NaCl作用下紅黏土裂隙發(fā)育規(guī)律研究

肖桂元 安冉 朱杰茹 裴心成 劉君

摘要：土體在鹽作用下強(qiáng)度會(huì)弱化，造成土體變形。為探索不同濃度NaCl溶液對(duì)紅黏土的裂隙發(fā)育演化規(guī)律及其工程性質(zhì)的影響，分別制作不同濃度NaCl的泥漿樣，定時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行稱重、拍照，觀察試樣裂隙發(fā)育過(guò)程。結(jié)果表明：NaCl濃度的增加，改變了土顆粒之間的作用力，紅黏土的水分蒸發(fā)速率也隨之降低，裂隙塊數(shù)明顯減小，NaCl溶液對(duì)紅黏土裂隙發(fā)育起到明顯的抑制作用，且濃度越大效果愈明顯。此外，通過(guò)界限含水率與直剪試驗(yàn)探索了不同濃度NaCl溶液對(duì)紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響，利用Zeta電位試驗(yàn)分析了其力學(xué)性質(zhì)變化原因與裂隙發(fā)育規(guī)律。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于NaCl溶液改變了土體結(jié)構(gòu)與顆粒間的摩擦力，使得擴(kuò)散層厚度變小，從而紅黏土的液塑限與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著溶液濃度的增加而降低。

關(guān) 鍵 詞：紅黏土; NaCl溶液; 裂隙; 電位

中圖法分類號(hào)： TU 42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.026

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)的廢水排放量日益增加，目前水環(huán)境問(wèn)題已成為中國(guó)面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一[1-2]。巖土環(huán)境逐漸惡化，對(duì)土體性質(zhì)造成了極大的影響。隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化的不斷發(fā)展，所生產(chǎn)化合物的數(shù)量越來(lái)越多，并逐漸進(jìn)入地下環(huán)境中，化合物在巖土體中長(zhǎng)期積累、沉淀、遷移，對(duì)地質(zhì)工程產(chǎn)生的惡劣影響日漸突顯[3]。由于水資源缺乏以及水污染，地面水體與地下水中含鹽量逐年增加，NaCl作為一種堿金屬鹽，易溶于水、不受pH值影響，且很難在水中去除，故應(yīng)重視NaCl對(duì)紅黏土理化性質(zhì)及強(qiáng)度特性的影響。

紅黏土作為一種特殊土，多數(shù)分布在中國(guó)南方地區(qū)，擁有獨(dú)特的工程性質(zhì)，吸水軟化、失水開裂，其水敏性及裂隙性特征十分明顯[4]。由于紅黏土中裂隙的存在，會(huì)破壞土體的完整性，弱化土體的強(qiáng)度，在工程中會(huì)使紅黏土的地基承載力降低，造成建筑物發(fā)生破壞[5-9]。紅黏土裂隙的形成為工業(yè)廢水的入滲提供了重要的優(yōu)勢(shì)通道[10-13]，廢水中所包含的鹽溶液作用大多屬于無(wú)機(jī)反應(yīng)，與巖土體發(fā)生反應(yīng)速度快、時(shí)間周期短，廢水通過(guò)裂隙更易進(jìn)入到土體內(nèi)引起土中孔隙溶液發(fā)生變化，使土體內(nèi)不斷發(fā)生著變化，最終使土體的力學(xué)性質(zhì)弱化。

目前針對(duì)鹽溶液對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響已有大量研究：何錦堂等[14]發(fā)現(xiàn)土樣的收縮能力隨著NaCl溶液濃度的增大而增強(qiáng)。顏榮濤等[15]提出耦合模型，模擬了鹽溶液飽和黏性土的變形和強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)黏土的工程特性受孔隙水溶液的變化影響。Budijanto等[16]研究了NaCl和CaCl2溶液對(duì)黏土界限含水率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著NaCl和CaCl2濃度的增加，土體的液塑限都隨之降低，土樣的塑性指數(shù)也發(fā)生改變。還有學(xué)者從微觀角度發(fā)現(xiàn)鹽溶液不僅使土體雙電層厚度減小，還改變了其孔隙狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，從而使土體的強(qiáng)度特性發(fā)生改變[17];于海浩等[18]發(fā)現(xiàn)土體的力學(xué)性質(zhì)受其孔隙溶液的化學(xué)性質(zhì)影響。還有研究表明，NaCl溶液可以有效抑制土體開裂程度，對(duì)土體的持水能力也有一定的影響[19]。Xu等[20]通過(guò)不同濃度鹽溶液中黏土的e-p關(guān)系，推導(dǎo)出了一個(gè)定量解釋滲透吸力對(duì)黏土體積變化影響的概念模型，提出了一個(gè)新的有效應(yīng)力公式。Nurfer等[21]在不同鹽溶液濃度和恒定pH值條件下測(cè)定了膨潤(rùn)土顆粒的Zeta電位。邢旭光等[22]探索了4種不同離子的鹽溶液對(duì)土壤持水性能的影響。毛雪松等[23]繪制了不同硫酸鹽濃度下的土水特征曲線，建立了含水率、含鹽量與滲透吸力的關(guān)系。Hu[24]等通過(guò)對(duì)飽和土進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，研究了土體孔隙空間演化情況。

綜上可知：目前鹽溶液對(duì)土體理化影響的研究主要集中在鹽漬土、高嶺石及蒙脫石等的強(qiáng)度、滲透性等方面，關(guān)于NaCl濃度對(duì)裂隙發(fā)育過(guò)程以及形成機(jī)理尚沒(méi)有深入研究，尤其是對(duì)紅黏土影響的研究還較少。本文主要通過(guò)觀察紅黏土的強(qiáng)度特性、液塑限性、蒸發(fā)速率及擴(kuò)散層厚度的變化來(lái)研究NaCl溶液對(duì)裂隙發(fā)育的影響，探索不同濃度NaCl溶液對(duì)紅黏土干縮開裂特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所使用的紅黏土取自廣西桂林市臨桂區(qū)的工地，取土的深度為1.50～2.50 m，土質(zhì)較均勻，試樣土體呈紅褐色。其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列，試驗(yàn)所用鹽為分析純NaCl。本文主要通過(guò)裂隙試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、Zeta電位試驗(yàn)等來(lái)探究NaCl溶液對(duì)紅黏土裂隙發(fā)育規(guī)律及其力學(xué)特性的影響。

1.1 界限含水率試驗(yàn)

試驗(yàn)將風(fēng)干的紅黏土根據(jù)規(guī)范篩分后放置于烘箱烘干。烘干后，將配置好的不同濃度NaCl溶液噴灑在土樣中，用配土器攪拌，讓溶液與土樣充分接觸直至均勻，隨后，將配好的土樣分別裝入保鮮袋中，并放置于陰涼處密封保存14 d。之后分別測(cè)得不同濃度下紅黏土的液、塑限，最終通過(guò)計(jì)算分析得到不同濃度NaCl溶液對(duì)紅黏土界限含水率變化的影響規(guī)律。

1.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)規(guī)范，分別對(duì)篩好的紅黏土加入0，0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.5，2.0 mol/L的NaCl溶液進(jìn)行配土，土樣初始含水率為最優(yōu)含水率27.3%。配土、密封、放在陰涼處?kù)o置7 d之后，復(fù)測(cè)含水率，誤差控制在（27.3±0.3）%。隨后制作成壓實(shí)度為96%的環(huán)刀試樣，抽真空，再在不同濃度NaCl溶液中飽和7 d。采用常規(guī)直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)，剪切速率設(shè)為0.08 mm/min。

1.3 Zeta電位試驗(yàn)

試驗(yàn)將風(fēng)干的紅黏土放入到烘箱內(nèi)烘干，篩分，隨后取2 g的土樣分別放入到40 mL不同濃度的NaCl溶液中，放置陰涼處?kù)o置15 d，待土樣與鹽溶液充分反應(yīng)后再進(jìn)行Zeta電位試驗(yàn)，觀察不同濃度的鹽溶液對(duì)其電位的影響規(guī)律，溫度為（23.5±0.3）℃。

1.4 裂隙試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用稱重與拍照一體的試驗(yàn)設(shè)備，將掃描儀固定在天秤上端一定高度，與計(jì)算機(jī)相連，定時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行記錄。裂隙試驗(yàn)具體過(guò)程如下：① 將風(fēng)干紅黏土碾碎，過(guò)1 mm篩;② 將過(guò)篩后的等質(zhì)量土分別放入7個(gè)燒杯中，加入提前配置好的NaCl溶液中，過(guò)程中用玻璃棒不斷攪拌使土樣與溶液充分接觸;③ 待泥漿樣配置完成（配置初始含水率為60%），再用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌，使鹽溶液與試樣充分接觸;④ 試樣攪拌均勻后，密封，靜置24 h;⑤ 將燒杯中的試樣分別倒入直徑為85 mm、高度為10 mm的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿中試樣質(zhì)量誤差為±0.2 g，確保每個(gè)試樣的高度誤差范圍在±0.03 mm。⑥ 把試樣放在室溫為26℃、環(huán)境濕度為56%的環(huán)境下進(jìn)行干燥失水，定時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行拍照、測(cè)重。

為了探索不同濃度的NaCl溶液對(duì)紅黏土裂隙發(fā)育過(guò)程的影響，本次試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了7組試驗(yàn)，每組分別做3個(gè)平行試樣，且每組含水率誤差控制在±0.3%內(nèi)，相關(guān)參數(shù)如表2所列。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鹽溶液作用后紅黏土液塑限分析

液限、塑限是黏性土主要的物理狀態(tài)特征，反映了孔隙溶液對(duì)土體工程性質(zhì)的影響。紅黏土作為一種特殊黏性土，其本身的礦物成分和黏粒含量受到孔隙溶液的影響，使液塑限發(fā)生變化[25]。本文采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得不同濃度NaCl溶液下紅黏土的液、塑限與塑性指數(shù)，結(jié)果如圖1～2所示。

由圖1可以看出：紅黏土的液塑限受NaCl溶液濃度影響而發(fā)生變化，液限隨濃度增大而降低的幅度相對(duì)較大，而塑限的變化比較穩(wěn)定。由此可得，不同濃度的NaCl溶液對(duì)紅黏土液限的影響較大，這是由于土內(nèi)滲透吸力受鹽溶液濃度影響，NaCl濃度的增加使?jié)B透吸力增加，從而引起有效應(yīng)力增加，使鹽-黏土體系中顆粒間吸引力隨著鹽溶液濃度增加，土樣之間膠結(jié)更為緊密，雙電層厚度變薄導(dǎo)致土樣的液限降低。

塑性指數(shù)為液限與塑限之差。從圖2中可以看出：紅黏土的塑性指數(shù)Ip隨著NaCl溶液濃度的增加總體呈下降趨勢(shì)，與其液、塑限的變化規(guī)律相似。由此可見NaCl溶液改變了紅黏土可塑性的強(qiáng)弱，即濃度越高，紅黏土可塑性越差。

2.2 直剪強(qiáng)度特性

2.2.1 剪應(yīng)力-位移曲線

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，對(duì)NaCl溶液作用下的土樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)。圖3為100，200，300，400 kPa豎向壓力下不同濃度的NaCl溶液作用下紅黏土應(yīng)力-位移曲線圖。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)不同NaCl溶液作用下紅黏土的剪應(yīng)力-位移曲線變化情況有所差異，在100，200 kPa的豎向壓力作用下，隨著NaCl溶液濃度的增大，紅黏土的強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的弱化，且不同條件下的變化趨勢(shì)大致相同;在豎向壓力為300，400 kPa時(shí)，雖然NaCl溶液作用下紅黏土的峰值應(yīng)力變化不大，但峰值應(yīng)力隨NaCl溶液濃度的增大總體呈減小趨勢(shì)。由圖3還可看出紅黏土在剪切過(guò)程中剪應(yīng)力-位移曲線類型均為應(yīng)力硬化型，且不同條件下紅黏土的硬化趨勢(shì)一致。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由莫爾-庫(kù)倫破壞理論可知，土的抗剪強(qiáng)度由黏聚力和內(nèi)摩擦角組成。試驗(yàn)證明，孔隙水溶液的變化對(duì)紅黏土顆粒間的作用力存在著明顯影響[26]。圖4為不同濃度的NaCl溶液對(duì)桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，可以很明顯看出，濃度越大，土樣黏聚力越小，內(nèi)摩擦角逐漸變大至峰值后小幅度降低。這是由于NaCl溶液改變了土顆粒之間的作用力，且溶液濃度越高影響越深，土樣的黏聚力隨溶液濃度的增大而減小。從微觀角度來(lái)分析，NaCl溶液可能改變了游離氧化鐵在紅黏土中的形態(tài)，而游離氧化鐵是紅黏土中重要的膠結(jié)物質(zhì)，從而使試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨NaCl溶液濃度增加而降低。

從圖4中可以看出：溶液濃度越高，對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響越大。隨著NaCl溶液濃度的增大，黏聚力逐漸降低且降低梯度也逐漸減小;內(nèi)摩擦角先迅速增大達(dá)到峰值隨后呈下降趨勢(shì)最后趨于穩(wěn)定，這是紅黏土內(nèi)物質(zhì)與鹽溶液發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成了新的物質(zhì)，使土體的孔隙狀態(tài)以及土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使紅黏土孔隙比增大。隨著NaCl溶液濃度的增大，紅黏土與鹽溶液產(chǎn)生的新物質(zhì)在鹽溶液中慢慢趨于穩(wěn)定，在NaCl溶液濃度大于0.5 mol/L后紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化幅度開始逐漸減小。

2.3 擴(kuò)散層厚度變化規(guī)律

擴(kuò)散雙電層由兩層組成：緊靠粒子表面的一層為固定層（亦被稱為Stern層或吸附層），固定層外的一層為擴(kuò)散層（見圖5）[27]。黏土顆粒與固定層在外加驅(qū)動(dòng)力的作用下發(fā)生移動(dòng)，使其與擴(kuò)散層在某一位置分離，Zeta電位便是該分離位置與擴(kuò)散層溶液的電位差，故Zeta電位的改變可以反映出土顆粒間引力大小的變化[28]。

通過(guò)簡(jiǎn)化后的雙電層方程可知：電荷密度、雙電層厚度和介電常數(shù)對(duì)Zeta電位值有著重要影響。

ζ=4πdσD（1）

式中：ζ為Zeta電位值，d為雙電層厚度，σ為電荷密度，D為介電常數(shù)。由公式（1）可知Zeta電位值與介電常數(shù)成反比，與雙電層厚度d與電荷密度σ成正比，可見，Zeta電位對(duì)雙電層厚度有著重要影響。

由圖6可以看出：Zeta電位隨NaCl溶液濃度的增加而降低，顆粒運(yùn)動(dòng)變快。由公式（1）可得電荷密度隨著NaCl溶液濃度的增加而增大。離子濃度增加，顆粒間的相互排斥力也增加，使得擴(kuò)散層中的離子進(jìn)入到固定層。Zeta電位降低，從而引起擴(kuò)散層厚度變薄，土體顆粒的持水能力降低，導(dǎo)致紅黏土的液限與塑性指數(shù)降低，土的可塑性降低，因此擴(kuò)散雙電層厚度的變化反映了土體液塑限的升降。從圖6中還可以看出Zeta電位在NaCl溶液濃度較低時(shí)下降趨勢(shì)較大，說(shuō)明Na+交換能力雖然較弱，但同樣可以把膠體中交換能力較強(qiáng)的其它陽(yáng)離子替換下來(lái)，但膠體中可以被Na+替換的陽(yáng)離子數(shù)有限，當(dāng)超過(guò)這一限值，Na+便很難再替換其它陽(yáng)離子。

根據(jù)雙電層理論，Zeta電位的減小說(shuō)明擴(kuò)散層厚度減小，土體膠結(jié)作用增強(qiáng)，使土體強(qiáng)度增加，但直剪試驗(yàn)結(jié)果表明土樣的黏聚力隨著NaCl溶液濃度的增加而呈降低趨勢(shì)。土體的黏聚力可以分為原始黏聚力（土粒間吸附水膜與相鄰?fù)亮ｉg的分子引力形成的可恢復(fù)的力）、固化黏聚力（土中不可恢復(fù)的化合物膠結(jié)形成）和毛細(xì)黏聚力（可忽略的毛細(xì)壓力所引起）。Zeta電位試驗(yàn)反映了NaCl溶液對(duì)土樣原始黏聚力的影響，這部分對(duì)土體的影響是可以隨著時(shí)間而逐漸恢復(fù)的;而直剪試驗(yàn)得到的是NaCl溶液對(duì)固化黏聚力的影響這部分是不可恢復(fù)的。

土體強(qiáng)度受多方面因素影響，鹽溶液對(duì)土樣擴(kuò)散層厚度的影響存在“閾值”。即在一定范圍內(nèi)，土樣強(qiáng)度主要受擴(kuò)散層厚度的影響，即受原始黏聚力的影響，這部分力會(huì)隨時(shí)間而恢復(fù);當(dāng)超過(guò)這一范圍，土體結(jié)構(gòu)便占據(jù)了影響紅黏土強(qiáng)度的主要因素。NaCl溶液進(jìn)入到土體內(nèi)，對(duì)土顆粒的大小、形狀、排列方式以及聯(lián)結(jié)關(guān)系造成了一定的影響，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[29]。由于土中的NaCl溶液減少了土體顆粒間的排斥力，且濃度越高排斥力越小，因此土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變?yōu)槊?邊接觸且具有很大孔隙的絮狀結(jié)構(gòu)。絮狀結(jié)構(gòu)之間有較大的孔隙，使得土樣剪切面的孔隙比隨溶液濃度的增大而逐漸增大，紅黏土的抗剪強(qiáng)度減小。

2.4 裂隙演化規(guī)律

2.4.1 水分蒸發(fā)過(guò)程

土中水分蒸發(fā)到一定程度土體將會(huì)出現(xiàn)裂隙，同時(shí)裂隙又為土體中水分的蒸發(fā)提供了重要的通道。在裂隙發(fā)育過(guò)程中水分蒸發(fā)主要分為3個(gè)階段：① 常蒸發(fā)速率階段（0～100 h），此階段含水量只能持續(xù)很短的一個(gè)時(shí)段，含水率變化較大，水量蒸發(fā)速度最快;② 蒸發(fā)速率下降階段（100～150 h），此階段的土樣含水率減小的速率較上一階段明顯變慢，蒸發(fā)速率也隨之下降，持續(xù)時(shí)間較短，其失水速度仍然較快;③ 蒸發(fā)速率穩(wěn)定階段（150～300 h），此階段土樣表層已全部變干，下面的濕土水分先汽化，然后通過(guò)表面已干土層蒸發(fā)，此時(shí)的水分蒸發(fā)量主要受表面干土層中水分?jǐn)U散率和對(duì)水分吸附力的影響。

此外，不同濃度的鹽溶液作用下，試樣出現(xiàn)裂隙的快慢也有所不同。圖7是原始初始含水率為60%的紅黏土試樣在不同濃度NaCl溶液下含水率隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖7中可以看出：NaCl溶液濃度的增加對(duì)含水率變化的影響較為明顯，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)高濃度的NaCl溶液的含水率曲線斜率比低濃度的含水率曲線斜率低。在0～100 h間鹽溶液對(duì)紅黏土試樣作用最為明顯，其水分蒸發(fā)速率相對(duì)較快，在100 h后試樣水分蒸發(fā)速率已慢慢趨于穩(wěn)定，并且在穩(wěn)定階段，高濃度的試樣含水率高于低濃度的試樣含水率。對(duì)比0 mol/L與2 mol/L的試樣發(fā)現(xiàn)，低濃度的試樣先于高濃度的試樣趨于穩(wěn)定，鹽溶液濃度越高失水速率越慢。

2.4.2 裂隙發(fā)育過(guò)程

將獲得的試驗(yàn)圖片進(jìn)行圖像處理，通過(guò)選取合適的閾值，獲得可以反映圖像特征的二值化圖像，使試樣圖像變得簡(jiǎn)單，凸顯出裂隙輪廓。圖8～9分別是紅黏土試樣在不同NaCl濃度下裂隙發(fā)育完成的原始圖像與二值化處理后的圖像。

通過(guò)試驗(yàn)可以將裂隙的發(fā)育過(guò)程可分為3個(gè)階段：① 迅速發(fā)育階段，在此階段，隨著水分的蒸發(fā)，土樣的某個(gè)地方先出現(xiàn)小的裂隙，隨后迅速延伸擴(kuò)大并逐漸相交，這種裂隙稱為一級(jí)裂隙（見圖8（f））;② 過(guò)渡階段，在此階段，從一級(jí)裂隙上開始衍生出新的分叉，隨著水分不斷的蒸發(fā)，更多細(xì)小的裂隙開始出現(xiàn)，通常連接著兩個(gè)一級(jí)裂隙，這時(shí)土塊的面積不斷縮小，這部分裂隙稱為二級(jí)裂隙（見圖8（a））;③ 發(fā)育穩(wěn)定階段，此時(shí)雖然土樣仍在失水，但土樣表面的裂隙長(zhǎng)度、塊數(shù)和面積都趨于穩(wěn)定，不會(huì)再產(chǎn)生新的裂隙。

從圖8～9可以看出隨著濃度的增加，試樣均推遲了裂隙出現(xiàn)的時(shí)間。在相同濃度NaCl溶液下的土樣，低濃度試樣出現(xiàn)裂隙的塊數(shù)更多，且裂隙寬度也較大。此外，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到：試樣分別在含水率為48.6%（0 mol/L），47.3%（0.3 mol/L），47.3%（0.5 mol/L），47.8%（0.7 mol/L），46.2%（1 mol/L），45.8%（1.5 mol/L），45.5%（2 mol/L）時(shí)出現(xiàn)裂縫。綜上可知，高濃度的NaCl溶液降低了裂隙的開裂程度。從上文分析中可知：NaCl溶液濃度增加使得顆粒間的膠結(jié)力增強(qiáng)，推遲了裂隙出現(xiàn)時(shí)間。

本文選取NaCl溶液濃度為0.5 mol/L的試樣來(lái)詳細(xì)分析裂隙形成的機(jī)理。本次裂隙試驗(yàn)一共持續(xù)350 h，從圖10可以看出其中一組試樣裂隙發(fā)育的過(guò)程。在350 h后，試樣質(zhì)量保持不變，并不再產(chǎn)生新的裂隙，說(shuō)明裂隙已全部發(fā)育完成。在發(fā)育過(guò)程中，一級(jí)裂隙形成于水分蒸發(fā)較快的時(shí)期，且裂隙長(zhǎng)度較長(zhǎng)、寬度較寬。隨著水分的不斷蒸發(fā)，二級(jí)裂隙開始從某個(gè)位置向一級(jí)裂隙發(fā)育，且發(fā)育方向幾乎垂直于一級(jí)裂隙。

土體產(chǎn)生裂隙是在顆粒間相互作用下形成的張拉破壞，是土體隨著水分蒸發(fā)產(chǎn)生的必然結(jié)果，是土體發(fā)生破壞的表現(xiàn)[30-31]。土作為一種多孔介質(zhì)，其形狀不規(guī)則、粒徑大小不等，飽和時(shí)顆粒與顆粒間被鹽溶液充滿。在一般情況下，黏土顆粒表面帶負(fù)電，孔隙鹽溶液中包含著各種離子，故形成反離子層，與土顆粒表面電荷相反。由于黏土顆粒表面帶負(fù)電，會(huì)吸引陽(yáng)離子，其次熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使陽(yáng)離子向液相內(nèi)擴(kuò)散，使反離子層分布在液相周圍，故土顆粒表面一般被一層結(jié)合水化膜包圍，使顆粒之間存在一定的孔隙，且鹽溶液濃度越大，顆粒間孔隙越大，為黏土失水收縮提供了一定的條件。此外，隨著土體的含水率不斷減小，土中會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)作用，由于表面張力的存在，使液面具有呈收縮趨勢(shì)的拉力，將產(chǎn)生迫使相鄰顆粒擠密的壓力（毛細(xì)壓力），故隨著水分的蒸發(fā)，土體開始收縮變形，產(chǎn)生裂隙。隨著NaCl溶液濃度的增大，試樣裂隙的發(fā)育程度逐漸降低，但鹽溶液（尤其是高濃度的鹽溶液）對(duì)紅黏土的強(qiáng)度造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)開展一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了不同濃度NaCl溶液對(duì)紅黏土開裂程度及其力學(xué)性質(zhì)的影響，得到以下結(jié)論：

（1） 孔隙溶液中的Na+會(huì)與黏粒本身的電荷相結(jié)合，隨著NaCl溶液濃度的增加，可與黏粒表面離子結(jié)合的Na+隨之增加，故黏粒對(duì)Na+吸引力增大，使其更加靠近黏粒表面，從而令土體間膠結(jié)力增強(qiáng)。雙電層厚度變薄，導(dǎo)致土樣的液塑限都有所降低，且降低趨勢(shì)逐漸減小。

（2） 隨著NaCl溶液濃度的增加，顆粒之間的膠結(jié)力也隨之增加。但這部分膠結(jié)并不是最主要的，而游離氧化鐵是紅黏土結(jié)構(gòu)中重要的膠結(jié)物，NaCl溶液使得游離氧化鐵形態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致紅黏土的強(qiáng)度隨濃度的增加而弱化，且在100，200 kPa豎向壓力作用下較為明顯。

（3） 電荷密度隨著NaCl溶液濃度的增加而增加，使得Zeta電位減小，顆粒間相互排斥力增加，引起擴(kuò)散層厚度變薄。

（4） 顆粒之間的相互引力隨著鹽溶液濃度的增大逐漸減小，且土體結(jié)構(gòu)變?yōu)樾鯛罱Y(jié)構(gòu)，其顆粒間孔隙變大。NaCl溶液濃度的增加使土體中分子間作用力增強(qiáng)，孔隙的連貫性變?nèi)?，使得試樣的開裂面積、塊數(shù)、長(zhǎng)度減少;隨著NaCl溶液濃度的增加，試樣表面裂隙發(fā)育程度逐漸變低。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溶液的濃度對(duì)擴(kuò)散層厚度有一定的影響，本次試驗(yàn)只考慮了NaCl濃度對(duì)雙電層的影響，未考慮溫度等因素的影響。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)在同一溶液濃度下，當(dāng)初始含水率較小時(shí)，試樣裂隙發(fā)育程度也有所減小，且在不同的時(shí)間段水分蒸發(fā)量也有所不同。今后可以針對(duì)不同初始含水率的土樣模擬水分遷移路徑，從開裂過(guò)程中含水率的變化推測(cè)裂隙發(fā)育狀態(tài)，探索含水率與開裂程度的關(guān)系式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃良輝.基于環(huán)境承載力分析的區(qū)域水污染物總量控制研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

[2] 姚誠(chéng).水污染現(xiàn)狀及其治理措施[J].污染防治技術(shù)，2009（2）：87-90.

[3] 劉傳正.環(huán)境工程地質(zhì)學(xué)導(dǎo)論[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[4] 姜洪濤.紅粘土的成因及其對(duì)工程性質(zhì)的影響[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000（3）：33-37.

[5] 鄒飛，夏怡.紅黏土平面裂紋擴(kuò)展的分形特征[J].人民長(zhǎng)江，2011，42（15）：58-62.

[6] 孔德坊.裂隙性粘土[M].北京：地質(zhì)出版社，1994

[7] 何荷，張靜波，王云.裂隙對(duì)紅粘土邊坡滲流穩(wěn)定的影響分析[J].中外公路，2014，34（4）：30-35.

[8] 孫德安，高游，劉文捷，等.紅黏土的土水特性及其孔隙分布[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（2）：351-356.

[9] 王培清，付強(qiáng).降雨入滲對(duì)裂隙性紅粘土邊坡的穩(wěn)定性影響分析[J].公路工程，2013，38（5）：165-170，192.

[10] 袁俊平，藺彥玲，丁鵬，等.裂隙誘導(dǎo)各向異性對(duì)邊坡降雨入滲的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38（1）：76-82.

[11] 姚海林，鄭少河，陳守義.考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（5）：606-609.

[12] 張展羽，陳于，孔莉莉，等.土壤干縮裂縫幾何特征對(duì)入滲的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（10）：192-197.

[13] NOVK V，SIMUNEK J，GENUCHTEN M T V.Infiltration of water into soil with cracks[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2000，126（1）：41-47.

[14] 何錦堂，顏榮濤，牛庚，等.NaCl溶液對(duì)高嶺土收縮特性的影響[J].土工基礎(chǔ)，2018，32（1）：64-68.

[15] 顏榮濤，紀(jì)文棟，陳星欣，等.鹽溶液飽和黏土的力學(xué)行為模擬[J].巖土力學(xué)，2018，39（2）：546-552.

[16] BUDIJANTO W，KEVIN M S.Effect of NaCl and CaCl2 solutions on the liquid limit，plastic limit，and plasticity index of clay[J].IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2019，508（1）：012045.

[17] 顏榮濤，梁維云，楊德歡，等.氯化鈉溶液對(duì)粘性土的強(qiáng)度影響[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（1）：88-93.

[18] 于海浩，韋昌富，顏榮濤，等.孔隙溶液濃度的變化對(duì)黏土強(qiáng)度的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（3）：564-569.

[19] 馬田田，韋昌富，陳盼，等.NaCl溶液對(duì)土體持水特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（10）：2831-2836.

[20] XU Y F，XIANG G S，JIANG H，et al.Role of osmotic suction in volume change of clays in salt solution[J].Applied Clay Science，2014，101：354-361.

[21] NURFER G，SKRAN D.Difference in the influence of Na and Ca ions on the zeta potentials of Anatolian bentonitic clays[J].Journal of Inclusion Phenomena and Molecular Recognition in Chemistry，1996，26（1）：93-101.

[22] 邢旭光，馬孝義，康端剛.鹽陽(yáng)離子類型及濃度對(duì)土壤持水及干縮開裂的作用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（9）：115-122.

[23] 毛雪松，張騰達(dá)，劉飛飛，等.基于土水特征曲線硫酸鹽漬土滲透吸力試驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，51（1）：27-31，38.

[24] HU L B，HUECKEL T，PERON，H，et al.Desiccation shrinkage of unconstrained soil in the saturated phase[C]∥1st European Confererence on Unsaturated Soils，2008.

[25] 李善梅，劉之葵，蒙劍坪.pH值對(duì)桂林紅黏土界限含水率的影響及其機(jī)理分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2017，39（10）：1814-1822.

[26] 胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[27] 張效正.用雙電層理論說(shuō)明粘土的粘結(jié)機(jī)理[J].江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào)，1994（2）：94-98.

[28] 高國(guó)瑞.近代土質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[29] 周遠(yuǎn)忠，劉新榮，張梁，等.紅粘土微觀結(jié)構(gòu)模型及其工程力學(xué)效應(yīng)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8（4）：726-731，835.

[30] 唐朝生，施斌，崔玉軍.土體干縮裂隙的形成發(fā)育過(guò)程及機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（8）：1415-1423.

[31] 施斌，李生林，TOLKACHEV M.粘性土微觀結(jié)構(gòu)SEM圖象的定量研究[J].中國(guó)科學(xué)，1995（6）：666-672.

（編輯：鄭 毅）

Influence of different concentrations of NaCl solution on fracture development of red clay

XIAO Guiyuan1，2，AN Ran1，ZHU Jieru1，PEI Xincheng1，LIU Wenjun1

（ 1.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430000，China）

Abstract：

Salt will weaken the strength of soil，resulting in soil deformation.In order to explore the influence law of different concentrations of NaCl solution on crack development of red clay and its engineering properties，mud samples with different concentrations of NaCl were prepared respectively.We regularly weighed and took photos of the samples，and observed the development process of the sample crack.The results showed that the increase of NaCl concentration changed the interaction force between soil particles，and the water evaporation rate of red clay and the number of crack blocks decreased obviously.NaCl solution distinctly inhibited the crack development of red clay，the higher concentration is，the more obvious of inhibition is.In addition，the influence of different concentration of NaCl solution on the mechanical properties of red clay was explored through the limit moisture content and direct shear test，and the change reason of mechanical properties and the rule of crack development were analyzed by Zeta potential test.It was found that the friction between soil structure and particles was changed by NaCl solution，which reduced the thickness of diffusion layer，so the liquid and plastic limit and shear strength index of red clay decreased with the increase of solution concentration.

Key words：

red clay;concentration of NaCl;fracture;potential