顯,含水率從9%增大到18%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值達(dá)到1.3×10-5m/s;含鹽量為0.8%和1.2%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值為1.1×10-5m/s;含鹽量為3.2%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值為1.0×10-5m/s;含鹽量為5.2%時(shí),滲透系數(shù)的變化幅值為9.8×10-6m/s。以含水率為9%的土樣為基礎(chǔ),從圖9(b)、圖9(c)可以看出,隨著含水率的增大滲透系數(shù)的變化率增長(zhǎng)較為顯著,含水率為18%時(shí),滲透系數(shù)的變化率達(dá)到767.69%,可見含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響大于含鹽量對(duì)其的影響。造成這種現(xiàn)象的原因可能有:①土樣的擊實(shí)含水率不同,使得土中的膠結(jié)物的賦存位置和狀態(tài)有所不同[13],無(wú)水硫酸鈉摻量為零的土樣為黃土,黃土中膠結(jié)物的作用形式,骨架顆粒之間的排列及聯(lián)結(jié)很大程度決定了土中孔隙的分布和連通孔隙的比例,不同的骨架排列方式及膠結(jié)形式,造成土樣不同的孔隙特征,進(jìn)而導(dǎo)致其水理性質(zhì)的差異;②擊實(shí)含水率往往會(huì)影響土樣的擊實(shí)效果,進(jìn)而影響到土樣的微觀結(jié)構(gòu)和土的滲透特性[25];③初始含水率低的土樣,土水勢(shì)也越低,對(duì)水分子的引力越大,水分入滲越快[26]。同時(shí),初始含水率越低,先飽和的土層與下層非飽和土層間產(chǎn)生較大的吸力梯度,水分傳導(dǎo)更快。

圖9 滲透系數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and moisture content

3 SEM及PCAS結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究含水率和含鹽量對(duì)鹽漬土強(qiáng)度特性和滲透特性的影響機(jī)制,對(duì)不同含水率和含鹽量下黃土狀鹽漬土試樣進(jìn)行了觀測(cè)倍數(shù)為500倍、1 000倍和1 500倍的掃描電鏡試驗(yàn),并選取500倍從整體上分析試樣的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),1 500倍分析結(jié)晶鹽的析出情況。

為分析含鹽量對(duì)鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)的影響,取含水率12%的土樣在不同含鹽量下的掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖像如圖10中第1列所示,對(duì)掃描電鏡圖像利用顆粒與裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(particle and fissure characteristic analysis system software,PCAS)軟件進(jìn)行二值化處理及矢量化處理如圖10中第2、3列所示。由圖10(a)可知,不添加無(wú)水硫酸鈉的土樣土粒結(jié)構(gòu)多為單粒結(jié)構(gòu),表面可見粒狀及板狀的細(xì)粉粒。土粒的形狀大小不規(guī)則,顆粒結(jié)構(gòu)間較松散,架空孔隙較大且孔隙數(shù)量較多。

圖10 不同含鹽量下土樣的微觀圖像Fig.10 Microscopic images of soil samples under different salt contents

由圖11可知,隨著含鹽量的不斷增大,土顆粒逐漸細(xì)散,土體中的架空孔隙數(shù)量減少,表現(xiàn)為土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。當(dāng)含鹽量增加至5.2%時(shí),土顆粒表面析出大量的結(jié)晶鹽,析出的晶體附著在土顆粒表面,土體孔隙得到填充,宏觀上表現(xiàn)為土體的抗剪強(qiáng)度增大,滲透系數(shù)減小,與前文宏觀試驗(yàn)得出的規(guī)律一致。

h為試樣高度;d為試樣直徑圖11 s=5.2%,ω=12%時(shí),結(jié)晶鹽的析出情況Fig.11 s=5.2%,ω=12%, precipitation of crystalline salt

圖12為含水率12%條件下,分形維數(shù)、概率熵及平均形狀系數(shù)隨含鹽量的變化規(guī)律。分形維數(shù)、概率熵和平均形狀系數(shù)分別用于描述土中孔隙的復(fù)雜度、孔隙分布的有序性和孔隙形態(tài)的圓滑度,數(shù)值越大代表其孔隙分布越復(fù)雜無(wú)序、孔隙形態(tài)越圓滑?？梢钥闯?分形維數(shù)隨無(wú)水硫酸鈉摻量變化呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),在摻量達(dá)到3.2%時(shí),達(dá)到最小,表明此刻土體最為密實(shí)。概率熵的值差異較小,表明無(wú)水硫酸鈉的摻量對(duì)孔隙分布的有序性影響較小。平均形狀系數(shù)變化無(wú)明顯規(guī)律。

圖12 不同含鹽量下微觀量化分析結(jié)果(ω=12%)Fig.12 Microscopic quantitative analysis results under different salt contents(ω=12%)

為分析含水率對(duì)鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)的影響,取無(wú)水硫酸鈉摻量為1.2%的土樣在不同含水率下的SEM圖像如圖13所示?？梢钥闯?同一含鹽量下,隨含水率增大土體的大顆粒結(jié)構(gòu)逐漸增多,隨顆粒形狀和結(jié)構(gòu)的變化架空孔隙也增多,但孔隙連通性減弱。造成以上現(xiàn)象的原因是含水率增大使得土體中土顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯,小顆粒在黏土礦物及鹽分的膠結(jié)作用下黏結(jié)為粒徑較大的顆粒,相較于小顆粒,大顆粒間的黏結(jié)較弱,宏觀表現(xiàn)為土體的強(qiáng)度減弱。同時(shí),由于孔隙的連通性減弱使得水分難以在土中形成穩(wěn)定滲流通道,導(dǎo)致其滲透性降低。

圖13 不同含水率下土樣的SEM圖像Fig.13 SEM images of soil samples under different moisture contents

圖14為無(wú)水硫酸鈉摻量1.2%條件下,分形維數(shù)、概率熵及平均形狀系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律。由圖可知分形維數(shù)隨在含水率15%時(shí)值最大,即該含水率下土樣最為密實(shí),表明最優(yōu)含水率下土樣內(nèi)部最為密實(shí)。概率熵的值差異較小,表明含水率對(duì)孔隙分布的有序性影響較小。平均形狀系數(shù)隨含水率的增大而增大,即隨著含水率增大,顆粒與孔隙的形態(tài)越圓滑。

圖14 不同含水率下微觀量化分析結(jié)果Fig.14 Micro quantitative analysis results under different moisture contents

4 結(jié)論

通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)及掃描電鏡試驗(yàn),對(duì)西寧市黃土狀鹽漬土的力學(xué)特性和滲透特性從宏觀和微觀層面進(jìn)行探究,得出如下結(jié)論。

(1)含水率小于18%時(shí),隨著含鹽量的增大黃土狀鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),在含鹽量為3.2%時(shí),土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角達(dá)到了極小值,且黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的變化幅值較小。

(2)含水率為18%時(shí),黃土狀鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的增大而減小,黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的變化幅值較大。

(3)含鹽量一定時(shí),土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小,且含鹽量越高,抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化越敏感。

(4)初始含水率和含鹽量對(duì)土樣的滲透系數(shù)影響較大,滲透系數(shù)隨著含鹽量的增大而減小,隨初始含水率的增大而增大。

(5)含水率對(duì)土樣滲透性的影響大于含鹽量對(duì)滲透性的影響,即邊坡安全性計(jì)算及加固時(shí),不僅要考慮水分入滲,也要關(guān)注土體的初始含水率。