硫酸鈉濃度對黃土強度影響的試驗研究*

賈艷軍 莊建琦② 王 穎 趙 勇 牛鵬堯 賈珂程

( ①長安大學地質工程與測繪學院 西安 710054)

( ②長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室 西安 710054)

0 引 言

黃土是第四紀時期以粉粒為主，富含鈣質的褐黃色、黃白色的風成堆積物，具有大孔隙、垂直節理發育、滲透性良好、易崩解和濕陷等特點。在黑方臺灌區，黃河灌溉水流經巖土體的過程中，攜帶走在細粒土中起膠結作用的大量易溶鹽且與黃土內礦物發生破壞微觀結構的水－巖( 土) 相互作用，導致峰值和殘余剪切強度降低，誘發了災難性高速遠程黃土滑坡，造成了巨大的生命和財產損失( 李志強等，2017) 。在蘭州及其周邊地區，灌溉水滲出過程中溶解并淋濾了其中的可溶鹽，在水－土物理作用下降低了紅層風化泥巖的抗剪強度( 何蕾，2014) 。

研究表明孔隙水中離子濃度及成分影響土體的性質( Wen et al.，2012) 。一方面，孔隙水中離子濃度在一定范圍內變化才會影響土體的性質，例如NaCl 濃度在0～1 mol·L－1范圍內變化對鈉－膨潤土的殘余剪切強度影響顯著，而NaCl 濃度在1 mol·L－1到飽和范圍內變化不會顯著影響鈉－膨潤土的殘余剪切強度( Di Maio，1996a) 。另一方面，不同孔隙水成分對土體的剪切強度影響不同( Man et al.，2010; Scaringi，2016) ，例如氫氧化鈣與六偏磷酸鈉對土體強度的影響不同( Ramiah et al.，1970) 。最后，同一孔隙水中離子對不同土體影響不同，例如氯化鈉溶液飽和高嶺土不會影響其剪切強度，但氯化鈉溶液飽和膨潤土會顯著影響其剪切強度( Di Maio et al.，1994) 。

一些學者研究了孔隙水中離子對黃土強度的影響。盧雪清( 2012) 通過三軸試驗研究易溶鹽、難溶鹽及碳酸鹽含量變化對黃土強度特性的影響。張帆宇( 2013) 通過環剪試驗研究不同濃度氯化鈉溶液飽和黃土后的強度，發現黃土的強度隨氯化鈉濃度的增加先增大后減小。李姝( 2016) 研究了黃土中離子不同程度減少后的強度，得出離子減少后黃土的強度降低。黃土中含有Na+、Ca2+、CI－、最多，在灌溉入滲的過程中，這些離子會隨著水淋濾流失，從而影響到黃土的強度。黃土含有的陽離子中Na+最多，陰離子中CI－最多，因為NaCl 濃度對黃土強度的影響已被研究，所以選擇Na2SO4來研究其對黃土強度的影響。為豐富孔隙水中離子濃度對黃土強度影響的試驗研究，本文以甘肅黑方臺黃土為研究對象，用不同濃度硫酸鈉溶液配制18%含水量的土樣，通過三軸試驗研究硫酸鈉濃度對黃土強度的影響。

1 材料與方法

1.1 黃 土

黃土樣取自黑臺滑坡后壁。通過Bettersize2000激光粒度分布儀分析了黃土的粒徑分布，圖1 是黃土的粒徑級配曲線，有效粒徑d10為6 μm，控制粒徑d60為40 μm，不均勻系數Cu為6.67，曲率系數Cc為1.67，黃土中黏粒含量為 8.56%，粉粒含量74.22%，砂粒含量17.22%。黃土的一些基本物理性質參數如表1 所示。

圖1 黃土的粒徑級配曲線Fig. 1 Particle-size distribution curve of loess

表1 黃土的基本物理性質參數Table 1 The basic physical property parameters of the loess

將100 g 黃土和200 g 蒸餾水混合裝入塑料瓶中，靜置，浸泡20 d，用注射器抽取瓶中的上層清液，過0.45 μm 的水相濾頭后，保存于新塑料瓶中，然后測其K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI－、、、－、的濃度( 單位: mg·L－1) ( 李姝，2016) 。上層清液的離子濃度如表2 所示，從中可以看出，黃土中含有K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI－、、、，在水進入黃土過程中這些離子會溶于水被水帶走，從而影響黃土的結構和強度。

表2 上層清液的離子濃度Table 2 Ion concentration of supernatant liquid

1.2 溶 液

用天平稱取60 g 的無水硫酸鈉，把準確稱量好的無水硫酸鈉放在燒杯中，用少量蒸餾水溶解，然后將溶液轉移到1000 mL 容量瓶里。為保證無水硫酸鈉能全部轉移到1000 mL 容量瓶中，要用蒸餾水多次洗滌燒杯，并把洗滌溶液全部轉移到1000 mL 容量瓶里。向1000 mL 容量瓶內加入的液體液面離標線1 cm 左右時，應改用滴管滴加，最后使液體的彎月面與標線正好相切。蓋緊瓶塞，用倒轉和搖動的方法使瓶內的液體混合均勻。至此就配制成功60 g·L－1的硫酸鈉溶液。用同樣的方法分別配制120 g·L－1、150 g·L－1、180 g·L－1、210 g·L－1的硫酸鈉溶液。

1.3 試驗方法

將黃土過2 mm 標準篩后放入烘箱內，在100 ℃溫度下烘烤24 h 以去除土體中的水分，然后用不同濃度的硫酸鈉溶液制備含水量為18%的土樣。密封靜置24 h 后，將土樣制成直徑為39.1 mm、高度為80 mm 的試樣( 干密度為1.54 g·cm－3) 。安裝好試樣后，進行等壓固結不排水試驗( ICU) ，圍壓設定為100 kPa、200 kPa、300 kPa，剪 切 速 率 設 定 為0.6 mm·min－1，固結排水30 min 后關閉排水閥門，開始剪切試驗，每剪切0.02 mm 取一個試驗數據，最大變形量達到25 mm 時結束試驗。

2 試驗結果

2.1 硫酸鈉濃度和圍壓對黃土強度的影響

圖2 ～圖4 是黃土在不同硫酸鈉濃度及圍壓下的應力－應變曲線。從圖2 ～圖4 中可以看出，在不同圍壓下，黃土都表現出一定的應力軟化現象，可以觀測到明顯的峰值。硫酸鈉濃度對黃土強度有明顯影響，在本文所研究的硫酸鈉濃度范圍內，在同一應變下，隨著硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1，黃土的強度減小，硫酸鈉濃度從60 g·L－1增加到210 g·L－1，黃土的強度增大。

圖2 100 kPa 圍壓下的應力－應變曲線Fig. 2 Stress-strain curve with the confining pressure of 100 kPa

圖3 200 kPa 圍壓下的應力－應變曲線Fig. 3 Stress-strain curve with the confining pressure of 200 kPa

以硫酸鈉濃度為橫軸，以同一圍壓下的黃土的峰值強度及應變為25%時的黃土強度為縱軸繪出不同圍壓下黃土的峰值強度、殘余強度與硫酸鈉濃度的關系曲線圖，如圖5～圖7 所示，在同一圍壓下，黃土的峰值剪切強度和殘余剪切強度受硫酸鈉濃度的影響，具體表現為:在100 kPa、200 kPa、300 kPa 圍壓下，隨硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1，黃土的峰值強度分別減小了9.7 kPa、19.3 kPa、18 kPa，硫酸鈉濃度從60 g·L－1增加到210 g·L－1，黃土的峰值強度分別增大了64.5 kPa、82 kPa、107.4 kPa; 殘余強度隨硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1分別減小了3.2 kPa、13.6 kPa、4.2 kPa，硫酸鈉濃度從60 g·L－1增加到210 g·L－1，黃土的殘余強度分別增大了56.4 kPa、68.4 kPa、88.6 kPa。

圖4 300 kPa 圍壓下的應力－應變曲線Fig. 4 Stress-strain curve with the confining pressure of 300 kPa

圖5 100 kPa 圍壓下硫酸鈉濃度與黃土強度關系Fig. 5 Relationship between the concentration of sodium sulfate and strength of loess with the confining pressure of 100 kPa

圖6 200 kPa 圍壓下硫酸鈉濃度與黃土強度關系Fig. 6 Relationship between the concentration of sodium sulfate and strength of loess with the confining pressure of 200 kPa

圖7 300 kPa 圍壓下硫酸鈉濃度與黃土強度關系Fig. 7 Relationship between the concentration of sodium sulfateand strength of loess with the confining pressure of 300 kPa

2.2 硫酸鈉濃度對黃土抗剪強度指標的影響規律

總應力強度參數c、φ 值可由應力莫爾圓和相關表達式( 1) 和( 2) 求得:

根據三軸試驗的數據繪制了同一硫酸鈉濃度下不同圍壓下黃土的應力莫爾圓，將3 個圍壓下黃土的應力莫爾圓頂點連成一條直線－總應力破壞主應力線( Kf線) ，Kf線與p 軸的傾角為α，在q 軸上的截距為a，利用式( 1) 、式( 2) 可計算出總應力強度參數c、φ 值，由總應力強度參數可得到總強度包線( τf線) 。

表3 不同硫酸鈉濃度下黃土的強度參數Table 3 Strength parameters of loess under different concentration of sodium sulfate

圖8 不同硫酸鈉濃度下黃土的應力莫爾圓Fig. 8 Stress molar circle of loess at different concentration of sodium sulfate

圖9 黃土總內摩擦角、有效內摩擦角、總黏聚力、有效黏聚力與硫酸鈉濃度關系Fig. 9 Relationship between total internal friction angle，effective internal friction angle，total cohesive force，effective cohesive force of loess and concentration of sodium sulfate

同理可以求得有效應力強度參數c' 和φ'。不同硫酸鈉濃度下黃土的總應力強度參數和有效應力強度參數如表3 所示。不同硫酸鈉濃度下黃土的Kf線、τf線、有效應力破壞主應力線( K'f 線) 、有效強度包線( τ'f 線) 和應力莫爾圓如圖8a～圖8f 所示。

在干密度1.54 g·cm－3、硫酸鈉濃度不同的條件下，以硫酸鈉濃度為橫軸，以黃土的抗剪強度指標為縱軸繪出黃土總黏聚力、總內摩擦角、有效黏聚力、有效內摩擦角與硫酸鈉濃度的關系曲線圖，如圖9所示:在干密度相同的條件下，隨硫酸鈉濃度從0 到60 g·L－1，黃土的總內摩擦角減小，硫酸鈉濃度從60 g·L－1到120 g·L－1，黃土的總內摩擦角幾乎不變，硫酸鈉濃度從120 g·L－1到210 g·L－1，黃土的總內摩擦角增大; 隨硫酸鈉濃度從0 到60 g·L－1，黃土的有效內摩擦角減小，硫酸鈉濃度從 60 g·L－1到210 g·L－1，黃土的有效內摩擦角增大; 隨硫酸鈉濃度從0 到60 g·L－1，黃土的總黏聚力減小，硫酸鈉濃度從60 g·L－1到210 g·L－1，黃土的總黏聚力增大;硫酸鈉濃度從0 到210 g·L－1，黃土的有效黏聚力單調增大。

圖10 不同硫酸鈉濃度的黃土SEM 圖Fig. 10 SEM image of loess at different concentration of sodium sulfate

3 硫酸鈉濃度對黃土強度影響的機理

黏粒含量少于10%的黃土剪切強度對孔隙水中離子濃度變化非常敏感，這與比表面積大的黏粒之間的物理化學相互作用相關( 張帆宇，2011) 。隨著孔隙水中離子濃度的增大，由于離子向內擴散或向內滲透流入黏粒之間，黏粒的雙電層厚度減小，黏粒之間的物理化學力增加，形成比黏粒更粗糙的顆粒集合體( Sridharan et al.，1999; Wen et al.，2012;Zhang et al.，2013; Fan et al.，2017) 。

從圖10 中可以看出，隨著硫酸鈉濃度的增加，黃土中的顆粒集合體越多越大，這是因為硫酸鈉濃度增大時，擴散或滲透進入黏粒之間的硫酸鈉會更多，這樣黏粒的雙電層厚度減小，這會使黏粒之間的靜電斥力減小、范德華引力增大，黏粒間連結力顯著增強，所以黏粒形成更多更大的顆粒集合體。當硫酸鈉濃度從0 增加到60 g·L－1時，黏粒形成的顆粒集合體充當大顆粒間的接觸或填充于大顆粒孔隙之中，大顆粒間的顆粒集合體接觸更易于破壞，所以黃土的強度減小; 當硫酸鈉濃度從60 g·L－1繼續增大時，充當大顆粒間接觸的顆粒集合體更大，所以不易破壞，從而黃土的強度增大。

4 結 論

( 1) 同一圍壓下，隨硫酸鈉濃度從0 增大到210 g·L－1，黃土峰值剪切強度和殘余剪切強度先減小再增大。

( 2) 在干密度相同條件下，隨硫酸鈉濃度從0增大到210 g·L－1，黃土的總內摩擦角、總黏聚力、有效內摩擦角先減小再增大，黃土的有效黏聚力單調增大。

(3) 硫酸鈉濃度的增大會減小黏粒的雙電層厚度，使黏粒之間的力增強，從而黏粒的顆粒集合體增多，進而影響黃土的強度。