水鹽含量對寒旱區黃土狀鹽漬土強度特性和滲透特性的影響

馬歡歡, 常立君,2*

(1.青海大學土木工程學院, 西寧 810016; 2.青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室, 西寧 810016)

鹽漬土是鹽土、堿土以及各種鹽化、堿化土壤的總稱。《巖土工程勘察規范》[GB 50021—2001(2009)][1]中規定,鹽漬土是指易溶鹽含量大于0.3%,并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的土。特殊的工程性質極易對工程建設帶來不利影響[2-3]。黃土狀鹽漬土作為廣泛分布于黃土高原與青藏高原的特殊土,因富含硫酸根離子和金屬離子,且這些離子隨外界環境變化較為敏感,故其力學性質和滲透特性不同于一般土體。

關于硫酸鹽漬土的力學性質諸多學者進行了系統研究。文獻[4]研究表明,鹽漬土的抗剪強度與含鹽量呈正相關關系。錢曉明[5]研究了含水率、壓實度、含鹽量、凍融循環等多因素下的硫酸鹽漬土抗剪強度指標,結果表明,壓實度與含水率在一定范圍內對黏聚力有增強作用,但超過臨界值會降低黏聚力,含鹽量與凍融循環次數對黏聚力具有削減作用。馬君澤等[6]研究了不同含鹽量和不同干濕循環周期下的硫酸鹽漬土的抗剪強度,結果表明隨著含鹽量的增大,土樣的黏聚力呈現出先減小后增大的趨勢,內摩擦角則隨著含鹽量的增大而減小。Liu等[7]通過結合室內試驗和數理統計方法,對不同鹽含量、降溫速率、氯硫比下土壤的鹽凍溶脹力的變化進行了實驗研究,建立了硫酸鹽漬土和含氯化鈉硫酸鹽土的最終鹽凍膨脹力預測模型。Wang等[8]以顆粒級配、壓實度、含水率和硫酸鈉含量為自變量,研究了凍結作用下土樣的結晶變形特性,研究結果可為鹽堿地土地資源的利用和管理提供指導。

土體的滲透系數影響因素較多,研究表明初始孔隙比、干密度、凍融循環、初始含水率等因素均會影響土體的滲透特性[9-13]。目前有關鹽漬土的滲透特性研究較少,主要研究了含鹽量、干重度、含鹽類型、含水率等對鹽漬土滲透特性的影響。鄧友生等[14]以青藏地區的黏土和粉土為研究對象,研究了干容重、含鹽量及含鹽類型對土體滲透系數的影響。劉力等[15]通過變水頭滲透試驗研究指出,硫酸鹽鹽漬土的滲透系數隨含鹽量的增大而減小。徐文碩[16]通過室內試驗與掃描電鏡,研究了含鹽量、含水率、干密度及凍融循環對鹽漬土滲透性能的影響。Liu等[17]采用多種微觀試驗手段,對黃河三角洲區域的鹽漬土的滲透特性進行了研究,建立了當地的排鹽工程模型。郭愛科等[18]通過模擬降雨,研究了不同降雨時長、降雨強度等影響因素下鹽漬土的雨水入滲能力,結果表明,降雨總量對鹽漬土土壤含水率影響最為顯著,降雨強度次之。車寶等[19]以粗粒鹽漬土為研究對象,結合現場試驗和室內試驗,指出鹽漬土的滲透性受中溶鹽含量、易溶鹽的含量和顆粒粒徑影響顯著。

綜上可知,不同土體的抗剪強度參數及滲透系數均隨外界環境變化(含鹽量、含水率等)呈現出不同的變化趨勢,但現有文獻大多以鹽漬土的力學特性或滲透特性為切入點,少有研究將其力學特性與滲透特性聯系起來。此外多數研究以宏觀試驗為主,沒有從微觀量化角度對宏觀現象進行解釋說明。鑒于此,以分布在西寧市坡洪積扇上的黃土狀鹽漬土為研究對象,考慮其特殊的工程性質在此類地區常會引起一些工程病害,如建(構)筑物裂縫、地基下沉、基礎腐蝕、邊坡滑塌等,通過室內三軸、恒水頭滲透和掃描電鏡等試驗方法,評價黃土狀鹽漬土的力學特性和滲透特性,以期對本地區的工程安全提供理論依據。

1 試驗方案及材料

1.1 試驗儀器

三軸試驗使用的儀器為SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀,該儀器由應力應變控制器、加載系統及軟件系統組成(圖1)。

圖1 SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀Fig.1 SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear seepage tester

1.2 試驗方案

本次試驗用土取自西寧市北山滑坡帶,為黃土狀土。研究指出西寧市區內的鹽漬土全鹽量最大為5%[20],北山邊坡的含鹽量平均值為1.2%[21],綜合考慮確定無水硫酸鈉的摻量為0、0.8%、1.2%、3.2%、5.2%;并依據該土樣的天然含水率、液塑限等綜合確定試驗試樣的含水率分別為9%、12%、15%和18%,干密度取天然干密度1.55 g/cm3,試驗方案如表1所示。

表1 黃土狀鹽漬土力學特性及滲透特性試驗方案Table 1 Test scheme of mechanical properties and permeability properties of loess saline soil

1.3 試驗材料及試驗過程

天然土樣取回后進行室內基本物理性質試驗,試驗后得出土樣的基本物理性質指標如表2所示,顆粒級配曲線如圖2所示。

表2 試驗用土的基本物性指標Table 2 Basic physical properties of test soil

圖2 天然土樣顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve of natural soil sample

將無水硫酸鈉與烘干碾碎過2 mm篩后的干土按目標配比攪拌均勻,依據試驗設定的含水率,分別配置不同含水率和不同含鹽量的土樣,在擊樣器中分五層擊實為直徑39.1 mm,高度80 mm的圓柱形試樣,每個試驗條件下試樣制備6個,兩個為力學平行試樣,兩個為滲透平行試樣,兩個用于電鏡掃描試驗。

力學性質試驗中,試驗類型為不固結不排水三軸試驗,圍壓分別設置為50、100、200 kPa,加載速率為0.8 mm/min,試驗參數在軟件系統中設置無誤后即可開始試驗,待圍壓達到設定值后開始剪切。

恒水頭滲透試驗中,反壓差設置為10 kPa,圍壓50kPa,待圍壓達到設定值后開始滲透,當數據采集器中上游流量和排水流量差值恒定后即認為試樣內部已形成穩定的滲流通道,記錄數據,依據式(1)計算滲透系數。

(1)

式(1)中:k為滲透系數;γw為水的容重;V為流經試樣的水量;L為試樣高度;A為過水斷面面積;t為滲透時間;σc1為底部反壓力1;σc2為頂部反壓力2。

沿圓柱試樣的高度方向切樣,取圓柱試樣中心的1 cm×1 cm×2 cm立方體塊為SEM試樣,將該試樣用真空冷凍干燥儀凍結干燥,保證試樣干燥并保持原有結構形態。將干燥完成的試樣垂直于長邊掰開,并取新鮮橫斷面進行噴金處理后進行掃描電鏡試驗,掃描倍數分別為500倍、1 000倍、1 500倍。

2 試驗結果及分析

2.1 含鹽量對鹽漬土應力應變曲線的影響

經試驗所得的各圍壓下應力應變曲線的變化規律一致,故僅選取圍壓為200 kPa的曲線分析。不同含水率條件下含鹽量對鹽漬土應力應變曲線[主應力差(σ1-σ3)與應變(ε1)的關系圖]的影響如圖3所示。可以看出,在同一含水率下土體的應力應變曲線隨含鹽量的不同呈現出不同的硬化趨勢,具體表現為:含水率為9%時,隨著含鹽量的增大,應力應變曲線的硬化特征逐漸弱化,當含鹽量為5.2%時,土樣的應力應變曲線有應變軟化的趨勢,即土樣的破壞形式為塑性破壞,如圖4(a)所示,可以看出,含水率為12%和15%時,隨著含鹽量的增大,應力應變曲線均呈現出硬化型特征,土樣的破壞形式為延性破壞,如圖4(b)所示,當含鹽量為5.2%時,土樣的應力應變曲線硬化特征最為明顯;含水率為18%時,隨著含鹽量的增大,應力應變曲線的硬化特征逐漸弱化,且當含鹽量高于1.2%時,隨含鹽量的增大,曲線的硬化趨勢更加顯著。

圖3 不同含鹽量下鹽漬土的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of saline soil under different salt content

圖4 應變硬化與應變軟化試樣破壞圖Fig.4 Failure diagram of strain hardening and strain softening specimens

同時,在軸向應變相同時,低含水率條件下(9%、12%、15%)隨含鹽量的增大,偏應力逐漸減小,此時土中的易溶鹽硫酸鈉溶解于水中,使得鹽漬土強度減小。當含鹽量繼續增大至5.2%時,同等軸應變下,隨著含鹽量增大,偏應力也增大,這是由于鹽分過飽和使得鹽晶體填充在土體孔隙中,使土體抗剪強度隨之增大;高含水率條件下(18%),隨著含鹽量的增大,偏應力持續減小,這是由于高含水率下鹽分未達到飽和狀態,一直以離子形式存在與水中,顆粒間的膠結較弱,使其抗剪強度減小。

2.2 含水率對鹽漬土應力應變曲線的影響

圍壓200 kPa條件下,不同含鹽量條件下鹽漬土應力應變曲線隨含水率的變化如圖5所示。可以看出,同一含鹽量下土體的應力應變曲線[主應力差(σ1-σ3)與應變(ε1)的關系圖]隨含水率的增大,曲線變化趨勢幾乎一致。在軸向應變相同時,含水率的增大使得偏應力減小。這是因為含鹽量一定時,抗剪強度與土中含水率變化密切相關,隨著含水率的增大,土中自由水增多,結晶鹽溶解量增多,一方面使得土顆粒間的聯結變弱,另一方面溶液在顆粒間的潤滑作用顯著。

圖5 不同含水率下鹽漬土的應力應變曲線關系Fig.5 Stress-strain curve relationship of saline soil under different moisture contents

2.3 含鹽量對鹽漬土抗剪強度指標的影響

含鹽量對鹽漬土抗剪強度參數的影響如圖6所示。可以看出,當含水率小于18%時,鹽漬土的黏聚力隨含鹽量的增大呈現出先減小后增大的變化趨勢,在硫酸鈉摻量為3.2%時黏聚力和內摩擦角均達到最小值。分析其原因,當硫酸鈉摻量小于3.2%時,無水硫酸鈉溶解率較高,硫酸鈉以硫酸根離子和鈉離子的形式存在與土體中,離子濃度增大使擴散層厚度增大,增大了土顆粒之間的距離,顆粒與顆粒之間的聯結被削弱,土體的黏聚力和內摩擦角也隨之減小。當硫酸鈉摻量大于3.2%時,土體中鹽溶液達到過飽和,鹽分以晶體形式析出,析出的結晶鹽填充在土體孔隙中,使得土體變得更密實,另外結晶鹽的膠結作用使土顆粒間的聯結更牢固,顆粒間距離更小,最終表現為黏聚力和內摩擦角的增大。當含水率為9%和12%時,黏聚力和內摩擦角的變化幅值均較小,具體為:含水率為9%時,黏聚力和內摩擦角的變化幅值分別為13.24 kPa和3.92°,含水率為12%時,黏聚力和內摩擦角的變化幅值分別為11.99 kPa和2.44°。含水率為15%,含鹽量從3.2%增大到5.2%時,黏聚力和內摩擦角的增幅小于同條件下低含水率土體抗剪強度參數的增幅。究其原因,當含鹽量進一步增大的時候,土體中鹽溶液達到過飽和,鹽分以晶體形式析出,析出的結晶鹽填充在土體孔隙中,使得土體變得更密實,另外結晶鹽的膠結作用使土顆粒間的聯結更牢固,顆粒間距離更小,最終表現為黏聚力和內摩擦角的增大。當含水率為18%時,鹽漬土的抗剪強度參數均隨含鹽量的增大而減小,變化幅值較大,分別為17.32 kPa和6.74°。由于土體中液相占比較大,隨含鹽量的增加,無水硫酸鈉不斷溶解,直至含鹽量達到5.2%時,土體中的鹽分仍析出,隨著鹽分的增多擴散層厚度逐漸變厚,顆粒間的作用力更小,使土體的黏聚力和內摩擦角一直在減小。另外同一含水率下黏聚力隨硫酸鈉摻量的變化較內摩擦角更為明顯。原因為,該土樣中黏粒成分較多,黏聚力在強度中占主導地位,黏聚力大小取決于土粒間的聯結程度,隨著硫酸鈉摻量的增大,土中結晶鹽增多,鹽脹更為顯著,土顆粒間間距增大,黏聚力減小趨勢顯著。

圖6 抗剪強度指標與含鹽量的關系Fig.6 Relationship between shear strength index and salt content

2.4 含水率對鹽漬土抗剪強度指標的影響

含水率對鹽漬土抗剪強度參數的影響如圖7所示,在含鹽量一定的條件下,鹽漬土的黏聚力和內摩擦角均隨含水率的增大而降低,且在低含鹽量的情況下(硫酸鈉的摻量小于等于1.2%時)黏聚力隨含水率的變化率相近,變化幅值也相似,為22.71 ～25.57 kPa。當含鹽量進一步增大時,黏聚力和內摩擦角對含水率的變化較為敏感,表現為黏聚力和內摩擦角隨含水率變化其變化率增大,同時黏聚力的變化幅值也增大,含水率為15%時,變化幅值為29.89 kPa,當含水率增大到18%時,變化幅值為48.92 kPa。在含水率較小的情況下,土顆粒間的水膜較薄[22],顆粒間的分子力強,其次結合水的存在使得顆粒間形成了水膠連結,兩者共同作用使得低含水率的土樣黏聚力較高;隨著含水率不斷增大,土體中的弱結合水以及自由水逐漸增多,顆粒間水膜增厚,顆粒間的分子力減弱,土顆粒被水包圍,水分子的潤滑作用顯著,土體的黏聚力和內摩擦角減小。所以對于無水硫酸鈉摻量為零的土樣,黏聚力和內摩擦角隨著含水率的增大而減小。對含鹽量較高的土樣而言,如當含鹽量5.2%時,隨著含水率的增大,抗剪強度指標的降幅也最大。這是由于高含鹽量下,除水分子的潤滑作用外,抗剪強度指標還受鹽離子的影響。當含水率不斷增大,結晶鹽的溶解度也相應增大,鈉離子水化增強,土中鹽溶液濃度降低,電動勢位增加,膠粒間分散作用增強[23],進而導致土體的黏聚力隨著含水率增大而顯著減小。

圖7 抗剪強度指標與含水率的關系Fig.7 Relationship between shear strength index and moisture content

2.5 含鹽量對鹽漬土滲透系數的影響

含鹽量與土體滲透系數的關系如圖8所示。由圖8(a)可知,隨著土樣含鹽量的增大,其滲透系數逐漸減小。高含水率(大于15%)下土樣的滲透系數隨含鹽量變化較為明顯,低含水率下,土樣的滲透系數隨含鹽量的變化不明顯,總體呈減小趨勢。含水率為18%時,各含鹽量下滲透系數的變化幅值達到3.7×10-6cm/s,不同含鹽量下,滲透系數在同一數量級(10-5);當含水率為15%時,滲透系數的變化幅值為2.8×10-6cm/s,滲透系數數量級從10-5降至10-6。當含水率為12%時,滲透系數的變化幅值為3.3×10-6cm/s,滲透系數的數量級沒有隨含鹽量變化而變化。當含水率為9%時,滲透系數的變化幅值為9.4×10-7cm/s。以無水硫酸鈉摻量為零的土樣為基礎,對比滲透系數的變化值隨含鹽量的變化,如圖8(b)、圖8(c)所示。可以看出,隨著含鹽量的增大,滲透系數的變化值逐漸增大,尤其在含鹽量為5.2%時滲透系數的變化率達到48.8%。含鹽量的增多會導致土壤的滲透性變差,其原因有兩方面:一是由于硫酸鈉室溫下的溶解度較大,硫酸鈉溶解后形成的鹽溶液黏滯系數較大[14],同時會增大土中土水勢。結合力學試驗可知:低含水率條件下,當含鹽量小于等于3.2%時,隨著含鹽量的增大,硫酸鈉溶液的濃度不斷增大,其黏滯系數也相應增大,降低了土樣的滲透性。二是土體中摻入鹽分,一定程度上改變了土體孔隙結構,孔徑及孔隙含量都將直接影響土體的滲透系數[24]。低含水率條件下,由于含鹽量持續增大至5.2%時,鹽分開始結晶析出,填充了土體孔隙,大顆粒間的架空孔隙被補充或填滿,內部結構變得更密實。鹽分結晶析出改變了土中孔隙含量和土中孔隙的孔徑,使相應的聯通孔隙含量變少及主導滲流的孔徑變小,入滲過程不易形成穩定的滲流通道。

圖8 滲透系數與硫酸鈉摻量的關系Fig.8 Relationship between permeability coefficient and salt content

2.6 初始含水率對滲透系數的影響

含水率與土樣滲透系數的關系如圖9(a)所示,可以看出,相同含鹽量下,非飽和滲透系數隨著初始含水率的增大而增大。較含鹽土的滲透系數,不摻無水硫酸鈉的土樣滲透系數隨含水率的變化最為明顯,含水率從9%增大到18%時,滲透系數的變化幅值達到1.3×10-5m/s;含鹽量為0.8%和1.2%時,滲透系數的變化幅值為1.1×10-5m/s;含鹽量為3.2%時,滲透系數的變化幅值為1.0×10-5m/s;含鹽量為5.2%時,滲透系數的變化幅值為9.8×10-6m/s。以含水率為9%的土樣為基礎,從圖9(b)、圖9(c)可以看出,隨著含水率的增大滲透系數的變化率增長較為顯著,含水率為18%時,滲透系數的變化率達到767.69%,可見含水率對滲透系數的影響大于含鹽量對其的影響。造成這種現象的原因可能有:①土樣的擊實含水率不同,使得土中的膠結物的賦存位置和狀態有所不同[13],無水硫酸鈉摻量為零的土樣為黃土,黃土中膠結物的作用形式,骨架顆粒之間的排列及聯結很大程度決定了土中孔隙的分布和連通孔隙的比例,不同的骨架排列方式及膠結形式,造成土樣不同的孔隙特征,進而導致其水理性質的差異;②擊實含水率往往會影響土樣的擊實效果,進而影響到土樣的微觀結構和土的滲透特性[25];③初始含水率低的土樣,土水勢也越低,對水分子的引力越大,水分入滲越快[26]。同時,初始含水率越低,先飽和的土層與下層非飽和土層間產生較大的吸力梯度,水分傳導更快。

圖9 滲透系數與含水率的關系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and moisture content

3 SEM及PCAS結果分析

為了進一步研究含水率和含鹽量對鹽漬土強度特性和滲透特性的影響機制,對不同含水率和含鹽量下黃土狀鹽漬土試樣進行了觀測倍數為500倍、1 000倍和1 500倍的掃描電鏡試驗,并選取500倍從整體上分析試樣的內部孔隙結構,1 500倍分析結晶鹽的析出情況。

為分析含鹽量對鹽漬土微觀結構的影響,取含水率12%的土樣在不同含鹽量下的掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖像如圖10中第1列所示,對掃描電鏡圖像利用顆粒與裂隙圖像識別與分析系統(particle and fissure characteristic analysis system software,PCAS)軟件進行二值化處理及矢量化處理如圖10中第2、3列所示。由圖10(a)可知,不添加無水硫酸鈉的土樣土粒結構多為單粒結構,表面可見粒狀及板狀的細粉粒。土粒的形狀大小不規則,顆粒結構間較松散,架空孔隙較大且孔隙數量較多。

圖10 不同含鹽量下土樣的微觀圖像Fig.10 Microscopic images of soil samples under different salt contents

由圖11可知,隨著含鹽量的不斷增大,土顆粒逐漸細散,土體中的架空孔隙數量減少,表現為土體內部結構更為致密。當含鹽量增加至5.2%時,土顆粒表面析出大量的結晶鹽,析出的晶體附著在土顆粒表面,土體孔隙得到填充,宏觀上表現為土體的抗剪強度增大,滲透系數減小,與前文宏觀試驗得出的規律一致。

h為試樣高度;d為試樣直徑圖11 s=5.2%,ω=12%時,結晶鹽的析出情況Fig.11 s=5.2%,ω=12%, precipitation of crystalline salt

圖12為含水率12%條件下,分形維數、概率熵及平均形狀系數隨含鹽量的變化規律。分形維數、概率熵和平均形狀系數分別用于描述土中孔隙的復雜度、孔隙分布的有序性和孔隙形態的圓滑度,數值越大代表其孔隙分布越復雜無序、孔隙形態越圓滑。可以看出,分形維數隨無水硫酸鈉摻量變化呈現出先減小后增大的趨勢,在摻量達到3.2%時,達到最小,表明此刻土體最為密實。概率熵的值差異較小,表明無水硫酸鈉的摻量對孔隙分布的有序性影響較小。平均形狀系數變化無明顯規律。

圖12 不同含鹽量下微觀量化分析結果(ω=12%)Fig.12 Microscopic quantitative analysis results under different salt contents(ω=12%)

為分析含水率對鹽漬土微觀結構的影響,取無水硫酸鈉摻量為1.2%的土樣在不同含水率下的SEM圖像如圖13所示。可以看出,同一含鹽量下,隨含水率增大土體的大顆粒結構逐漸增多,隨顆粒形狀和結構的變化架空孔隙也增多,但孔隙連通性減弱。造成以上現象的原因是含水率增大使得土體中土顆粒的團聚現象明顯,小顆粒在黏土礦物及鹽分的膠結作用下黏結為粒徑較大的顆粒,相較于小顆粒,大顆粒間的黏結較弱,宏觀表現為土體的強度減弱。同時,由于孔隙的連通性減弱使得水分難以在土中形成穩定滲流通道,導致其滲透性降低。

圖13 不同含水率下土樣的SEM圖像Fig.13 SEM images of soil samples under different moisture contents

圖14為無水硫酸鈉摻量1.2%條件下,分形維數、概率熵及平均形狀系數隨含水率的變化規律。由圖可知分形維數隨在含水率15%時值最大,即該含水率下土樣最為密實,表明最優含水率下土樣內部最為密實。概率熵的值差異較小,表明含水率對孔隙分布的有序性影響較小。平均形狀系數隨含水率的增大而增大,即隨著含水率增大,顆粒與孔隙的形態越圓滑。

圖14 不同含水率下微觀量化分析結果Fig.14 Micro quantitative analysis results under different moisture contents

4 結論

通過室內三軸試驗、滲透試驗及掃描電鏡試驗,對西寧市黃土狀鹽漬土的力學特性和滲透特性從宏觀和微觀層面進行探究,得出如下結論。

(1)含水率小于18%時,隨著含鹽量的增大黃土狀鹽漬土的黏聚力和內摩擦角呈現出先減小后增大的趨勢,在含鹽量為3.2%時,土體的黏聚力和內摩擦角達到了極小值,且黏聚力和內摩擦角隨含鹽量的變化幅值較小。

(2)含水率為18%時,黃土狀鹽漬土的黏聚力和內摩擦角隨含鹽量的增大而減小,黏聚力和內摩擦角隨含鹽量的變化幅值較大。

(3)含鹽量一定時,土體的黏聚力和內摩擦角隨含水率的增大而減小,且含鹽量越高,抗剪強度參數隨含水率的變化越敏感。

(4)初始含水率和含鹽量對土樣的滲透系數影響較大,滲透系數隨著含鹽量的增大而減小,隨初始含水率的增大而增大。

(5)含水率對土樣滲透性的影響大于含鹽量對滲透性的影響,即邊坡安全性計算及加固時,不僅要考慮水分入滲,也要關注土體的初始含水率。