鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

雷勝友，袁文治，翟志剛，田剛，陳雨菲，李思雨，蘆地，柳明宇

（長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

由于受到自然環(huán)境和人類活動(dòng)的影響，膨脹土土體周圍的鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)常常發(fā)生變化，這使得土體組成、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等發(fā)生變化，再加上外部荷載及水的侵入，膨脹土的抗剪強(qiáng)度大幅度降低［1］，難以作為路堤填土，也容易引發(fā)邊坡滑動(dòng)。因此，研究鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響具有重要的實(shí)際意義。

在鹽溶液對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度影響的研究方面，S.A.Naeini等［2］通過探究可溶性鹽溶液對(duì)黏土不排水強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，不排水強(qiáng)度與鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)；王軍等［3］通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Na+對(duì)土體黏聚力具有明顯的減弱作用；B.P.Warkentin等［4］通過直接剪切試驗(yàn)得出，飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度與Na+，Ca+溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，而飽和高嶺土的抗剪強(qiáng)度與Na+、Ca+溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)；姚傳芹等［5］進(jìn)行了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl，CaCl2溶液下的膨脹土直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，膨脹土的抗剪強(qiáng)度及黏聚力降低，而鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小；于海浩等［6］發(fā)現(xiàn)膨脹土空隙間的氯化鈉鹽溶液可以改變?nèi)跖蛎浲恋姆逯导皻堄鄰?qiáng)度。近來還有學(xué)者通過試驗(yàn)方法探索膨脹土抗剪強(qiáng)度變化的微觀機(jī)理，WEI C F［7］、楊周潔等［8］認(rèn)為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液通過影響Donnan滲透壓影響粒間的應(yīng)力作用；于海浩［9］通過核磁共振試驗(yàn)揭示了膨脹土在剪切過程中的強(qiáng)度變化機(jī)理。

盡管國內(nèi)外學(xué)者在鹽溶液對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響方面做了一些研究，但大多數(shù)研究側(cè)重于粒間孔隙水的鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響［10］，而對(duì)外界鹽溶液浸入的影響研究較少。膨脹土作為一種典型的非飽和土，受到自然作用下，被鹽溶液侵蝕，其狀態(tài)大多仍處于非飽和土狀態(tài)。因此探索鹽溶液的變化對(duì)非飽和膨脹土強(qiáng)度的影響很有必要。本文從試驗(yàn)入手，采用精確的配土方法，控制膨脹土處于最佳含水率狀態(tài)，進(jìn)行快剪試驗(yàn)，探索不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl，KCl溶液對(duì)非飽和膨脹土的剪應(yīng)力-應(yīng)變特性、抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)的影響，并進(jìn)一步揭示影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用土

本次試驗(yàn)用土取自陜西安康早陽村國道G316路段，為典型的膨脹土地段?，F(xiàn)場取土深度為2.0～3.0 m，土樣主體為棕黃色黏土，裂隙較為發(fā)育，并夾雜部分白色填充物。天然含水率ω為3.47%，液限ωL為68.91%，塑限ωp為21.86%，塑性指數(shù)Ip為47.05，相對(duì)密度Gs為2.68 g/cm3。采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)，獲得最大干密度ρd為1.63 g/cm3，最佳含水率W為19.30%。通過自由膨脹率試驗(yàn)可知，自由膨脹率為67.8%，由《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》［11］可知，該膨脹土為中強(qiáng)非飽和膨脹土。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)試樣采用過2 mm篩的風(fēng)干粉末狀土，并分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt為3%，6%，9%，12%的NaCl，KCl溶液，共8組試劑。為使試樣處于最佳含水率狀態(tài)，需要控制試樣中水與干土（加KCl，NaCl晶體）質(zhì)量的比值等于最佳含水率W。為了精確控制添加量，NaCl，KCl鹽溶液的添加需要分2次進(jìn)行，首先按照干土質(zhì)量（Md）與最佳含水率（W）的乘積作為稱取的鹽溶液質(zhì)量Mc，進(jìn)行第一次添加；其次進(jìn)行蒸餾水的補(bǔ)償操作，由于第一次添加過程中用鹽的質(zhì)量取代了部分蒸餾水，因此需要再補(bǔ)償蒸餾水的質(zhì)量Mw為

具體操作如下：將風(fēng)干土平鋪在不透水的平盤中，用噴壺均勻噴灑計(jì)算的鹽溶液質(zhì)量，并不斷攪拌，再將補(bǔ)償?shù)恼麴s水注入噴壺中，輕輕搖晃，降低鹽溶液在器壁上的殘留，然后再均勻噴灑，進(jìn)行二次攪拌，注意噴灑過程中要確保液體試劑不得溢漏在外；接著再將調(diào)制均勻后的試樣裝入保濕缸緊閉，潤濕48 h，待土體進(jìn)行充分的水土作用后，取代表性的試樣，復(fù)測含水率，誤差不超過0.2%；然后按照試樣所需的含水率與干質(zhì)量，稱取計(jì)算所需一定質(zhì)量的濕土，采用靜壓法進(jìn)行環(huán)刀制樣，試樣直徑為61.8 mm，高度為20 mm。

1.3 試驗(yàn)過程

為進(jìn)一步了解改性前后非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度變化情況，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程［12］，在剪切過程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)環(huán)境濕度，使其維持在土體的最優(yōu)含水率值附近，待試樣充分穩(wěn)定后進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速度為0.8 mm/min。剪切完成后，退出加壓架，復(fù)測含水率，誤差不超過0.2%。試驗(yàn)中采用的豎直壓力分別為50，100，200，300 kPa。

2 結(jié)果及分析

2.1 剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

NaCl溶液改性膨脹土的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示，可以看出，在同一豎直壓力下，曲線上對(duì)應(yīng)素膨脹土的剪應(yīng)力基本上均高于改性土。各試樣的剪應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣粩嘣龃?，絕大多數(shù)試樣呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。在較低或較高剪應(yīng)力條件下，改性土在進(jìn)入塑性變形階段后，部分試樣提前達(dá)到極限抗剪狀態(tài)。

圖1 豎直壓力下NaCl溶液改性膨脹土剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Shear stress-shear displacement curves of expansive soil modified by NaCl solution under vertical load

大多數(shù)試樣直至應(yīng)變S=6 mm時(shí)仍未達(dá)到極限破壞點(diǎn)。這是由于試驗(yàn)采用的重塑試樣松散，整體密實(shí)度不高，經(jīng)豎直壓力作用后，土顆粒在軸向進(jìn)行重新排列，孔隙減小使得密實(shí)度提高，因此抗剪能力不斷增強(qiáng)。隨著豎直壓力增加，大部分改性膨脹土試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)明顯峰值。試樣均采用最佳含水率摻加鹽溶液，相較于干土其含水量較高，膨脹試樣的塑性較大，剪切面相互交錯(cuò)不易形成一致貫通的平面［13］，因此剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)明顯的峰值與殘余強(qiáng)度。對(duì)于KCl溶液改性土，也有類似現(xiàn)象。

由于剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈硬化型曲線，無應(yīng)力峰值出現(xiàn)，故取試驗(yàn)曲線上S=6 mm處的剪應(yīng)力作為剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)鹽溶液改性后的非飽和膨脹土，其剪切強(qiáng)度均低于素膨脹土，并且該剪切強(qiáng)度并非隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加持續(xù)降低，而是呈一定的增減變化態(tài)勢。

表1 鹽溶液改性膨脹土剪切強(qiáng)度對(duì)比Tab.1 Comparisons of shear strength of expansive soil modified by salt solution

2.2 抗剪強(qiáng)度線及強(qiáng)度指標(biāo)

在不考慮鹽溶液介入的情況下，D.G.Fredlund等［14］提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為

式中：c′為有效黏聚力；G為豎向壓力（σ-ua）為土體破壞時(shí)破壞面上的有效豎直壓力；φ′為與有效豎直壓力狀態(tài)變量有關(guān)的內(nèi)摩擦角；ua和uw分別為破壞面上的孔隙氣壓力和孔隙水壓力，uauw為基質(zhì)吸力；φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化增加的速率。

本試驗(yàn)中，所有試樣均處于非飽和狀態(tài)，土體孔隙與大氣連通，可認(rèn)為ua=0，因此式（2）可寫為

土體破壞時(shí)，破壞面上的孔隙水壓力uw隨含水量的變化而變化，本文嚴(yán)格控制土體處于最佳含水率狀態(tài)，且進(jìn)行快剪試驗(yàn)，使得孔隙水壓力變化微小。土體破壞時(shí)，uw，φb可近似認(rèn)為不變，上式可繼續(xù)簡化為

式中，δs為吸附強(qiáng)度常數(shù)。

在考慮NaCl，KCl溶液介入膨脹土土體結(jié)構(gòu)時(shí)，鹽溶液產(chǎn)生的滲透壓力會(huì)影響式（3）中孔隙水壓力uw的大小。WEI C F［7］認(rèn)為土體中的真實(shí)孔隙水壓力由實(shí)測孔隙水壓力與滲透壓力兩部分組成，即

式中：pw為真實(shí)孔隙水壓力；uw為傳感器實(shí)測孔隙水壓力；П為滲透壓力。

考慮有效應(yīng)力后，式（4）可變?yōu)?/p>

式中，第一項(xiàng)為直剪試驗(yàn)中測得的總黏聚力ct，對(duì)于給定種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液改性膨脹土，總黏聚力一般為常數(shù)，則式（6）可簡化為

為驗(yàn)證上述表達(dá)式，對(duì)各級(jí)豎直壓力下素膨脹土及改性土的抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行擬合，由于在給定種類與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液條件下，總黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的正切值均為常數(shù)，因此式（7）中抗剪強(qiáng)度τf關(guān)于豎向壓力σ呈一次線性相關(guān)，采用線性擬合，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl，KCl溶液改性膨脹土的抗剪強(qiáng)度曲線Fig.2 Shear strength lines of expansive soil modified by NaCl and KCl solutions with different concentrations

擬合方程及相關(guān)系數(shù)見表2。可以看出，R2接近于1，擬合效果好，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽溶液作用下試樣抗剪強(qiáng)度與豎直壓力存在明顯的線性關(guān)系，表達(dá)式較為可靠。此外，由數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)NaCl，KCl溶液改性后的膨脹土，其抗剪強(qiáng)度均低于素膨脹土，這與相關(guān)學(xué)者［6］的結(jié)果相似，但不同溶液種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度降低的影響程度仍有差異。

表2 鹽溶液改性非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度線擬合結(jié)果Tab.2 Shear strength line fitting results of expansive soil modified by salt solution

圖3為試樣的總黏聚力變化，其中素膨脹土的總黏聚力值為34.27 kPa，NaCl溶液改性土的總黏聚力值為24～44 k Pa，KCl溶液改性土的總黏聚力值為31～43 k Pa。當(dāng)鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高時(shí)，膨脹土的總黏聚力呈現(xiàn)增減反復(fù)的變化趨勢，且兩種改性土在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)的增減情況相反。

圖3 總黏聚力與鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.3 Relation between total cohesion and salt solution concentration

2.3 鹽溶液對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖4 為鹽溶液介入條件下非飽和膨脹土礦物結(jié)構(gòu)單位層的變化示意圖。NaCl，KCl溶液分別作用于膨脹土導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低，原因在于Na+與K+對(duì)黏土礦物基本單元結(jié)構(gòu)的離子作用。其中蒙脫石親水性強(qiáng)，膨脹性最為顯著，晶格中氫氧化鋁八面體晶片夾于兩硅氧四面體晶片之間，蒙脫石八面體中的Al3+常為低價(jià)陽離子置換引起多余的負(fù)電荷，電荷的相互吸引造成Na+，K+等水化陽離子的產(chǎn)生，從而進(jìn)入蒙脫石結(jié)構(gòu)單位層間，增大層間距［15-16］。由于外加NaCl，KCl溶液中存在大量Na+，K+，可以顯著促進(jìn)水化陽離子的產(chǎn)生并撐開蒙脫石單位層聯(lián)結(jié)體系，結(jié)構(gòu)的低穩(wěn)定性使得土體整體抗剪強(qiáng)度降低，因此改性溶液非飽和膨脹土的剪切強(qiáng)度低于素膨脹土。

圖4 水化陽離子進(jìn)入結(jié)構(gòu)單位層增大層間距離過程示意圖（以Na+為例）Fig.4 Schematic diagram of hydration cations entering the structural unit layer to increase the interlayer space（Taking Na+as an example）

2.4 鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)黏聚力的影響

從式（6）可以看出，直剪試驗(yàn)測得的總黏聚力受多方面影響，而鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化主要影響有效黏聚力、滲透壓力的大小，此外對(duì)結(jié)構(gòu)性也有較大影響。

研究表明［5］，基于Donnan效應(yīng)，滲透壓隨著鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。有效黏聚力主要指黏土顆粒間的范德華力、庫侖力和雙電層排斥力等各種物理化學(xué)力。由于同晶置換、水化解離和選擇性吸附等作用，土顆粒表面的負(fù)電荷與土中水的固定層和擴(kuò)散層共同構(gòu)成了雙電層［17-19］。土顆粒間的力與雙電層排斥力緊密相關(guān)，而雙電層的排斥力大小又與其厚度緊密相關(guān)。K.James［20］基于平板擴(kuò)散雙電層理論提出雙電層厚度計(jì)算公式，即

式中：1/K為雙電層厚度；ε0為真空系數(shù)；D為介電常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；n0為孔隙間鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)；e為單元電荷；ν為離子電價(jià)。

在其他因素不變的情況下，鹽溶液介入后非飽和膨脹土的雙電層厚度與離子濃度關(guān)系如圖5所示［15］。雙電層厚度與孔隙間鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小成反比，即鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對(duì)應(yīng)土體結(jié)構(gòu)的雙電層厚度就越小。雙電層厚度的減小表示黏土顆粒間的斥力減小，而鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，對(duì)黏土間的引力影響不大［21］，從而提高有效黏聚力。

圖5 雙電層厚度與一價(jià)離子溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.5 Relation between thickness of diffuse double layer and concentration of monovalent ion solution

綜上表明，鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，試樣的有效黏聚力增大，滲透壓力減小，總體上有利于總黏聚力增加，但實(shí)際上總黏聚力呈現(xiàn)出增減的反復(fù)變化，原因在于鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化引起了土體的結(jié)構(gòu)性變化。當(dāng)鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致黏土變?yōu)橐妆粔嚎s的凝聚結(jié)構(gòu)［22］，土顆粒之間的點(diǎn)位接觸變多，土顆粒之間的相互阻礙作用進(jìn)一步加強(qiáng)，但這種結(jié)構(gòu)性變化的方向不定，可能與外加剪切力方向相同，也可能相反，這主要取決于土體中正、反向接觸點(diǎn)位數(shù)。如圖6所示，在文獻(xiàn)［22］構(gòu)建的黏土剪切原理圖基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步引入正、反向接觸點(diǎn)。土體的正向接觸點(diǎn)是指按照剪切前進(jìn)方向與前一土顆粒的接觸點(diǎn)位，其接觸作用均表現(xiàn)為阻礙土顆粒前進(jìn)從而提高總黏聚力；而反向接觸點(diǎn)是后一土顆粒與目標(biāo)土顆粒的接觸點(diǎn)位，在剪切進(jìn)行過程中推動(dòng)目標(biāo)土顆粒前進(jìn)，從而降低總黏聚力。結(jié)構(gòu)變化是影響總黏聚力變化的本質(zhì)，隨著鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，土顆粒間的斥力減小，從而使得未接觸的土顆粒相互接觸，但正、反向接觸點(diǎn)的數(shù)量不定，因此總黏聚力出現(xiàn)增減反復(fù)變化。

圖6 顆粒接觸點(diǎn)位變化示意Fig.6 Schematic diagram of contact point changes of soil particles

3 結(jié)論

（1）NaCl，KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)各異的溶液改性效果總體上可降低膨脹土的抗剪強(qiáng)度。

（2）按照最佳含水率進(jìn)行配土，在快剪條件下，可將非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度公式中的基質(zhì)吸力簡化為常數(shù)，結(jié)合滲透壓力，得出鹽溶液作用下非飽膨脹土抗剪強(qiáng)度的表達(dá)式，并且擬合驗(yàn)證效果較好。

（3）鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度及其黏聚力的影響，是通過改變雙電層厚度、土顆粒間接觸方式以及結(jié)構(gòu)特性實(shí)現(xiàn)的。

研究成果可用于評(píng)價(jià)非飽和膨脹土在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽溶液滲入條件下抗剪強(qiáng)度的變化，判斷膨脹土受鹽溶液浸入后的工程適用性，但鹽溶液介入后對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度影響的量化分析仍有待深入研究。