含鹽砂巖風(fēng)化物抗剪強(qiáng)度及鹽析特征研究

李榮亮，李迎陽，周軍紅，徐興倩，彭爾瑞

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201；2.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037)

0 引 言

含鹽砂巖風(fēng)化物剪切強(qiáng)度與含水率和含鹽量直接相關(guān)，大量研究表明[3-9]，含水率不同，鹽漬土剪切特性各異。陳煒韜[4]、張寧霞等[5]通過直剪試驗(yàn)，得到氯鹽鹽漬土的強(qiáng)度在含鹽量一定時(shí)，隨含水率的增大而減小，含水率一定時(shí)，隨含鹽量的增大先減小后增大的結(jié)論。于青青等[6]研究得出，松嫩平原蘇打型鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率增加而下降。盧佩霞等[7]研究發(fā)現(xiàn)，粉土鹽漬土在含鹽量一定時(shí)剪切強(qiáng)度隨含水率增大而減小。雷華陽等[8]發(fā)現(xiàn)含鹽吹填土的抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而增大。也有學(xué)者通過對土樣加鹽配置鹽濃度梯度的方法，研究土壤鹽含量與強(qiáng)度的關(guān)系[4-5，9-12]。張飛等[10]通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)測得硫酸鹽漬土內(nèi)摩擦角受含鹽量影響較小，黏聚力隨易溶鹽含量的增大先減小后增大。付江濤等[11]發(fā)現(xiàn)亞硫酸鹽漬土的黏聚力值和內(nèi)摩擦角均隨含鹽量增加呈先降后增的趨勢，臨界值為5.17%。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試樣采集

試驗(yàn)土樣取自貫通云南省祿豐縣黑井鎮(zhèn)的新建成昆鐵路驕子山隧道的3號棄渣場。試樣采集時(shí)在取樣點(diǎn)先清除棄渣場地表10 cm的表層土壤，然后采集10～50 cm處土體，該土層深度的巖塊皆已風(fēng)化成土，同時(shí)鹽分析出程度較低，正是相對新鮮的含鹽砂巖風(fēng)化物。棄渣場含鹽砂巖風(fēng)化物堆積及局部變形破壞與表層鹽析情況見圖1。

表1 基本物理指標(biāo)

圖1 含鹽砂巖風(fēng)化物堆積體

1.2 基本物理指標(biāo)

根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)，測得該土樣的基本物理性質(zhì)，結(jié)果見表1。

由顆粒分析試驗(yàn)得到該含鹽砂巖風(fēng)化物的粒徑級配曲線，見圖2。從圖2可知，試驗(yàn)土樣中黏粒(d≤0.005 mm)、粉粒(0.005 mm

圖2 含鹽砂巖風(fēng)化物粒徑級配曲線

由擊實(shí)試驗(yàn)得到含鹽砂巖風(fēng)化物擊實(shí)曲線，見圖3。從圖3可知，該含鹽砂巖風(fēng)化物的最優(yōu)含水率為18.03%，最大干密度為1.74 g/cm3。

2 試樣制備及試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

試樣制備步驟為：①將所取含鹽砂巖風(fēng)化物烘干碾碎過2 mm篩，去除大顆粒巖塊及有機(jī)物等雜質(zhì)后備用。②在所測得天然含水率值12.46%和最優(yōu)含水率值18.03%附近取定含水率梯度(12%、14%、16%、18%、20%)，并配置5組不同含水率的濕土備用。③根據(jù)試樣體積和設(shè)計(jì)干密度稱取相應(yīng)質(zhì)量濕土，擊實(shí)裝入體積為500 cm3的環(huán)刀中；將5組不同含水率的濕土分別制成各20件、共100件試樣備用；④將制好試樣于室溫(25 ℃)條件下靜置使其自然鹽析，分別經(jīng)過0、1、3、5、7 d，刮取試樣表面鹽析層用于測定鹽析量；再用內(nèi)徑61.8 mm、高度20 mm的環(huán)刀在500 cm3環(huán)刀土樣中心處制取1式4份的環(huán)刀樣用于直剪試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

鹽析量的測定采用質(zhì)量法，步驟如下：①將從500 cm3環(huán)刀試樣表面鹽析層刮取的鹽析物烘干，按照土水質(zhì)量比為1∶5的比例溶解于蒸餾水中，得到懸濁液，然后利用真空泵抽氣設(shè)備過濾，得到易溶鹽待測澄清液。②將易溶鹽待測澄清液水浴蒸發(fā)，直至得到白色殘?jiān)^程中可用滴管滴加少量15%的雙氧水氧化去除有機(jī)質(zhì)。③將所得蒸發(fā)白色殘?jiān)?05～110 ℃條件下烘干4～8 h，取出于干燥器中冷卻后稱量，反復(fù)進(jìn)行直至2次質(zhì)量之差不大于0.000 1 g時(shí)，所稱得質(zhì)量即為對應(yīng)土樣的鹽析量。

直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)進(jìn)行，剪切速率為0.8 mm/min，施加豎向荷載為100、200、300 kPa和400 kPa，以剪切位移為6 mm作為試驗(yàn)結(jié)束的依據(jù)，過程中記錄試樣剪壞時(shí)的剪應(yīng)力測力計(jì)讀數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 含水率對含鹽砂巖風(fēng)化物強(qiáng)度的影響

含鹽砂巖風(fēng)化物土樣初始含水率設(shè)為12%、14%、16%、18%和20%，在室溫(25 ℃)條件下靜置鹽析1、3、5、7 d，分別測得對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)試樣表層鹽析量與內(nèi)部含水率的變化情況及抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果見表2。

本款集總高通濾波器采用相對介電常數(shù)為8.2的陶瓷材料，損耗角正切為0.001，濾波器的尺寸為3.2mm×1.6mm×0.94mm，加工完成后，其外形如圖7所示。

圖5 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

綜上，黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系變化趨勢相同。由此可知，該類含鹽砂巖風(fēng)化物的含水率在最優(yōu)含水率附近剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值。

3.2 鹽析對含鹽砂巖風(fēng)化物強(qiáng)度的影響

不同初始含水率下含鹽砂巖風(fēng)化物黏聚力及內(nèi)摩擦角與鹽析天數(shù)的關(guān)系分別見圖6、7。從圖6、7可知，當(dāng)初始含水率大于等于16%時(shí)，黏聚力隨鹽析天數(shù)的增長先減小后增大后出現(xiàn)回落。而初始含水率小于16%時(shí)，黏聚力隨鹽析天數(shù)的增加呈現(xiàn)先緩慢下降后趨于穩(wěn)定的變化趨勢；內(nèi)摩擦角隨鹽析天數(shù)增加呈現(xiàn)先增大后減小再趨于穩(wěn)定的變化趨勢，受鹽析天數(shù)影響相對較小。

圖6 黏聚力與鹽析天數(shù)的關(guān)系

圖7 內(nèi)摩擦角與鹽析天數(shù)的關(guān)系

隨著鹽析天數(shù)的增加，含鹽砂巖風(fēng)化物試樣含水率和鹽析量均發(fā)生變化，分析可知，鹽析過程可歸納為3個(gè)階段：

(1)鹽析初期。鹽析量和含水率變化均較為明顯，試樣內(nèi)摩擦角和黏聚力同時(shí)受兩者影響，變化情況較為復(fù)雜。

(2)鹽析中期。實(shí)際含水率小于含鹽砂巖風(fēng)化物最優(yōu)含水率，鹽析量仍在增大，試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力受鹽析量變化影響較大，隨鹽析量的增大而增大。該過程中土體內(nèi)部鹽結(jié)晶組成較多，在土孔隙中起骨架作用，使含鹽砂巖風(fēng)化物的黏聚力及內(nèi)摩擦角增大。

(3)鹽析后期。鹽析量基本不再增加，含水率仍在減小，試樣的抗剪強(qiáng)度主要受含水率變化影響，隨含水率的減小而減小。由于前期鹽析過程中水鹽運(yùn)移在土體中形成新的孔隙通道，當(dāng)表層鹽析量不再增加，而水分依舊在流失時(shí)，通道內(nèi)可能變成真空，土體結(jié)構(gòu)變得相對松散，從而使含鹽砂巖風(fēng)化物的黏聚力及內(nèi)摩擦角減小甚至出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。

3.3 含水率對含鹽砂巖風(fēng)化物鹽析特征的影響

不同含水率下鹽析量隨天數(shù)的變化見圖8。通過試驗(yàn)觀測可知，隨著鹽析天數(shù)的增加，試樣表層土體逐漸變得松散，可明顯觀測到有白色粉末狀鹽結(jié)晶析出，同時(shí)土樣內(nèi)部含水率逐漸下降，試樣表層析出鹽類物質(zhì)逐漸增多，直到含水率降到12%左右趨于穩(wěn)定，且初始含水率越大，鹽析速率越快，土樣內(nèi)部含水率下降速率也越快。

圖8 不同初始含水率下鹽析量隨天數(shù)的變化

在鹽析初期，相同跨度的鹽析時(shí)段內(nèi)，初始含水率越高，鹽析量越大；隨著鹽析天數(shù)的增長，鹽析速率逐漸下降，直至土樣含水率基本穩(wěn)定后鹽析停止，且初始含水率越大，鹽析量降低速率越慢，最終鹽析總量越大。不同含水率下各時(shí)段的含鹽砂巖風(fēng)化物鹽析量的具體變化見圖9。

圖9 不同初始含水率下各時(shí)段的鹽析量

綜上可知，含鹽砂巖風(fēng)化物試樣的表層鹽析及內(nèi)部含水率下降基本是同步進(jìn)行的?？紤]到試樣靜置時(shí)處于溫度為25 ℃，空氣濕度為50%的密閉養(yǎng)護(hù)室內(nèi)且四周及底部皆與空氣隔斷，所以試樣體內(nèi)的水分流失僅考慮表面自然蒸發(fā)。因此可初步認(rèn)定，試樣的鹽析過程是一個(gè)試樣體內(nèi)鹽分隨其毛細(xì)水上升的水鹽運(yùn)移過程，與現(xiàn)有相關(guān)研究成果[15]一致。

4 結(jié) 語

本文以云南祿豐黑井地區(qū)的含鹽砂巖風(fēng)化物為研究對象，探討土體含水率對含鹽砂巖風(fēng)化物鹽析情況及剪切強(qiáng)度特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1)在不同含水率條件下，該含鹽砂巖風(fēng)化物剪切強(qiáng)度隨含水率增大先增加后減小，其黏聚力和內(nèi)摩擦角均在含水率為最優(yōu)含水率附近達(dá)到峰值，分別為22.64 kPa和11.91°，該變化與含鹽砂巖風(fēng)化物中易溶鹽的結(jié)晶與溶解情況有關(guān)。

(2)在控制含水率及鹽析天數(shù)條件下，該含鹽砂巖風(fēng)化物剪切強(qiáng)度隨鹽析量的增大逐漸增大。第5 d的最優(yōu)含水率試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角均達(dá)到峰值，分別為20.42 kPa和13.39°。

(3)初始含水率越大，該含鹽砂巖風(fēng)化物的鹽析現(xiàn)象越明顯。而隨著鹽析天數(shù)的增加，試樣含水率逐漸下降，試樣表層析出鹽類物質(zhì)增多，直到含水率降到約12%趨于穩(wěn)定。鹽析速率和含水率變化速率隨初始含水率的增大而增大，隨鹽析天數(shù)的增長而減小直至鹽析停止。該規(guī)律符合鹽漬土中水分蒸發(fā)時(shí)的水鹽運(yùn)移規(guī)律。