鹽分及含水率對甘肅黑方臺黃土強(qiáng)度的影響研究

馬建全　 邱勇強(qiáng)　趙曉杰　李凱　李識博　段釗

摘要： 文章以甘肅黑方臺灌區(qū)黃土滑坡區(qū)黃土為研究對象，開展了滑坡區(qū)鹽分調(diào)查及水土化學(xué)特征分析，進(jìn)行了不同易溶鹽含量及不同含水率條件下的重塑黃土三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探討鹽分及含水率對黃土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：滑坡區(qū)土樣中易溶鹽含量范圍為0.15%～4.55%，易溶鹽主要是以Na2SO4和NaCl為主;水化學(xué)分析顯示灌溉水入滲及溶濾臺塬黃土中的可溶鹽，經(jīng)優(yōu)勢通道在坡腳以泉點(diǎn)滲出等方式排泄并富集;試樣抗剪強(qiáng)度隨易溶鹽含量的增加而提高，隨含水率的增加而降低;不同易溶鹽及含水率條件下，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力變化范圍為4.2～57.1 kPa，內(nèi)摩擦角變化范圍為23.1°～33.5°，黏聚力對易溶鹽及含水率的變化更敏感。

關(guān)鍵詞： 易溶鹽; 含水率; 黑方臺; 黃土; 抗剪強(qiáng)度

中圖分類號： TU444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0819-08

DOI：10.20000/j.1000－0844.20200519005

Effects of salinity and moisture content on the strengthof loess in Heifangtai， Gansu Province

MA Jianquan QIU Yongqiang ZHAO Xiaojie LI Kai3， LI Shibo DUAN Zhao1

Abstract：? The loess in the landslide area of the Heifangtai irrigation district in Gansu Province was taken as the research object in this study. The salt content and the chemical characteristics of the soil and water in the landslide area were investigated. A series of triaxial consolidation undrained shear tests was conducted on remolded loess with different soluble salt contents and moisture contents to explore the effects of the salinity and moisture content on the shear strength of the loess in this region. The results showed that （1） The soluble salt contents in the samples ranged from 0.15% to 4.55%， and the main components were Na2SO4 and NaCl. （2） The hydrochemical analysis showed that the irrigation water infiltrated and dissolved the soluble salt in the plateau loess， which was discharged and enriched at the slope foot in the form of spring point seepage. （3） The shear strength of the samples increased with the increase in the soluble salt content and decreased with the increase in the water content. （4） Under the conditions of different soluble salts and water contents， the cohesion varied from 4.2 kPa to 57.1 kPa， and the internal friction angle varied from 23.1° to 33.5°. The cohesion was more sensitive to changes in the soluble salt and moisture contents.

Keywords： soluble salt; moisture content; Heifangtai; loess; shear strength

0 引言

甘肅永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黑方臺灌區(qū)，由于長期進(jìn)行大量引水灌溉活動，在塬邊形成了約10 km的滑坡密集發(fā)育帶，1984—2019年已頻繁發(fā)生滑坡災(zāi)害約150次［1］。在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)黃土滑坡災(zāi)害發(fā)育區(qū)域分布有大量的“析鹽”現(xiàn)象（圖1，圖2）?！胞}隨水來，鹽隨水去”是黃土中鹽分運(yùn)移的基本規(guī)律，土的積鹽和脫鹽完全受水鹽運(yùn)移過程控制［2］。在外塬引水灌區(qū)，長期的入滲作用加劇了黃土滲透帶的水鹽運(yùn)移作用［3］，使得土體中含水率及水溶鹽類含量發(fā)生了改變，而含水率及水溶鹽類的含量，又是影響黃土強(qiáng)度的重要因素。

關(guān)于水鹽效應(yīng)對黃土強(qiáng)度影響的研究，國內(nèi)外學(xué)者大多從含水率和鹽分含量方面做了大量工作。含水率方面，眾多學(xué)者利用常規(guī)直剪和三軸試驗(yàn)獲得了含水率對黃土抗剪強(qiáng)度的影響，但試驗(yàn)結(jié)果存在很大的差異性。如邢鮮麗等［4］基于三軸試驗(yàn)得到了黏聚力隨含水率的增大先減小后增大，內(nèi)摩擦角隨含水率增大而減小的試驗(yàn)規(guī)律。而廖紅建等［5］基于直剪試驗(yàn)得到了黏聚力隨含水率的增大先增大后減小的相反試驗(yàn)規(guī)律。李保雄等［6］在研究不同沉積時代黃土抗剪強(qiáng)度水敏感性機(jī)制時，也發(fā)現(xiàn)了黃土抗剪強(qiáng)度隨含水率的不同衰減規(guī)律，并提到可能與易溶鹽和結(jié)構(gòu)性有關(guān)。鹽分含量方面，一些學(xué)者研究了洗鹽（去鹽）、增鹽對黃土抗剪強(qiáng)度的影響，如邴慧等［7］發(fā)現(xiàn)洗鹽后土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有不同程度的增大，而更多的研究得出去鹽后土體抗剪強(qiáng)度降低的試驗(yàn)結(jié)果［8－10］。沈云霞等［11］、崔自治等［12］發(fā)現(xiàn)黃土的抗剪強(qiáng)度隨易溶鹽含量的增大而減小，但也有研究表明黃土抗剪強(qiáng)度隨易溶鹽含量的增加呈先增大后減小的趨勢［13－15］。

綜上研究，水鹽對黃土強(qiáng)度影響的差異性較大，且水鹽效應(yīng)對黃土強(qiáng)度影響的研究都是針對土體工程地質(zhì)性質(zhì)，而對黑方臺灌區(qū)塬邊黃土滑坡區(qū)且同時考慮鹽分及含水率對黃土強(qiáng)度影響的研究鮮有報道。因此，本文以黑方臺黃土滑坡區(qū)黃土為研究對象，開展滑坡區(qū)水鹽運(yùn)移調(diào)查及水土化學(xué)特征分析，并基于水土化學(xué)特征開展6個鹽分含量、6個含水率條件下的重塑黃土三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探討鹽分及含水率對甘肅黑方臺黃土強(qiáng)度的影響，為黑方臺灌區(qū)黃土滑坡形成機(jī)理及影響因素認(rèn)識提供一定的理論參考。

1 滑坡區(qū)鹽分調(diào)查及分析

對甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黑方臺焦家村塬邊滑坡的后緣、前緣、滑體和后壁等部位進(jìn)行了取樣，取樣位置如圖3所示，取樣深度約15 cm，共19份土樣。對取回的試樣進(jìn)行烘干，過2 mm篩，依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］，對試樣進(jìn)行易溶鹽含量測試（表1）。如表1所列，滑坡區(qū)試樣中易溶鹽含量最小值0.15%，最大值4.55%，平均值0.70%，其中陽離子以Na+與K+為主，最大含量可達(dá)13 262 mg/kg，陰離子以SO2-4和Cl-為主，Cl-離子含量最大可達(dá)16 286 mg/kg。易溶鹽主要是以Na2SO4和NaCl為主。此外，還對黑方臺東側(cè)黃河水、灌溉水及滑坡后緣坡腳泉點(diǎn)等水樣，依照《鐵路工程水質(zhì)分析規(guī)程》進(jìn)行了水化學(xué)特征分析（表2）。如表2所列，由于灌溉水來源于黃河水，二者之間離子含量接近，但滑坡后緣泉點(diǎn)的各個離子含量及溶解性固體TDS值遠(yuǎn)大于灌溉水和黃河水。灌溉水入滲溶濾臺塬上部黃土結(jié)構(gòu)體系中的可溶鹽，經(jīng)優(yōu)勢通道在坡腳以泉點(diǎn)滲出等方式排泄并富集鹽分。

由滑坡區(qū)鹽分調(diào)查數(shù)據(jù)可知，灌溉入滲加劇了黃土滲透帶的水鹽運(yùn)移作用，改變了黃土結(jié)構(gòu)體系中可溶鹽含量及含水率，由此可能會影響黃土強(qiáng)度特性及黃土斜坡穩(wěn)定性。因此，本文重點(diǎn)討論坡腳處黃土在增鹽效應(yīng)及不同含水率條件下強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2 試樣及試驗(yàn)方案

2.1 土樣采集及基本物理化學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)所用土樣采自黃土滑坡后壁，為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土。土樣呈灰黃色，疏松多孔，具有大孔結(jié)構(gòu)。

依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對土樣進(jìn)行了含水率、密度、比重及界限含水率等測試，采用Bettersize2000型激光粒度分析儀對土樣顆粒組成進(jìn)行了測試，黃土試樣基本物理性質(zhì)如表3所列。采用d/max－2500v型X射線衍射儀對土樣礦物成分進(jìn)行測試（表4），黏土礦物總量約23.0%。黃土試樣易溶鹽成分及含量如表5所列。

2.2 試樣制備

本試驗(yàn)試樣是通過在重塑黑方臺黃土土樣中加入鹽的方式制作不同易溶鹽含量的重塑土樣獲得的。首先對野外采集回來的樣品烘干后過2 mm篩，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，配置一定含水率的試樣，在此過程中控制加入水量及溶液濃度來控制易溶鹽含量，這樣做的目的是為了使鹽分均勻分布在試樣中。由表1可知，調(diào)查點(diǎn)土樣中易溶鹽含量最大為4.55%，試驗(yàn)所用土樣易溶鹽含量為0.40%（表5）?？刂坪蕿?%（風(fēng)干）、7%（天然）、13%、18%、23%、28%，采用NaCl制備不同濃度的溶液（分別為0、10%、12%、14%、16%、18%）。則試驗(yàn)試樣的易溶鹽含量如表6所列。

2.3 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器為SLB－1A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀，試驗(yàn)設(shè)定剪切速率為0.1 mm/min。設(shè)計6個含水率（2%、7%、13%、18%、23%和28%）、6個鹽分溶液濃度（0、10%、12%、14%、16%和18%）、3個有效圍壓（100 kPa、200 kPa和300 kPa）共36組108個試樣的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨鹽分及含水率總體變化

將108個試樣以試樣破壞時平均應(yīng)力pf為橫坐標(biāo)，試樣破壞時偏應(yīng)力qf為縱坐標(biāo)，分析pf－qf關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，鹽分和含水率對抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響較大，試樣黏聚力變化范圍在4.2～57.1 kPa，內(nèi)摩擦角變化范圍在23.1°～33.5°。

3.2 鹽分對黃土強(qiáng)度的影響

選取含水率為7%的試樣進(jìn)行鹽分條件對強(qiáng)度的影響分析。

（1） 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

不同含鹽條件下試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，所有鹽分條件下試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線均呈應(yīng)變硬化狀態(tài)，無峰值出現(xiàn)，因此，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時的應(yīng)力為破壞應(yīng)力。不同鹽分條件下黃土試樣破壞時的應(yīng)力如表7所列。

（2） 強(qiáng)度參數(shù)

基于試樣破壞時的平均應(yīng)力pf和偏應(yīng)力qf，計算抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角，如表7所列?？辜魪?qiáng)度參數(shù)隨不同含鹽條件的變化規(guī)律如圖6所示。黏聚力變化范圍在15.4～21.9 kPa，隨鹽分含量增加而增加，且增加幅度顯著;內(nèi)摩擦角變化范圍在28.2°～30.2°，隨鹽分含量增加變化幅度較小。鹽分含量對黏聚力的影響較大，對內(nèi)摩擦角的影響較小。黏聚強(qiáng)度主要來源于膠結(jié)材料的聯(lián)結(jié)作用，摩擦強(qiáng)度更多取決于顆粒之間的咬合摩擦作用［10］，由此可見，鹽分對黃土強(qiáng)度的影響應(yīng)主要顯現(xiàn)在黏聚力上。

3.3 含水率對黃土強(qiáng)度的影響

選取添加溶液濃度為16%的試樣進(jìn)行含水率條件對強(qiáng)度的影響分析。

（1） 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線不同含水率條件下試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，試樣在含水率為2%（風(fēng)干）且低圍壓條件下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線呈應(yīng)變軟化狀態(tài)，有峰值，其他的均呈應(yīng)變硬化狀態(tài)，無峰值出現(xiàn)。因此有峰值時，取峰值點(diǎn)為破壞應(yīng)力;無峰值時，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時的應(yīng)力為破壞應(yīng)力。

不同鹽分條件下黃土試樣破壞時的應(yīng)力如表8所列。

（2） 強(qiáng)度參數(shù)

抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨不同含水率條件的變化規(guī)律如圖8所示。黏聚力變化范圍在4.8～36.2 kPa，隨含水率增加而減小，且減小幅度顯著;內(nèi)摩擦角變化范圍在24.3°～32.5°，隨含水率增加變化較明顯。黏聚力對非飽和黃土含水率的變化更敏感。

4 結(jié)論

（1） 滑坡區(qū)土樣中易溶鹽含量最小值為0.15%，最大值為4.55%，平均值為0.70%，其中陽離子以Na+和K+為主，陰離子以SO2-4和Cl-為主，易溶鹽主要以NaSO4和NaCl為主。灌溉水入滲溶濾臺塬上部黃土結(jié)構(gòu)體系中的可溶鹽，經(jīng)優(yōu)勢通道在坡腳以泉點(diǎn)滲出等方式排泄并富集鹽分。

（2） 相同含水率條件下，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力隨鹽分含量增加而增加，且增加幅度顯著;而內(nèi)摩擦角隨鹽分含量增加變化幅度較小。鹽分含量對黏聚力的影響較大，對內(nèi)摩擦角的影響較小。

（3） 相同鹽分含量條件下，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力隨含水率增加而減小，且減小幅度顯著;內(nèi)摩擦角隨含水率增加變化明顯，黏聚力對非飽和黃土含水率的變化更敏感。

（4） 不同易溶鹽及含水率條件下，試樣黏聚力對易溶鹽及含水率的變化更敏感。

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（本文編輯：賈源源）

收稿日期：2020-05-19

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41602359，41907255，42177155）；青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2019－KZ－01）

第一作者簡介：馬建全（1983-），男，新疆和靜人，博士，講師，主要從事巖土體穩(wěn)定與地質(zhì)災(zāi)害防治方面的工作。E－mail：majianquan@xust.edu.cn。

通信作者：李識博（1987-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，講師，主要從事巖土體滲透變形方面的工作。E－mail：lishibo@xust.edu.cn。