易溶鹽濃度對黃土抗剪強度影響研究

摘 要：本次研究通過室內試驗，將原狀黃土土樣處理后采用浸泡不同濃度易溶鹽溶液的方法進行處理，以模擬長期下雨滲流后鹽分變化的土體，然后進行室內直接剪切試驗研究，分析鹽分的變化對黃土強度特性的影響。結果表明：土樣中易溶鹽含量的變化會使得土樣的電導率發生變化，進而黃土的抗剪強度指標發生明顯變化，黃土的粘聚力隨易溶鹽含量呈遞增趨勢，內摩擦角也發生不同程度的變化。

關鍵詞：黃土；易溶鹽；電導率；強度

工程地質勘察中黃土的粘聚力、內摩擦角是有局限性的。一般情況下，粘聚力、內摩擦角不是一個定值，是受很多因素共同決定的，如土方的開挖、降水，土樣的擾動等。以粘聚力和內摩擦角的最不利值進行工程設計能更好地保證工程的安全，因此研究土的抗剪強度指標與其影響因素的關系是非常有必要的。

王海濤、張遠芳[1]等人研究選取羅布泊地區兩種典型天然細粒鹽漬土，進行易溶鹽試驗和電導率測定。結果表明，該地區鹽漬土易溶鹽含量與電導率呈線性關系，隨著含鹽量增加電導率增加。徐龍飛、張愛軍[2]等人通過對4種不同碳酸鈣含量的黃土試樣進行常規三軸試驗，研究了黃土在不同初始含水率、不同圍壓、不同干密度下的強度特性，進而分析碳酸鈣含量變化對土體強度特性的影響。梁建偉、房營光[3]等人先通過對一系列含鹽量即不同空隙液離子濃度下的人工土進行常規直剪與液塑限試驗，同時測定人工土的陽離子交換量與比表面積等微細觀參數用于計算顆粒的表面電位，建立抗剪強度與表面電位之間的關系，繪制二者之間的相位關系分析圖得出結論。柴壽喜、楊寶珠[4]等人做了“含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學強度影響試驗研究”，隨著含鹽量的增加，改變了土的顆粒級配和微結構形式，使土的力學結構發生變化。無側限抗壓試驗和三軸壓縮試驗結果表明，隨著含鹽量的增加，石灰固化土的無側限抗壓強度和抗剪強度降低，隨含鹽量的增加，固化土試樣浸水和不浸水無側限抗壓強度之間的差值越來越小。趙星潔[5]研究了“土壤中易溶鹽含量的快速測定”，該文介紹了一種對土壤中易溶鹽含量進行快速測定的方法。該方法采用離心微孔濾膜過濾，依據土樣分類建立起分類EC易溶鹽含量的線性關系曲線，利用電導率計算含鹽量。該方法實驗步驟少，具有測定快速、準確度高、復現性好的特點。所以文章不同易溶鹽含量通過電導率儀來測定。

1 材料及方法

1.1 原狀黃土的基本物理性質

本次試驗土樣為第四紀馬蘭黃土，采取土樣深度在5.5m左右的剖面上，采樣環刀均為直徑0.618m，高0.02m。原狀黃土的天然含水率為w=15.5%，原狀黃土的濕密度為？籽0=■，干密度為？籽d=■，原狀黃土的液限？棕L=34.18%，塑限？棕P=23.06%，則該場地黃土的塑性指數為IP11.12，黃土的液性指數為IL-0.68；按塑性指數IP來分類該場地黃土屬于中塑性黃土；按液性指數IL對黃土的天然稠度狀態分類，該黃土是堅硬的。該原狀黃土的內聚力C=18.8kpa，內摩擦角？漬=40.36°，則得出該地區黃土的庫倫公式為？子f=18.8+0.85？啄。

1.2 試驗方案

（1）先配置8%、10%、12%、15%、18%等五組不同濃度的NaCl溶液各1000ml，待其充分溶解后測定其電導率值，然后繪制不同濃度易溶鹽溶液電導率曲線圖。

（2）采集環刀土樣7組，每組4個環刀，一組原狀黃土用于直剪試驗[7]，一組浸泡蒸餾水，五組環刀土樣分別浸泡在不同濃度的NaCl溶液，浸泡環刀黃土24h后，測定其溶液電導率，浸泡后的電導率曲線圖。

（3）將六組浸泡不同濃度易溶鹽的環刀土樣，24 h后分別做環刀黃土的直剪試驗。

（4）數據的處理，利用Origin軟件繪制七種不同環刀土樣的剪切變形曲線；繪制電導率K與黃土內摩擦角？漬的關系曲線圖；繪制電導率儀K與粘聚力？漬的關系曲線圖；擬合不同電導率K值下的剪切變形曲線。

2 不同易溶鹽含量下黃土抗剪強度試驗結果分析

2.1 浸泡前后不同易溶鹽濃度下電導率變化曲線圖

通過繪制黃土浸泡前后不同易溶鹽濃度下電導率變化曲線圖1，從圖1明顯可以看出，黃土浸泡前后不同易溶鹽濃度的電導率均為遞增趨勢，但在同一濃度易溶鹽溶液浸泡后較浸泡前有所減小，造成這種結果的主要原因是黃土中總鹽含量為16%左右，其中易溶鹽含量約占0.4%-1.2%，而鹽溶液中的鹽分通過溶解在水中吸附在黃土中孔隙之中，從而造成鹽溶液離子濃度減小，導電率較浸泡前同時也減小。

2.2 浸泡后不同電導率下剪切變形曲線對比圖

（1）浸泡后不同電導率下黃土內摩擦角？漬變化趨勢如圖2。

從圖2可以看出，黃土內摩擦角？漬與電導率K（代表黃土含鹽量）呈非線性關系，黃土內摩擦角？漬有一個特殊拐點，該電導率點處的內摩擦角值最小，隨后內摩擦角？漬隨電導率K呈遞增趨勢，變化范圍在22°～32°之間。

（2）浸泡后不同電導率下黃土粘聚力C變化趨勢如圖3。

從圖3可以看出粘聚力隨著電導率呈非線性遞增趨勢，即黃土中易溶鹽含量越高，黃土的粘聚力也會變大。

（3）利用Origin軟件線性擬合浸泡后黃土的直剪試驗數據，結果如表1。

浸泡不同濃度易溶鹽24h后，且測定其電導率值K（見圖1），其環刀土樣在不同電導率下剪切變形曲線對比如圖4。

隨著易溶鹽含量的增加，黃土的抗剪強度指標發生明顯變化，黃土的粘聚力隨易溶鹽含量呈遞增趨勢，內摩擦角也發生不同程度的變化，說明土中的鹽分對土強度存在影響。

易溶鹽含量變化對黃土強度的影響表現為：相同垂直壓力下，其影響隨含水率的增大而減小，含水率越高影響越小，含水率越低其影響反而越大；相同垂直壓力情況下，其影響隨含鹽量的增大而增大，含鹽量越高影響越大，含鹽量越低其影響越小。

3 直剪試驗過程數值模擬

3.1 直剪試驗模型建立

3.1.1 環刀模型建立

本次原狀黃土剪切變形試驗先運用Geostudio軟件中的SIGMA/W模型建立原狀黃土的直剪試驗模型，然后模擬其原狀黃土的剪切變形狀況。環刀模型的建立如圖5，環刀土樣直剪模型的水平方向劃分為30個小網格，垂直方向劃分為10個小網格。

3.1.2 邊界條件

由于在直剪試驗過程中，環刀土樣上半部分施加垂直方向的壓力？啄，上半部分兩邊固定不允許產生水平方向的位移；而環刀土樣下半部分左邊施加水平方向的剪應力？子，底端不允許產生豎直方向的位移。其垂直方向的壓力？啄和水平方向的剪應力？子選取見表2。

3.1.3 計算參數選取

本次模擬剪切變形試驗的綠色區域為黃土試樣，其環刀黃土所受垂直壓力？啄=100kpa和剪應力？子=105.28kpa與黃土的粘聚力C和內摩擦角？漬的選取見表2：

3.2 直剪過程模擬及結果分析

3.2.1 垂直壓力？啄=100kPa的直剪試驗模擬

原狀黃土在垂直壓力？啄=100kPa和剪應力？子=105.28kPa的作用下發生剪切變形破壞，其X方向的剪切位移圖6呈現左右對稱分布，上半部分中間位移量最大，向兩邊同時呈遞減；而下半部分中間位移量最小，向兩邊呈遞增趨勢。右下角粉紅區域X位移量最大0.0013m，左上角和右上角藍色區域X位移量最小0.0001m。從Y方向的剪切位移圖7可以看出，位移量從上到下依次遞減。原狀黃土X-Y方向的剪應變圖8可以看出應變量從剪切面中間處向兩邊遞增。原狀黃土X-Y方向的剪應力圖9得出，剪應力值從剪切面破壞處附近向兩邊呈遞增趨勢。從圖10可以得出，剪切破壞面附近處Y方向的位移量左邊最大，右邊Y方向的位移量最小。從圖11原狀黃土X-Y剪應力分布值可以得出，X-Y方向剪應力值從剪切破壞面附近向兩邊呈遞增趨勢，而X-Y方向剪應力最小值在0.002m附近，最大值在0.06m附近。

4 結論

文章研究了土體中易溶鹽含量與黃土抗剪強度之間的關系。由于試驗條件和時間的限制，黃土浸泡不同濃度的易溶鹽溶液24h后，假定其電導率不再變化，測定其電導率代表浸泡后的鹽含量。分析整理試驗數據得出如下結論：

（1）土樣中鹽分含量的變化會使得土樣的電導率發生變化，黃土浸泡前后不同易溶鹽濃度的電導率均為遞增趨勢，但在同一濃度易溶鹽溶液浸泡后較浸泡前有所減小，造成這種結果的主要原因是黃土中總鹽含量為16%左右，其中易溶鹽含量約占0.4%-1.2%，而鹽溶液中的鹽分通過溶解在水中吸附在黃土中孔隙之中，從而造成鹽溶液離子濃度減小，導電率較浸泡前同時也減小。

（2）隨著易溶鹽含量的增加，黃土的抗剪強度指標發生明顯變化，黃土的粘聚力隨易溶鹽含量呈遞增趨勢，內摩擦角也發生不同程度的變化，說明土中的鹽分對土強度存在影響。

（3）易溶鹽含量對黃土強度的影響表現為：相同圍壓情況下，其影響隨含水率的增大而減小，含水率越高影響越小，含水率越低其影響反而越大；相同圍壓情況下，其影響隨含鹽量的增大而增大，含鹽量越高影響越大，含鹽量越低其影響越小。

參考文獻

[1]王海濤，張遠芳，慈軍，等. 羅布泊鹽漬土含鹽量與電導率及稠度指標的關系[J].水利與建筑工程學報，2013，11（5）：14-17.

[2]徐龍飛，張愛軍，張宇齊，等.不同碳酸鈣含量黃土強度特性的研究[J].人民黃河，2013，35（9）：135-138.

[3]梁建偉，房營光，陳松.含鹽量對極細顆粒粘土強度影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28：3821-3829.

[4]柴壽喜，楊寶珠，王曉燕，等.含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學強度影響試驗研究[J].巖土力學學報，2008，29（7）：1770-1772.

[5]趙星潔.土壤中易溶鹽含量的快速測定[J].城市道橋與防洪，2013（12）：183-186.

[6]中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999.土工試驗方法標準[S].北京：中國計劃出版社.

[7]唐大雄.工程巖土學[M].北京：地質出版社，1999.

作者簡介：李冬陽（1991-），男，陜西渭南人，在讀碩士研究生，研究方向：巖土體穩定性及工程環境效應。