基于GDS室溫條件下鹽漬土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究

張洪萍，楊曉華，韓云山

（1.中北大學(xué)土木工程系，山西 太原 030051；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

新疆地區(qū)為典型的鹽漬土地區(qū)，土體強(qiáng)度隨顆粒組成、含鹽量、含水量、溫度的變化而變化。其中含鹽量和鹽分類型是鹽漬土強(qiáng)度變化的內(nèi)部原因，含水量和溫度的影響是導(dǎo)致鹽漬土強(qiáng)度變化的外部因素，所發(fā)生的變化是通過物理變化和化學(xué)途徑進(jìn)行的，結(jié)果表現(xiàn)為鹽漬土的結(jié)構(gòu)重整、膨脹或收縮，分散性、應(yīng)變率加大，強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致地基嚴(yán)重失穩(wěn)，給國家造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失［1-3］。因此，考慮含水量和含鹽量的交互作用，對研究鹽漬土強(qiáng)度變化有較強(qiáng)的實(shí)際意義，這不僅為新疆鹽漬土地區(qū)的路基和建筑設(shè)計(jì)提供一些參考的工程參數(shù)，對鹽漬土的工程病害也有非常大的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)制備及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

現(xiàn)場土樣取自新疆S201線克榆高速公路，取土深度0.1～0.5m。該地區(qū)的土大部分易溶鹽的含量1％～5％，均超過了規(guī)范規(guī)定的界限值0.5％，在此深度范圍內(nèi)，類型以氯（亞氯）鹽漬土和中硫酸（亞）鹽漬土為主，屬于弱鹽漬土 -中鹽漬；土的類型主要以粉土和粉質(zhì)粘土為主，且液限都很低。粒徑主要分布在＜0.074mm的范圍內(nèi)且較均勻。最大干密度1.81～1.96 g/cm3，最佳含水量10.2％ ～14.2％。

1.2 試樣制備方法

采用常規(guī)的不固結(jié)不排水試驗(yàn)，土樣含水量的變化采用預(yù)濕法，把配制好的土樣放在保濕缸內(nèi)靜置的時(shí)間不少于24h。土樣含鹽量的變化首先測出土樣的初始含鹽量，然后將鹽溶解在同樣的水中，摻加的含鹽量以4％的比例增加，該試件含鹽量定義為鹽的質(zhì)量與干土質(zhì)量的百分比。然后擊實(shí)成型。按照試驗(yàn)規(guī)程用專用的削土器將土樣削制成高度為80mm，直徑為39.1mm的圓柱形試樣。普通三軸試樣在制備時(shí)一般控制含水量差值應(yīng) ＜2％，干密度差值 ＜0.03kN/m3。

1.3 三軸剪切試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備：GDS靜三軸儀，該儀器可準(zhǔn)確的施加和保持圍壓，土樣體變值的量測比較精確，同時(shí)能比較準(zhǔn)確測出孔隙壓力。

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：對GDS靜三軸儀進(jìn)行檢查，排出孔隙壓力量測系統(tǒng)的氣泡，檢查排水管路是否暢通，連接處有無漏水現(xiàn)象，檢驗(yàn)橡皮膜是否漏氣。

周圍壓力：圍壓按常規(guī) 100kPa、200kPa、300kPa逐級施加。

剪切應(yīng)變速率：因?yàn)樵囼?yàn)用土為粉土和粉質(zhì)粘土，規(guī)程規(guī)定按每分鐘應(yīng)變?yōu)?.5％ ～1.0％進(jìn)行剪切，故本試驗(yàn)設(shè)定的剪切速度為0.8mm/min。

剪切過程讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：由于數(shù)據(jù)的采集是電腦自動(dòng)控制，所以讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)定為每10秒鐘讀數(shù)一次。在試驗(yàn)中，應(yīng)力無峰值時(shí)，按規(guī)程取應(yīng)變ε=15％所對應(yīng)的偏應(yīng)力值作為破壞時(shí)的極限應(yīng)力圓的直徑，并且軸向應(yīng)變變化到20％再結(jié)束［4］。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試樣經(jīng)過三軸剪切以后，土樣隨外界條件的變化發(fā)生明顯的塑性變形或脆性變形，形狀由原來的圓柱形被壓成中部鼓出形。試樣在偏應(yīng)力（σ1-σ3）作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是研究鹽漬土強(qiáng)度變形的基礎(chǔ)，圖1、圖2給出了含水量變化情況下的幾組偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由曲線可看到，在試驗(yàn)范圍內(nèi)（σ1-σ2）-ε曲線十分相似，大致都呈雙曲線型。［5］參考材料力學(xué)對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的研究方法，把該試驗(yàn)的曲線大致分為三個(gè)階段；第一階段（從開始到 A點(diǎn)）為應(yīng)變隨應(yīng)力呈線性增加的彈性階段；第二階段（從A點(diǎn)到B點(diǎn)）為應(yīng)變硬化階段，這一階段主要是塑性變形階段，包括部分彈性變形；第三階段（B點(diǎn)以后）為破壞階段，所以，根據(jù)破壞強(qiáng)度定義，數(shù)據(jù)分析中把B點(diǎn)定為破壞點(diǎn)，本文為了減少取點(diǎn)的誤差，取最大偏應(yīng)力為破壞強(qiáng)度［6］。

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圖1 在某一含水量下不同圍壓下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.2 The stress-strain curves of different confining pressure at some water content

圖2 同一圍壓σ3=300M Pa不同含水量下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.2 The stress-strain curves of the same confining pressureσ3=300M Pa at different water contents

圖1、圖2為相同含鹽量不同含水量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由于外界條件的不同，應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在差異。在初始含水量較高的情況下，當(dāng)軸向應(yīng)變較小時(shí)，低圍壓的偏應(yīng)力反而比高圍壓的偏應(yīng)力大一些，這說明圍壓較小時(shí)，土樣的結(jié)構(gòu)性還未破壞，因此隨應(yīng)變增大應(yīng)力增量增長較快，曲線斜率較大；當(dāng)圍壓達(dá)到一定值時(shí)，主應(yīng)力少有增加，土體的結(jié)構(gòu)即被破壞，體積被壓縮；從圖中發(fā)現(xiàn)，含水量的不同使得試樣發(fā)生的破壞也不同，在含水量低的條件下發(fā)生的是脆性變化，即隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力由最大值逐漸降低，最后達(dá)到穩(wěn)定值，但隨著圍壓的增大，這種趨勢逐漸減弱，這時(shí)候可把應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值作為破壞強(qiáng)度；而在含水量高的條件下試樣發(fā)生的卻是塑性變化，即在一定應(yīng)變下應(yīng)力達(dá)到最大值后，應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增加，土體的這類破壞無明顯的破裂面，形成所謂塑流狀態(tài)的塑性變化，這時(shí)把三軸試驗(yàn)的破壞標(biāo)準(zhǔn)定為應(yīng)變ε=15％時(shí)的強(qiáng)度；圖2應(yīng)力應(yīng)變曲線表明，圍壓一定時(shí)，在軸向應(yīng)變相同時(shí)，初始含水量的增大都會使得偏應(yīng)力有所減小。含水量越大，初始階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線越短，，即起始屈服變形點(diǎn)大都會使得偏應(yīng)力有所減小。這是因?yàn)楫?dāng)含鹽量一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度與土中的含水量的關(guān)系較大，當(dāng)含水量增加時(shí)，土中的結(jié)晶鹽會比原先含水量低時(shí)溶解掉的要多，這使得土顆粒間的聯(lián)結(jié)力削弱，抗剪強(qiáng)度下降；而當(dāng)其含水量較低時(shí)，土中液態(tài)的鹽會轉(zhuǎn)變成固態(tài)的鹽起著膠結(jié)作用，使其抗剪強(qiáng)度增大［1］。

圖3、圖4為相同含水量不同含鹽量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線，這種情況所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式恰好與含水量變化的曲線形式相反，即在含鹽量低時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值，呈加工硬化型，發(fā)生的是塑性變形；而隨著含鹽量的增加，試樣發(fā)生的卻是脆性變形，這種脆性破壞在圍壓較?。?00kPa）時(shí)表現(xiàn)得較明顯。圖4還表明，圍壓一定在軸向應(yīng)變相同時(shí)，隨著初始含鹽量的增大偏應(yīng)力也在增大。這主要是由于鹽漬土中的鹽晶體填充于土中孔隙及鹽的膠結(jié)作用，使得鹽漬土的抗剪強(qiáng)度受到土中含鹽量的影響。當(dāng)含水量一定時(shí)，土中的水所溶解的鹽是一定的，當(dāng)過多的鹽晶體填充于土孔隙中時(shí)，孔隙水溶液的濃度隨著含鹽量的增加而不斷增大，當(dāng)鹽溶液達(dá)到飽和后，土中多余的鹽便以固體晶體存在于土中，而成為土骨架的一部分且起重要的膠結(jié)作用，從而使抗剪強(qiáng)度在這種條件下隨含鹽量的增加而增大。

綜上所述，鹽漬土作為一種特殊的土類，由于其組成由不穩(wěn)定的物質(zhì)組成，所以它的強(qiáng)度將隨著含水量、含鹽量以及受力荷載等因素的變化而變化。

圖3 在某一含鹽量下不同圍壓下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.3 The stress-strain curves of different con fining pressure at some salt content

圖4 同一圍壓σ3=300M Pa不同含鹽量下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.4 The stress-strain curves of the same con fining pressureσ3=300MPa at different salt content

3 結(jié)果分析

極限強(qiáng)度試驗(yàn)取值是取試驗(yàn)破壞點(diǎn)的應(yīng)力，即用破壞點(diǎn)的極限偏應(yīng)力作為極限應(yīng)力。取值標(biāo)準(zhǔn)為：對圍壓較小，峰值明顯的應(yīng)力應(yīng)變曲線選峰值作為極限強(qiáng)度；對圍壓較大，峰值不明顯的應(yīng)力應(yīng)變曲線一般取曲線上應(yīng)力不再增大或略有減小的點(diǎn)作為相應(yīng)的破壞點(diǎn)應(yīng)力，一般取軸向應(yīng)變ε=15％時(shí)所對應(yīng)的偏應(yīng)力（σ1-σ3）作為土體的極限強(qiáng)度。按照此標(biāo)準(zhǔn)分別得到了不同含水量和不同含鹽量下的極限強(qiáng)度與應(yīng)力的關(guān)系曲線。［7］

從圖5、圖6中看到，不論是含水量變化還是含鹽量變化鹽漬土的抗剪強(qiáng)度與破壞面上的法向應(yīng)力成正比，且符合庫倫定律。

圖7為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的變化曲線，由試驗(yàn)結(jié)果可知，粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水量的增加而減小，含水量小時(shí)，粘聚力下降幅度較大幾乎成直線關(guān)系，含水量高時(shí)則不明顯，曲線較平緩；而內(nèi)摩擦角則變現(xiàn)為含水量小時(shí)，曲線較陡，含水量高時(shí)，曲線下降較緩，總體上含水量的變化對粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化都較明顯。主要是因?yàn)殡S著含水量的不同，鹽分在土中可呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，這對鹽漬土抗剪強(qiáng)度必然產(chǎn)生影響。

圖8為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的變化曲線，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粘聚力隨著含鹽量的先減小后增大，含鹽量小時(shí)，曲線變化幅度不大，較平緩，而隨著含鹽量增大粘聚力上升幅度增大幾乎成直線關(guān)系；內(nèi)摩擦角則隨著含鹽量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，變化幅度不大。前蘇聯(lián)有研究表明鹽漬土的抗剪強(qiáng)度隨含鹽量的增加而增大。本文不同含鹽量的鹽漬土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，其變化和前蘇聯(lián)研究的結(jié)果相近［8］。

圖5 不同含水量下極限強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between limit strength and con fining ressures at different water contents

圖9是極限強(qiáng)度與含水量的關(guān)系，從圖中發(fā)現(xiàn)，

極限強(qiáng)度隨含水量的增加不斷減小。而且隨著圍壓的不同表現(xiàn)出不同的形式。

圍壓σ=300kPa時(shí)，Y=0.1352x2-6.3009x+96.116

圍壓σ=200kPa時(shí)，Y=0.3513x2-12.688x+132.41

圍壓σ=100kPa時(shí)，Y=0.3259 x2-11.326x+110.92

圖6 不同含鹽量下極限強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between limit strength and con fining pressure at different salt con tents

圖8 粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量變化曲線Fig.8 Curves of cohesions and friction angles with different salt con tents

圖9 極限強(qiáng)度隨含水量變化曲線Fig.9 Curves of limit strength for different water contents

圖10 極限強(qiáng)度隨含鹽量變化曲線Fig.10 Curves of limit strength for different salt contents

圖10是極限強(qiáng)度與含鹽量的關(guān)系，從圖中發(fā)現(xiàn)，極限強(qiáng)度隨含鹽量的增加不斷增加。呈非線性關(guān)系。同樣圍壓不同，回歸方程不同。

圍壓σ=300kPa時(shí)，Y=0.1431x2-0.9398x+35.313

圍壓σ=200kPa時(shí)，Y=0.3097x2-3.1735x+30.984

圍壓σ=100kPa時(shí)，Y=0.3428 x2-4.0414x+26.806

通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，以上回歸方程與試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度較好。

4 結(jié)論

（1）鹽漬土與非鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式大致相同，即都呈現(xiàn)雙曲線型，都可以將曲線分為三個(gè)階段：第1階段為彈性階段，第2階段為應(yīng)變硬化階段，第3階段為破壞階段。鹽漬土的抗剪強(qiáng)度與破壞面上的法向應(yīng)力成正比，且符合庫倫定律。

（2）含水量和含鹽量的不同使得試樣發(fā)生的破壞也不同。在含水量低的條件下發(fā)生的是脆性變化，含水量高的條件下試樣發(fā)生的是塑性變化；不同含鹽量下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征恰好與含水量變化的曲線特征相反，即在含鹽量低時(shí)，應(yīng)力 -應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值，呈加工硬化型，發(fā)生的是塑性變形，隨著含鹽量的增加，試樣發(fā)生的是脆性變形，含水量和含鹽量之間存在一組值作為不同應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的臨界值，此臨界值的大小還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

（3）人工加鹽制備不同含鹽量的鹽漬土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)表明，粘聚力隨著含鹽量的增加先減小后增大，內(nèi)摩擦角有先增大后減小的趨勢，強(qiáng)度參數(shù)隨含水量的變化表現(xiàn)較明顯；由不同含水量的鹽漬土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)表明，粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水量的增加而減小 ，其中粘聚力隨含鹽量的變化表現(xiàn)較明顯，而內(nèi)摩擦角變化不明顯。

（4）極限強(qiáng)度與含水量和含鹽量之間的關(guān)系符合二次拋物線變化規(guī)律，在不同應(yīng)力作用下，拋物線形式不同。

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