含鹽量對(duì)硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

張 飛，胡小慶，劉亞薇，徐光黎，詹學(xué)啟

(1.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074;3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

硫酸鹽漬土是指鹽漬土中氯離子和硫酸根離子之比＜0.3的鹽漬土[1]。由于硫酸鹽具有鹽脹性、腐蝕性和濕陷性，會(huì)導(dǎo)致鹽漬土路基產(chǎn)生翻漿、鹽脹、腐蝕、凍脹等病害[2-3]。對(duì)硫酸鹽漬土力學(xué)性質(zhì)的研究，對(duì)鹽漬土地區(qū)路基建設(shè)顯得尤為重要。劉威等[4-5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究不同含鹽類別、含鹽量、含水量下鹽漬土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，并從結(jié)晶體位置變化、微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了分析。梁健偉等[6]通過(guò)十字板剪切試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)等探討了在水的作用下由可溶鹽離子引起的土顆粒表面微電場(chǎng)的變化對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響。

新建鄭徐高速鐵路位于我國(guó)黃淮海平原，該地區(qū)存在大面積的鹽漬土。鹽漬土地區(qū)客運(yùn)專線的地基強(qiáng)度和變形影響因素較多，目前對(duì)于這方面的工程經(jīng)驗(yàn)不多。土的抗剪強(qiáng)度是地基承載力計(jì)算中的重要指標(biāo)。三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反映土的實(shí)際受力情況[7]，是一種較為完善的測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的方法。本文對(duì)鄭徐高速鐵路沿線硫酸鹽漬土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，研究其不同含鹽量下的力學(xué)特性，為鹽漬土地區(qū)路基設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)參數(shù)。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原料土為開(kāi)封蘭考南站的粉土，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，原料土基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)以干土為標(biāo)準(zhǔn)，向原料土中添加無(wú)水硫酸鈉(Na2SO4)配制不同含鹽量的鹽漬土，并且稱量后要快速與土樣拌勻。試驗(yàn)用水為蒸餾水。試樣直徑3.91 cm，高8.0 cm。試樣養(yǎng)護(hù)7 d，經(jīng)過(guò)密度測(cè)定后，測(cè)試其抗剪強(qiáng)度。

表1 試驗(yàn)用原料土的基本物理參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

三軸剪切試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，試樣每產(chǎn)生0.3% ～0.4%的軸向應(yīng)變(或0.2 mm變形)，測(cè)記1次測(cè)力計(jì)讀數(shù)和軸向變形值。當(dāng)軸向總應(yīng)變＞3%時(shí)，試樣每產(chǎn)生0.7% ～0.8%的軸向應(yīng)變(或0.5 mm變形)測(cè)記1次。直到試件破壞或軸向應(yīng)變達(dá)到15%～20%時(shí)為止。

試樣含水率21%，齡期7 d，密度1.75 g/cm3，含鹽量分別取 0，1%，3%，5%，8%，10%，圍壓分別取50，100，200，300 kPa，共計(jì)6 ×4=24 個(gè)樣本。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度包線分析

根據(jù)同一含鹽量4種不同圍壓下試樣三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制摩爾應(yīng)力圓，根據(jù)應(yīng)力圓找出莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線，共得到6組不同含鹽量下硫酸鹽漬土試樣的三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖1所示。

圖1 三軸壓縮狀態(tài)下不同含鹽量硫酸鹽漬土摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線

由圖1可見(jiàn)，不同含鹽量硫酸鹽漬土試樣的破壞包線變化不大，基本呈直線型，較符合摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則[8]。直線的斜率基本相同，說(shuō)明不同含鹽量鹽漬土的內(nèi)摩擦角基本相同。

3.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律

黏聚力與易溶鹽含量關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，內(nèi)摩擦角與易溶鹽含量關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖2 黏聚力與易溶鹽含量關(guān)系曲線

由圖2、圖3可知:

1)三軸壓縮狀態(tài)下，含水率為21%時(shí)，硫酸鹽漬土的黏聚力c隨易溶鹽含量as的增大呈先減小后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，變化范圍在12.4～24.1 kPa，在as=2%時(shí)黏聚力達(dá)到最小。當(dāng)as≥8%時(shí)，黏聚力增大緩慢，甚至再次減小。

圖3 內(nèi)摩擦角與易溶鹽含量關(guān)系曲線

2)含水率為21%時(shí)，硫酸鹽漬土的內(nèi)摩擦角φ隨易溶鹽含量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)，但變化范圍極小，在29.4°～31.3°。含鹽量 as＜3%時(shí)內(nèi)摩擦角隨著含鹽量增大而減小，含鹽量超過(guò)3%后內(nèi)摩擦角逐漸增大，在as=7%時(shí)達(dá)到最大值之后迅速減小，在as=10%時(shí)達(dá)到最小值。

3)內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化趨勢(shì)基本一致，隨著含鹽量的增加，均呈現(xiàn)先減小后增大，然后再減小的趨勢(shì)。研究含鹽量對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的意義在于找出抗剪強(qiáng)度最大的最優(yōu)含鹽量，但內(nèi)摩擦角與黏聚力取得極大值時(shí)的含鹽量并不相同，即不能找到一個(gè)含鹽量使得黏聚力和內(nèi)摩擦角同時(shí)達(dá)到最大，說(shuō)明鹽漬土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題不能分離c，φ來(lái)討論。

3.3 抗剪強(qiáng)度機(jī)理分析

硫酸鹽漬土含鹽量較小時(shí)，可溶解的鹽含量未達(dá)到飽和，鹽可溶解于水，溶液中鈉離子發(fā)生水化反應(yīng)，鈉離子以水化離子形式存在，土粒間距增大，水的潤(rùn)滑作用更加明顯，土顆粒間引力被削弱，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小，黏聚力減小。隨著含鹽量的增加，多余的鹽會(huì)以結(jié)晶鹽的形式析出，結(jié)晶鹽作為固體顆粒的一部分起到膠結(jié)作用，并能填充土中孔隙，從而增大了土粒間的摩擦，同時(shí)，飽和結(jié)晶鹽構(gòu)成了鹽漬土的一部分骨架，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大，黏聚力增大;當(dāng)含鹽量超過(guò)界限含鹽量時(shí)，硫酸鹽會(huì)發(fā)生鹽脹作用[9]，土顆粒之間的粘結(jié)作用減弱，削弱了土粒間的粘結(jié)力，從而使黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的增大再次減小。

4 結(jié)論

1)不同含鹽量硫酸鹽漬土試樣的摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線變化不大，基本呈直線型，較符合摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。

2)易溶鹽含量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有一定影響，含水率為21%時(shí)，黏聚力隨易溶鹽含量的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，變化范圍在12.4～24.1 kPa;內(nèi)摩擦角隨易溶鹽含量的增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，但變化范圍極小，在29.4°～31.3°。

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[6]梁健偉，房營(yíng)光，陳松.濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)與機(jī)理分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010(7):36-40.

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