鹽溶液飽和粘土的直剪試驗研究

顏榮濤

【摘要】在鉆孔井壁失穩(wěn)、核廢料處置、庫岸滑坡等特殊巖土工程中，孔隙水溶液組分和濃度對土體強(qiáng)度存在重大影響。本文利用直接剪切試驗研究了不同濃度鹽溶液飽和粘土的強(qiáng)度特性，得出了以下結(jié)論：鹽溶液飽和粘土能使其固結(jié)狀態(tài)發(fā)生改變，隨著鹽分濃度的增加，土體可以從超固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９探Y(jié)狀態(tài)，甚至轉(zhuǎn)變欠固結(jié)狀態(tài)，發(fā)生所謂的化學(xué)固結(jié)；鹽溶液濃度的增加可以提高內(nèi)摩擦角，降低粘聚力，兩個強(qiáng)度指標(biāo)的不同變化控制了土體在不同豎向壓力、濃度范圍下的強(qiáng)度的不同演變規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】飽和粘土；鹽溶液；強(qiáng)度

The Research of Direct Shearing Tests on Clay Saturated by Salt Solution

YAN Rong-tao

（ College of Civil engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guiling Guangxi, 541004, China）

【Abstract】In some special Geotechnical engineerings, such as the wall stability problem of well, the disposal of nuclear waste, the landslide of reservoir and so on, the species and concentration of porewater have significantly effect on the strength of clay. In this paper, direct shearing tests were preformed to study the strength characteristics of clay samples saturated by salt solution with different concentration. The experimental result shows exposing to salt solution could change the consolidation state of clay sample. With the increasing of salt concentration, clay can be transform from the overconsolidation state into the normal consolidation state, even into the under consolidation state which is likely to induce the chemical consolidation. Increasing of the salt concentration of pore water could rise the frication angle, but depress the cohesion of clay. Therefor, the different variabilities of strength indexs are combined to decide the changing trend of strength of clay saturated by Salt Solution.

【Key words】Saturated Clay; Salt Solution; Strength

0引言

在一些特殊的巖土工程問題中，土體孔隙水溶液組分和濃度會發(fā)生一些改變，這種變化對土體的力學(xué)強(qiáng)度存在重大影響[1-3]。例如，在鉆探過程中，護(hù)壁泥漿會改變原有孔隙水的組分以及濃度，導(dǎo)致井壁土體的力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生改變，可能導(dǎo)致井壁的失穩(wěn)坍塌；核廢料處置庫中核素等溶質(zhì)遷移引起孔隙水組分、濃度的變化，改變緩沖材料的力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)，導(dǎo)致原有評估的失效，甚至有可能發(fā)生核泄露；水庫周期性的水位升降必然會引起孔隙水溶質(zhì)的動態(tài)變化，從而改變了庫岸土體的強(qiáng)度特性，為庫岸滑坡提供了可能性條件。因此，探究水溶液組分和濃度變化對土體強(qiáng)度的影響規(guī)律和影響機(jī)理是一個急待解決的問題。

目前關(guān)于水溶液組分和濃度變化對力學(xué)特性的影響展開了一些研究，主要集中于對液塑限、壓縮性等力學(xué)指標(biāo)，針對于土體強(qiáng)度的研究還處于起步階段。Warkentin & Yong [1]利用直剪試驗研究了鈉離子、鈣離子不同濃度溶液對膨潤土、高嶺土強(qiáng)度的影響規(guī)律，認(rèn)為鹽溶液飽和土體會降低土體強(qiáng)度，并且試圖揭示其影響機(jī)理。Di Maio & Fenelli [2]通過試驗認(rèn)為由于鹽向土體擴(kuò)散使膨潤土的強(qiáng)度產(chǎn)生了明顯的改變，而高嶺土強(qiáng)度卻基本不受孔隙水組分的影響。此外，很多學(xué)者也對不同水化學(xué)環(huán)境下土體的強(qiáng)度做了類似的試驗研[3-8]。

為了充實鹽溶液飽和土體的強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)，建立強(qiáng)度受鹽溶液飽和后的演化規(guī)律，揭示其作用機(jī)制，本文通過直剪試驗研究了不同濃度氯化鈉溶液飽和粘土的強(qiáng)度特性，這些試驗數(shù)據(jù)必定為后期的理論研究一定的數(shù)據(jù)支持。

1試驗介紹

1.1試驗方案

本文采用不同濃度的NaCl溶液作為試驗飽和溶液，在試樣的制備和抽真空飽和都采用試驗濃度的NaCl溶液，而后進(jìn)行直接剪切試驗研究強(qiáng)度的演變規(guī)律。試驗選用的試樣干密度為1.6g/cm3，豎向壓力和溶液濃度設(shè)置如表1。

1.2試驗材料

由于粘性土對于水化學(xué)環(huán)境變化非常敏感，并且為了體現(xiàn)試驗效果，本試驗選用粘性土進(jìn)行試驗。粘性土具體物性指標(biāo)如下：比重GS

=2.67；液限為WL=41.7%、塑限為Wp=21.9%；顆分曲線如圖1。試驗溶液采用NaCl溶液按照預(yù)定濃度制成。

圖1試驗粘土的顆粒分布曲線

1.3剪切過程

剪切采用常規(guī)的直剪儀，采用固結(jié)排水剪切模式。固結(jié)時間一般為12h左右，每小時變形不超過0.005mm，判斷固結(jié)完成。固結(jié)完成后，采用0.01mm/min的剪切速率進(jìn)行剪切，剪切過程中剪切應(yīng)力-剪切位移曲線出現(xiàn)峰值，則取峰值作為強(qiáng)度；否則，取剪切位移為4mm對應(yīng)的應(yīng)力值作為土體的強(qiáng)度。

2試驗結(jié)果

2.1剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

剪切應(yīng)力-剪切位移曲線是直剪試驗得出的最直接的試驗數(shù)據(jù)。為了比較不同濃度的鹽溶液、不同豎向壓力對試樣剪切應(yīng)力-剪切位移特性的影響，圖2給出了50kPa、150kPa、350kPa和400kPa豎向壓力下不同濃度（0M、0.01M、0.02M、0.05M、0.1M）鹽溶液飽和粘土的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線。在圖2（a）中，根據(jù)其剪切應(yīng)力-剪切位移曲線可以得出在50kPa豎向壓力下試樣會展現(xiàn)出不同程度的應(yīng)力軟化現(xiàn)象，也就是說試樣處于不同程度的超固結(jié)狀態(tài)，但是隨著鹽溶液的濃度的增大，這種應(yīng)力軟化效應(yīng)、超固結(jié)程度會有明顯的減弱，在鹽溶液濃度達(dá)到0.05M時，基本沒有了應(yīng)力軟化現(xiàn)象。綜合分析可知，隨著鹽溶液濃度的增大，可見試驗試樣從超固結(jié)狀態(tài)到正常固結(jié)狀態(tài)、甚至可能是欠固結(jié)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

圖2中，50kPa、150kPa豎向壓力下和350kPa、400kPa豎向壓力下的強(qiáng)度特性存在很明顯的差別。在50kPa、150kPa豎向壓力下，隨著鹽溶液濃度的增大（0M~0.05M），強(qiáng)度顯現(xiàn)出很明顯的下降，并且具有很好的下降一致性。50kPa豎向壓力下，0.01M、0.02M、0.05M鹽溶液飽和粘土的強(qiáng)度下降幅度分別為10.7%、14.9%、40.1%；150kPa豎向壓力下，0.01M、0.02M、0.05M鹽溶液飽和粘土的強(qiáng)度下降幅度分別為2.75%、14.2%、24.5%。然而，在豎向壓力為350kPa、400kPa的情況下，鹽溶液濃度對強(qiáng)度并沒有很明顯的影響，也沒有很一致性的下降或是上升趨勢。

(a)50kPa豎向壓力下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

（b）150kPa豎向壓力下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

（c）350kPa豎向壓力下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

(d) 400kPa豎向壓力下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

圖2不同豎向壓力、不同濃度鹽溶液飽和粘土的

剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

2.2強(qiáng)度特征

為了更進(jìn)一步的分析剪切強(qiáng)度隨鹽溶液濃度的變化規(guī)律，本文在圖3中給出了不同豎向壓力下的強(qiáng)度隨鹽溶液濃度的演變規(guī)律。很明顯，在豎向壓力為50kPa、100kPa和150kPa的情況下，剪切強(qiáng)度隨著濃度的增大呈現(xiàn)出明顯的下降，而在豎向壓力為200kPa~400kPa的情況下，剪切強(qiáng)度基本上保持不變(可以采用水的勢理論進(jìn)行解釋，在比較大的壓力下，原有的吸附水獲得了較高的水勢也轉(zhuǎn)化成自由水，使原有的雙電子層變薄)。這與Warkentin & Yong [1]對蒙脫土和高嶺土進(jìn)行直剪試驗得到的結(jié)論一致的，即隨著鹽溶液濃度的變大，剪切強(qiáng)度降低。但是，現(xiàn)在的一些試驗卻存在于此相反的試驗，即隨著鹽溶液濃度的變大，剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)不同幅度的升高[1-3]。

圖 3剪切強(qiáng)度隨濃度的變化規(guī)律

Fig 3The variation of shearing strength with concentration

強(qiáng)度指標(biāo)分析是巖土力學(xué)強(qiáng)度分析中非常關(guān)鍵的一環(huán)。圖4給出了粘聚力和內(nèi)摩擦角隨鹽溶液濃度的變化情況，隨著孔隙水鹽溶液的變大，粘聚力降低，內(nèi)摩擦角呈上升趨勢。并且在粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化梯度逐漸變小，最后可能趨于一致。目前針對于內(nèi)摩擦角的變大趨勢，已經(jīng)可以利用電子雙層吸附理論可以進(jìn)行解釋，也就是說孔隙水鹽溶液濃度的變大，原有孔隙水的陽離子濃度變大，通過分子吸附/解吸附等水化學(xué)作用使電子雙層變薄，斥力變小，顆粒之間具有更大的接觸面積，同時接觸面起伏不平，使內(nèi)摩擦角變大[3-5]。然而，對于粘聚力的變化，目前很難有具體的定論，因為它涉及到粒間連結(jié)力與結(jié)合水厚度兩個方面，若電子雙層厚，粒間連結(jié)力就比較弱，表現(xiàn)出來的粘聚力也就比較小，但是從結(jié)合水的角度上講，電子雙層厚度較大，克服弱結(jié)合水所做的功也就多些，這兩者具有矛盾的效應(yīng)[1]。

圖 4強(qiáng)度指標(biāo)隨濃度的變化規(guī)律

Fig 4The variation of shearing strength indexes with concentration

3結(jié)論

本文采用NaCl溶液飽和粘土，研究了不同濃度鹽溶液對粘土的強(qiáng)度的影響規(guī)律，并且結(jié)合前人的研究成果，探討鹽溶液對粘土的強(qiáng)度的影響機(jī)制。經(jīng)過研究分析，得出了以下結(jié)論：

（1）鹽溶液飽和粘土可以使土體的固結(jié)狀態(tài)發(fā)生改變，隨著鹽分濃度的增加，土體可以從超固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９探Y(jié)狀態(tài)，甚至轉(zhuǎn)變欠固結(jié)狀態(tài)，發(fā)生所謂的化學(xué)固結(jié)；

（2）在低豎向壓力、低溶液濃度的情況下，土體強(qiáng)度隨鹽溶液濃度增大而減??；而在相對較高豎向壓力或高溶液濃度情況下，土體強(qiáng)度隨鹽溶液濃度增大而變大；

（3）隨著鹽溶液濃度的提高，內(nèi)摩擦角隨著變大，而粘聚力呈現(xiàn)相反的趨勢，二者共同控制土體強(qiáng)度的變化。

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［責(zé)任編輯：張濤］