溶蝕作用對黃土體物理力學性質影響的試驗

葉萬軍 李長清 李曉

摘 要：為了探究雨水溶蝕作用對黃土體物理力學性質的影響，以洛川塬邊黃土為研究對象，對試樣開展X射線衍射、掃描電鏡、強度等試驗，對比雨水溶蝕前后試樣在粒度組成、礦物成分、離子含量、微結構單元及物理力學性質方面的差異，探究雨水溶蝕作用對黃土工程性質的影響，然后通過顯著性理論定量分析溶蝕作用對黃土體損傷程度的大小。試驗結果表明：雨水的溶蝕會使土樣粉粒含量明顯降低，粘粒含量明顯增大，親水性礦物成分降低，土體中Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3等離子含量減少;溶蝕作用前后試樣微結構單元發生了明顯的變化，具體表現為試樣大孔隙減少、小空隙增多，粒間連接減弱;經歷溶蝕作用后試樣粘聚力、內摩擦角明顯降低，成分的改變造成強度指標降低，進而使得黃土體發生病害;通過顯著性理論分析，溶蝕作用會對土體造成明顯損傷。

關鍵詞：黃土;溶蝕;礦物成分;強度

中圖分類號：TU 411 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0408 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0610-09

Abstract：In order to explore the effect of rain water dissolution on the physical and mechanical properties of loess，the loess at the edge of the Luochuan Plateau is studied by X ray diffraction，scanning electron microscopy and strength tests.By comparing the differences of particle size，mineral composition，ion content，micro structure unit and physical and mechanical properties of samples before and after rain water dissolution，the effects of rain water dissolution on loess engineering properties are explored，and then a quantitative analysis is made of the degree of damage caused by rain water dissolution to loess by Significance Theory.The results show that the dissolution of rainwater can significantly reduce the content of silt，clay，hydrophilic minerals and Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3 plasma in soil.The microstructural units of the samples changes obviously before and after the dissolution，which is manifested in the decrease of macropores，the increase of small voids and the weakening of intergranular connections.After corrosion，the cohesion and internal friction angle of the sample decrease obviously，and the strength index decreases with the change of composition，which leads to the disease of loess.Through significant theoretical analysis，the dissolution will cause obvious damage to the soil.It can be seen that rainwater erosion has a great impact on the physical and mechanical properties of loess.

Key words：loess;dissolution;mineral composition;strength

0 引 言

隨著一帶一路戰略的實施，越來越多的工程將在黃土地區修建，黃土體干燥時強度較高、工程性質穩定，但當受到水的作用時土體性質就會發生明顯劣化，造成工程災害的發生。在我國西北黃土高原，每年的雨季是黃土高原發生地質災害的高發季節，因此研究在雨水作用下黃土體工程性質的演化規律就顯得迫在眉睫。

雨水對黃土體的影響主要包括機械剝蝕作用和化學溶蝕作用，機械剝蝕作用是在雨水侵入過程中對黃土體顆粒的搬運以及對遷移通道的擴展，化學溶蝕作用是雨水入侵過程中與土體發生化學反應，造成試樣在顆粒組成及礦物成分發生改變，剝蝕作用和溶蝕作用在雨水入滲過程中同時存在，水力梯度較大時以剝蝕作用為主。研究雨水溶蝕作用對黃土體物理力學性質影響將有助于揭示黃土體病害的發生條件、發展歷程，為黃土地區防災減災工程提供理論依據。

在黃土與水的相互作用方面目前已取得了許多成果，試驗研究發現：濕陷后的黃土微、小空隙增多，中、大空隙減少，試樣的濕陷性質不僅依賴于試樣的初始條件，還與試樣的初始含水率應力狀態有關[1-3];在低含水量、低固結壓力下水敏性結構參數敏感較強，在高含水量、高固結壓力下敏感性較弱[4-5];黃土的側限壓縮應變、濕陷性隨著干濕循環次數的增加不斷增大[6-7];干濕循環會使得黃土抗拉強度喪失，結構性不斷破壞[8-10];在凍融循環的作用下，原狀黃土與重塑黃土的滲透性先減小后增大最后趨于穩定[11-13];凍融循環會改變土體的孔隙比、滲透系數及土顆粒之間膠結[14-16];此外凍融循環條件下黃土物理力學性質演化[17-18]、干濕循環條件下土體水分遷移規律與變形特性[19-20]以及不同初始含水量條件下黃土體的結構強度[21]都是目前研究的熱點。張常亮以陜西省耀州區庵里滑坡為對象，對該類滑坡的發生機制進行分析和探討，建立了滑坡發生前侵蝕作用的不同階段邊坡的有限元模型，計算了相應的應力場和位移場，在此基礎上求得各模型沿最終滑面上的正應力、剪應力和抗剪強度分布，采用極限平衡法計算邊坡整體穩定系數[22];王陣地研究了凍融循環與氯鹽侵蝕作用下混凝土基體的變形和損傷，分別測量了快速凍融循環與氯鹽侵蝕作用下混凝土基體的變形和干凍條件下基體的變形，研究了飽鹽試件和干燥試件的變形與損傷演化行為[23];姜磊研究了硫酸鹽侵蝕作用下混凝土損傷層及微觀結構[24]。可以看出在水與黃土的相互作用關系方面專家學者做了大量的研究工作[25-28]，但在黃土體與雨水相互作用，尤其是雨水的溶蝕作用對黃土體物理力學性質影響方面研究較少，還需進一步研究，文中取洛川塬邊黃土，通過對比雨水溶蝕前后試樣在粒度組成、礦物成分、離子含量、微結構及力學性質方面的差異，探究雨水溶蝕作用對黃土工程性質的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

土樣取自洛川塬邊黃土，按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）對試樣進行土工試驗，基本物理力學指標見表1.

1.2 試驗方案

對試樣進行基本物理試驗、力學試驗、掃描電鏡試驗，物理試驗包括量測土體的顆粒組成、礦物成分、離子含量、基本物理性質;力學試驗采用南京土壤儀器廠生產的TSZ 3型應變控制式三軸儀，試驗采用CU固結不排水剪切試驗，剪切速率為02 mm/min;掃描電鏡試驗量測溶蝕作用前后試樣微結構單元的變化。

1.2.1 物理實驗

在常溫常壓下進行A，B 2組試驗，每組試驗有2個試樣，記為A-1，A-2，B-1，B-2，每組的一號試樣不經任何處理，自然風干，每組的二號試樣在雨水溶液中靜止浸泡2 h然后在自然條件下風干，對A，B 2組試樣進行顆粒組成、礦物成分、離子含量及物理力學性質量測。本次試驗采用雨水基本參數如下：測其pH=5.65，含Cl-=5.20 μmol/L，NO-3=6.50 μmol/L，SO2-4=58.51 μmol/L，Na+=1.52 μmol/L，K+=1.63 μmol/L，Ca2+=13.11 μmol/L，Mg2+=2.91 μmol/L.

1.2.2 力學試驗

將土樣風干、碾碎分成2組，第一組土樣采用滴水法給土樣加純凈水，控制土樣含水率，使其含水率控制在10%，15%，20%，25%;第二組土樣在雨水中浸泡2 h，取出后風干，采用滴水法給試樣加純凈水，控制土樣的含水率為10%，15%，20%，25%，然后制備標準三軸試樣，即直徑=3.91 cm，高H=8.00 cm，此次試驗分為溶蝕重塑試樣和普通重塑土樣，分3個固結圍壓（100，200，300 kPa），共24個試樣。

1.2.3 掃描電鏡試驗

掃描電鏡試驗采用的是日本生產的JSM 6460LV高真空、數字化掃描電子顯微鏡（如圖1）。

1）制備4個尺寸39.1 mm×80 mm試樣;

2）將制備好的試樣在雨水溶液中靜止浸泡2 h然后在自然條件下風干，此為經歷一次溶蝕作用;

3）制備經歷0，1，2，3次溶蝕作用試樣;

4）將經歷0，1，2，3次溶蝕作用試樣制成電鏡掃描樣并做噴AU處理，然后對試樣進行電鏡掃描。

1.2.4 顯著性理論

2 試驗結果及分析

2.1 顆粒組成分析試驗

采用篩析法和密度計法對黃土土樣A-1，A-2，B-1，B-2進行顆粒成分分析試驗，得到如圖2，圖3所示的試驗結果。

從圖2，3可以看出，黃土土樣中粉粒含量最高，粘粒次之，砂粒最少，未浸泡的洛川黃土土樣粉粒百分含量在80%左右，黏粒在18%左右;對比同一組土樣可以發現浸泡后的土樣粉粒含量明顯降低，粘粒含量明顯增大，這說明了在雨水的溶蝕作用下，土體中的礦物顆粒、鹽類與雨水溶液發生化學反應，這種反應改變了土中顆粒粒度組成，粒度組成的改變促使土體的物質結構以及水理性質發生改變，從而影響著土體的力學性質，黃土的顆粒粒度組成是影響土體工程地質性質和水文地質性質的一個重要因素。

2.2 礦物成分分析試驗

采用X射線衍射測試技術對A，B 2組黃土試樣的礦物成分進行了測試分析，測試結果如圖4所示。

從圖4可以看出，黃土主要由石英、長石、碳酸鹽、水云母、蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物組成，雨水侵蝕后土樣親水性礦物成分明顯降低;黃土的礦物成分控制著土顆粒的大小、形狀和表面特征，其與液體的相互作用又決定了土的塑液限、體變、強度和滲透性等性狀，進而影響了土的物理力學性質。黃土與水的相互作用影響著土的絮凝和分散作用進而影響土的結構，親水性礦物含量的降低，導致土體內部水分的表面張力、濕吸力和結合水厚度降低，影響土顆粒間的聯接力，致使土體結構發生變化。

2.3 離子含量試驗 ?通過雙氧水除去溶蝕后土樣溶液內的有機物，烘干殘渣測定陰陽離子的含量，以摩爾濃度表示，測定結果如圖5所示。

在黃土所含的化學成分中，與黃土性質聯系較緊密的為易溶性鹽類，因此研究黃土中易溶性鹽含量意義非常重大。由圖可以看出黃土中易溶性鹽主要以氯化物、碳酸鹽為主，土樣被雨水溶液浸泡后，其陰陽離子Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3等含量均減少，說明了土樣中的陰陽離子與雨水溶液發生了化學反應，生成了難溶性鹽，這些難溶性鹽被水溶液搬運，促使土樣孔隙比增大，土體的結構遭到破壞。可見，易溶性鹽的含量不僅直接影響著黃土的溶解性、凍脹性、崩解性、透水性和穩定性等水理性質，而且會使土體結構發生變化。

2.4 基本物理性質試驗

對土樣進行土工試驗，得到土體的物理性質參數如圖6所示。

從圖6可知，四塊土樣的ds值較接近，p，pd兩參數，浸泡的土樣略小于未浸泡的土樣，液塑限比較可知，浸泡后土樣的ωz值較未浸泡土樣的低2%左右，而ωp值是浸泡后土樣較未浸泡土樣高4%左右，浸泡后土樣塑性較其未浸泡土樣的塑性弱一些。干密度是土中固體顆粒的含量，同等條件下土樣的干密度越大，土體越密實，土體的性質越穩定，侵泡后土樣的干密度降低，雖然下降幅度不是很大，但考慮到土樣只經過了一次侵泡，而實際工程中土體會經過幾次甚至幾十次的干濕循環，這樣累積起來就會使土體干密度減小很多，因此可以得到雨水的溶蝕會使土體中固體顆粒不斷減小，導致土體結構性減弱，進而影響土體的強度。

2.5 力學試驗

試驗結果如圖7所示。以應力應變曲線的峰值點為其破壞點，無峰值點時取軸線應變15%的主應力差作為其破壞點，以法向應力為橫坐標，剪應力表示縱坐標，（σ1f+σ3f）/2為圓心，（σ1f-σ3f）/2為半徑，在τ-σ應力平面上繪制Mohr應力圓，得到土體的粘聚力、內摩擦角參數如圖8，9所示。

從圖9可以看出，含水率越大土的抗剪強度指標（粘聚力、內摩擦角）越小;溶蝕后土樣的抗剪強度指標c值和φ值均低于未溶蝕的土樣。以15%含水率為例，未溶蝕的土樣粘聚力為42.78 kPa，而溶蝕后降低為38.87 kPa，內摩擦角值由初始狀態的24.15°降低為23.15°，這是由于在雨水的溶蝕作用下，土體的顆粒組成、離子含量、礦物成分都發生改變，土體的物理性質發生變化，導致土體的抗剪強度指標下降。粘聚力的減小是由于土體溶蝕于水后，土體內具有膠結作用的易溶性鹽及礦物成分與雨水溶液發生了化學反應，使得膠結物溶解或者被軟化，從而使黏聚力減小;出現內摩擦角減小且減小幅度小于粘聚力減小的幅度，原因是由于黃土與水反應后重新形成的結構結構性變弱，致使內摩擦角減小，但由于內摩擦角是由土顆粒與土顆粒、土顆粒與膠結物質之間的摩擦而產生，其值主要與接觸面的法向應力相關，因此導致其值變化不大。通過顯著性理論分析（結果見表3，表4），溶蝕作用對試樣粘聚力影響顯著，對試樣內摩擦角有影響。

2.6 掃描電鏡試驗

圖10為試樣經歷不同溶蝕次數放大300倍微觀結構圖。由圖可見未經歷溶蝕作用的試樣結構較致密，隨著經歷溶蝕次數的增多試樣大孔隙、孔洞減少小空隙增多，顆粒間的連接作用減弱，分析原因土體中的礦物顆粒、鹽類會與雨水溶液發生化學反應，破壞土體結構單元，使土體產生結構性損傷。

3 結 論

1）在雨水的溶蝕作用下，黃土體內的粒度組成、礦物成分以及離子含量都發生了很大的變化：浸泡后土樣粉粒含量明顯降低，粘粒含量明顯增大、土樣親水性礦物成分降低、Ca2+，Mg2+，SO2-4，HCO-3等含量均減少。

2）在雨水的溶蝕作用下，黃土的干密度、液限、塑限等物理量發生改變，這是因為黃土體與雨水發生相互作用，致使土體物質組成發生變化，進而影響土體的物理性質。

3）溶蝕作用前后試樣結構單元發生了明顯的變化，具體表現為大孔隙減少、小空隙增多，粒間連接減弱。

4）對溶蝕前后土樣進行三軸試驗，對比普通重塑土樣和溶蝕后重塑土樣在應力應變曲線、抗剪強度指標方面的不同，可以看出雨水溶蝕作用使土體強度降低，經顯著性理論分析，溶蝕作用會對土體結構造成損傷。

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