含鹽砂巖風化物抗剪強度及鹽析特征研究

李榮亮，李迎陽，周軍紅，徐興倩，彭爾瑞

(1.云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201；2.中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037)

0 引 言

含鹽砂巖風化物剪切強度與含水率和含鹽量直接相關，大量研究表明[3-9]，含水率不同，鹽漬土剪切特性各異。陳煒韜[4]、張寧霞等[5]通過直剪試驗，得到氯鹽鹽漬土的強度在含鹽量一定時，隨含水率的增大而減小，含水率一定時，隨含鹽量的增大先減小后增大的結論。于青青等[6]研究得出，松嫩平原蘇打型鹽漬土的黏聚力和內摩擦角均隨含水率增加而下降。盧佩霞等[7]研究發現，粉土鹽漬土在含鹽量一定時剪切強度隨含水率增大而減小。雷華陽等[8]發現含鹽吹填土的抗剪強度隨含水率增大而增大。也有學者通過對土樣加鹽配置鹽濃度梯度的方法，研究土壤鹽含量與強度的關系[4-5，9-12]。張飛等[10]通過室內三軸試驗測得硫酸鹽漬土內摩擦角受含鹽量影響較小，黏聚力隨易溶鹽含量的增大先減小后增大。付江濤等[11]發現亞硫酸鹽漬土的黏聚力值和內摩擦角均隨含鹽量增加呈先降后增的趨勢，臨界值為5.17%。

1 試驗材料

1.1 試樣采集

試驗土樣取自貫通云南省祿豐縣黑井鎮的新建成昆鐵路驕子山隧道的3號棄渣場。試樣采集時在取樣點先清除棄渣場地表10 cm的表層土壤，然后采集10～50 cm處土體，該土層深度的巖塊皆已風化成土，同時鹽分析出程度較低，正是相對新鮮的含鹽砂巖風化物。棄渣場含鹽砂巖風化物堆積及局部變形破壞與表層鹽析情況見圖1。

表1 基本物理指標

圖1 含鹽砂巖風化物堆積體

1.2 基本物理指標

根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[14]進行相關基礎試驗，測得該土樣的基本物理性質，結果見表1。

由顆粒分析試驗得到該含鹽砂巖風化物的粒徑級配曲線，見圖2。從圖2可知，試驗土樣中黏粒(d≤0.005 mm)、粉粒(0.005 mm

圖2 含鹽砂巖風化物粒徑級配曲線

由擊實試驗得到含鹽砂巖風化物擊實曲線，見圖3。從圖3可知，該含鹽砂巖風化物的最優含水率為18.03%，最大干密度為1.74 g/cm3。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 試樣制備

試樣制備步驟為：①將所取含鹽砂巖風化物烘干碾碎過2 mm篩，去除大顆粒巖塊及有機物等雜質后備用。②在所測得天然含水率值12.46%和最優含水率值18.03%附近取定含水率梯度(12%、14%、16%、18%、20%)，并配置5組不同含水率的濕土備用。③根據試樣體積和設計干密度稱取相應質量濕土，擊實裝入體積為500 cm3的環刀中；將5組不同含水率的濕土分別制成各20件、共100件試樣備用；④將制好試樣于室溫(25 ℃)條件下靜置使其自然鹽析，分別經過0、1、3、5、7 d，刮取試樣表面鹽析層用于測定鹽析量；再用內徑61.8 mm、高度20 mm的環刀在500 cm3環刀土樣中心處制取1式4份的環刀樣用于直剪試驗。

2.2 試驗方法

鹽析量的測定采用質量法，步驟如下：①將從500 cm3環刀試樣表面鹽析層刮取的鹽析物烘干，按照土水質量比為1∶5的比例溶解于蒸餾水中，得到懸濁液，然后利用真空泵抽氣設備過濾，得到易溶鹽待測澄清液。②將易溶鹽待測澄清液水浴蒸發，直至得到白色殘渣，過程中可用滴管滴加少量15%的雙氧水氧化去除有機質。③將所得蒸發白色殘渣在105～110 ℃條件下烘干4～8 h，取出于干燥器中冷卻后稱量，反復進行直至2次質量之差不大于0.000 1 g時，所稱得質量即為對應土樣的鹽析量。

直剪試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產的ZJ型應變控制式直剪儀(四聯剪)進行，剪切速率為0.8 mm/min，施加豎向荷載為100、200、300 kPa和400 kPa，以剪切位移為6 mm作為試驗結束的依據，過程中記錄試樣剪壞時的剪應力測力計讀數。

3 結果分析

3.1 含水率對含鹽砂巖風化物強度的影響

含鹽砂巖風化物土樣初始含水率設為12%、14%、16%、18%和20%，在室溫(25 ℃)條件下靜置鹽析1、3、5、7 d，分別測得對應時間段內試樣表層鹽析量與內部含水率的變化情況及抗剪強度參數，結果見表2。

本款集總高通濾波器采用相對介電常數為8.2的陶瓷材料，損耗角正切為0.001，濾波器的尺寸為3.2mm×1.6mm×0.94mm，加工完成后，其外形如圖7所示。

圖5 內摩擦角與含水率的關系

綜上，黏聚力和內摩擦角與含水率的關系變化趨勢相同。由此可知，該類含鹽砂巖風化物的含水率在最優含水率附近剪切強度達到峰值。

3.2 鹽析對含鹽砂巖風化物強度的影響

不同初始含水率下含鹽砂巖風化物黏聚力及內摩擦角與鹽析天數的關系分別見圖6、7。從圖6、7可知，當初始含水率大于等于16%時，黏聚力隨鹽析天數的增長先減小后增大后出現回落。而初始含水率小于16%時，黏聚力隨鹽析天數的增加呈現先緩慢下降后趨于穩定的變化趨勢；內摩擦角隨鹽析天數增加呈現先增大后減小再趨于穩定的變化趨勢，受鹽析天數影響相對較小。

圖6 黏聚力與鹽析天數的關系

圖7 內摩擦角與鹽析天數的關系

隨著鹽析天數的增加，含鹽砂巖風化物試樣含水率和鹽析量均發生變化，分析可知，鹽析過程可歸納為3個階段：

(1)鹽析初期。鹽析量和含水率變化均較為明顯，試樣內摩擦角和黏聚力同時受兩者影響，變化情況較為復雜。

(2)鹽析中期。實際含水率小于含鹽砂巖風化物最優含水率，鹽析量仍在增大，試樣的內摩擦角和黏聚力受鹽析量變化影響較大，隨鹽析量的增大而增大。該過程中土體內部鹽結晶組成較多，在土孔隙中起骨架作用，使含鹽砂巖風化物的黏聚力及內摩擦角增大。

(3)鹽析后期。鹽析量基本不再增加，含水率仍在減小，試樣的抗剪強度主要受含水率變化影響，隨含水率的減小而減小。由于前期鹽析過程中水鹽運移在土體中形成新的孔隙通道，當表層鹽析量不再增加，而水分依舊在流失時，通道內可能變成真空，土體結構變得相對松散，從而使含鹽砂巖風化物的黏聚力及內摩擦角減小甚至出現驟降現象。

3.3 含水率對含鹽砂巖風化物鹽析特征的影響

不同含水率下鹽析量隨天數的變化見圖8。通過試驗觀測可知，隨著鹽析天數的增加，試樣表層土體逐漸變得松散，可明顯觀測到有白色粉末狀鹽結晶析出，同時土樣內部含水率逐漸下降，試樣表層析出鹽類物質逐漸增多，直到含水率降到12%左右趨于穩定，且初始含水率越大，鹽析速率越快，土樣內部含水率下降速率也越快。

圖8 不同初始含水率下鹽析量隨天數的變化

在鹽析初期，相同跨度的鹽析時段內，初始含水率越高，鹽析量越大；隨著鹽析天數的增長，鹽析速率逐漸下降，直至土樣含水率基本穩定后鹽析停止，且初始含水率越大，鹽析量降低速率越慢，最終鹽析總量越大。不同含水率下各時段的含鹽砂巖風化物鹽析量的具體變化見圖9。

圖9 不同初始含水率下各時段的鹽析量

綜上可知，含鹽砂巖風化物試樣的表層鹽析及內部含水率下降基本是同步進行的。考慮到試樣靜置時處于溫度為25 ℃，空氣濕度為50%的密閉養護室內且四周及底部皆與空氣隔斷，所以試樣體內的水分流失僅考慮表面自然蒸發。因此可初步認定，試樣的鹽析過程是一個試樣體內鹽分隨其毛細水上升的水鹽運移過程，與現有相關研究成果[15]一致。

4 結 語

本文以云南祿豐黑井地區的含鹽砂巖風化物為研究對象，探討土體含水率對含鹽砂巖風化物鹽析情況及剪切強度特性的影響，得出以下結論：

(1)在不同含水率條件下，該含鹽砂巖風化物剪切強度隨含水率增大先增加后減小，其黏聚力和內摩擦角均在含水率為最優含水率附近達到峰值，分別為22.64 kPa和11.91°，該變化與含鹽砂巖風化物中易溶鹽的結晶與溶解情況有關。

(2)在控制含水率及鹽析天數條件下，該含鹽砂巖風化物剪切強度隨鹽析量的增大逐漸增大。第5 d的最優含水率試樣黏聚力和內摩擦角均達到峰值，分別為20.42 kPa和13.39°。

(3)初始含水率越大，該含鹽砂巖風化物的鹽析現象越明顯。而隨著鹽析天數的增加，試樣含水率逐漸下降，試樣表層析出鹽類物質增多，直到含水率降到約12%趨于穩定。鹽析速率和含水率變化速率隨初始含水率的增大而增大，隨鹽析天數的增長而減小直至鹽析停止。該規律符合鹽漬土中水分蒸發時的水鹽運移規律。