濱海鹽漬土土-水特征曲線試驗(yàn)研究

張建輝，丁子凱，陳寶澤，劉 靖，楊紅雨

(河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

1 研究背景

濱海鹽漬土屬于非飽和鹽漬土的一種，是土體長期受海水浸漬、含鹽地下水等作用而含有可溶性鹽分而形成的， 具有鹽脹、 腐蝕等病害特性[1]。

吸力為非飽和土特有性質(zhì)，土-水特征曲線(SWCC)能夠反映出土中吸力隨含水率的變化關(guān)系，是研究非飽和土特性的重要關(guān)系曲線[2]。Thyagaraj等[3]通過調(diào)整氯化鈉溶液的濃度來測量不同含鹽量壓實(shí)膨脹土的土-水特征曲線，得到了含鹽量對總吸力、滲透吸力和基質(zhì)吸力均有影響的結(jié)論。張愛軍等[4]采用濾紙法測得不同含鹽量伊犁黃土的總吸力和基質(zhì)吸力，通過繪制、分析其土-水特征曲線，指出含鹽量對總吸力和滲透吸力影響較大，且總吸力與溶液濃度之間呈線性關(guān)系。孫德安等[5]通過濾紙法和壓力板法測定了不同含鹽量粉砂鹽漬土的土-水特征曲線，結(jié)果也表明滲透吸力隨著含鹽量的增加而增加。

由上述研究可見，含鹽量是影響鹽漬土性質(zhì)的重要因素，且含鹽量通常隨著含水率的變化而變化；對于非飽和土而言，含水率是影響吸力的主要因素。目前，關(guān)于鹽漬土尤其是濱海鹽漬土，大多數(shù)是對其力學(xué)性能和固化特性方面的研究，而對土-水特性研究相對較少[6-8]。同時(shí)隨著濱海地區(qū)工程建設(shè)的迅速發(fā)展，進(jìn)一步研究濱海鹽漬土的工程特性、土-水特性等顯得尤為重要。

本文針對黃驊地區(qū)濱海鹽漬土，通過濾紙法測試其總吸力、基質(zhì)吸力和滲透吸力，研究含鹽量對其土-水特征曲線的影響；并擬合建立基質(zhì)吸力與體積含水率，滲透吸力與含鹽量、體積含水率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以期為濱海鹽漬土工程特性的研究提供參考。

2 濱海鹽漬土試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原理

吸力屬于非飽和土固有特性，土中吸力分為基質(zhì)吸力和滲透吸力，兩者構(gòu)成土中總吸力。土中總吸力反映土中水的自由能，基質(zhì)吸力主要受土中孔隙氣壓與孔隙水壓差作用下的毛細(xì)吸力影響，而滲透吸力與土中孔隙水溶液中溶質(zhì)有關(guān)[5]。

濾紙法是測量土中吸力的方法之一，由于放置方法的不同分為接觸法和非接觸法，接觸法能夠測得土中的基質(zhì)吸力，非接觸法能夠測得土中的總吸力[9]。濾紙法具有精度高、測試范圍大、價(jià)格便宜和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[10]，故本文選用濾紙法來測得鹽漬土的土中吸力。

本試驗(yàn)采用“雙圈”牌No.203型慢速濾紙，率定公式如式(1)、式(2)所示。式(1)為王釗等[11]提出的計(jì)算基質(zhì)吸力使用的率定公式；式(2)為白福青等[12]提出的計(jì)算總吸力使用的率定公式，即

式中：ψ為基質(zhì)吸力(kPa)；wfp為接觸濾紙質(zhì)量含水率(%)。

式中：ζ為總吸力(kPa)；w′fp為非接觸濾紙質(zhì)量含水率(%)。

2.2 試驗(yàn)材料

濱海鹽漬土主要以氯鹽漬土為主，土體內(nèi)氯離子含量最多。氯鹽漬土根據(jù)土體內(nèi)氯鹽含鹽量的不同可劃分為弱鹽漬土、中鹽漬土、強(qiáng)鹽漬土和超強(qiáng)鹽漬土，其中超強(qiáng)鹽漬土是指含鹽量>8%的鹽漬土。

為了保證試驗(yàn)不受到其他離子的干擾，并且全面考慮濱海氯鹽漬土類別，同時(shí)考慮到試驗(yàn)土樣與原狀土顆粒組成不能有太大差別，故試樣土樣取自渤海灣西岸的黃驊港。先對原狀土進(jìn)行洗鹽處理，然后通過室內(nèi)配置鹽漬土的方法得到試驗(yàn)土樣，此方法得到的土樣內(nèi)無結(jié)晶狀鹽存在，鹽含量分布均勻，可避免其他鹽分對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。目前對鹽漬土的試驗(yàn)研究多采用人工配置鹽漬土的方法[13-15]。

首先去除土樣中的雜質(zhì)，測得土樣的天然密度ρ0=1.161 g/cm3，天然重度γ0=15.78 kN，初始含水率w0=15.23%。然后對試驗(yàn)土樣進(jìn)行洗鹽[16]，待洗鹽后的土樣烘干、碾碎、過2 mm篩后再加入純度不低于99.5%的氯化鈉粉末，配置含鹽量分別為0%、2%、5%、8%、10%、14%的鹽漬土，并通過壓實(shí)性試驗(yàn)等，測得試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

表1 試樣基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of samples

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)， 繪出試樣的最大干密度、 最優(yōu)含水率與含鹽量的關(guān)系曲線， 見圖1。 由圖1可以看出， 隨著含鹽量的不斷增加， 試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率隨之變化。 其中最大干密度在含鹽量為8%時(shí)達(dá)到最大值， 最優(yōu)含水率則隨著含鹽量的增加不斷降低。 這一結(jié)果與文獻(xiàn)[16]、 文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)論相一致， 即本鹽漬土配置試樣的擊實(shí)特性和液塑限指標(biāo)符合鹽漬土物理性質(zhì)的變化特征， 說明本試驗(yàn)人工配置鹽漬土的方法是可行的。

圖1 鹽漬土擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curves of saline soil

2.3 試驗(yàn)過程

配置的試驗(yàn)土樣含鹽量分別為0%、2%、5%、8%、10%、14%，每種含鹽量下，土樣的質(zhì)量含水率為6%、8%、10%、13%、16%、19%、23%、27%。

本文主要探究含水率和含鹽量對鹽漬土土-水特征曲線的影響，考慮到工程上要求土體的壓實(shí)度在90%左右，壓實(shí)度過高會(huì)影響試樣的保水能力，故本試驗(yàn)選擇洗鹽后素土最大干密度的90%作為控制干密度，試樣干密度為1.55 g/cm3。試驗(yàn)過程如下：

(1)將配置好的不同含鹽量和不同含水率的土樣裝入環(huán)刀中，并用擊實(shí)器分層擊實(shí)，擊實(shí)后對試樣稱重，確保干密度控制在1.55 g/cm3；將濾紙進(jìn)行烘干處理之后，按照圖2所示將環(huán)刀和濾紙放入測試裝置中。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus

(2)將測試裝置放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為23 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為15 d，使土樣與濾紙水分達(dá)到平衡。

(3)準(zhǔn)備冷鋁盒作為稱量盒，平衡結(jié)束后，打開裝置使用鑷子迅速將濾紙取出，放入稱量盒稱量，并取下方環(huán)刀中心土樣進(jìn)行稱量。

(4)將稱量好的濾紙和濕試樣放入溫度設(shè)定為105 ℃的烘干箱內(nèi)，烘干24 h，然后測定試樣和濾紙的含水率。

(5)將所測含水率代入式(1)和式(2)，可得到試驗(yàn)土樣的總吸力和基質(zhì)吸力。

本文使用體積含水率θ來表達(dá)試樣含水率的變化，試樣體積含水率計(jì)算公式為[4]

θ=ρdw。

(3)

式中：θ為體積含水率(%)；ρd為試樣干密度(g/cm3)；w為試樣質(zhì)量含水率(%)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鹽漬土土-水特征曲線分析

將試驗(yàn)測得的非接觸濾紙和接觸濾紙含水率分別代入式(1)和式(2)，計(jì)算出試驗(yàn)土樣的基質(zhì)吸力和總吸力，滲透吸力為總吸力值減去基質(zhì)吸力值。通過式(3)得到試樣體積含水率。

為了直觀地反映各吸力隨試樣體積含水率變化規(guī)律，繪制不同含鹽量下總吸力、基質(zhì)吸力和滲透吸力隨試樣體積含水率的變化曲線，如圖3所示。

圖3 總吸力、基質(zhì)吸力和滲透吸力與體積含水率的關(guān)系Fig.3 Relations of volumetric water content againsttotal suction, matric suction and osmotic suction withvaried salt content

從圖3可知，試樣的總吸力、基質(zhì)吸力和滲透吸力均隨著含鹽量的增大而增加，隨體積含水率的減小而增加；當(dāng)體積含水率相同時(shí)，含鹽量大的試樣吸力越大，表明含鹽量對濱海鹽漬土的持水特性有重要影響。

由圖3(a)可以看出：試樣中含鹽土的總吸力要遠(yuǎn)大于素土(含鹽量0%)的總吸力，素土的最大總吸力為5.4×103kPa；當(dāng)含鹽量在0%～5%之間時(shí)，總吸力的增加較快，最大增加值為9.4×103kPa，說明此階段總吸力對含鹽量的變化比較敏感；當(dāng)含鹽量在5%～14%之間時(shí)，總吸力增加明顯減小，最大增加值為1.9×103kPa；各試樣總吸力隨著試樣中含水率的減小逐漸增大，且在體積含水率為12%左右時(shí)，曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，總吸力隨著含水率減小的增加趨勢由快變慢。

由圖3(b)可知：除素土(含鹽量0%)外，其余5組不同含鹽量土樣的基質(zhì)吸力曲線十分接近，即試樣的基質(zhì)吸力隨含鹽量的增加變化較??；各土樣基質(zhì)吸力隨體積含水率的減小而增加，且基質(zhì)吸力的增加趨勢在含水率>15%時(shí)較慢、在<15%時(shí)較快?？梢钥闯?，對濱海鹽漬土，含水率的變化仍然是基質(zhì)吸力變化的主要影響因素。

滲透吸力由相同含水率下總吸力減去基質(zhì)吸力而得。由圖3(c)可知：滲透吸力隨含鹽量的變化趨勢與總吸力相似，即滲透吸力隨含鹽量增加而增加，且含鹽量≤5%時(shí)增加較快、含鹽量≥5%時(shí)增加較慢；隨著體積含水率的減小，滲透吸力逐漸增大，在含水率為12%時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著含水率降低，滲透吸力有所減小。這是因?yàn)殡S著含水率的降低，孔隙水溶液中的鹽分濃度不斷增加，使得孔隙水滲透壓升高，當(dāng)含水率降至12%時(shí)，土中孔隙水溶液達(dá)到鹽分飽和，含水率再降低導(dǎo)致鹽分析出，而NaCl晶體會(huì)以固體的形式存在于土樣中，可能改變土樣的孔隙率、阻塞細(xì)小孔隙，基質(zhì)吸力增加趨勢變大，導(dǎo)致滲透吸力略有減小，這與孫德安等[5]得到的試驗(yàn)結(jié)論一致。

3.2 含鹽量對吸力的影響分析

圖4為不同體積含水率下，含鹽量與總吸力和基質(zhì)吸力關(guān)系曲線。

圖4 總吸力、基質(zhì)吸力與含鹽量關(guān)系Fig.4 Relations of salt content against totalsuction and matric suction

由圖4(a)可知：當(dāng)含水率為8.8%時(shí)，總吸力值最大，體積含水率為41.8%時(shí)總吸力值最小；在相同含鹽量下總吸力隨著含水率的減小而增大；當(dāng)含鹽量<5%時(shí)可以看出曲線的斜率最大，總吸力的增長速度比較快，說明此階段總吸力對含鹽量的變化比較敏感;在含鹽量>5%的階段，增長速度放緩，且含鹽量為5%是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在含鹽量超過5%后，總吸力的增長速度降低。

由圖4(b)可知:含鹽量的變化對試樣基質(zhì)吸力的影響較小;從整體來看，基質(zhì)吸力的變化在含鹽量為5%之前較為明顯，在5%之后變化幅度變小且趨于平緩;最下方的5條曲線的波動(dòng)更小，特別是含水率24.3%～41.8%的曲線，這4條曲線在不同含鹽量下基質(zhì)吸力的差值非常小，說明了基質(zhì)吸力受含鹽量的影響較小，而總吸力受含鹽量影響的主要因素是滲透吸力的變化。

3.3 土-水特征曲線擬合

根據(jù)圖4(b)中基質(zhì)吸力土-水特征曲線的變化趨勢，選用Exponential函數(shù)模型[18]，對不同含鹽量下基質(zhì)吸力與體積含水率的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到基質(zhì)吸力與體積含水率的量化關(guān)系式,即

ψ=ae-bθ+ce-dθ。

(4)

式中a、b、c、d為擬合參數(shù)。擬合結(jié)果見表2，可以看出擬合優(yōu)度較好，由此得出濱海鹽漬土基質(zhì)吸力與體積含水率呈指數(shù)關(guān)系。

表2 擬合方程結(jié)果Table 2 Fitting equation results

4 鹽漬土滲透吸力與含鹽量、體積含水率的關(guān)系

由上述分析可知，對濱海鹽漬土，基質(zhì)吸力受含鹽量的影響較小，而含鹽量是影響滲透吸力變化的主要因素。為建立濱海鹽漬土滲透吸力隨含鹽量變化的量化關(guān)系式，將測試結(jié)果重新整理，繪制不同體積含水率下滲透吸力隨含鹽量的變化曲線，見圖5。

圖5 滲透吸力與含鹽量關(guān)系Fig.5 Relation of osmotic suction against salinity

由圖5可知：當(dāng)體積含水率相同時(shí)，隨著含鹽量的增加，孔隙水溶液的濃度提高，滲透吸力不斷增加；當(dāng)含鹽量相同時(shí)，隨著含水率的降低會(huì)同樣導(dǎo)致孔隙水溶液濃度提高，滲透吸力也隨之增加；含鹽量<5%時(shí)，滲透吸力隨含鹽量的增速較大，含鹽量>5%之后，滲透吸力增速放慢。

采用MatLab中的cftool擬合工具箱建立量化關(guān)系“滲透吸力=F(含鹽量、體積含水率)”[19]。以z軸為滲透吸力、x軸為含鹽量、y軸為體積含水率，將測試數(shù)據(jù)繪出三維曲面，見圖6，根據(jù)圖像曲面趨勢選擇Polynomial算法進(jìn)行擬合分析。

圖6 滲透吸力與體積含水率、含鹽量的關(guān)系Fig.6 Relations of osmotic suction against volumetricwater content and salt content

經(jīng)試算分析，將z設(shè)為x、y的三次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)的確定系數(shù)R2及AdjustedR2都為0.97，擬合優(yōu)度較好，擬合的三維曲面見圖7。由此得到“滲透吸力=F(含鹽量、體積含水率)”的量化關(guān)系表達(dá)式為

圖7 模型Poly33擬合趨勢面Fig.7 Fitting trend surface of model Poly33

z=-4.04+5.95x+1.71y-0.43x2-0.12xy-

0.06y2+0.01x3+0.005x2y+

0.000 4xy2+0.001y3。

(5)

5 結(jié) 論

通過測試與分析黃驊港濱海鹽漬土的總吸力、基質(zhì)吸力、滲透吸力土-水特征曲線，并由擬合工具，建立基質(zhì)吸力、滲透吸力與體積含水率和含鹽量的數(shù)學(xué)模型，得到以下結(jié)論：

(1)隨著含鹽量的升高，總吸力、基質(zhì)吸力、滲透吸力均會(huì)增加，總吸力與滲透吸力的增幅明顯，而基質(zhì)吸力隨著含鹽量的改變較小。含鹽量5%是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，總吸力與滲透吸力在含鹽量<5%時(shí)增速明顯，含鹽量>5%之后，總吸力與滲透吸力的增加速度放緩，并趨于穩(wěn)定。

(2)隨著體積含水率的降低，各吸力值均會(huì)增大，但體積含水率是基質(zhì)吸力的主要影響因素，且隨體積含水率的減小，基質(zhì)吸力增加明顯。

(3)濱海鹽漬土基質(zhì)吸力與體積含水率呈指數(shù)關(guān)系，經(jīng)過擬合分析得到基質(zhì)吸力與體積含水率之間的指數(shù)關(guān)系式。

(4)對鹽漬土滲透吸力與含鹽量、體積含水率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到“滲透吸力=F(含鹽量、體積含水率)”的量化關(guān)系式，以供工程應(yīng)用參考。