NaCl作用下紅黏土裂隙發育規律研究

肖桂元 安冉 朱杰茹 裴心成 劉君

摘要：土體在鹽作用下強度會弱化，造成土體變形。為探索不同濃度NaCl溶液對紅黏土的裂隙發育演化規律及其工程性質的影響，分別制作不同濃度NaCl的泥漿樣，定時對試樣進行稱重、拍照，觀察試樣裂隙發育過程。結果表明：NaCl濃度的增加，改變了土顆粒之間的作用力，紅黏土的水分蒸發速率也隨之降低，裂隙塊數明顯減小，NaCl溶液對紅黏土裂隙發育起到明顯的抑制作用，且濃度越大效果愈明顯。此外，通過界限含水率與直剪試驗探索了不同濃度NaCl溶液對紅黏土力學性質的影響，利用Zeta電位試驗分析了其力學性質變化原因與裂隙發育規律。試驗發現：由于NaCl溶液改變了土體結構與顆粒間的摩擦力，使得擴散層厚度變小，從而紅黏土的液塑限與抗剪強度指標隨著溶液濃度的增加而降低。

關 鍵 詞：紅黏土; NaCl溶液; 裂隙; 電位

中圖法分類號： TU 42

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.026

0 引 言

隨著中國經濟不斷發展，各個行業的廢水排放量日益增加，目前水環境問題已成為中國面臨的主要環境問題之一[1-2]。巖土環境逐漸惡化，對土體性質造成了極大的影響。隨著中國工業化、城市化的不斷發展，所生產化合物的數量越來越多，并逐漸進入地下環境中，化合物在巖土體中長期積累、沉淀、遷移，對地質工程產生的惡劣影響日漸突顯[3]。由于水資源缺乏以及水污染，地面水體與地下水中含鹽量逐年增加，NaCl作為一種堿金屬鹽，易溶于水、不受pH值影響，且很難在水中去除，故應重視NaCl對紅黏土理化性質及強度特性的影響。

紅黏土作為一種特殊土，多數分布在中國南方地區，擁有獨特的工程性質，吸水軟化、失水開裂，其水敏性及裂隙性特征十分明顯[4]。由于紅黏土中裂隙的存在，會破壞土體的完整性，弱化土體的強度，在工程中會使紅黏土的地基承載力降低，造成建筑物發生破壞[5-9]。紅黏土裂隙的形成為工業廢水的入滲提供了重要的優勢通道[10-13]，廢水中所包含的鹽溶液作用大多屬于無機反應，與巖土體發生反應速度快、時間周期短，廢水通過裂隙更易進入到土體內引起土中孔隙溶液發生變化，使土體內不斷發生著變化，最終使土體的力學性質弱化。

目前針對鹽溶液對土體力學性質的影響已有大量研究：何錦堂等[14]發現土樣的收縮能力隨著NaCl溶液濃度的增大而增強。顏榮濤等[15]提出耦合模型，模擬了鹽溶液飽和黏性土的變形和強度特性，發現黏土的工程特性受孔隙水溶液的變化影響。Budijanto等[16]研究了NaCl和CaCl2溶液對黏土界限含水率的影響，發現隨著NaCl和CaCl2濃度的增加，土體的液塑限都隨之降低，土樣的塑性指數也發生改變。還有學者從微觀角度發現鹽溶液不僅使土體雙電層厚度減小，還改變了其孔隙狀態和結構，從而使土體的強度特性發生改變[17];于海浩等[18]發現土體的力學性質受其孔隙溶液的化學性質影響。還有研究表明，NaCl溶液可以有效抑制土體開裂程度，對土體的持水能力也有一定的影響[19]。Xu等[20]通過不同濃度鹽溶液中黏土的e-p關系，推導出了一個定量解釋滲透吸力對黏土體積變化影響的概念模型，提出了一個新的有效應力公式。Nurfer等[21]在不同鹽溶液濃度和恒定pH值條件下測定了膨潤土顆粒的Zeta電位。邢旭光等[22]探索了4種不同離子的鹽溶液對土壤持水性能的影響。毛雪松等[23]繪制了不同硫酸鹽濃度下的土水特征曲線，建立了含水率、含鹽量與滲透吸力的關系。Hu[24]等通過對飽和土進行干燥實驗，研究了土體孔隙空間演化情況。

綜上可知：目前鹽溶液對土體理化影響的研究主要集中在鹽漬土、高嶺石及蒙脫石等的強度、滲透性等方面，關于NaCl濃度對裂隙發育過程以及形成機理尚沒有深入研究，尤其是對紅黏土影響的研究還較少。本文主要通過觀察紅黏土的強度特性、液塑限性、蒸發速率及擴散層厚度的變化來研究NaCl溶液對裂隙發育的影響，探索不同濃度NaCl溶液對紅黏土干縮開裂特性的影響機理。

1 試驗方法

本次試驗所使用的紅黏土取自廣西桂林市臨桂區的工地，取土的深度為1.50～2.50 m，土質較均勻，試樣土體呈紅褐色。其物理性質指標如表1所列，試驗所用鹽為分析純NaCl。本文主要通過裂隙試驗、界限含水率試驗、強度試驗、Zeta電位試驗等來探究NaCl溶液對紅黏土裂隙發育規律及其力學特性的影響。

1.1 界限含水率試驗

試驗將風干的紅黏土根據規范篩分后放置于烘箱烘干。烘干后，將配置好的不同濃度NaCl溶液噴灑在土樣中，用配土器攪拌，讓溶液與土樣充分接觸直至均勻，隨后，將配好的土樣分別裝入保鮮袋中，并放置于陰涼處密封保存14 d。之后分別測得不同濃度下紅黏土的液、塑限，最終通過計算分析得到不同濃度NaCl溶液對紅黏土界限含水率變化的影響規律。

1.2 強度試驗

依據規范，分別對篩好的紅黏土加入0，0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.5，2.0 mol/L的NaCl溶液進行配土，土樣初始含水率為最優含水率27.3%。配土、密封、放在陰涼處靜置7 d之后，復測含水率，誤差控制在（27.3±0.3）%。隨后制作成壓實度為96%的環刀試樣，抽真空，再在不同濃度NaCl溶液中飽和7 d。采用常規直剪儀進行試驗，剪切速率設為0.08 mm/min。

1.3 Zeta電位試驗

試驗將風干的紅黏土放入到烘箱內烘干，篩分，隨后取2 g的土樣分別放入到40 mL不同濃度的NaCl溶液中，放置陰涼處靜置15 d，待土樣與鹽溶液充分反應后再進行Zeta電位試驗，觀察不同濃度的鹽溶液對其電位的影響規律，溫度為（23.5±0.3）℃。

1.4 裂隙試驗

本次試驗采用稱重與拍照一體的試驗設備，將掃描儀固定在天秤上端一定高度，與計算機相連，定時對試樣進行記錄。裂隙試驗具體過程如下：① 將風干紅黏土碾碎，過1 mm篩;② 將過篩后的等質量土分別放入7個燒杯中，加入提前配置好的NaCl溶液中，過程中用玻璃棒不斷攪拌使土樣與溶液充分接觸;③ 待泥漿樣配置完成（配置初始含水率為60%），再用電動攪拌器進行攪拌，使鹽溶液與試樣充分接觸;④ 試樣攪拌均勻后，密封，靜置24 h;⑤ 將燒杯中的試樣分別倒入直徑為85 mm、高度為10 mm的培養皿中，每個培養皿中試樣質量誤差為±0.2 g，確保每個試樣的高度誤差范圍在±0.03 mm。⑥ 把試樣放在室溫為26℃、環境濕度為56%的環境下進行干燥失水，定時對試樣進行拍照、測重。

為了探索不同濃度的NaCl溶液對紅黏土裂隙發育過程的影響，本次試驗分別設計了7組試驗，每組分別做3個平行試樣，且每組含水率誤差控制在±0.3%內，相關參數如表2所列。

2 試驗結果與分析

2.1 鹽溶液作用后紅黏土液塑限分析

液限、塑限是黏性土主要的物理狀態特征，反映了孔隙溶液對土體工程性質的影響。紅黏土作為一種特殊黏性土，其本身的礦物成分和黏粒含量受到孔隙溶液的影響，使液塑限發生變化[25]。本文采用液、塑限聯合測定法測得不同濃度NaCl溶液下紅黏土的液、塑限與塑性指數，結果如圖1～2所示。

由圖1可以看出：紅黏土的液塑限受NaCl溶液濃度影響而發生變化，液限隨濃度增大而降低的幅度相對較大，而塑限的變化比較穩定。由此可得，不同濃度的NaCl溶液對紅黏土液限的影響較大，這是由于土內滲透吸力受鹽溶液濃度影響，NaCl濃度的增加使滲透吸力增加，從而引起有效應力增加，使鹽-黏土體系中顆粒間吸引力隨著鹽溶液濃度增加，土樣之間膠結更為緊密，雙電層厚度變薄導致土樣的液限降低。

塑性指數為液限與塑限之差。從圖2中可以看出：紅黏土的塑性指數Ip隨著NaCl溶液濃度的增加總體呈下降趨勢，與其液、塑限的變化規律相似。由此可見NaCl溶液改變了紅黏土可塑性的強弱，即濃度越高，紅黏土可塑性越差。

2.2 直剪強度特性

2.2.1 剪應力-位移曲線

根據上述試驗方案，對NaCl溶液作用下的土樣進行快剪試驗。圖3為100，200，300，400 kPa豎向壓力下不同濃度的NaCl溶液作用下紅黏土應力-位移曲線圖。通過試驗結果的對比分析，發現不同NaCl溶液作用下紅黏土的剪應力-位移曲線變化情況有所差異，在100，200 kPa的豎向壓力作用下，隨著NaCl溶液濃度的增大，紅黏土的強度出現明顯的弱化，且不同條件下的變化趨勢大致相同;在豎向壓力為300，400 kPa時，雖然NaCl溶液作用下紅黏土的峰值應力變化不大，但峰值應力隨NaCl溶液濃度的增大總體呈減小趨勢。由圖3還可看出紅黏土在剪切過程中剪應力-位移曲線類型均為應力硬化型，且不同條件下紅黏土的硬化趨勢一致。

2.2.2 抗剪強度指標

由莫爾-庫倫破壞理論可知，土的抗剪強度由黏聚力和內摩擦角組成。試驗證明，孔隙水溶液的變化對紅黏土顆粒間的作用力存在著明顯影響[26]。圖4為不同濃度的NaCl溶液對桂林紅黏土抗剪強度指標的影響，可以很明顯看出，濃度越大，土樣黏聚力越小，內摩擦角逐漸變大至峰值后小幅度降低。這是由于NaCl溶液改變了土顆粒之間的作用力，且溶液濃度越高影響越深，土樣的黏聚力隨溶液濃度的增大而減小。從微觀角度來分析，NaCl溶液可能改變了游離氧化鐵在紅黏土中的形態，而游離氧化鐵是紅黏土中重要的膠結物質，從而使試樣的抗剪強度指標隨NaCl溶液濃度增加而降低。

從圖4中可以看出：溶液濃度越高，對土樣抗剪強度指標影響越大。隨著NaCl溶液濃度的增大，黏聚力逐漸降低且降低梯度也逐漸減小;內摩擦角先迅速增大達到峰值隨后呈下降趨勢最后趨于穩定，這是紅黏土內物質與鹽溶液發生物理化學反應，生成了新的物質，使土體的孔隙狀態以及土體結構發生改變，使紅黏土孔隙比增大。隨著NaCl溶液濃度的增大，紅黏土與鹽溶液產生的新物質在鹽溶液中慢慢趨于穩定，在NaCl溶液濃度大于0.5 mol/L后紅黏土的抗剪強度指標變化幅度開始逐漸減小。

2.3 擴散層厚度變化規律

擴散雙電層由兩層組成：緊靠粒子表面的一層為固定層（亦被稱為Stern層或吸附層），固定層外的一層為擴散層（見圖5）[27]。黏土顆粒與固定層在外加驅動力的作用下發生移動，使其與擴散層在某一位置分離，Zeta電位便是該分離位置與擴散層溶液的電位差，故Zeta電位的改變可以反映出土顆粒間引力大小的變化[28]。

通過簡化后的雙電層方程可知：電荷密度、雙電層厚度和介電常數對Zeta電位值有著重要影響。

ζ=4πdσD（1）

式中：ζ為Zeta電位值，d為雙電層厚度，σ為電荷密度，D為介電常數。由公式（1）可知Zeta電位值與介電常數成反比，與雙電層厚度d與電荷密度σ成正比，可見，Zeta電位對雙電層厚度有著重要影響。

由圖6可以看出：Zeta電位隨NaCl溶液濃度的增加而降低，顆粒運動變快。由公式（1）可得電荷密度隨著NaCl溶液濃度的增加而增大。離子濃度增加，顆粒間的相互排斥力也增加，使得擴散層中的離子進入到固定層。Zeta電位降低，從而引起擴散層厚度變薄，土體顆粒的持水能力降低，導致紅黏土的液限與塑性指數降低，土的可塑性降低，因此擴散雙電層厚度的變化反映了土體液塑限的升降。從圖6中還可以看出Zeta電位在NaCl溶液濃度較低時下降趨勢較大，說明Na+交換能力雖然較弱，但同樣可以把膠體中交換能力較強的其它陽離子替換下來，但膠體中可以被Na+替換的陽離子數有限，當超過這一限值，Na+便很難再替換其它陽離子。

根據雙電層理論，Zeta電位的減小說明擴散層厚度減小，土體膠結作用增強，使土體強度增加，但直剪試驗結果表明土樣的黏聚力隨著NaCl溶液濃度的增加而呈降低趨勢。土體的黏聚力可以分為原始黏聚力（土粒間吸附水膜與相鄰土粒間的分子引力形成的可恢復的力）、固化黏聚力（土中不可恢復的化合物膠結形成）和毛細黏聚力（可忽略的毛細壓力所引起）。Zeta電位試驗反映了NaCl溶液對土樣原始黏聚力的影響，這部分對土體的影響是可以隨著時間而逐漸恢復的;而直剪試驗得到的是NaCl溶液對固化黏聚力的影響這部分是不可恢復的。

土體強度受多方面因素影響，鹽溶液對土樣擴散層厚度的影響存在“閾值”。即在一定范圍內，土樣強度主要受擴散層厚度的影響，即受原始黏聚力的影響，這部分力會隨時間而恢復;當超過這一范圍，土體結構便占據了影響紅黏土強度的主要因素。NaCl溶液進入到土體內，對土顆粒的大小、形狀、排列方式以及聯結關系造成了一定的影響，導致土體結構發生變化[29]。由于土中的NaCl溶液減少了土體顆粒間的排斥力，且濃度越高排斥力越小，因此土體結構發生改變，變為面-邊接觸且具有很大孔隙的絮狀結構。絮狀結構之間有較大的孔隙，使得土樣剪切面的孔隙比隨溶液濃度的增大而逐漸增大，紅黏土的抗剪強度減小。

2.4 裂隙演化規律

2.4.1 水分蒸發過程

土中水分蒸發到一定程度土體將會出現裂隙，同時裂隙又為土體中水分的蒸發提供了重要的通道。在裂隙發育過程中水分蒸發主要分為3個階段：① 常蒸發速率階段（0～100 h），此階段含水量只能持續很短的一個時段，含水率變化較大，水量蒸發速度最快;② 蒸發速率下降階段（100～150 h），此階段的土樣含水率減小的速率較上一階段明顯變慢，蒸發速率也隨之下降，持續時間較短，其失水速度仍然較快;③ 蒸發速率穩定階段（150～300 h），此階段土樣表層已全部變干，下面的濕土水分先汽化，然后通過表面已干土層蒸發，此時的水分蒸發量主要受表面干土層中水分擴散率和對水分吸附力的影響。

此外，不同濃度的鹽溶液作用下，試樣出現裂隙的快慢也有所不同。圖7是原始初始含水率為60%的紅黏土試樣在不同濃度NaCl溶液下含水率隨時間變化的曲線圖。從圖7中可以看出：NaCl溶液濃度的增加對含水率變化的影響較為明顯，通過對比發現高濃度的NaCl溶液的含水率曲線斜率比低濃度的含水率曲線斜率低。在0～100 h間鹽溶液對紅黏土試樣作用最為明顯，其水分蒸發速率相對較快，在100 h后試樣水分蒸發速率已慢慢趨于穩定，并且在穩定階段，高濃度的試樣含水率高于低濃度的試樣含水率。對比0 mol/L與2 mol/L的試樣發現，低濃度的試樣先于高濃度的試樣趨于穩定，鹽溶液濃度越高失水速率越慢。

2.4.2 裂隙發育過程

將獲得的試驗圖片進行圖像處理，通過選取合適的閾值，獲得可以反映圖像特征的二值化圖像，使試樣圖像變得簡單，凸顯出裂隙輪廓。圖8～9分別是紅黏土試樣在不同NaCl濃度下裂隙發育完成的原始圖像與二值化處理后的圖像。

通過試驗可以將裂隙的發育過程可分為3個階段：① 迅速發育階段，在此階段，隨著水分的蒸發，土樣的某個地方先出現小的裂隙，隨后迅速延伸擴大并逐漸相交，這種裂隙稱為一級裂隙（見圖8（f））;② 過渡階段，在此階段，從一級裂隙上開始衍生出新的分叉，隨著水分不斷的蒸發，更多細小的裂隙開始出現，通常連接著兩個一級裂隙，這時土塊的面積不斷縮小，這部分裂隙稱為二級裂隙（見圖8（a））;③ 發育穩定階段，此時雖然土樣仍在失水，但土樣表面的裂隙長度、塊數和面積都趨于穩定，不會再產生新的裂隙。

從圖8～9可以看出隨著濃度的增加，試樣均推遲了裂隙出現的時間。在相同濃度NaCl溶液下的土樣，低濃度試樣出現裂隙的塊數更多，且裂隙寬度也較大。此外，通過試驗數據得到：試樣分別在含水率為48.6%（0 mol/L），47.3%（0.3 mol/L），47.3%（0.5 mol/L），47.8%（0.7 mol/L），46.2%（1 mol/L），45.8%（1.5 mol/L），45.5%（2 mol/L）時出現裂縫。綜上可知，高濃度的NaCl溶液降低了裂隙的開裂程度。從上文分析中可知：NaCl溶液濃度增加使得顆粒間的膠結力增強，推遲了裂隙出現時間。

本文選取NaCl溶液濃度為0.5 mol/L的試樣來詳細分析裂隙形成的機理。本次裂隙試驗一共持續350 h，從圖10可以看出其中一組試樣裂隙發育的過程。在350 h后，試樣質量保持不變，并不再產生新的裂隙，說明裂隙已全部發育完成。在發育過程中，一級裂隙形成于水分蒸發較快的時期，且裂隙長度較長、寬度較寬。隨著水分的不斷蒸發，二級裂隙開始從某個位置向一級裂隙發育，且發育方向幾乎垂直于一級裂隙。

土體產生裂隙是在顆粒間相互作用下形成的張拉破壞，是土體隨著水分蒸發產生的必然結果，是土體發生破壞的表現[30-31]。土作為一種多孔介質，其形狀不規則、粒徑大小不等，飽和時顆粒與顆粒間被鹽溶液充滿。在一般情況下，黏土顆粒表面帶負電，孔隙鹽溶液中包含著各種離子，故形成反離子層，與土顆粒表面電荷相反。由于黏土顆粒表面帶負電，會吸引陽離子，其次熱運動會使陽離子向液相內擴散，使反離子層分布在液相周圍，故土顆粒表面一般被一層結合水化膜包圍，使顆粒之間存在一定的孔隙，且鹽溶液濃度越大，顆粒間孔隙越大，為黏土失水收縮提供了一定的條件。此外，隨著土體的含水率不斷減小，土中會產生毛細作用，由于表面張力的存在，使液面具有呈收縮趨勢的拉力，將產生迫使相鄰顆粒擠密的壓力（毛細壓力），故隨著水分的蒸發，土體開始收縮變形，產生裂隙。隨著NaCl溶液濃度的增大，試樣裂隙的發育程度逐漸降低，但鹽溶液（尤其是高濃度的鹽溶液）對紅黏土的強度造成了不可逆轉的影響。

3 結 論

本文通過開展一系列的室內試驗，研究了不同濃度NaCl溶液對紅黏土開裂程度及其力學性質的影響，得到以下結論：

（1） 孔隙溶液中的Na+會與黏粒本身的電荷相結合，隨著NaCl溶液濃度的增加，可與黏粒表面離子結合的Na+隨之增加，故黏粒對Na+吸引力增大，使其更加靠近黏粒表面，從而令土體間膠結力增強。雙電層厚度變薄，導致土樣的液塑限都有所降低，且降低趨勢逐漸減小。

（2） 隨著NaCl溶液濃度的增加，顆粒之間的膠結力也隨之增加。但這部分膠結并不是最主要的，而游離氧化鐵是紅黏土結構中重要的膠結物，NaCl溶液使得游離氧化鐵形態發生改變，導致紅黏土的強度隨濃度的增加而弱化，且在100，200 kPa豎向壓力作用下較為明顯。

（3） 電荷密度隨著NaCl溶液濃度的增加而增加，使得Zeta電位減小，顆粒間相互排斥力增加，引起擴散層厚度變薄。

（4） 顆粒之間的相互引力隨著鹽溶液濃度的增大逐漸減小，且土體結構變為絮狀結構，其顆粒間孔隙變大。NaCl溶液濃度的增加使土體中分子間作用力增強，孔隙的連貫性變弱，使得試樣的開裂面積、塊數、長度減少;隨著NaCl溶液濃度的增加，試樣表面裂隙發育程度逐漸變低。

試驗中發現溶液的濃度對擴散層厚度有一定的影響，本次試驗只考慮了NaCl濃度對雙電層的影響，未考慮溫度等因素的影響。試驗中還發現在同一溶液濃度下，當初始含水率較小時，試樣裂隙發育程度也有所減小，且在不同的時間段水分蒸發量也有所不同。今后可以針對不同初始含水率的土樣模擬水分遷移路徑，從開裂過程中含水率的變化推測裂隙發育狀態，探索含水率與開裂程度的關系式。

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（編輯：鄭 毅）

Influence of different concentrations of NaCl solution on fracture development of red clay

XIAO Guiyuan1，2，AN Ran1，ZHU Jieru1，PEI Xincheng1，LIU Wenjun1

（ 1.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430000，China）

Abstract：

Salt will weaken the strength of soil，resulting in soil deformation.In order to explore the influence law of different concentrations of NaCl solution on crack development of red clay and its engineering properties，mud samples with different concentrations of NaCl were prepared respectively.We regularly weighed and took photos of the samples，and observed the development process of the sample crack.The results showed that the increase of NaCl concentration changed the interaction force between soil particles，and the water evaporation rate of red clay and the number of crack blocks decreased obviously.NaCl solution distinctly inhibited the crack development of red clay，the higher concentration is，the more obvious of inhibition is.In addition，the influence of different concentration of NaCl solution on the mechanical properties of red clay was explored through the limit moisture content and direct shear test，and the change reason of mechanical properties and the rule of crack development were analyzed by Zeta potential test.It was found that the friction between soil structure and particles was changed by NaCl solution，which reduced the thickness of diffusion layer，so the liquid and plastic limit and shear strength index of red clay decreased with the increase of solution concentration.

Key words：

red clay;concentration of NaCl;fracture;potential