含鹽量對滑坡粘性土強度影響的試驗研究

于明波

摘 要：本文以滑坡帶粘性土為研究對象，開展了不同溶液離子濃度下的直剪試驗，探討孔隙含鹽量變化對土體強度特性的影響。結(jié)果表明，土體含鹽量的變化對粘性土強度影響顯著，且變化趨勢與上覆壓力大小相關(guān)；同時，隨含鹽量增加內(nèi)摩擦角略增大，而粘聚力減小。上述試驗結(jié)果歸因于鹽溶液通過水土化學作用除抑制擴散雙電層發(fā)育外，還會改變粘性土的組構(gòu)（孔隙狀態(tài)和結(jié)構(gòu)），進而對剪切過程中變形破壞的形式及強度特性造成影響。

關(guān)鍵詞：滑坡帶粘性土；含鹽量；剪切強度

1 概述

滑坡作為人類生活中常見的地質(zhì)災害，造成大量人員傷亡及財產(chǎn)損失。由于誘導滑坡發(fā)生的因素及作用機理的多變性和復雜性，準確預測滑坡的發(fā)生比較困難[1，2]。因此，滑坡一直是世界各國研究的重要地質(zhì)和工程問題之一。

目前，國內(nèi)外學者在此方面已開展了大量的相關(guān)研究。文獻[3]通過對滑坡體實例的數(shù)值模擬研究，揭示了邊坡變形破壞受降雨影響的特征，并提出在進行破壞計算中應(yīng)考慮降雨入滲的影響。文獻[4]通過開展蒸發(fā)和降雨條件下模型對邊坡穩(wěn)定性進行了研究，得出降雨與蒸發(fā)對邊坡的表層滑動土體的穩(wěn)定性具有顯著影響，而對深層滑動土體的影響相對較小。文獻[5-7]研究了降雨強度、歷時、前期降雨、土體滲透特性以及降雨類型等降雨因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。

上述文獻大多集中對不同降雨要素下邊坡土體穩(wěn)定性進行研究。但巖土體，尤其是粘性土，其固體骨架通常帶電。當它與水充分接觸時，因粘土顆粒和水分子均存在不平衡的電荷，且水中包含著各種離子，使得在粘粒-水-電系統(tǒng)間存在顯著的相互作用力[8]。在環(huán)境荷載作用下，粘性土將表現(xiàn)出極為復雜的化學-力學耦合效應(yīng)。而對其相互作用機制的研究工作還缺乏系統(tǒng)深入，這已嚴重地制約了許多重大工程問題的有效解決。

基于此，本文通過選擇滑坡帶粘性土為研究對象，開展了一系列NaCl含量即不同孔隙溶液離子濃度下粘性土的直剪試驗，探討了土體孔隙含鹽量對滑坡粘性土強度的影響，得出孔隙溶液離子濃度與土體抗剪強度指標之間的關(guān)系。

2 試驗過程

2.1 試驗材料介紹

試驗所用土樣取某滑坡帶。其相應(yīng)的物性指標如下：比重為2.73、液限為48.3%、塑限為23.8%，塑性指數(shù)24.5；土體的砂粒組占16.1%，粉粒組占20.6%，粘粒組占63.3%。

2.2 試樣土樣的制備

因天然土體中含有易溶鹽，為避免原有易溶鹽對直剪試驗的影響。試驗前，需用蒸餾水對土體進行洗鹽。洗鹽達標后的試驗土體再進行烘干-碾碎-烘干，密封保存。

將化學溶液與干土混合均勻后，密封保存3d后，采用分層壓實成環(huán)刀樣，后抽真空飽和。為使反應(yīng)充分，浸泡養(yǎng)護15天，做好防蒸發(fā)措施，避免水分蒸發(fā)使溶液濃度變大，對試驗造成影響。

2.3 直剪試驗

（1）試驗方案設(shè)計

本次試驗，溶液濃度共設(shè)6級，分別是蒸餾水和濃度為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0mol/L的NaCl溶液。每級離子濃度的直剪試驗中，采用4個平行試樣，分別施加100、200、300、400kPa的固結(jié)壓力下固結(jié)穩(wěn)定后進行剪切。

（2）直剪試驗

本次直剪試驗采用固結(jié)慢速剪切模式進行試驗，試驗儀器及操作步驟按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）中的相關(guān)規(guī)定進行，各試樣的試驗條件保持一致。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗剪強度變化規(guī)律

圖1展示了相同正應(yīng)力下抗剪強度隨溶液濃度變化趨勢。

從圖中可以看出，當正應(yīng)力為不超過200kPa時，強度值隨濃度增加，先降后升。而當正應(yīng)力為300和400kPa時，強度值隨濃度增加，先增加后趨于穩(wěn)定。這充分說明孔隙含鹽量對土體強度的影響與上覆正應(yīng)力的大小有關(guān)。其主要歸結(jié)于粒間物理化學力的改變，將引起組構(gòu)（孔隙狀態(tài)和結(jié)構(gòu)）的變化，致使剪切區(qū)域顆粒的接觸點數(shù)量發(fā)生改變，進而影響強度特性。

3.2 強度指標變化規(guī)律

圖2展示了強度指標變化與孔隙溶液濃度變化的關(guān)系。

從圖中可以看出，隨濃度的增加，內(nèi)摩擦角先急劇增大后趨于穩(wěn)定；粘聚力逐漸降低，但降低梯度逐漸變小。這是因為溶液濃度增加后抑制擴散雙電層的發(fā)育，致使顆粒間粗糙程度增加和粒間物理化學作用力發(fā)生改變所導致。

4 結(jié)論

（1）孔隙含鹽量對滑坡帶粘性土強度影響顯著，其變化趨勢與上覆正應(yīng)力的大小有關(guān)。原因是，粒間物理化學力改變將引起組構(gòu)（孔隙狀態(tài)和結(jié)構(gòu)）的變化，致使剪切區(qū)域顆粒的接觸點數(shù)量發(fā)生改變，進而影響強度特性。

（2）孔隙含鹽量增加可以提高試驗土體的內(nèi)摩擦角，而降低了粘聚力。主要與粘土礦物顆粒表面的擴散雙電層厚度的變化有關(guān)。

參考文獻

[1]林鴻州，于玉貞，李廣信，等.降雨特性對土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響[J].巖石力學與工程學報，2009，28（1）：198-204.

[2]武麗.降雨入滲對邊坡滲流特性及穩(wěn)定的影響研究[D].南京：河海大學，2005.

[3]劉小偉，劉高，諶文武，等.降雨對邊坡變形破壞影響的綜合分析[J].巖石力學與工程學報，2003（z2）：2715-2718.

[4]魏寧，茜平一，傅旭東.降雨和蒸發(fā)對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J].巖土力學，2006，27（5）：778-782.

[5]徐全，譚曉慧，沈夢芬.降雨入滲條件下土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學報，2012，34（suppl）：254-259.

[6]縱崗，梅嶺，姜朋明，等.降雨入滲作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].長江大學學報自然科學版：理工（上旬），2013（12）：56-59.

[7]梅嶺，縱崗，姜朋明，等.降雨要素對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J].江蘇科技大學學報：自然科學版，2013，27（5）：439-443.

[8]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.