青海東西部典型鹽漬土抗剪強度對比試驗研究

唐雄宇，張吾渝，高義婷，童國慶，常立君，于 榮

(青海大學土木工程學院，青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

鹽漬土作為一種特殊土，在我國分布廣泛，總面積大約為9.9×107hm2,主要集聚在我國華北、西北、東北半干旱、干旱地帶及沿海地區(qū)，西北地區(qū)如青海、甘肅、內蒙古、寧夏和新疆等地都有分布[1]。根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定：巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹和腐蝕等特性時，應判斷為鹽漬土[2]。由于鹽漬土的特殊性質在工程建設中具有一定的危害，因此前蘇聯(lián)在20世紀40年代就開始研究鹽漬土的相關特性和規(guī)律,提出了一些理論和研究方法[3]，即主要通過多種因素的影響條件對鹽漬土的壓縮特性、穩(wěn)定性、抗剪強度等方面進行研究。Roman等[4]分析了在不同條件下鹽漬土強度特性與變形特性的關系，并研究了強度參數(shù)對土體物質組成的影響。

中國在20世紀50年代開展了大規(guī)模的鹽漬土改良和考察工作，有力促進了我國鹽漬土研究的發(fā)展，為鹽漬土的改良奠定了堅實的基礎。雷華陽等[5]研究了含鹽量對鹽漬土抗剪強度的影響并得到了內摩擦角和黏聚力與含鹽量的回歸方程。王歡等[6]開展了粉煤灰在不同壓實度狀態(tài)下的三軸試驗，結果表明，壓實度越大，粉煤灰的總黏聚力和總內摩擦角越大。胡世凱[7]以不同的凍融循環(huán)、含鹽量和含水量為變量研究了鹽漬土的力學特性變化規(guī)律和理化性質。孫小平[8]研究認為,水份、溫度和含鹽量是鹽漬土鹽脹變形的基本條件，鹽脹變形的內在首要因素是鹽份和水份。徐安花等[9]通過控制鹽漬土的含鹽量，改變含水率和壓實度來測定土基回彈模量E0，得到了鹽漬土的E0隨著含水率的增大而先增大后減小的規(guī)律。郭菊彬等[10]通過大量試驗得出含水率、干密度等對鹽漬土的抗剪強度具有顯著影響。鄧亞虹等[11]研究了不同圍壓和含水率條件下原狀黃土的強度特性，得到低圍壓、低含水率狀態(tài)產(chǎn)生應變軟化的現(xiàn)象。雖然我國現(xiàn)階段對固化濱海地區(qū)鹽漬土和西北地區(qū)鹽漬土的研究較多，但是有關環(huán)境因素對鹽漬土工程特性的影響只有單因素研究。因此，研究青海東西部典型鹽漬土的抗剪強度特性變化規(guī)律和產(chǎn)生差異的原因，對兩個地區(qū)的工程建設具有一定的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

圖1 青海省鹽漬土分布圖Fig.1 Distribution of saline soil in Qinghai province

1.1試驗地概況通過各種研究資料和勘察資料發(fā)現(xiàn)，青海省鹽漬土分布比較廣泛，主要分布在西寧、平安河湟谷地湟水河南岸山前傾斜平原及柴達木盆地等地帶[12](圖1)。本試驗取青海西寧硝灣和察爾汗萬丈鹽橋附近的鹽漬土為試驗用土，其基本物理性質參數(shù)見表1。

表1 西寧硝灣和察爾汗鹽漬土的基本物理性質參數(shù)Tab.1 Basic physical property parameters of saline soil in Xining Xiaowan and Qarhan

1.2試樣制備制備試樣的直徑為39.1 mm，高度為80 mm。試樣制備時先將現(xiàn)場取來的散狀土樣用烘箱烘干，過2 mm篩,按照試驗方案的設定值分別配置不同的含水率后將土樣置于密閉容器內至少24 h,使含水率均勻，擊樣前取出中間部分具有代表性土樣再次測定其含水率，按GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》要求控制土樣的含水率與設定的含水率的差值小于±1%[2]。

三軸試樣擊樣工具由底座、三瓣膜和擊錘組成，擊錘的直徑比試樣的直徑小，三瓣膜的內徑與試樣的直徑相同。試樣分5層擊實，按照設定的含水率和壓實度計算出試樣的總質量，擊樣時保證各層的土質量、擊實高度和擊實次數(shù)相同。

1.3試驗方法試驗采用SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透儀，在兩個區(qū)域鹽漬土最優(yōu)含水率條件下，以不同周圍壓力、不同壓實度進行不固結不排水三軸剪切(UU)試驗，具體試驗參數(shù)設定見表2。三軸UU試驗的剪切速率為0.8 mm/min，軸向應變?yōu)?5%時試驗結束。三軸試驗參數(shù)設定如下：西寧硝灣和察爾汗地區(qū)的最優(yōu)含水率為13.88%、6.42%，周圍壓力為50、100、200和400 kPa，壓實度為90%、93%和97%。

2 結果與分析

2.1抗剪強度參數(shù)對比分析根據(jù)三軸試驗數(shù)據(jù)繪制應力應變曲線，選取曲線峰值點對應的主應力差作為破壞強度值，得到兩個區(qū)域在不同壓實度和周圍壓力條件下試樣的峰值應力σ1和σ3(表2)。取在相同壓實度條件下，不同周圍壓力的土樣在破壞時的σ1和σ3，繪制莫爾應力圓，作出莫爾應力圓的公切線，得出兩個區(qū)域鹽漬土試樣的抗剪強度參數(shù)(表3)。

表2 兩個區(qū)域鹽漬土試樣的峰值應力Tab.2 Peak stress of saline soil samples in the two regions

表3 兩個區(qū)域鹽漬土抗剪強度參數(shù)表Tab.3 Parameters of shear strength of saline soil in the two regions

由圖2和圖3可知，隨著壓實度的增大，兩個區(qū)域鹽漬土黏聚力逐漸增大，黏聚力和壓實度呈線性關系。內摩擦角先減小后增大，在93%時最小。在相同壓實狀態(tài)下，兩個區(qū)域的曲線具有很大的差異，西寧硝灣鹽漬土的黏聚力明顯大于察爾汗鹽漬土的黏聚力，且增幅較大，這說明西寧硝灣鹽漬土內部顆粒的相互吸引力較強。但西寧硝灣鹽漬土的內摩擦角小于察爾汗鹽漬土的內摩擦角，說明察爾汗鹽漬土土粒之間的連鎖作用所產(chǎn)生的咬合力小于西寧硝灣鹽漬土土粒之間的咬合力。

圖2兩個區(qū)域鹽漬土黏聚力與壓實度的關系Fig.2Relationship between cohesion and compactness of saline soil in the two regions圖3兩個區(qū)域鹽漬土內摩擦角與壓實度的關系Fig.3Relationship between internal friction angle and compactness of saline soil in the two regions

2.2抗剪強度對比分析抗剪強度參數(shù)直接決定土的抗剪強度。對文中出現(xiàn)的符號進行定義，τf為抗剪強度，σ為剪切面上的法向總應力，α為破壞面與大主應力面的夾角。

τf=c+σtanφ

(1)

(2)

(3)

式中：σ1和σ3分別為第一和第三方向的主應力，c為土的黏聚力，φ為土的內摩擦角。根據(jù)上式分別計算出在不同周圍壓力條件下，試樣不同壓實度對應的抗剪強度值(表4)。

表4 兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度值Tab.4 Shear strength values of saline soil in the two regions

根據(jù)表4分別繪制相同周圍壓力條件下抗剪強度隨壓實度的變化曲線(圖4)可以看出，試樣的抗剪強度隨圍壓增加呈線性增加的趨勢。在最優(yōu)含水率條件下，西寧硝灣鹽漬土的抗剪強度和察爾汗鹽漬土的抗剪強度差別顯著，察爾汗鹽漬土的抗剪強度性能優(yōu)于西寧硝灣鹽漬土的抗剪強度。當含水率一定時，鹽分的含量對土體的抗剪強度有較大影響。當鹽分含量較多時，鹽分能夠在土體內形成結晶，從而改變土體的顆粒級配。含鹽量越大，抗剪強度值越低[14]。西寧硝灣鹽漬土的含鹽量為0.56%，察爾汗鹽漬土的含鹽量為5.3%，所以含鹽量是造成兩個區(qū)域鹽漬土抗剪強度差異性的主要原因之一。

在相同周圍壓力條件下，兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度值都隨著壓實度的增加而增加，土體的壓實度越高，抗剪強度值越大；周圍壓力越大，抗剪強度值越大。周圍壓力為50 kPa時，不同壓實度條件下兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度差值分別為138.6、149.35、154.3 kPa；周圍壓力為100 kPa時，不同壓實度條件下兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度差值分別為166.1、149、152.7 kPa；周圍壓力為200 kPa時，不同壓實度條件下兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度差值分別為166.59、139、150.64 kPa；周圍壓力為200 kPa、壓實度為93%時，兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度差值分別為138.86、129.6、127.8 kPa。由此可以看出，在低壓實狀態(tài)下，兩個區(qū)域鹽漬土抗剪強度差值大，在高壓實狀態(tài)下，兩個區(qū)域鹽漬土抗剪強度差值小，說明壓實度對兩個區(qū)域鹽漬土抗剪強度有很大的影響。越接近最密實狀態(tài)，抗剪強度值越大，在密實狀態(tài)下，抗剪強度趨近最大值。

圖4 抗剪強度隨壓實度的變化曲線Fig.4 Variation curves of shear strength with compactness

繪制相同壓實度條件下，抗剪強度隨周圍壓力的變化曲線,如圖5。從圖中可以看出，在相同壓實度條件下，西寧硝灣鹽漬土的抗剪強度大于察爾汗鹽漬土的抗剪強度；兩個區(qū)域鹽漬土的抗剪強度隨著周圍壓力的增大呈線性增大，周圍壓力越大抗剪強度值越大。

圖5 抗剪強度隨周圍壓力的變化曲線Fig.5 Variation curves of shear strength with surrounding pressure

2.3兩個區(qū)域抗剪強度微觀機理分析微觀試驗采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察土的表面形態(tài)和內部結構變形狀態(tài)。試驗前先將試樣切成符合要求的小試塊，再將試樣在室溫條件下進行干燥處理，之后進行鍍金工藝。在三軸剪切試驗的基礎上選取部分試樣進行微觀電子掃描試驗。試驗中主要通過兩個區(qū)域土樣的微觀形態(tài)進行跟蹤研究，從而進一步解釋鹽漬土的強度特性規(guī)律。取兩個區(qū)域試驗用土，把兩個區(qū)域土樣的含水率配置成最優(yōu)含水率，分別壓實至90%、93%、97%，進行微觀試驗，試驗結果見圖6。

圖6 兩個區(qū)域鹽漬土在不同壓實度條件下的微觀形態(tài)圖Fig.6 Microscopic morphology of saline soil in the two regions with different compactness

孔隙結構是土的主要結構特征，直接決定土的強度特征和壓縮性能。土顆粒的形狀、大小以及顆粒之間的間隙不同，對鹽漬土強度特性的影響也不同。孤立孔隙的直徑和顆粒越大，對土的壓縮性、孔隙性的影響越大，如果存在過多的孤立孔隙，強度性質就較差[14]。

由圖6可知，西寧硝灣鹽漬土主要以網(wǎng)狀和珊瑚狀附著在土顆粒周圍，隨著壓實度的增大，西寧硝灣和察爾汗鹽漬土顆粒之間的間隙和顆粒直徑逐漸變小，鹽漬土的抗剪強度逐漸增大。如圖6左右對比可知，在同一壓實度下，西寧硝灣鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙小于察爾汗鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙，體現(xiàn)出在同一壓實度下，西寧硝灣鹽漬土試樣的抗剪強度大于察爾汗鹽漬土試樣的抗剪強度。此微觀形態(tài)分析使試驗結果得到了合理的解釋和論證。

3 討論與結論

鹽漬土病害是工程建設中最重要的影響因素之一，前人主要通過多種因素的影響條件對鹽漬土的壓縮特性、穩(wěn)定性、抗剪強度等方面[4]進行研究。隨著大規(guī)模鹽漬土改良工作的開展，我國現(xiàn)階段對固化濱海地區(qū)鹽漬土和西北地區(qū)鹽漬土的研究[5-11]較多，但是有關環(huán)境因素對鹽漬土工程特性的影響只有單因素研究。由于青海地區(qū)的鹽漬土具有獨特的力學強度特性，故對青海地區(qū)鹽漬土的研究具有重要的工程意義。本研究結果表明，西寧硝灣和察爾汗鹽漬土的強度特性差異性很大，并分析比較了不同圍壓和壓實度對抗剪強度參數(shù)和抗剪強度值的影響，這對兩個區(qū)域鹽漬土工程建設和青海省不同區(qū)域的鹽漬土研究提供了理論指導。壓實度是影響抗剪強度參數(shù)的重要因素之一，建議在實際工程中盡量將土體夯實。本文以兩個區(qū)域最優(yōu)含水率為前提，在不同周圍壓力和壓實度條件下探究青海東西部典型鹽漬土的強度特性規(guī)律和差異,得出了以下幾點結論：

(1)在相同試驗條件下，隨著壓實度的增大，兩個區(qū)域鹽漬土的黏聚力逐漸增大，黏聚力隨壓實度的增加呈線性增加趨勢。內摩擦角先增大后減小。

(2)在相同壓實狀態(tài)下，西寧硝灣鹽漬土的黏聚力明顯大于察爾汗鹽漬土的黏聚力，且西寧硝灣的增幅較大，這說明西寧硝灣鹽漬土內部顆粒之間的相互吸引力較強。

(3)西寧硝灣鹽漬土的抗剪強度和察爾汗鹽漬土的抗剪強度的差別顯著，察爾汗鹽漬土的抗剪強度性能好于西寧硝灣鹽漬土的抗剪性能。

(4)在同一壓實度狀態(tài)下，西寧硝灣鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙小于察爾汗鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙，體現(xiàn)出在同一壓實狀態(tài)下，西寧硝灣鹽漬土的抗剪強度大于察爾汗鹽漬土的抗剪強度。