庫岸滑坡黏性土與河水物理化學作用試驗研究

畢仁能，項 偉，郭 義，李濤濤，王菁莪

（中國地質大學（武漢）a.工程學院；b.教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，武漢 430074）

庫岸滑坡黏性土與河水物理化學作用試驗研究

畢仁能a，項 偉b，郭 義a，李濤濤a，王菁莪a

（中國地質大學（武漢）a.工程學院；b.教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，武漢 430074）

水庫水位周期性升降加劇了河水與庫岸滑坡堆積物松散土體之間的水土作用，對庫岸表層巖土的工程性質會產生顯著影響。從水土作用的角度研究河水對庫岸黏性土工程性質的影響，通過X射線衍射試驗、Zeta電位試驗、可交換陽離子試驗、固結快剪試驗、電鏡掃描試驗等，對滑坡黏性土與河水作用前后的組分、微結構和抗剪強度進行了對比試驗。結果表明：在黏性土與河水作用過程中，由于水化作用和離子吸附作用的共同影響，土顆粒表面Zeta電位降低；由于土顆粒對2價陽離子的吸附作用，結合水膜會變薄，重塑土的微結構和抗剪強度都有一定變化，河水處理后的黏性土在直剪試驗中還因土顆粒結構的變化導致剪脹效應。由此揭示水土間物理化學作用在河水淹沒范圍內對細粒土工程性質影響的作用機理。

水土作用；離子吸附；Zeta電位；抗剪強度；微結構

1 概 述

巖土體物理性質決定其力學性質，然而巖土物理性質的變化不僅源于機械作用，更由于巖土介質動態系統中化學環境的變化對物性的改造［1］。水庫蓄水必然引起庫岸巖土介質賦存水化學環境的動態變化，變化的水環境與滑坡巖土體物質之間發生溶蝕、水解以及離子吸附與交換等水土化學作用。化學元素在巖土體與水之間重新分配，導致巖土體化學性質和微結構的改變，進而影響巖土體的力學性質［2］。

水土作用是一個復雜的多因素相互作用體系，大致包括水土作用（潤滑、軟化、泥化作用及結合水的強化作用）、滲流力學作用（凈水壓力和動水壓力作用）以及水土化學作用（離子交換、溶解、水化、水解、溶蝕和氧化還原作用）等［3］。地下水變異帶來的離子交換吸附變化是引起土體性質改變的重要環節，其作用過程概括為圖1。文中以室內試驗為基礎，對黏性土在河水作用前后，土顆粒表面Zeta電位、結合水膜厚度、可交換陽離子種類、微結構和宏觀剪切強度等作了對比研究，說明水土作用的影響。

圖1 離子交換吸附作用分析圖Fig.1 Cation absorption and exchange

2 試驗材料

2.1 試驗用土

試驗用土取自三峽庫區香溪河入江口右岸的八字門滑坡。本文通過對香溪河河水與典型堆積層滑坡體黏性土間的水土作用，研究水土作用對庫岸黏性土工程性質的影響。八字門滑坡體地形上前緣向河流突起，平面形態呈不規則扇形，兩側邊邊界發育同源沖溝，后緣呈圈椅狀凹陷。滑坡體上部滑坡寬約80～210m，下部寬約400～500m，縱長550m，總面積約13.5×104m2，滑體平均厚度30 m，總體積約400×104m3。滑坡體物質主要為紅褐色黏性土，夾少量強風化碎石，為香溪西岸侏羅系下統沙鎮溪組和三疊系上統香溪組典型的滑坡堆積物。

將試驗用土碾碎后過2 mm篩，其基本物理指標見表1。通過X射線衍射試驗鑒定了試驗用土的礦物成分如圖2。分析認為，試驗用土為黏土，土中黏土礦物以高嶺石為主，含少量伊利石。

表1 試驗用土原土樣（重塑土）的基本性質Table 1 Basic properties of original soil used in the test

2.2 試驗用水

本文試驗中主要討論河水中陽離子對土工程性質的影響，水樣取自香溪河八字門滑坡河段，水中主要陽離子種類和含量見表2。

圖2 原土樣小于2μm粒徑X射線衍射分析Fig.2 X-ray analysis for the original soil of particle size less than 2μm

表2 河水中主要陽離子含量Table 2 M ajor cation contents in river water mmol／L

細粒土中含有較多的黏粒，自然界中的黏粒一般情況下帶負電。細顆粒的雙電層、離子吸附交換、黏粒的聚沉與穩定等特征，都與水環境中的陽離子種類和含量有密切聯系［4］。水土作用過程中水分子吸附在土顆粒表面形成結合水膜，水溶液中的水化陽離子與土顆粒表面的陽離子發生交換、吸附等作用，同時也會溶解膠結黏土顆粒的可溶鹽，從而對土的工程性質產生影響。

3 試驗設計與結果分析

3.1 重塑土的水土作用室內處理

庫水位變化過程中，滑坡體一定范圍內巖土體長期受河水浸泡。河水主要通過水分子和河水中的化學物質對黏性土的結合水特性、土顆粒表面吸附陽離子種類以及顆粒排列的微觀結構產生影響。浸泡土樣的河水量按約2 L／kg配制，充分攪拌，靜置后移去上清液，并測試上清液電導率值。重復此步驟直至電導率值基本穩定，視為水土作用已充分進行。

3.2 河水處理前后黏粒的Zeta電位、陽離子的吸附與交換

Zeta電位的大小與土顆粒表面結合水擴散層厚度有關，介質中離子對Zeta電位的影響是離子影響擴散層的結果［4］。由表3的試驗結果可知河水浸泡土樣土顆粒表面的Zeta電位（絕對值）顯著小于原土樣。黏粒在河水浸泡過程中的聚沉作用也是結合水膜變化的一個特征。不同的離子具有不同的交換吸附能力、離子半徑及水合離子半徑，因此土粒表面吸附離子的數量和緊密程度不一致，影響黏土礦物的液塑限［4］。

表3 原土樣與河水處理樣的Zeta電位值Table 3 Zeta potential for original，river water treated samples mV

表4是陽離子交換量試驗中可交換陽離子測試結果。分析認為：河水浸泡過程中，土顆粒吸附河水中的陽離子，主要是2價的陽離子，致使土顆粒表面結合水層變薄，土顆粒間距離減小，靜電引力作用下土顆粒聚沉。河水處理樣土顆粒的Zeta電位試驗結果和主要可交換陽離子總當量，均說明對2價離子的吸附是土顆粒擴散層變薄的原因。

表4 土顆粒吸附的主要陽離子含量Table 4 Main absorbed cations for original and river water treated soil samp les mmol／mg

3.3 河水處理對土強度的影響以及剪切試驗中的剪脹效應

將原土樣和河水處理樣加水調至含水率略高于液限的土膏，依次在12.5，25，50，100，200，300 kPa法向壓力下固結，每級加荷時間24 h。在固結至300 kPa壓力后進行快剪試驗，得到土的強度。快剪試驗中發現，50 kPa法向壓力條件下，河水處理樣有顯著的剪脹效應，原土樣沒有剪脹現象。

3.3.1 原土樣和河水處理土樣的重塑土剪切強度

分別對原土樣和河水處理土樣作了固結快剪試驗，正應力－剪應力曲線取100，200，300，400 kPa的法向壓力，結果見圖3和表5。

圖3 原土樣和河水處理土樣固結快剪試驗結果Fig.3 Fast shear tests for original and river water treated consolidated samples

表5 固結快剪試驗結果Table 5 Results of fast shear test for consolidated sam ples

快剪試驗結果表明河水處理樣的黏聚力和內摩擦角較原土樣均略有提高。細粒土的黏聚力是土的連接的反映，包括結合水連接，膠結連接，毛細連接，但大部分細粒土的連接以結合水連接為主［4］。土結構的破裂面并不是通過顆粒本身，而是通過顆粒、顆粒集合體與集合體之間粒間連結［5］。

河水處理樣的結合水膜厚度小于原土樣結合水膜厚度，經河水處理后土顆粒間的連接強于原土樣。河水處理樣較原土樣c值增大。河水處理樣的凝聚結構（片架結構）比原土樣的分散結構（片層結構）顆粒間的咬合要更加強烈，細粒土顆粒間剪切移動時，往往不是土顆粒間直接相互摩擦，而是結合水膜的相互摩擦，實質是結合水的黏滯阻力。河水處理樣較原土樣的結合水膜較薄，其黏滯阻力也較大。河水處理樣φ值較原土樣增大。

3.3.2 剪切試驗中的剪脹效應及微結構分析

固結快剪試驗中進行50 kPa法向壓力下的快剪試驗，但河水處理樣發生明顯剪脹效應。試驗中的剪脹現象和剪脹效應下的應力－位移曲線，分別見圖4和圖5。可見對于本試驗所用黏性土，剪脹效應使測得剪切應力值偏高。土的剪脹效應是由其結構性引起的，它主要是由于土粒在剪應力作用下重新排列而引起的塑性體積變化或變化趨勢，一般由顆粒的咬合、顆粒的相對滑動、顆粒的形狀及其取向、顆粒間的剛性結構4種效應組成［6］。

圖4 法向壓力50 kPa時河水處理樣快剪過程中的剪脹效應Fig.4 Dilatancy effect during shear test under 50 kPa normal stress for river water treated consolidated samples

圖5 法向壓力50 kPa時固結快剪過程中的應力-位移曲線Fig.5 Stress-disp lacement curve for dilatancy effect in shear test under 50 kPa normal stress for consolidated sam ples

原土樣和河水處理樣泥膏在固結儀上固結，依次施以12.5，25，50，100，200，300 kPa固結壓力，每級壓力下24 h后穩定。固結樣冷凍風干的電鏡掃描結果如圖6、圖7。

圖6 原土樣固結樣電鏡掃描圖片（分散結構）Fig.6 Photo of scanning electron m icroscopy for consolidated sam ples of original soil（dispersed structure）

圖7 河水處理樣固結樣電鏡掃描圖片（凝聚結構）Fig.7 Photo of scanning electron m icroscopy for consolidated samples of river water treated soil（condensed structure）

圖6 和圖7分別是原土樣和河水處理樣在固結至300 kPa下的電鏡掃描圖片，原土樣為分散結構，河水處理樣為凝聚結構。結合水膜較薄使黏土顆粒的粒間擴散層斥力作用弱，而粒間的范德華引力作用強烈。此時已形成顆粒面對面、面對邊及邊對邊等接觸相混雜的排列形式，稱為凝聚結構或片架結構（圖8（b））。反之易形成顆粒面對面的片狀堆積，稱為分散結構或片堆結構（圖8（a））［5］。

圖8 土顆粒分散結構與凝聚結構示意圖Fig.8 Dispersed structure and condensed structure of soil particles

4 結 論

（1）試驗用土中的黏土礦物以高嶺石為主，含少量伊利石。試驗用香溪河河水中的陽離子主要是Na＋，Ca2＋，Mg2＋，K＋等；

（2）水土作用過程中，土顆粒對河水中2價陽離子的吸附作用，使土顆粒表面結合水膜變薄，Zeta電位降低；與河水離子交換作用后的土顆粒間斥力減弱，黏土顆粒呈凝聚結構（片架結構），原土樣呈分散結構（片層結構），片架結構排列的黏土礦物會提高土的剪切強度；

（3）對于黏性土的固結快剪試驗，較低法向壓力下的剪脹效應會使試驗所得結果比實際偏高。

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［7］ 陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京：清華大學出版社，1994.（CHEN Zhong-yi，ZHOU Jing-xing，WANG Hong-jin.Soil Mechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1994.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Physical and Chem ical Reaction Between River W ater and Clayey Soil from Reservoir Landslide

BIRen-neng1，XIANGWei2，GUO Yi1，LITao-tao1，WANG Jing-e1
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Three Gorges Research Center for Geohazard of Ministry of Education，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Water level fluctuation in reservoir intensifies thewater-soil interaction between riverwater and loose soil of landslide deposit，and thereby profoundly affecting the engineering properties of surface rock-soil.The impact of river water on the engineering property of clayey soil at the reservoir bank is studied from the perspective ofwatersoil interaction.Contrast tests including X-ray diffraction，Zeta electric potential，exchangeable cation types，shear test for consolidated samples，and SEM are performed to study the change of components，microstructure and shear strength of clayey soil from landslide before and after the interaction.It is concluded that Zeta electric potential at the surface of soil particle decreases under the combined effect of hydration and cation absorption.The thickness of absorbed water of soil grains decreases，and themicrostructure and shear strength of remoulded soil are somewhat varied as the cations absorb divalent cations to soil grains.Moreover，dilatancy effect is generated due to the change of soil particle structure in the shear testofwater-treated clayey soil.Themechanism ofwater-soil interaction affecting on the engineering properties of fine-grained soil is finally revealed.

water-soil interaction；cation absorption；Zeta potential；shear strength；microstructure

TU411.91；P642.1

A

1001－5485（2011）07－0028－04

2010-09-06

畢仁能（1984-），男，湖北荊州人，碩士，主要從事工程地質專業巖土體工程性質的學習和研究，（電話）18986153373（電子信箱）birenneng＠126.com。