含鹽量對硫酸鹽漬土抗剪強度影響試驗研究

張 飛，胡小慶，劉亞薇，徐光黎，詹學啟

(1.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;2.中國地質大學工程學院，湖北武漢 430074;3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

硫酸鹽漬土是指鹽漬土中氯離子和硫酸根離子之比＜0.3的鹽漬土[1]。由于硫酸鹽具有鹽脹性、腐蝕性和濕陷性，會導致鹽漬土路基產生翻漿、鹽脹、腐蝕、凍脹等病害[2-3]。對硫酸鹽漬土力學性質的研究，對鹽漬土地區路基建設顯得尤為重要。劉威等[4-5]通過室內試驗研究不同含鹽類別、含鹽量、含水量下鹽漬土抗剪強度變化規律，并從結晶體位置變化、微觀結構方面進行了分析。梁健偉等[6]通過十字板剪切試驗、三軸試驗、直剪試驗、液塑限試驗等探討了在水的作用下由可溶鹽離子引起的土顆粒表面微電場的變化對鹽漬土抗剪強度的影響。

新建鄭徐高速鐵路位于我國黃淮海平原，該地區存在大面積的鹽漬土。鹽漬土地區客運專線的地基強度和變形影響因素較多，目前對于這方面的工程經驗不多。土的抗剪強度是地基承載力計算中的重要指標。三軸壓縮試驗能真實反映土的實際受力情況[7]，是一種較為完善的測定土體抗剪強度的方法。本文對鄭徐高速鐵路沿線硫酸鹽漬土進行三軸壓縮試驗，研究其不同含鹽量下的力學特性，為鹽漬土地區路基設計提供可靠的技術參數。

2 試驗條件

2.1 試驗材料

試驗用原料土為開封蘭考南站的粉土，根據室內試驗測定，原料土基本物理參數見表1。試驗以干土為標準，向原料土中添加無水硫酸鈉(Na2SO4)配制不同含鹽量的鹽漬土，并且稱量后要快速與土樣拌勻。試驗用水為蒸餾水。試樣直徑3.91 cm，高8.0 cm。試樣養護7 d，經過密度測定后，測試其抗剪強度。

表1 試驗用原料土的基本物理參數

2.2 試驗方法

三軸剪切試驗采用不固結不排水剪切試驗，試樣每產生0.3% ～0.4%的軸向應變(或0.2 mm變形)，測記1次測力計讀數和軸向變形值。當軸向總應變＞3%時，試樣每產生0.7% ～0.8%的軸向應變(或0.5 mm變形)測記1次。直到試件破壞或軸向應變達到15%～20%時為止。

試樣含水率21%，齡期7 d，密度1.75 g/cm3，含鹽量分別取 0，1%，3%，5%，8%，10%，圍壓分別取50，100，200，300 kPa，共計6 ×4=24 個樣本。

3 試驗結果與分析

3.1 莫爾—庫倫強度包線分析

根據同一含鹽量4種不同圍壓下試樣三軸壓縮試驗數據繪制摩爾應力圓，根據應力圓找出莫爾—庫倫強度包絡線，共得到6組不同含鹽量下硫酸鹽漬土試樣的三軸不固結不排水剪切試驗強度包絡線，如圖1所示。

圖1 三軸壓縮狀態下不同含鹽量硫酸鹽漬土摩爾—庫倫強度包絡線

由圖1可見，不同含鹽量硫酸鹽漬土試樣的破壞包線變化不大，基本呈直線型，較符合摩爾—庫倫破壞準則[8]。直線的斜率基本相同，說明不同含鹽量鹽漬土的內摩擦角基本相同。

3.2 抗剪強度參數變化規律

黏聚力與易溶鹽含量關系曲線見圖2，內摩擦角與易溶鹽含量關系曲線見圖3。

圖2 黏聚力與易溶鹽含量關系曲線

由圖2、圖3可知:

1)三軸壓縮狀態下，含水率為21%時，硫酸鹽漬土的黏聚力c隨易溶鹽含量as的增大呈先減小后增長的趨勢，變化范圍在12.4～24.1 kPa，在as=2%時黏聚力達到最小。當as≥8%時，黏聚力增大緩慢，甚至再次減小。

圖3 內摩擦角與易溶鹽含量關系曲線

2)含水率為21%時，硫酸鹽漬土的內摩擦角φ隨易溶鹽含量的增大呈現出先減小后增大再減小的趨勢，但變化范圍極小，在29.4°～31.3°。含鹽量 as＜3%時內摩擦角隨著含鹽量增大而減小，含鹽量超過3%后內摩擦角逐漸增大，在as=7%時達到最大值之后迅速減小，在as=10%時達到最小值。

3)內摩擦角和黏聚力的變化趨勢基本一致，隨著含鹽量的增加，均呈現先減小后增大，然后再減小的趨勢。研究含鹽量對抗剪強度影響的意義在于找出抗剪強度最大的最優含鹽量，但內摩擦角與黏聚力取得極大值時的含鹽量并不相同，即不能找到一個含鹽量使得黏聚力和內摩擦角同時達到最大，說明鹽漬土的抗剪強度問題不能分離c，φ來討論。

3.3 抗剪強度機理分析

硫酸鹽漬土含鹽量較小時，可溶解的鹽含量未達到飽和，鹽可溶解于水，溶液中鈉離子發生水化反應，鈉離子以水化離子形式存在，土粒間距增大，水的潤滑作用更加明顯，土顆粒間引力被削弱，表現為內摩擦角減小，黏聚力減小。隨著含鹽量的增加，多余的鹽會以結晶鹽的形式析出，結晶鹽作為固體顆粒的一部分起到膠結作用，并能填充土中孔隙，從而增大了土粒間的摩擦，同時，飽和結晶鹽構成了鹽漬土的一部分骨架，表現為內摩擦角增大，黏聚力增大;當含鹽量超過界限含鹽量時，硫酸鹽會發生鹽脹作用[9]，土顆粒之間的粘結作用減弱，削弱了土粒間的粘結力，從而使黏聚力和內摩擦角隨含鹽量的增大再次減小。

4 結論

1)不同含鹽量硫酸鹽漬土試樣的摩爾—庫倫強度包絡線變化不大，基本呈直線型，較符合摩爾—庫倫破壞準則。

2)易溶鹽含量對抗剪強度指標有一定影響，含水率為21%時，黏聚力隨易溶鹽含量的增大呈先減小后增大的趨勢，變化范圍在12.4～24.1 kPa;內摩擦角隨易溶鹽含量的增大呈現先減小后增大再減小的趨勢，但變化范圍極小，在29.4°～31.3°。

[1]溫利強.我國鹽漬土的成因及分布特征[D].合肥:合肥工業大學，2010.

[2]劉英樸，張漁.新疆地區硫酸鹽漬土路基病害分析與處理[J].交通標準化，2012(3):69-72.

[3]羅友弟.青海地區鹽漬土分布規律及其鹽脹溶陷機制探討[J].水文地質工程地質，2010(4):116-120.

[4]劉威，張遠芳，慈軍，等.不同含鹽類別和干密度鹽漬土的三軸試驗變化特征研究[J].水利與建筑工程學報，2012(3):11-15.

[5]陳煒韜，王鷹，王明年，等.凍融循環對鹽漬土黏聚力影響的試驗研究[J].巖土力學，2007(11):2343-2347.

[6]梁健偉，房營光，陳松.濱海鹽漬土的強度特性試驗與機理分析[J].長江科學院院報，2010(7):36-40.

[7]張品萃，胥建華.土三軸壓縮試驗試驗方法的對比探討[J].地質災害與環境保護，2003(1):57-60.

[8]李廣信.高等土力學[M].北京:清華大學出版社，2004.

[9]高江平，吳家惠.硫酸鹽漬土鹽脹特性的單因素影響規律研究[J].巖土工程學報，1997(1):39-44.