易溶鹽對伊犁黃土濕陷性的影響

藺廣花,劉百來,張愛軍

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100)

黃土具有大孔隙、欠壓密和水敏感等特性。濕陷性黃土在浸水增壓和飽和條件下因自重或者非自重載荷作用會發(fā)生大幅附加沉降，即濕陷變形。黃土濕陷機(jī)理是黃土工程地質(zhì)領(lǐng)域尚未很好解決的復(fù)雜問題[1]，尤其特定區(qū)域黃土的濕陷性問題研究已經(jīng)成為巖土工程急需解決的技術(shù)難題[2-5]。黃土濕陷性受內(nèi)因與外因兩個方面的影響。內(nèi)因包括黃土顆粒組成、易溶鹽含量、pH值、孔隙比、飽和度和干密度等，外因包括水和壓力的作用。目前關(guān)于黃土濕陷機(jī)理的研究有較多的假設(shè)和理論[6-7]，但黃土濕陷是一個復(fù)雜的過程，目前已有假說很難解釋清楚，影響因素較多。

針對黃土變形及濕陷性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，也取得了很多較好的成果[8-11]。文獻(xiàn)[12]表明，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中單線法得到的黃土濕陷系數(shù)變化規(guī)律與采用雙線法得到的規(guī)律不同。文獻(xiàn)[1]中研究了陜西蒲城地區(qū)黃土濕陷性，結(jié)果表明黃土濕陷性與其黏粒含量、pH值、飽和度和干密度等有關(guān)，易溶鹽含量對黃土濕陷性影響不大。文獻(xiàn)[13]研究了不同干密度和含水率對伊犁黃土濕陷性的影響，結(jié)果表明含水率和干密度對伊犁黃土的濕陷系數(shù)具有較大影響。文獻(xiàn)[14]找到了黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與濕陷系數(shù)的線性擬合關(guān)系，結(jié)果表明初始含水率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對黃土濕陷系數(shù)影響較大。文獻(xiàn)[15]研究表明初始壓實(shí)度和初始含水率對黃土的壓縮變形特性影響較大?，F(xiàn)有研究中，關(guān)于伊犁黃土濕陷性的影響因素研究較少。因此，本文以新疆伊犁黃土為研究對象，分析不同含水率、壓力、易溶鹽種類和易溶鹽含量對黃土濕陷性的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用新疆伊犁黃土，土體為粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)采用人工挖井法取得原狀黃土試樣，取土深度分別為8 m，16 m，18 m，取樣過程中盡量避免對土樣的擾動。將不同深度的土充分混合，使用2 mm篩網(wǎng)過濾后裝袋備用。通過比重瓶法測定土粒的相對密度，本次試驗(yàn)土樣的土粒比重為2.72，干密度為1.24 g·cm-3，空隙比為1.194。

1.2 洗鹽處理

本試驗(yàn)使用100 cm3的環(huán)刀，制備了40個試樣，并對10 kg的原狀土進(jìn)行洗鹽處理。洗鹽后將土?xí)窀?、碾?xì)并過篩備用，分別取洗鹽前后的土樣100 g，以土水比為1∶5的比例混合，充分震蕩3 min并靜置一段時間，然后用虹吸裝置抽氣過濾。

1.3 濕陷試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用雙線法進(jìn)行，試驗(yàn)的過程按以下步驟進(jìn)行：

① 制樣：稱取計算好的土壤放入環(huán)刀中，壓實(shí)后放入保濕缸中進(jìn)行3 d養(yǎng)護(hù)。

② 壓縮：將養(yǎng)護(hù)好的土樣放入儀器中，按照定好的含水率和含鹽量(見表1)進(jìn)行低壓壓縮和高壓壓縮試驗(yàn)。土樣的含水率劃分成4個梯度，分別為7.0%，13.2%，19.7%，26.7%。最后土樣按照易溶鹽種類和含量不同分為5組，每組按照含水率不同分為4組，共20組，40個環(huán)刀試樣。全程采用雙線法進(jìn)行黃土濕陷性試驗(yàn)，采用的壓力級為0，200，400，600，800，1 000，1 200，1 400 kPa。

表1 加鹽種類及含鹽量

1.4 計算方法

1.4.1 洗鹽前后易溶鹽總量計算

易溶鹽含量計算公式為

(1)

(2)

式中：m2為蒸發(fā)皿加烘干殘渣質(zhì)量；m1為蒸發(fā)皿質(zhì)量；Vw為制取浸出液所需的純水量；V1為吸取浸出液量；md為烘干土質(zhì)量；m為風(fēng)干土質(zhì)量；w為風(fēng)干含水率。

1.4.2 濕陷系數(shù)

黃土濕陷性可根據(jù)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)計算，濕陷系數(shù)計算公式為

(3)

式中：hp為試樣加至一定壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度；hp′為加壓穩(wěn)定后的試樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度；h0為試樣的原始高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同含水率無鹽黃土濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系

不同含水率無鹽土壤濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系，如圖1所示。由圖1可知，總體上無鹽土壤隨著含水率增大，濕陷系數(shù)逐漸減小，土壤含水率為7.0%和13.2%時濕陷系數(shù)最大，土壤含水率為26.7%時濕陷系數(shù)最??；外界壓力一定時，隨著土壤含水率增大，黃土濕陷系數(shù)降低，主要因?yàn)殡S著土壤含水率增大，土壤顆粒間的電解質(zhì)濃度低，土壤顆粒間的斥力較大；垂直壓力大于400 kPa以后，不同含水率無鹽黃土濕陷系數(shù)基本不變化，這是由于外力較大，導(dǎo)致黃土粒間孔隙變小。

圖1 不同含水率無鹽黃土濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系Fig.1 Relationship between the collapsibility coefficient of unsalted loess with different water contents and vertical pressure

2.2 不同含水率易溶鹽黃土濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系

不同含水率易溶鹽黃土(50 mmol·kg-1NaCl)濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可知，易溶鹽(50 mmol·kg-1NaCl)黃土含水率為7.0%，19.7%，26.7%時，隨著垂直壓力的增大，該易溶鹽黃土濕陷系數(shù)變化較為平穩(wěn)且數(shù)值較小，土壤含水率為13.2%時，隨著垂直壓力的增大，該易溶鹽黃土濕陷系數(shù)大幅度降低；垂直壓力大于200 kPa，50 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)(如圖2所示)比無鹽黃土濕陷系數(shù)(如圖1所示)小，說明一定情況下，易溶鹽可減小黃土濕陷變形。

圖2 不同含水率易溶鹽黃土(50 mmol·kg-1 NaCl)濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系Fig.2 The relationship between the subsidence coefficient of soluble salt soil (50 mmol·kg-1 NaCl) with different water contents and vertical pressure

不同含水率易溶鹽(100 mmol·kg-1NaCl)黃土濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同含水率易溶鹽黃土(100 mmol·kg-1 NaCl)濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系Fig.3 The relationship between subsidence coefficient of soluble salt soil (100 mmol·kg-1 NaCl) with different water contents and vertical pressure

由圖3可知，土壤含水率為7.0%和13.2%，垂直壓力為0～800 kPa時，隨著垂直壓力增大，100 mmol·kg-1NaCl易溶鹽土壤濕陷系數(shù)逐漸降低，土壤含水率為19.7%和26.7%時，隨著垂直壓力增大，該易溶鹽黃土濕陷系數(shù)逐漸增大，該結(jié)果是土壤含水率和易溶鹽共同作用的結(jié)果；當(dāng)垂直壓力大于400 kPa，100 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)變化較小。垂直壓力為200～400 kPa，土壤含水率為19.7%,26.7%時，在垂直壓力相同情況下，100 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)大于50 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土，表明黃土中不同含量易溶鹽對黃土濕陷性影響不同。

不同含水率易溶鹽(50 mmol·kg-1Na2SO4)黃土濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，外界壓力一定，含水率為7.0%,19.7%時，50 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)隨土壤含水率增大而逐漸降低；隨著垂直壓力增大，其濕陷系數(shù)逐漸下降，并在400 kPa時保持穩(wěn)定；當(dāng)含水率為26.7%時，50 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土的濕陷系數(shù)不隨外界壓力的變化而變化。黃土中不同種類易溶鹽對黃土的濕陷性影響不同，與50 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)相比，垂直壓力一定時，50 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)較大。

圖4 不同含水率易溶鹽黃土(50 mmol·kg-1 Na2SO4)濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系Fig.4 The relationship between subsidence coefficient of soluble salt loess (50 mmol·kg-1 Na2SO4) with different water contents and vertical pressure

不同含水率易溶鹽黃土(100 mmol·kg-1Na2SO4)濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同含水率易溶鹽黃土(100 mmol·kg-1 Na2SO4)濕陷系數(shù)與垂直壓力的關(guān)系Fig.5 The relationship between subsidence coefficient of soluble salt soils (100 mmol·kg-1 Na2SO4) with different water contents and vertical pressure

由圖5可知，垂直壓力為100～300 kPa，外界壓力一定時，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土隨著含水率的增大濕陷系數(shù)逐漸降低；隨著垂直壓力的增大，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)也逐漸降低，且減小幅度較小。黃土中不同含量、種類易溶鹽對黃土濕陷變形影響不同。與50 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)相比，垂直壓力一定時，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)較大；與100 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)相比，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)較大。

3 結(jié) 論

1) 不同含量易溶鹽對黃土濕陷性影響不同。與無鹽黃土相比，易溶鹽黃土濕陷系數(shù)有一定下降。在100 kPa壓力且含水率為7.0%條件下，無鹽黃土濕陷系數(shù)、50 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)、100 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)、50 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)和100 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)各不相同。

2) 不同種類易溶鹽對黃土濕陷變形影響不同。100 kPa壓力且含水率為7.0%的條件下，50 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)比50 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)小，100 mmol·kg-1NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)比100 mmol·kg-1Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)小。

3) 不同土壤含水率對黃土濕陷變形影響不同，隨著土壤含水率增加，濕陷系數(shù)逐漸變小，當(dāng)土壤含水率為26.7%時，黃土濕陷系數(shù)基本保持不變。在100 kPa壓力下，不同土壤含水率無鹽黃土濕陷系數(shù)為0.06～0.20；50 mmol Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)為0.07～0.16；100 mmol Na2SO4易溶鹽黃土濕陷系數(shù)為0.01～0.17。50 mmol NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)為0～0.10；100 mmol NaCl易溶鹽黃土濕陷系數(shù)為0.03～0.08。

4) 外界壓力對黃土濕陷系數(shù)有一定影響。隨著外界壓力的增大，黃土濕陷系數(shù)逐漸降低，當(dāng)外部壓力大于400 kPa以后，黃土濕陷系數(shù)基本保持不變。