水鹽含量及電阻率對鹽漬土抗剪強度的影響

蘇 巍, 金劉彪, 劉 鵬, 何迎祥

(吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院, 長春 130119)

0 引 言

鹽的累積會造成許多環(huán)境巖土問題,如鹽脹、凍脹、腐蝕、翻漿等,故有必要對其力學性質進行研究。電阻率法具有連續(xù)全面、快速準確、原位無損等特點,已被廣泛應用于巖土檢測中[1]。土的電阻率是研究土體力學的重要指標,它的變化受土的基本參數(shù)影響,如含水率、溫度、飽和度、固體顆粒組成、膠結狀態(tài)、孔隙特征等[2]。研究人員對土體電阻率的特征進行室內試驗研究,呂擎峰等[3]通過甘肅粗顆粒鹽漬土易溶鹽含量測試和電導率測試,研究含鹽量和電導率之間的關系。羅述偉等[4]配制了不同質量分數(shù)的鈉鹽和混合鈉鹽的鹽漬土土樣,研究不同含水率下鈉鹽鹽漬土的變化規(guī)律。王興為等[5]通過室內試驗測定不同溫度和不同pH值下易溶鹽電導率,分析溫度和pH值對電導率測定的影響。朱杰[6]研究茶卡地區(qū)鹽漬土洗鹽前后抗剪強度變化,分析了鹽漬土中鹽分影響土力學性質的原因。田高源[7]研究赤泥改良山西太原東山地區(qū)黃土,結合電阻率研究其抗剪強度,分析了剪應力和電阻率隨剪切位移的變化規(guī)律。李蘋等[8]通過測定鹽漬土的吸力、電阻率測試和直剪試驗,得到非飽和鹽漬土電阻率隨含水率成指數(shù)減小關系。陳議城等[9]研究不同濃度和干密度的Cu2+污染紅黏土的直剪試驗,得到抗剪強度與破壞電阻率、黏聚力與初始電阻率等均呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關系。通過直剪試驗研究電阻率與抗剪強度的關系較多,但用全自動三軸儀做抗剪強度與電阻率相關的研究較少,故筆者通過對長嶺縣鹽漬土的室內三軸剪切試驗和電阻率測試,闡明了鹽漬土的抗剪強度受含鹽量和含水率變化的影響,得出鹽漬土抗剪強度與電阻率變化的回歸方程,總結出電阻率與各試驗變量間的相關關系。

1 試 驗

1.1 試驗材料與土樣制備

本次研究區(qū)位于吉林省西部長嶺縣某養(yǎng)殖場附近,粉質黏土,呈黃褐色,取土深度為1 m。根據基本的土工試驗方法,分別采用環(huán)刀法測量天然密度,烘干殘渣質量法測定含鹽量,烘干法測定含水率,液塑限用數(shù)顯式土壤液塑限測定儀測得,土樣的顆粒成分用LS-909型激光粒度分析儀測得。原狀土樣的天然密度為1.85～2.05 g/cm3,其余基本性質見表1,其中Ip為塑性指數(shù),w為不同粒徑顆粒組成的質量分數(shù)。

表1 鹽漬土基本物理性質

試驗中選擇不同深度的土樣均為定量,取出每一層的土樣,控制干密度為1.65 g/cm3,用直徑為39.1 mm、高度為82 mm規(guī)格的試模制樣,將壓好的土樣包上保鮮膜養(yǎng)護24 h。

1.2 試驗方法

電阻率測試采用VICTORY 4090A型數(shù)字電橋,取出養(yǎng)護后的土樣,通過電極片與試樣夾相連,電極片與土樣兩端需要施加60 kPa壓力固定,使電極片與土樣耦合良好且不擾動土樣抗剪強度的目的,依次測量土樣的電阻率ρ,測量時間1 min,測量完成后,正負極對調再測一次,取兩次測量的平均值。

式中:R——鹽漬土樣電阻;

L——兩電極片間的距離;

S——電流流經土樣的橫截面面積;

I——電流的強度;

ΔU——電位差。

因為試樣與電極片接觸時會有阻抗,所以要修正接觸電阻,可通過測量不同長度試樣間的電阻繪制出R-L擬合直線(圖1),將線延長與縱軸相交,得到的截距為土樣接觸電阻,由此將每次測試的土樣電阻率減掉接觸電阻即可得到試件的真實電阻率。

圖1 R-L擬合直線Fig. 1 R-L fit a straight line

試件電阻率測量完畢隨即進行室內三軸剪切試驗,通過TSZ-1A全自動三軸儀測其抗剪強度(圖2)。土樣在乳膠膜和承膜筒的輔助下完成裝樣工作,采用不固結不排水試驗,圍壓分別為100、200、300 kPa,將剪切速率設置為0.8 mm/min,軸向應變?yōu)?5%時試驗結束。根據摩爾-庫倫強度理論,鹽漬土的抗剪強度指標有兩個:內摩擦角φ和黏聚力c。試驗結束后可以得到土樣的內摩擦角φ和黏聚力c值。針對土樣在剪切過程中不同的破壞形式,對應變軟化的土樣,取峰值為土樣的抗剪強度;對應變硬化的土樣,取軸向應變?yōu)?5%時對應的強度為土樣抗剪強度。

圖2 試樣三軸剪切試驗Fig. 2 Triaxial shear test of specimens

2 結果分析

2.1 電阻率隨含鹽量含水率的變化

室內試驗測得土樣的參數(shù)見圖3和表2。記圍壓100、200、300 kPa時的破壞強度分別為τ100、τ200、τ300。含水率ww、含鹽量ws的增加,鹽漬土電阻率有逐漸降低的趨勢,由100 cm深的土樣到80 cm深的土樣過程中,鹽漬土的含鹽量由0.08%增加到0.19%,含水率由20.71%增加到21.34%,這一過程中電阻率急劇下降,原因是土樣中的水可以使鹽完全溶解,電荷量增多,導電能力增強,且含水率的增加可以使顆粒間孔隙聯(lián)通,共同作用下,電阻率急劇下降。當土樣中的深度逐漸降到20 cm時,含鹽量增加到1.59%和含水率增加到29.84%,土樣中的鹽溶解度逐漸增加,離子濃度慢慢趨近飽和,電荷量逐漸增多,導電能力繼續(xù)增加,而含水率的增加使土樣中孔隙間的連通性增強,土中水的狀態(tài)也有變化,由毛細水到重力水的轉變,使得導電性增強但變化慢慢趨于平緩,所以,電阻率的變化也逐漸趨于平緩?？傊?在含鹽量和含水率共同作用下,使得鹽漬土的電阻率發(fā)生變化。

圖3 鹽漬土電阻率隨含鹽量含水率三維變化Fig. 3 Resistivity of saline soil varies with salt content and moisture content in three dimensions

表2 水鹽含量及抗剪強度

2.2 抗剪強度隨含鹽量含水率的變化

試驗得到土樣的水鹽含量以及抗剪強度結果由表2可知,其中,h為取土的深度,τ為破壞強度。

根據不同深度的5個土樣繪制內摩擦角φ、黏聚力c隨含鹽量及含水率的變化關系,見圖4和圖5。由圖4可知,在三軸壓縮狀態(tài)下,內摩擦角和黏聚力均隨含鹽量的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢,變化趨勢基本一致,隨含鹽量增加,溶液中的離子濃度逐漸增大,且離子在水中發(fā)生水化反應,水膜厚度增大,使土粒間距增大,土顆粒間的排斥力增大,水化反應使水的潤滑能力變強,從而鹽漬土的抗剪強度參數(shù)受到影響。由圖5可知,當含水率變大時,土體鹽含量變小,土體電位變化逐漸升高,膠體間吸引力變小。同時,含水率的增加會使土體顆粒間的排斥力和潤滑能力增強。由于土樣的鹽溶液未達到飽和,所以并未有鹽結晶析出。含水率的增加,土顆粒間的水膜增大土顆粒間距離,所以內摩擦角和黏聚力均隨含水率的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖4 內摩擦角和黏聚力與含鹽量的關系Fig. 4 Relationship between angle of internal friction and cohesion and salt content

圖5 內摩擦角和黏聚力與含水率的關系Fig. 5 Relationship between angle of internal friction and cohesion and moisture content

2.3 抗剪強度隨電阻率的變化

為了探究鹽漬土電阻率與抗剪強度之間的關系,探索用電阻率來表示鹽漬土抗剪強度的方法,繪制了鹽漬土不同深度的抗剪強度與不同圍壓下隨電阻率的變化關系的擬合曲線,如圖6所示。由圖6可知,鹽漬土抗剪強度和電阻率呈現(xiàn)出正相關關系,當圍壓為100 kPa時,抗剪強度與電阻率的擬合公式為τ=1.493 6ρ+32.172,相關系數(shù)為0.928 7;當圍壓為200 kPa時,抗剪強度與電阻率的擬合公式為τ=1.567 3ρ+84.719,相關系數(shù)為0.909 5;當圍壓為300 kPa時,抗剪強度與電阻率的擬合公式為τ=0.843 6ρ+157.39,相關系數(shù)為0.910 2。

鹽漬土的電阻率是在三軸試驗之前測量得到,故認定此電阻率為初始電阻率。圍壓的增加,改善了土體孔隙結構,更大的壓力會使顆粒之間變得緊密,為了破壞鹽漬土結構之間的力需要更大的剪應力。鹽漬土的抗剪強度與電阻率之間具有良好的線性關系,抗剪強度隨電阻率的增大呈上升趨勢。

圖6 鹽漬土抗剪強度和電阻率的擬合關系Fig. 6 Fitting relationship between shear strength and resistivity of saline soil

3 結 論

(1)長嶺縣鹽漬土的電阻率是隨著含鹽量和含水率的增加而逐漸降低的趨勢。

(2)在三軸壓縮狀態(tài)下,內摩擦角和黏聚力均隨土樣中含鹽量的增加而減小;內摩擦角和黏聚力均隨含水率的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢。

(3)鹽漬土的抗剪強度與電阻率之間具有良好的線性關系,抗剪強度隨電阻率的增大呈上升趨勢,擬合出不同圍壓下抗剪強度與電阻率的相關公式,相關系數(shù)均大于0.90,具有很好的相關性。