水土化學作用對土體抗剪強度的影響

王軍 ，曹平，趙延林，柴紅寶

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南工程學院 建筑工程學院，湖南 湘潭，411104)

地下水是地質環境中最活躍的因素，它是一種成分復雜的化學溶液。自然界中，土體中水呈液態、固態和氣態分布，并且水是造成地質環境損害的一個重要因素，有時它比力學效應造成的損害更嚴重。工程實踐證明，水對土體的強度與變形有很大的影響。目前，很多學者對含水巖石的強度進行了研究，如：湯連生等[1?3]開展了水巖化學作用的巖石宏觀力學效應試驗，揭示水對巖體斷裂強度和裂紋面上剪切強度的研究；馮夏庭等[4]就化學環境侵蝕下的巖石破裂特性進行了試驗，揭示了水化學作用下裂紋變化特性；馬水山等[5]基于水巖作用對邊坡變形機理進行了研究，指出了滑體變形的全過程；Karfakis等[6]考慮化學作用對巖石進行斷裂求解；Feucht等[7]總結了化學影響下的砂巖剪切效應。然而，人們就水化學作用對土體抗剪強度的研究較少。目前，路基、岸坡、土壩、引水隧道等工程因水化學作用引發的災害處處可見，必須加強治理研究[8]。在此，本文作者以武(漢)廣(州)高速鐵路路基為試驗背景，在不同里程處采取水樣和土樣進行分析，測試其溶液的化學性質對土體抗剪強度參數 c(黏結力)和 φ(內摩擦角)的影響，探討其力學效應及其機理，以便為軟弱路基改良提供一種新的途徑。

1 水效應的力學分析

路基土體介質在含有復雜離子成分的地下水中浸泡，必將發生一系列的諸如水解、溶解和碳酸化等化學反應，從而導致介質的結構發生破壞，減弱其強度指標。土體介質孔隙中的水化學溶液與礦物顆?；蚓w發生化學反應，使原生礦物分解并生成新的次生礦物，而新生成物質常具有高度的分散性，同時，水化學作用產生的易溶礦物容易隨水流失，導致介質中的孔隙增大，含水量增加，有效應力降低，強度減小，給工程帶來安全隱患。

原生礦物中最普遍的成分是長石，是一種空間結構帶負電荷的硅酸鹽礦物。由于陽離子的交換作用，配位數目增多，使開放式結構與單元間成鍵強度降低，經水化學作用生成高嶺石、伊利石和膠體，可塑性和壓縮性強，強度低。相應的化學反應方程式為：

次生礦物分子間的吸引力由下式計算[9]：

式中：f為分子間的吸引力；d為顆粒薄片間距的一半；A為范德華常數；δ為薄片厚度。取δ為9.68×10?10m，d 為 1.16×10?10m，A 為 1×10?21J，經計算可得分子間的引力為4.62×10?4J/m2，比原生礦物分子間的引力小1～2個數量級。顆粒黏結力主要由受電分子吸引的原始黏結力和受分子結構控制的固有黏結力組成。次生礦物的顆粒粒徑一般比原生礦物顆粒粒徑小，致使顆粒之間面與面的接觸變為點與點、點與面的接觸，土顆粒間的表面摩擦和顆粒間的連鎖作用減弱，這充分表明水化作用對內摩擦角和黏結力的減弱效應，致使土體強度降低。

2 化學分析試驗

2.1 指標測試

通過機動地質鉆探，分別鉆取路基技術孔和標貫孔，并從中采取土樣(試驗段主要為粉質黏土)和水樣，分析其陰、陽離子質量濃度，并進行統計分析研究。為滿足研究的需要，對不同里程段的試樣加以提取，并對水進行化學分析，具體試驗結果見表1。

從表1可看出：該段路基地下水中含有的化學成分具有很大的離散性，其中變化最大的是的質量濃度，其次是總礦化度和 Ca2+的質量濃度；Cl?和的質量濃度相對穩定；K+，Na+和Mg2+的質量濃度相對比較集中，分別在某值附近波動。土中碳酸鹽物質遇游離CO2的水化學溶液，易生成溶解度更大的重碳酸鹽，使礦物變得更加容易侵蝕，破壞其結構。其方程式為：

土樣的pH值變化范圍為6.60～7.46，靠近地表處pH值較小，主要受降雨或地表水的補給，顯弱酸性和中性，而在地層深處顯弱堿性。這里主要研究離子效應對路基土體強度的影響。

土的物理力學參數見表2。從表2可以看出：該粉質黏土的物理力學某些參數值變化不大，水溶液的化學成分對土顆粒密度幾乎不產生影響；同時，土的密度對抗剪強度指標 c(黏結力)和 φ(內摩擦角)影響較小，但是，飽和度和孔隙比對抗剪強度的影響比較大；若孔隙比越大，則內摩擦角越小，但對黏結力的影響很??；飽和度越大，則黏結力較大，對內摩擦角的影響較小。結合表1還可看出溶液的pH值與土的黏結力c關系也不大，但隨著pH值升高，內摩擦角φ逐漸降低；總礦化度和硬度越小，則黏結力越大，然而，對內摩擦角影響不大。

表1 地下水成分分析結果Table 1 Results of chemical analysis of groundwater

表2 土的物理力學參數Table 2 Parameters of physical mechanics of soil

2.2 離子分布特征

圖1所示為樣品中 K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl?，和HCO3?的質量濃度與黏結力c的關系，可以看出：陽離子中，Ca2+質量濃度最高，與CO2的水溶液生成了碳酸氫鈣，礦物更加容易受到侵蝕，破壞土體結構，生成較少膠結物，水膜厚度增大，電分子吸引減弱，原始黏結力和固有黏結力降低；但當Ca2+質量濃度足夠高時，Ca2+與和發生反應，有大量膠結物生成，黏結力增大；Mg2+質量濃度較小，但質量濃度較低的Mg2+也能與CO2的水溶液發生反應，生成膠結物，固有黏結力有所提高；陰離子中質量濃度最高，離散性最大，很容易與大量的Ca2+發生反應，礦物容易受到侵蝕，使土體黏結力降低；和 Cl?質量濃度較低，但分布很穩定，很難生成膠結物，對黏結力影響很小。K+和 Na+的質量濃度也對黏結力有影響，能吸收大量的水分，水膜增厚，電分子引力減弱，隨著K+和Na+質量濃度增大，黏結力逐漸減小。

圖2所示為樣品中 K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl?，和HCO3?的質量濃度與內摩擦角φ的關系。可以看出：離子質量濃度對內摩擦角的影響弱于對黏結力的影響；內摩擦角隨離子質量濃度的變化離散性很大，主要表現在離子交換對土體的體積變化不明顯，孔隙比在小范圍內波動，使得顆粒表面間的摩擦和連鎖作用平穩。若次生礦物中蒙脫石質量濃度較高，則壓縮性增強，可塑性提高，勢必對內摩擦角產生很大影響。

圖1 陰、陽離子質量濃度與黏結力c的關系Fig.1 Relationship among concentration of cation and anion and cohesion

圖2 陰、陽離子質量濃度與內摩擦角φ的關系Fig.2 Relationship among concentration of cation and anion and inner friction

3 回歸分析

從表1、表2和圖1、圖2可以看到：K+，Na+，Ca2+和等離子質量濃度以及總礦化度、硬度與路基土體的抗剪強度有一定的線性相關性。作者通過相關系數 R2(線性回歸值和實際值之比)和直線擬合函數，得出具體相關系數見表 3。相關系數越大，說明數據之間的線性相關性越好[10?11]，離子效應越顯著。根據線性擬合，由表3所示的各指標與黏結力c和內摩擦角φ的相關系數R2的范圍為0.002 0～0.946 4，離散性很大。其中，大于0.800 0的組合有6組，即：土的黏結力c與總礦化度(相關系數為0.946 4)，c與硬度(0.940 9)，c與 K+和 Na+質量濃度(0.911 1)，c與 Ca2+質量濃度(0.894 5)；c與HCO3?質量濃度(0.943 6)，土的內摩擦角φ與pH值(0.828 4)。游離的 CO2，Cl?和質量濃度與c和φ的線性相關性較差。可見，各指標對黏結力c有很好的相關性，對內摩擦角的相關性較小。從分析試驗結果也可知：受水化學作用，各指標對土體黏結力產生的效應要大于內摩擦角所產生的效應。這里只列舉幾種指標與黏結力c和內摩擦角φ的相關系數線性回歸關系，見圖3。

4 工程應用

4.1 路基土改良分析

路基工程是鐵路、公路、城市道路等工程建設的主要組成部分。目前，改良路基土的主要措施是水泥灰、石灰以及采取換填和復合地基等方法[12?14]。然而，粉煤灰作為一種復合材料，來源廣泛，顆粒結構比較致密，干縮性小，抗震性較強，物理力學性能遠比原狀土的物理力學性能優，其低鈣粉煤灰Ca2+質量濃度小，經化學反應，HCO3?質量濃度也較小，對提高軟弱路基土體黏結力c和內摩擦角φ效果顯著，且后期強度可以達到甚至超過普通水泥土的強度[15]。

表3 抗剪強度參數c和φ與各指標的線性相關系數R2Table 3 Linear correlation coefficient R2 between reinforced shear strength index and different ingredients

圖3 各成分與抗剪強度指標(黏結力和內摩擦角)的相關性Fig.3 Linear correlation between shear strength index and different ingredients

提高土的強度主要是增加土顆粒之間的吸引力和減小土顆粒之間的排斥力，龔曉南[9]推導了顆粒間的排斥力，計算式為：

式中：pd為x=d處的排斥力；p為隨x變化的水壓力；ψ為電位勢；D為介電常數。通常，黏土顆粒表面帶有負電荷，Al3+和 Ca2+與顆粒具有很好的親合性，使得電位勢減小，排斥力增大；但隨著Ca2+質量濃度的增大，電位勢又增加，排斥力減小，對改良土性能有利?？梢?，在粉煤灰改良路基土工程中，控制粉煤灰的摻入量非常關鍵。

4.2 對土體強度的影響

在路堤的分層填筑中，軟弱路基的破壞主要表現為沿滑動面的塑性剪切破壞。依據Mohr-Coulomb強度理論：

土體的抗剪強度與黏結力c和內摩擦角φ有關。式(3)中：τ為抗剪強度；σ為正應力。

另一方面，在國內常用的Duncan-Chang模型中，應力水平的表達式為：

式中：σs為應力；σ1和σ3分別為最大、最小主應力?？梢姡弘S著內摩擦角φ增大，應力也增大。

4.3 試驗結果分析

為驗證粉煤灰改良路基土的優越性，研究粉煤灰的摻入量對試驗段(DIK1578+483.9)土體強度的影響，試驗中摻灰量w為0，10%，20%和40%(摻灰量w指的是摻入粉煤灰的質量與原料土的質量比，齡期為28 d)，在這里粉煤灰的燒失量為3.13%，細度為15.8%，需水量為95%。養護至規定齡期之后，在基于應變控制式的直剪儀上進行直剪試驗，其強度參數c和φ見表4。

從表4可知：當摻灰量從0增加至40%時，路基改良土的黏結力c和內摩擦角φ分別為原狀土的1.84倍和2.23倍，增加效果顯著；當摻灰量q為10%左右時，路基改良土的黏結力和內摩擦角增幅梯度最大，抗剪強度滿足規范要求；隨著摻灰量q的繼續增加，改良效果增緩，這與機理分析結果比較吻合。因此，建議工程建設中摻灰量控制在10%左右。

表4 粉煤灰改良路基土的直剪試驗結果Table 4 Testing results of loadbed improvement

5 結論

(1) 含水土體受水化學作用，生成高度分散性的次生礦物，電分子結構發生變化，導致介質中的孔隙增大，含水量增加，有效應力減小，抗剪強度減小。

(2) 水中離子質量濃度差異顯著，其中：HCO3?和 Ca2+質量濃度最高，Mg2+和 NO3?質量濃度較低；pH值變化范圍為6.6～7.46，表層顯弱酸性和中性，深層顯弱堿性。Ca2+質量濃度越高，土體原始黏結力和固有黏結力越低，但當Ca2+質量濃度足夠高時，黏結力提高，Mg2+有利于黏結力提高；HCO3?質量濃度越大，黏結力越小。NO3?和 Cl?對黏結力影響很小。然而，離子質量濃度對內摩擦角的影響弱于對黏結力的影響。內摩擦角隨離子質量濃度的變化離散性很大。

(3) 總礦化度、硬度和 Ca2+與黏結力的相關系數都大于0.900 0，表明土體抗剪強度受水化學的影響較大。一些指標對內摩擦角產生的效應線性相關性較小，其影響較弱。

(4) 粉煤灰改良路基土中，存在1個最佳摻灰量，使改良土強度增加梯度最大。

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