非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

洪安宇，楊曉松，黨進(jìn)謙，孫杲辰

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

洪安宇，楊曉松，黨進(jìn)謙，孫杲辰

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

為研究非飽和氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度特性，給工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，采用人工配置氯鹽漬土，進(jìn)行了室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)。在定性分析的基礎(chǔ)上，定量分析了非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量的相互關(guān)系。結(jié)果表明:試驗(yàn)條件下存在臨界含鹽量9%，當(dāng)含鹽量小于9%時(shí)，非飽和氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而減小;當(dāng)含鹽量大于9%時(shí)，抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而增加。

非飽和氯鹽漬土;抗剪強(qiáng)度;臨界含鹽量

1 研究背景

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）中的6.8.1條規(guī)定:“巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時(shí)，應(yīng)判斷為鹽漬土”［1］。我國鹽漬土分布很廣，在西北、華北、東北、內(nèi)蒙古河套等地區(qū)有大面積的內(nèi)陸鹽漬土，在渤海西岸、東南沿海各省市則存在濱海鹽漬土。鹽漬土屬于特殊土，其相性組成與一般土不同，液相中含有鹽溶液，固相中含有鹽結(jié)晶，尤其是易溶的鹽結(jié)晶。因此，有學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)該將鹽漬土歸為四相土體。筆者認(rèn)為，鹽漬土的相性應(yīng)該以其中所含鹽分的狀態(tài)來劃分，當(dāng)所有鹽分溶于孔隙水，呈離子態(tài)分布時(shí)，鹽漬土為三相土體，即固相、鹽溶液相、氣相;當(dāng)土體中存在鹽結(jié)晶時(shí)，鹽漬土為四相土體，即固相、液相、結(jié)晶鹽相、氣相。鹽漬土相成分的復(fù)雜性使得其工程性質(zhì)與含鹽量、土體含水率、干密度、溫度等諸多因素聯(lián)系密切，任一因素的變化都將引起土體工程性質(zhì)的改變。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涉及到廣大鹽漬土地區(qū)的開發(fā)。然而，關(guān)于鹽漬土工程特性已有的研究成果很難滿足工程建設(shè)的需要，舊問題尚未解決，新問題又會(huì)出現(xiàn)。綜合鹽漬土地區(qū)工程建設(shè)過程中及工程后期的安全評(píng)價(jià)與養(yǎng)護(hù)中遇到的問題，可以認(rèn)為，鹽漬土作為一種特殊土，其工程危害性主要有地基不均勻沉降、墻身泛堿、墻皮脫落、鋼筋銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞與鹽脹等［2-7］。

目前，對(duì)鹽漬土基本工程性質(zhì)的研究較少。趙海艷等［8］通過室內(nèi)土工試驗(yàn)與數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的方法，對(duì)濱海鹽漬土含鹽量與工程特性指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度隨含鹽量的增加出現(xiàn)一含鹽量界限值，試驗(yàn)條件下，含鹽量界限值為1.58%。雷華陽等［9］探討了超氯鹽漬土的含鹽量與工程特性指標(biāo)間的關(guān)系，認(rèn)為超氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度隨著含鹽量的增加而增大。徐安花等［10］分析了含多種鹽分鹽漬土在不同含水量下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，認(rèn)為溫度對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響較為顯著，對(duì)于氯化物和硫酸鹽混合的鹽漬土，當(dāng)氯化物（或硫酸鹽）的含量小于一定值時(shí)，鹽漬土的黏聚力隨著含鹽量的增加而降低，大于該值后，則黏聚力隨著含鹽量的增加而增大，但是對(duì)于不同條件下的界限含鹽量并沒有進(jìn)行研究。

針對(duì)鹽漬土工程特性的復(fù)雜性，本文以非飽和氯鹽漬土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)，定量研究抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量的相互關(guān)系，以豐富鹽漬土力學(xué)理論，為鹽漬土地區(qū)的開發(fā)與建設(shè)提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自西北農(nóng)林科技大學(xué)南區(qū)新宿舍樓工地地平面以下2 m處的擾動(dòng)黃土，土樣為黃褐色，具有較大孔隙，土質(zhì)均勻，土體疏松，屬馬蘭黃土（Q3）。對(duì)其進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)測(cè)定，測(cè)得易溶鹽含量為0.5 g/kg，可以用于人工鹽漬土的配制。所用黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1Basic physical properties of soil sample

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用氯鹽漬土采用人工配置，氯鹽為NaCl。含鹽量為土體內(nèi)鹽分的質(zhì)量與干土的質(zhì)量之比，用百分?jǐn)?shù)表示;控制含鹽量分別為0%，2%，5%，8%，9%，10%，12%。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，選用控制干密度1.60 g/cm3，控制含水率17%。剪切強(qiáng)度試驗(yàn)為適用于工程施工較快條件下的非飽和不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，圍壓為100，200，300，400 kPa，剪切速率為0.08 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表2。為了更加直觀地描述非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量的關(guān)系，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，繪制抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、與含鹽量的關(guān)系曲線，見圖1至圖3。

表2 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2Results of shear strength test

圖1 抗剪強(qiáng)度τ與含鹽量關(guān)系曲線Fig.1Curves of shear strength τ vs.salt content

圖2 內(nèi)摩擦角φ與含鹽量關(guān)系曲線Fig.2Curve of internal friction angel φ vs. salt content

圖3 黏聚力c與含鹽量關(guān)系曲線Fig.3Curve of cohesive force c vs. salt content

3.2 結(jié)果分析

由圖1抗剪強(qiáng)度與含鹽量的關(guān)系曲線可以看出，各級(jí)圍壓下，曲線走勢(shì)大致相同。當(dāng)含鹽量小于臨界含鹽量時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著含鹽量的增加而減小，并且減小幅度很大，400 kPa圍壓下兩者近似線性，隨著含鹽量由0%→2%→5%→8%變化，強(qiáng)度減小幅度分別為17.5%，31.5%，50.3%;當(dāng)含鹽量大于臨界含鹽量時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著含鹽量的增加而逐漸增加，但是幅度很小，隨著含鹽量由9%→10%→12%變化，強(qiáng)度增加的幅度僅為6.9%，6.5%，遠(yuǎn)小于減小的幅度。在試驗(yàn)條件下，臨界含鹽量為9%。圖2中內(nèi)摩擦角φ與含鹽量的變化關(guān)系與圖1相同，存在臨界含鹽量。含鹽量小于臨界含鹽量時(shí)，內(nèi)摩擦角φ隨著含鹽量的增加而減小，減小幅度較大;含鹽量大于臨界含鹽量時(shí)，內(nèi)摩擦角φ隨著含鹽量的增加而增加，增加幅度較小。在試驗(yàn)條件下，臨界含鹽量為9%。

圖3中，黏聚力c與含鹽量的關(guān)系曲線變化規(guī)律在總的趨勢(shì)上與圖1、圖2相同，即存在臨界含鹽量9%。含鹽量小于9%時(shí)，黏聚力c隨著含鹽量的增加而減小;含鹽量大于9%時(shí)，黏聚力c隨著含鹽量的增加而增加。不同之處在于黏聚力c隨著含鹽量向9%增加時(shí)，減小的幅度并沒有像抗剪強(qiáng)度τ、內(nèi)摩擦角φ那樣變化劇烈。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，含鹽量由0%→2%→5%變化時(shí)，黏聚力分別減小2.3%和7.8%，遠(yuǎn)小于抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角φ隨著含鹽量的增加而減小的幅度;由圖中關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)含鹽量由5%增加到8%時(shí)，黏聚力c變化最為劇烈，由95.2 kPa減小為64.4 kPa，減小了32.4%。

通過以上分析可以得出，非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量的關(guān)系規(guī)律性比較明顯，存在臨界含鹽量，且試驗(yàn)條件下，該臨界含鹽量為9%。

對(duì)非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量變化關(guān)系的分析應(yīng)從鹽分的類別、鹽漬土體的相性及結(jié)構(gòu)性等方面進(jìn)行。鹽漬土體內(nèi)部的連結(jié)包括接觸連結(jié)、吸附水膜連結(jié)和膠結(jié)連結(jié)［9-14］。

（1）在相同的初始干密度和含水率的條件下，單位體積內(nèi)土粒數(shù)量隨著含鹽量的增加而減小。隨著含鹽量的增加，土粒之間的接觸連結(jié)進(jìn)一步減小，鹽漬土體的結(jié)構(gòu)性減弱，抗剪強(qiáng)度逐漸減小。

（2）試驗(yàn)所用氯鹽為易溶鹽，當(dāng)土體中的含鹽量較小，達(dá)不到土體含水量條件下的飽和需求時(shí)，氯鹽將全部溶于土體溶液，此時(shí)，鹽漬土為三相土體（固相、氣相、鹽溶液相）。隨著含鹽量的增加，溶液中的離子濃度增大，雙電層厚度增加，鈉離子的潤滑作用逐漸加強(qiáng)，土顆粒之間達(dá)到的平衡力進(jìn)一步減小，從而導(dǎo)致鹽漬土的抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而減小。

（3）當(dāng)土體中的含鹽量進(jìn)一步增加，土體鹽溶液達(dá)到飽和時(shí)，多余的鹽分不再繼續(xù)溶于土體水分，而是以結(jié)晶鹽的形式存在于土體之中。此時(shí)的鹽漬土體相性由三相變?yōu)樗南?，即固相、鹽溶液相、氣相、結(jié)晶鹽相。結(jié)晶鹽的膠結(jié)作用加強(qiáng)了土體顆粒之間的連結(jié)，增強(qiáng)了土體的結(jié)構(gòu)性，土體強(qiáng)度增加。含鹽量繼續(xù)增加，結(jié)晶鹽的膠結(jié)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的影響作用愈加明顯，由于接觸作用減少和吸附水膜增厚導(dǎo)致的強(qiáng)度減弱效應(yīng)開始減少，力學(xué)特性上表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而增加。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為:試驗(yàn)條件下，當(dāng)含鹽量小于臨界含鹽量9%時(shí)，接觸作用減少和吸附水膜增厚對(duì)鹽漬土體強(qiáng)度的減弱效應(yīng)起著主要作用，此時(shí)，隨著含鹽量的增加，氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而減小;當(dāng)含鹽量大于臨界含鹽量9%時(shí)，結(jié)晶鹽的膠結(jié)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效應(yīng)開始起著主要作用，隨著含鹽量的增加，土體抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)逐漸增大。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量的變化關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明:當(dāng)含鹽量小于臨界含鹽量9%時(shí)，抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而減小;反之，抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨著含鹽量的增加而增加。

本文僅是通過室內(nèi)試驗(yàn)簡單地分析與探討非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)與含鹽量的相互關(guān)系，實(shí)際工程中鹽漬土的組構(gòu)及影響其工程性質(zhì)的因素都呈現(xiàn)多樣性，使問題變得更為復(fù)雜。進(jìn)一步的研究工作應(yīng)以含多種鹽分的鹽漬土工程特性及其在工程上的實(shí)際運(yùn)用為重點(diǎn)研究對(duì)象。

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（編輯:周曉雁）

Shear Strength Property of Unsaturated Chlorine Saline Soil

HONG An-yu，YANG Xiao-song，DANG Jin-qian，SUN Gao-chen
（College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，Yangling712100，China）

To research the shear strength property of unsaturated chlorine saline soil and to provide fundamental basis for engineering application，we performed conventional triaxial shear strength test on artificial chlorine saline soil.On the basis of qualitative analysis，we quantitatively analyzed the relations of chlorine saline soil strength and its indexes with salt content.The test results indicated that the critical salt content was 9%under the test conditions.When the salt content was less than 9%，shear strength and its indexes decreased with the increase of salt content;when the salt content was more than 9%，shear strength and its indexes increased with the increase of salt content.

unsaturated chlorine saline soil;shear strength;critical salt content

TU 411.3

A

1001-5485（2013）04-0052-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.012 2013，30（04）:52-55

2011-12-16;

2012-02-24

洪安宇（1988-），女，江西新干人，博士研究生，從事土的工程性質(zhì)研究，（電話）13468850724（電子信箱）ahong@wpi.edu。

楊曉松（1983-），男，河南信陽人，博士研究生，從事土的工程性質(zhì)研究，（電話）15829911491（電子信箱）yxsly2010@163.com。