水土化學(xué)作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

王軍 ，曹平，趙延林，柴紅寶

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖南 湘潭，411104)

地下水是地質(zhì)環(huán)境中最活躍的因素，它是一種成分復(fù)雜的化學(xué)溶液。自然界中，土體中水呈液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)分布，并且水是造成地質(zhì)環(huán)境損害的一個(gè)重要因素，有時(shí)它比力學(xué)效應(yīng)造成的損害更嚴(yán)重。工程實(shí)踐證明，水對(duì)土體的強(qiáng)度與變形有很大的影響。目前，很多學(xué)者對(duì)含水巖石的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，如：湯連生等[1?3]開(kāi)展了水巖化學(xué)作用的巖石宏觀力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)，揭示水對(duì)巖體斷裂強(qiáng)度和裂紋面上剪切強(qiáng)度的研究；馮夏庭等[4]就化學(xué)環(huán)境侵蝕下的巖石破裂特性進(jìn)行了試驗(yàn)，揭示了水化學(xué)作用下裂紋變化特性；馬水山等[5]基于水巖作用對(duì)邊坡變形機(jī)理進(jìn)行了研究，指出了滑體變形的全過(guò)程；Karfakis等[6]考慮化學(xué)作用對(duì)巖石進(jìn)行斷裂求解；Feucht等[7]總結(jié)了化學(xué)影響下的砂巖剪切效應(yīng)。然而，人們就水化學(xué)作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的研究較少。目前，路基、岸坡、土壩、引水隧道等工程因水化學(xué)作用引發(fā)的災(zāi)害處處可見(jiàn)，必須加強(qiáng)治理研究[8]。在此，本文作者以武(漢)廣(州)高速鐵路路基為試驗(yàn)背景，在不同里程處采取水樣和土樣進(jìn)行分析，測(cè)試其溶液的化學(xué)性質(zhì)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù) c(黏結(jié)力)和 φ(內(nèi)摩擦角)的影響，探討其力學(xué)效應(yīng)及其機(jī)理，以便為軟弱路基改良提供一種新的途徑。

1 水效應(yīng)的力學(xué)分析

路基土體介質(zhì)在含有復(fù)雜離子成分的地下水中浸泡，必將發(fā)生一系列的諸如水解、溶解和碳酸化等化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致介質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，減弱其強(qiáng)度指標(biāo)。土體介質(zhì)孔隙中的水化學(xué)溶液與礦物顆?；蚓w發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使原生礦物分解并生成新的次生礦物，而新生成物質(zhì)常具有高度的分散性，同時(shí)，水化學(xué)作用產(chǎn)生的易溶礦物容易隨水流失，導(dǎo)致介質(zhì)中的孔隙增大，含水量增加，有效應(yīng)力降低，強(qiáng)度減小，給工程帶來(lái)安全隱患。

原生礦物中最普遍的成分是長(zhǎng)石，是一種空間結(jié)構(gòu)帶負(fù)電荷的硅酸鹽礦物。由于陽(yáng)離子的交換作用，配位數(shù)目增多，使開(kāi)放式結(jié)構(gòu)與單元間成鍵強(qiáng)度降低，經(jīng)水化學(xué)作用生成高嶺石、伊利石和膠體，可塑性和壓縮性強(qiáng)，強(qiáng)度低。相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

次生礦物分子間的吸引力由下式計(jì)算[9]：

式中：f為分子間的吸引力；d為顆粒薄片間距的一半；A為范德華常數(shù)；δ為薄片厚度。取δ為9.68×10?10m，d 為 1.16×10?10m，A 為 1×10?21J，經(jīng)計(jì)算可得分子間的引力為4.62×10?4J/m2，比原生礦物分子間的引力小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。顆粒黏結(jié)力主要由受電分子吸引的原始黏結(jié)力和受分子結(jié)構(gòu)控制的固有黏結(jié)力組成。次生礦物的顆粒粒徑一般比原生礦物顆粒粒徑小，致使顆粒之間面與面的接觸變?yōu)辄c(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與面的接觸，土顆粒間的表面摩擦和顆粒間的連鎖作用減弱，這充分表明水化作用對(duì)內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力的減弱效應(yīng)，致使土體強(qiáng)度降低。

2 化學(xué)分析試驗(yàn)

2.1 指標(biāo)測(cè)試

通過(guò)機(jī)動(dòng)地質(zhì)鉆探，分別鉆取路基技術(shù)孔和標(biāo)貫孔，并從中采取土樣(試驗(yàn)段主要為粉質(zhì)黏土)和水樣，分析其陰、陽(yáng)離子質(zhì)量濃度，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究。為滿足研究的需要，對(duì)不同里程段的試樣加以提取，并對(duì)水進(jìn)行化學(xué)分析，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可看出：該段路基地下水中含有的化學(xué)成分具有很大的離散性，其中變化最大的是的質(zhì)量濃度，其次是總礦化度和 Ca2+的質(zhì)量濃度；Cl?和的質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定；K+，Na+和Mg2+的質(zhì)量濃度相對(duì)比較集中，分別在某值附近波動(dòng)。土中碳酸鹽物質(zhì)遇游離CO2的水化學(xué)溶液，易生成溶解度更大的重碳酸鹽，使礦物變得更加容易侵蝕，破壞其結(jié)構(gòu)。其方程式為：

土樣的pH值變化范圍為6.60～7.46，靠近地表處pH值較小，主要受降雨或地表水的補(bǔ)給，顯弱酸性和中性，而在地層深處顯弱堿性。這里主要研究離子效應(yīng)對(duì)路基土體強(qiáng)度的影響。

土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出：該粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)某些參數(shù)值變化不大，水溶液的化學(xué)成分對(duì)土顆粒密度幾乎不產(chǎn)生影響；同時(shí)，土的密度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c(黏結(jié)力)和 φ(內(nèi)摩擦角)影響較小，但是，飽和度和孔隙比對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響比較大；若孔隙比越大，則內(nèi)摩擦角越小，但對(duì)黏結(jié)力的影響很??；飽和度越大，則黏結(jié)力較大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。結(jié)合表1還可看出溶液的pH值與土的黏結(jié)力c關(guān)系也不大，但隨著pH值升高，內(nèi)摩擦角φ逐漸降低；總礦化度和硬度越小，則黏結(jié)力越大，然而，對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大。

表1 地下水成分分析結(jié)果Table 1 Results of chemical analysis of groundwater

表2 土的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Parameters of physical mechanics of soil

2.2 離子分布特征

圖1所示為樣品中 K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl?，和HCO3?的質(zhì)量濃度與黏結(jié)力c的關(guān)系，可以看出：陽(yáng)離子中，Ca2+質(zhì)量濃度最高，與CO2的水溶液生成了碳酸氫鈣，礦物更加容易受到侵蝕，破壞土體結(jié)構(gòu)，生成較少膠結(jié)物，水膜厚度增大，電分子吸引減弱，原始黏結(jié)力和固有黏結(jié)力降低；但當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度足夠高時(shí)，Ca2+與和發(fā)生反應(yīng)，有大量膠結(jié)物生成，黏結(jié)力增大；Mg2+質(zhì)量濃度較小，但質(zhì)量濃度較低的Mg2+也能與CO2的水溶液發(fā)生反應(yīng)，生成膠結(jié)物，固有黏結(jié)力有所提高；陰離子中質(zhì)量濃度最高，離散性最大，很容易與大量的Ca2+發(fā)生反應(yīng)，礦物容易受到侵蝕，使土體黏結(jié)力降低；和 Cl?質(zhì)量濃度較低，但分布很穩(wěn)定，很難生成膠結(jié)物，對(duì)黏結(jié)力影響很小。K+和 Na+的質(zhì)量濃度也對(duì)黏結(jié)力有影響，能吸收大量的水分，水膜增厚，電分子引力減弱，隨著K+和Na+質(zhì)量濃度增大，黏結(jié)力逐漸減小。

圖2所示為樣品中 K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl?，和HCO3?的質(zhì)量濃度與內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系?？梢钥闯觯弘x子質(zhì)量濃度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響弱于對(duì)黏結(jié)力的影響；內(nèi)摩擦角隨離子質(zhì)量濃度的變化離散性很大，主要表現(xiàn)在離子交換對(duì)土體的體積變化不明顯，孔隙比在小范圍內(nèi)波動(dòng)，使得顆粒表面間的摩擦和連鎖作用平穩(wěn)。若次生礦物中蒙脫石質(zhì)量濃度較高，則壓縮性增強(qiáng)，可塑性提高，勢(shì)必對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生很大影響。

圖1 陰、陽(yáng)離子質(zhì)量濃度與黏結(jié)力c的關(guān)系Fig.1 Relationship among concentration of cation and anion and cohesion

圖2 陰、陽(yáng)離子質(zhì)量濃度與內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系Fig.2 Relationship among concentration of cation and anion and inner friction

3 回歸分析

從表1、表2和圖1、圖2可以看到：K+，Na+，Ca2+和等離子質(zhì)量濃度以及總礦化度、硬度與路基土體的抗剪強(qiáng)度有一定的線性相關(guān)性。作者通過(guò)相關(guān)系數(shù) R2(線性回歸值和實(shí)際值之比)和直線擬合函數(shù)，得出具體相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表 3。相關(guān)系數(shù)越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性越好[10?11]，離子效應(yīng)越顯著。根據(jù)線性擬合，由表3所示的各指標(biāo)與黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ的相關(guān)系數(shù)R2的范圍為0.002 0～0.946 4，離散性很大。其中，大于0.800 0的組合有6組，即：土的黏結(jié)力c與總礦化度(相關(guān)系數(shù)為0.946 4)，c與硬度(0.940 9)，c與 K+和 Na+質(zhì)量濃度(0.911 1)，c與 Ca2+質(zhì)量濃度(0.894 5)；c與HCO3?質(zhì)量濃度(0.943 6)，土的內(nèi)摩擦角φ與pH值(0.828 4)。游離的 CO2，Cl?和質(zhì)量濃度與c和φ的線性相關(guān)性較差?？梢?jiàn)，各指標(biāo)對(duì)黏結(jié)力c有很好的相關(guān)性，對(duì)內(nèi)摩擦角的相關(guān)性較小。從分析試驗(yàn)結(jié)果也可知：受水化學(xué)作用，各指標(biāo)對(duì)土體黏結(jié)力產(chǎn)生的效應(yīng)要大于內(nèi)摩擦角所產(chǎn)生的效應(yīng)。這里只列舉幾種指標(biāo)與黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ的相關(guān)系數(shù)線性回歸關(guān)系，見(jiàn)圖3。

4 工程應(yīng)用

4.1 路基土改良分析

路基工程是鐵路、公路、城市道路等工程建設(shè)的主要組成部分。目前，改良路基土的主要措施是水泥灰、石灰以及采取換填和復(fù)合地基等方法[12?14]。然而，粉煤灰作為一種復(fù)合材料，來(lái)源廣泛，顆粒結(jié)構(gòu)比較致密，干縮性小，抗震性較強(qiáng)，物理力學(xué)性能遠(yuǎn)比原狀土的物理力學(xué)性能優(yōu)，其低鈣粉煤灰Ca2+質(zhì)量濃度小，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)，HCO3?質(zhì)量濃度也較小，對(duì)提高軟弱路基土體黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ效果顯著，且后期強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過(guò)普通水泥土的強(qiáng)度[15]。

表3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ與各指標(biāo)的線性相關(guān)系數(shù)R2Table 3 Linear correlation coefficient R2 between reinforced shear strength index and different ingredients

圖3 各成分與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角)的相關(guān)性Fig.3 Linear correlation between shear strength index and different ingredients

提高土的強(qiáng)度主要是增加土顆粒之間的吸引力和減小土顆粒之間的排斥力，龔曉南[9]推導(dǎo)了顆粒間的排斥力，計(jì)算式為：

式中：pd為x=d處的排斥力；p為隨x變化的水壓力；ψ為電位勢(shì)；D為介電常數(shù)。通常，黏土顆粒表面帶有負(fù)電荷，Al3+和 Ca2+與顆粒具有很好的親合性，使得電位勢(shì)減小，排斥力增大；但隨著Ca2+質(zhì)量濃度的增大，電位勢(shì)又增加，排斥力減小，對(duì)改良土性能有利?？梢?jiàn)，在粉煤灰改良路基土工程中，控制粉煤灰的摻入量非常關(guān)鍵。

4.2 對(duì)土體強(qiáng)度的影響

在路堤的分層填筑中，軟弱路基的破壞主要表現(xiàn)為沿滑動(dòng)面的塑性剪切破壞。依據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論：

土體的抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)。式(3)中：τ為抗剪強(qiáng)度；σ為正應(yīng)力。

另一方面，在國(guó)內(nèi)常用的Duncan-Chang模型中，應(yīng)力水平的表達(dá)式為：

式中：σs為應(yīng)力；σ1和σ3分別為最大、最小主應(yīng)力?？梢?jiàn)：隨著內(nèi)摩擦角φ增大，應(yīng)力也增大。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證粉煤灰改良路基土的優(yōu)越性，研究粉煤灰的摻入量對(duì)試驗(yàn)段(DIK1578+483.9)土體強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)中摻灰量w為0，10%，20%和40%(摻灰量w指的是摻入粉煤灰的質(zhì)量與原料土的質(zhì)量比，齡期為28 d)，在這里粉煤灰的燒失量為3.13%，細(xì)度為15.8%，需水量為95%。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期之后，在基于應(yīng)變控制式的直剪儀上進(jìn)行直剪試驗(yàn)，其強(qiáng)度參數(shù)c和φ見(jiàn)表4。

從表4可知：當(dāng)摻灰量從0增加至40%時(shí)，路基改良土的黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ分別為原狀土的1.84倍和2.23倍，增加效果顯著；當(dāng)摻灰量q為10%左右時(shí)，路基改良土的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角增幅梯度最大，抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；隨著摻灰量q的繼續(xù)增加，改良效果增緩，這與機(jī)理分析結(jié)果比較吻合。因此，建議工程建設(shè)中摻灰量控制在10%左右。

表4 粉煤灰改良路基土的直剪試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Testing results of loadbed improvement

5 結(jié)論

(1) 含水土體受水化學(xué)作用，生成高度分散性的次生礦物，電分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致介質(zhì)中的孔隙增大，含水量增加，有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度減小。

(2) 水中離子質(zhì)量濃度差異顯著，其中：HCO3?和 Ca2+質(zhì)量濃度最高，Mg2+和 NO3?質(zhì)量濃度較低；pH值變化范圍為6.6～7.46，表層顯弱酸性和中性，深層顯弱堿性。Ca2+質(zhì)量濃度越高，土體原始黏結(jié)力和固有黏結(jié)力越低，但當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度足夠高時(shí)，黏結(jié)力提高，Mg2+有利于黏結(jié)力提高；HCO3?質(zhì)量濃度越大，黏結(jié)力越小。NO3?和 Cl?對(duì)黏結(jié)力影響很小。然而，離子質(zhì)量濃度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響弱于對(duì)黏結(jié)力的影響。內(nèi)摩擦角隨離子質(zhì)量濃度的變化離散性很大。

(3) 總礦化度、硬度和 Ca2+與黏結(jié)力的相關(guān)系數(shù)都大于0.900 0，表明土體抗剪強(qiáng)度受水化學(xué)的影響較大。一些指標(biāo)對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生的效應(yīng)線性相關(guān)性較小，其影響較弱。

(4) 粉煤灰改良路基土中，存在1個(gè)最佳摻灰量，使改良土強(qiáng)度增加梯度最大。

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