黃土鈉質化對其工程性質影響的研究

吳明玉，杜宇航，楊秀娟

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊陵 712100)

1 研究背景

土壤鹽漬化是我國目前面臨的主要土壤問題之一。我國一般將鹽漬土分為鹽土、鹽化土壤、堿土和堿化土壤[1]。鹽化土壤中的鹽分以氯鹽和硫酸鹽為主，當其中的主要成分為NaCl或Na2SO4時，可稱為鈉質土，它含有大量可溶性鹽及交換性鈉，其飽和泥漿提取液的電導率(EC)大于2 dS/m或者4 dS/m[2]，交換性鈉離子百分比(亦稱為鈉飽和度、土壤堿化度，ESP)大于15%或者鈉吸附比(SAR)大于15[3]。我國西北黃土地區位于干旱半干旱區域，過量蒸發、粗獷式灌溉導致的排水不暢等因素導致土體中鹽分含量逐漸增加[4]，土壤鹽漬化尤其是鈉質鹽化現象日趨嚴重。土壤鹽漬化不但給農業生產造成巨大損失，同時會對生態環境構成威脅，直接或間接地影響農業生產、工程安全以及資源與環境的可持續發展[5]。

由于鈉質土土壤溶液中的鈉離子濃度很高，其交換性鈉離子百分比也很高，極易引起土壤物理化學性質的惡化[2]。雷華陽等[6]研究認為，隨著土中含鹽量的增加，土體液塑限含水率呈降低趨勢。車寶等[7]認為中溶鹽的含量對鹽漬土滲透性有顯著影響，中溶鹽含量越低易溶鹽含量對土體滲透性影響越顯著。劉松玉等[8]研究認為，鹽溶液作用下土體的壓縮指數與土體孔隙比有正相關性，并建立了土體滲透系數的預測公式。孫明星[9]通過室內制備鈉鹽鹽漬土，研究了鈉鹽鹽漬土的分級壓縮變形特性和剪切變形特性。柴壽喜等[10]分析了濱海鹽漬土含水率和含液率對土的干密度、孔隙比和飽和度的影響。諶文武等[11-13]通過試驗發現，在含水率較少的情況下，土體強度隨含鹽量增加而增加，同時鹽會導致黏粒含量的變化從而對液塑限產生影響，并且隨著含鹽量的增加含鹽試樣的滲透系數逐漸減小，兩者符合較好的負指數相關性。慈軍等[14]對羅布泊地區的鹽漬土進行分析，發現土樣含水率是鹽漬土的鹽-凍脹力的關鍵影響因素。文桃等[15]研究了硫酸鹽鹽漬土的擊實特性，發現含鹽量對擊實特性影響不唯一，取決于土中硫酸鹽的狀態。前人對鈉質土的研究主要集中在土的物理性質方面，而化學性質和工程性質方面的研究尤其是針對鈉質化過程中土體工程性質的研究較少。因此，本文從鈉質化角度入手，以西北干旱半干旱區黃土為研究對象，對土體基本物理化學及工程性質隨著鈉質化程度的變化規律進行研究。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自于陜西楊陵渭河北岸臺塬地區Q4黃土，取土深度為0.5～1.5m。土樣呈褐黃色，質地均勻。

土樣采集后去除草根等雜物，自然風干碾碎，過2 mm篩備用。土樣的天然含水率為13.1%，天然密度為1.36 g/cm3，液限為36.3%，塑限為20.7%，塑性指數為15.6，為低液限黏土，滲透系數為3.16×10-5cm/s，酸堿度(pH值)為8.63，呈弱堿性，其基本物理化學指標見表1。

表1 土樣的基本物理化學指標

2.2 試驗方法

將無水氯化鈉按照0(素土)、1、3、5、10和20 g/kg的添加劑量與土樣均勻混合，分別配制含水率為13%(接近天然狀態)、16%和19%(最優含水率)的土樣備用。將混合均勻的土樣壓制成干密度為1.38 g/cm3(接近天然土樣干密度)、1.48 g/cm3(0.85壓實度)、1.58 g/cm3(0.90壓實度)和1.68 g/cm3(0.96壓實度)的土樣。按照《土工試驗規程》(SL237-1999)中試驗方法進行測試，全部測試內容包括土體的顆粒相對密度、界限含水率、pH值、電導率、交換性鈉離子、壓縮變形過程及滲透特性。

當水滴在具有斥水性的土壤表面時，水滴會停留在土壤表面一段時間，土壤抵抗濕潤的時間從數小時到數周不等，這種無法被水濕潤的現象稱之為土壤斥水性[16]。斥水性是判斷水分入滲特性的指標之一。本文采用滴水滲透時間法[17]測試土體的斥水性。按照試驗方案，將混合均勻土樣壓制成同一初始含水率、不同干密度的環刀樣，用滴管吸取蒸餾水滴于土樣表面，記錄從水滴接觸土壤表面到完全滲入為止的入滲時間。為減少水滴動能的影響，試驗中控制滴管口與土樣表面的距離為1 cm左右，每個土樣在不同位置重復測定5次，取其完全滲入時間的平均值作為該土樣的滴水滲入時間。

3 結果與分析

3.1 含鹽試樣的鈉質化程度

表2為不同氯化鈉含量土樣基本性質的測定結果，反映了鈉鹽含量對土體物理化學性質的影響。由表2可知，含鹽試樣的pH值在7.96～8.63之間波動，呈弱堿性。由電導率EC和交換性鈉離子ESP可知，電導率隨鈉鹽含量的增加呈線性增長趨勢，當土中含鹽量為1 g/kg時，土體的電導率即已高于4 dS/m；隨著含鹽量的增大土壤ESP逐漸增大，當含鹽量達到10 g/kg時，土樣的ESP>15%，由此可以判定，隨著含鹽量的增加，土體的鈉質化程度加劇，當含鹽量達到10 g/kg時，土樣已經可以判定為鈉質土。為方便比較，統一采用鈉鹽含量為變量進行數據分析。

表2 不同氯化鈉含量土樣基本性質的測定結果

3.2 含鹽土樣的物理指標

由表2可知，隨著鈉鹽含量的增加，土樣顆粒相對密度逐漸減小，氯化鈉含量從0增加到20 g/kg時，土樣顆粒相對密度相應從2.71減小到2.68。同時隨著鈉鹽含量的增加，土樣的塑限在20%左右波動，基本保持不變；液限呈現先升高后降低的趨勢，峰值出現在氯化鈉含量為5 g/kg左右，液限為38.3%；塑性指數的變化趨勢基本與液限相同。

3.3 含鹽試樣的斥水性

土的斥水性與土體孔隙數量、土體結構形態、質地等直接相關。根據Dekker等[18]提出的斥水強度分類標準，將土壤斥水性按斥水持續時間(滴水穿透時間)分成了5個等級：小于5 s，不具有斥水性；5～60 s，具有輕微斥水性；60～600 s，具有強烈斥水性；600～3 600 s，具有嚴重斥水性；大于3 600 s，具有極度斥水。

圖1為不同干密度土樣水分入滲時間與土樣含鹽量的關系曲線。從圖1可以看出，這些不同摻量氯化鈉的土壤都是屬于不具有斥水性或具有輕微斥水性的土壤。在同一含鹽量下，干密度從1.38 g/cm3增加到1.68 g/cm3時，水的入滲時間變長，這是因為隨著干密度的增大，土中孔隙減小，水入滲通道受到擠壓，斥水性增強。在同一干密度下，隨著含鹽量的不斷增大，滲入時間不斷減少，土壤的斥水性逐漸減弱，但相較而言，含鹽量對斥水性影響較為有限。隨著含鹽量的增大，土體中靜電力的平衡被打破，土體間排斥作用減弱，使得土體顆粒發生聚集，孔隙相對而言變大，水更易從表面進入，所以斥水性降低。

圖1 不同干密度土樣水分入滲時間與土樣含鹽量的關系曲線(含水率w=19.0%)

3.4 含鹽試樣的滲透性

采用不同鈉鹽含量、不同干密度土樣進行滲透試驗，試驗數據詳見文獻[19]。試驗數據說明含鹽試樣的滲透系數均比素土試樣的小，并且隨鈉鹽含量的增加，土體滲透系數呈階段性變化：在含鹽量較低的情況下(低于5 g/kg)，土體滲透系數隨著含鹽量的增加而減小的趨勢較快，而相同含鹽量土樣隨著干密度的增加，其滲透系數也明顯減小；在含鹽量較大的情況下(大于5 g/kg)，含鹽量的增大和干密度的增大對滲透系數影響不明顯[19]。

根據滲透系數的變化規律可以得到土樣滲透系數隨含鹽量的衰減公式如下：

(1)

式中：k為土樣在任一含鹽量時的滲透系數，cm/s；k0為素土的滲透系數，cm/s；wsalt為土中鹽含量的質量分數，g/kg；a和b為相關系數。

利用本文試驗數據和諶文武等[13]滲透實驗數據對公式(1)進行驗證，得到的土樣含鹽量與k/k0的擬合曲線如圖2所示。

圖2 土樣滲透系數隨鹽含量衰減關系曲線

圖2表明，通過擬合發現滲透系數與含鹽量之間的擬合度均在0.8以上，相關性較好。因此，用對數函數公式可以相對可靠地反映土樣滲透系數隨含鹽量的變化規律。

3.5 含鹽試樣的壓縮特性

對含氯化鈉土樣進行常規壓縮試驗，壓力等級為50、100、200和400 kPa，得到不同含水率、含鹽量條件下土體變形e-P曲線及壓縮系數變化規律。各級干密度下土樣的壓縮曲線變化規律基本一致，以干密度為1.38 g/cm3、含水率為13%、16%和19%的土樣為例，其土樣壓縮變形e-P曲線見圖3，土樣壓縮系數與其含鹽量關系曲線見圖4。

圖3 不同含水率、含鹽量條件下土樣壓縮e-P曲線(土樣密度為1.38 g/cm3)

圖4 不同含水率土樣壓縮系數與其含鹽量關系曲線(土樣密度為1.38 g/cm3)

由圖3可以看出，相同含水率下，不同含鹽量土樣的壓縮曲線間近似相互平行，土樣孔隙比隨垂直壓力呈折線型減小。由圖4可以看出，土樣含水率越高，其壓縮系數越大、可壓縮性越強；在相同含水率下，隨著含鹽量的增加，土樣的壓縮系數基本呈現增大的態勢，土體由低壓縮性土轉變為中壓縮性土。在含鹽量增加的初期，土體壓縮系數增大較快，而后期隨著含鹽量繼續增大，土樣的壓縮系數增長趨勢變緩甚至有下降趨勢，說明鈉質化初期對土體壓縮性有較大影響。

4 討 論

以上試驗結果和分析表明，土體中鈉鹽的存在會在一定程度上影響土體的物理化學性質并引起工程性質的劣化。

從土體的基本物理性質來看，鈉鹽的增加導致土體的顆粒相對密度降低，塑限基本保持不變，液限及塑性指數先增加后降低。塑性指數的大小與土體的黏粒含量直接相關。本試驗所用黃土為粉質黏土，黏粒含量偏高。當加入氯化鈉后，氯化鈉的吸濕性較強，土體吸水后，氯化鈉溶解分解出Na+和Cl-。Na+的分散性較強[20]，導致土顆粒周圍的雙電層變厚，弱結合水增多，導致土體的液限增大，土顆粒由團聚轉變為分散，細顆粒增多，塑性指數相應增大。在此過程中，強結合水并未發生變化，因此土體的塑限基本不變。當氯化鈉含量逐漸增多，土體中水解的Na+達到一定程度時，則分散效應降低，凝聚效應出現，土體的液限和塑性指數則開始減小。

當氯化鈉發生溶解時，土體中的OH-離子濃度迅速降低，土體的pH值開始減小，隨著氯化鈉溶解的量逐漸增加，水解反應逐漸向電解反應轉化，土體中逐漸形成NaOH，OH-離子開始增加，土體的堿性反應則又開始呈現。從電導率EC和鈉飽和度ESP來看，鈉鹽增多，土體呈現為鈉質土，但是并不呈現堿性，這是因為實驗中采用的鈉鹽為NaCl呈中性，反而使土樣的堿性有所降低。

從斥水性分析，土體在水分入滲的初始階段，鹽分的存在導致土體入滲速度加快，但是當水分進入土體后，滲透速率開始降低。產生這種現象的原因是多方面的。首先，在水分子和土壤表面接觸時，表面鹽分的存在導致土體吸水能力增強，并且氯化鈉吸水溶解導致表層土體孔隙增加，水分入滲能力增強；當土中水分減少、氯化鈉結晶并填充土體內部孔隙后，形成孔隙栓塞，從而降低土體的滲透性[21]。其次，因為土體中有鹽分的摻入，所以在水流過土體中的孔隙時，鹽分溶解至水中，導致溶液的黏滯系數變大，從而導致溶液流過土樣的時間變長。另外，由于土質是黏性土，土中含有親水性物質例如蒙脫石等，或者含有有機質時，這些親水性物質遇水會膨脹，使土粒之間的孔隙減小，從而使土的滲透系數大大減小[13]。

隨著含鹽量的增加，土粒吸附鈉離子的能力逐漸穩定，鈉離子的潤滑作用逐漸變強，土的壓縮量逐漸增大。同時在相同含鹽量下，隨著含水率逐漸增大，土的壓縮量逐漸變大。產生這種現象的原因是因為在相同含鹽量下，隨著含水率的增大，結晶鹽的數量減小，這使得膠結連結的數量和強度均有所下降。而含水率的增大使得土體內部的可排氣體減小，難以壓縮的液體數量增多，易于壓縮的氣體數量減小，這時土體的壓縮變形主要是由強度較低的土粒骨架變形而產生，因此此時的壓縮變形增幅較小，這一點在含鹽量比較高的鹽漬土中的影響更加明顯。

5 結 論

(1)隨著土樣中鈉鹽的增加，土樣顆粒相對密度減小，塑限基本保持不變，液限先升高后降低；土樣電導率增加，交換性鈉離子百分比增大，鈉質化程度加劇，當含鹽量達到10g/kg時，土樣可以判定為鈉質土。

(2)初期鈉質化對土體入滲和滲流能力有較大影響。隨著含鹽量的增加，土體斥水性逐漸減弱，表層入滲能力增強，但是滲透系數逐漸降低，滲透系數與含鹽量之間以對數形式減小，符合負相關關系。

(3)鈉質化初期對土體壓縮性有較大影響。隨著含鹽量的增加，土體壓縮系數逐漸增大，可壓縮性逐漸增高。