鹽分及含水率對甘肅黑方臺黃土強度的影響研究

馬建全　 邱勇強　趙曉杰　李凱　李識博　段釗

摘要： 文章以甘肅黑方臺灌區黃土滑坡區黃土為研究對象，開展了滑坡區鹽分調查及水土化學特征分析，進行了不同易溶鹽含量及不同含水率條件下的重塑黃土三軸固結不排水剪切試驗，探討鹽分及含水率對黃土強度的影響。結果表明：滑坡區土樣中易溶鹽含量范圍為0.15%～4.55%，易溶鹽主要是以Na2SO4和NaCl為主;水化學分析顯示灌溉水入滲及溶濾臺塬黃土中的可溶鹽，經優勢通道在坡腳以泉點滲出等方式排泄并富集;試樣抗剪強度隨易溶鹽含量的增加而提高，隨含水率的增加而降低;不同易溶鹽及含水率條件下，抗剪強度參數黏聚力變化范圍為4.2～57.1 kPa，內摩擦角變化范圍為23.1°～33.5°，黏聚力對易溶鹽及含水率的變化更敏感。

關鍵詞： 易溶鹽; 含水率; 黑方臺; 黃土; 抗剪強度

中圖分類號： TU444 文獻標志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0819-08

DOI：10.20000/j.1000－0844.20200519005

Effects of salinity and moisture content on the strengthof loess in Heifangtai， Gansu Province

MA Jianquan QIU Yongqiang ZHAO Xiaojie LI Kai3， LI Shibo DUAN Zhao1

Abstract：? The loess in the landslide area of the Heifangtai irrigation district in Gansu Province was taken as the research object in this study. The salt content and the chemical characteristics of the soil and water in the landslide area were investigated. A series of triaxial consolidation undrained shear tests was conducted on remolded loess with different soluble salt contents and moisture contents to explore the effects of the salinity and moisture content on the shear strength of the loess in this region. The results showed that （1） The soluble salt contents in the samples ranged from 0.15% to 4.55%， and the main components were Na2SO4 and NaCl. （2） The hydrochemical analysis showed that the irrigation water infiltrated and dissolved the soluble salt in the plateau loess， which was discharged and enriched at the slope foot in the form of spring point seepage. （3） The shear strength of the samples increased with the increase in the soluble salt content and decreased with the increase in the water content. （4） Under the conditions of different soluble salts and water contents， the cohesion varied from 4.2 kPa to 57.1 kPa， and the internal friction angle varied from 23.1° to 33.5°. The cohesion was more sensitive to changes in the soluble salt and moisture contents.

Keywords： soluble salt; moisture content; Heifangtai; loess; shear strength

0 引言

甘肅永靖縣鹽鍋峽鎮黑方臺灌區，由于長期進行大量引水灌溉活動，在塬邊形成了約10 km的滑坡密集發育帶，1984—2019年已頻繁發生滑坡災害約150次［1］。在野外調查中發現黃土滑坡災害發育區域分布有大量的“析鹽”現象（圖1，圖2）。“鹽隨水來，鹽隨水去”是黃土中鹽分運移的基本規律，土的積鹽和脫鹽完全受水鹽運移過程控制［2］。在外塬引水灌區，長期的入滲作用加劇了黃土滲透帶的水鹽運移作用［3］，使得土體中含水率及水溶鹽類含量發生了改變，而含水率及水溶鹽類的含量，又是影響黃土強度的重要因素。

關于水鹽效應對黃土強度影響的研究，國內外學者大多從含水率和鹽分含量方面做了大量工作。含水率方面，眾多學者利用常規直剪和三軸試驗獲得了含水率對黃土抗剪強度的影響，但試驗結果存在很大的差異性。如邢鮮麗等［4］基于三軸試驗得到了黏聚力隨含水率的增大先減小后增大，內摩擦角隨含水率增大而減小的試驗規律。而廖紅建等［5］基于直剪試驗得到了黏聚力隨含水率的增大先增大后減小的相反試驗規律。李保雄等［6］在研究不同沉積時代黃土抗剪強度水敏感性機制時，也發現了黃土抗剪強度隨含水率的不同衰減規律，并提到可能與易溶鹽和結構性有關。鹽分含量方面，一些學者研究了洗鹽（去鹽）、增鹽對黃土抗剪強度的影響，如邴慧等［7］發現洗鹽后土體的抗剪強度參數有不同程度的增大，而更多的研究得出去鹽后土體抗剪強度降低的試驗結果［8－10］。沈云霞等［11］、崔自治等［12］發現黃土的抗剪強度隨易溶鹽含量的增大而減小，但也有研究表明黃土抗剪強度隨易溶鹽含量的增加呈先增大后減小的趨勢［13－15］。

綜上研究，水鹽對黃土強度影響的差異性較大，且水鹽效應對黃土強度影響的研究都是針對土體工程地質性質，而對黑方臺灌區塬邊黃土滑坡區且同時考慮鹽分及含水率對黃土強度影響的研究鮮有報道。因此，本文以黑方臺黃土滑坡區黃土為研究對象，開展滑坡區水鹽運移調查及水土化學特征分析，并基于水土化學特征開展6個鹽分含量、6個含水率條件下的重塑黃土三軸固結不排水剪切試驗，探討鹽分及含水率對甘肅黑方臺黃土強度的影響，為黑方臺灌區黃土滑坡形成機理及影響因素認識提供一定的理論參考。

1 滑坡區鹽分調查及分析

對甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮黑方臺焦家村塬邊滑坡的后緣、前緣、滑體和后壁等部位進行了取樣，取樣位置如圖3所示，取樣深度約15 cm，共19份土樣。對取回的試樣進行烘干，過2 mm篩，依照《土工試驗方法標準》［16］，對試樣進行易溶鹽含量測試（表1）。如表1所列，滑坡區試樣中易溶鹽含量最小值0.15%，最大值4.55%，平均值0.70%，其中陽離子以Na+與K+為主，最大含量可達13 262 mg/kg，陰離子以SO2-4和Cl-為主，Cl-離子含量最大可達16 286 mg/kg。易溶鹽主要是以Na2SO4和NaCl為主。此外，還對黑方臺東側黃河水、灌溉水及滑坡后緣坡腳泉點等水樣，依照《鐵路工程水質分析規程》進行了水化學特征分析（表2）。如表2所列，由于灌溉水來源于黃河水，二者之間離子含量接近，但滑坡后緣泉點的各個離子含量及溶解性固體TDS值遠大于灌溉水和黃河水。灌溉水入滲溶濾臺塬上部黃土結構體系中的可溶鹽，經優勢通道在坡腳以泉點滲出等方式排泄并富集鹽分。

由滑坡區鹽分調查數據可知，灌溉入滲加劇了黃土滲透帶的水鹽運移作用，改變了黃土結構體系中可溶鹽含量及含水率，由此可能會影響黃土強度特性及黃土斜坡穩定性。因此，本文重點討論坡腳處黃土在增鹽效應及不同含水率條件下強度的變化規律。

2 試樣及試驗方案

2.1 土樣采集及基本物理化學性質

試驗所用土樣采自黃土滑坡后壁，為上更新統風積黃土。土樣呈灰黃色，疏松多孔，具有大孔結構。

依照《土工試驗方法標準》，對土樣進行了含水率、密度、比重及界限含水率等測試，采用Bettersize2000型激光粒度分析儀對土樣顆粒組成進行了測試，黃土試樣基本物理性質如表3所列。采用d/max－2500v型X射線衍射儀對土樣礦物成分進行測試（表4），黏土礦物總量約23.0%。黃土試樣易溶鹽成分及含量如表5所列。

2.2 試樣制備

本試驗試樣是通過在重塑黑方臺黃土土樣中加入鹽的方式制作不同易溶鹽含量的重塑土樣獲得的。首先對野外采集回來的樣品烘干后過2 mm篩，按照《土工試驗方法標準》，配置一定含水率的試樣，在此過程中控制加入水量及溶液濃度來控制易溶鹽含量，這樣做的目的是為了使鹽分均勻分布在試樣中。由表1可知，調查點土樣中易溶鹽含量最大為4.55%，試驗所用土樣易溶鹽含量為0.40%（表5）。控制含水率為2%（風干）、7%（天然）、13%、18%、23%、28%，采用NaCl制備不同濃度的溶液（分別為0、10%、12%、14%、16%、18%）。則試驗試樣的易溶鹽含量如表6所列。

2.3 試驗儀器及試驗方案

試驗儀器為SLB－1A型應力應變控制式三軸儀，試驗設定剪切速率為0.1 mm/min。設計6個含水率（2%、7%、13%、18%、23%和28%）、6個鹽分溶液濃度（0、10%、12%、14%、16%和18%）、3個有效圍壓（100 kPa、200 kPa和300 kPa）共36組108個試樣的三軸固結不排水剪切試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 抗剪強度參數隨鹽分及含水率總體變化

將108個試樣以試樣破壞時平均應力pf為橫坐標，試樣破壞時偏應力qf為縱坐標，分析pf－qf關系，如圖4所示。由圖4可知，鹽分和含水率對抗剪強度參數影響較大，試樣黏聚力變化范圍在4.2～57.1 kPa，內摩擦角變化范圍在23.1°～33.5°。

3.2 鹽分對黃土強度的影響

選取含水率為7%的試樣進行鹽分條件對強度的影響分析。

（1） 應力－應變關系曲線

不同含鹽條件下試樣的應力－應變關系曲線如圖5所示。由圖5可知，所有鹽分條件下試樣的應力－應變關系曲線均呈應變硬化狀態，無峰值出現，因此，取軸向應變為15%時的應力為破壞應力。不同鹽分條件下黃土試樣破壞時的應力如表7所列。

（2） 強度參數

基于試樣破壞時的平均應力pf和偏應力qf，計算抗剪強度參數黏聚力和內摩擦角，如表7所列。抗剪強度參數隨不同含鹽條件的變化規律如圖6所示。黏聚力變化范圍在15.4～21.9 kPa，隨鹽分含量增加而增加，且增加幅度顯著;內摩擦角變化范圍在28.2°～30.2°，隨鹽分含量增加變化幅度較小。鹽分含量對黏聚力的影響較大，對內摩擦角的影響較小。黏聚強度主要來源于膠結材料的聯結作用，摩擦強度更多取決于顆粒之間的咬合摩擦作用［10］，由此可見，鹽分對黃土強度的影響應主要顯現在黏聚力上。

3.3 含水率對黃土強度的影響

選取添加溶液濃度為16%的試樣進行含水率條件對強度的影響分析。

（1） 應力－應變關系曲線不同含水率條件下試樣的應力－應變關系曲線如圖7所示。由圖7可知，試樣在含水率為2%（風干）且低圍壓條件下的應力－應變關系曲線呈應變軟化狀態，有峰值，其他的均呈應變硬化狀態，無峰值出現。因此有峰值時，取峰值點為破壞應力;無峰值時，取軸向應變為15%時的應力為破壞應力。

不同鹽分條件下黃土試樣破壞時的應力如表8所列。

（2） 強度參數

抗剪強度參數隨不同含水率條件的變化規律如圖8所示。黏聚力變化范圍在4.8～36.2 kPa，隨含水率增加而減小，且減小幅度顯著;內摩擦角變化范圍在24.3°～32.5°，隨含水率增加變化較明顯。黏聚力對非飽和黃土含水率的變化更敏感。

4 結論

（1） 滑坡區土樣中易溶鹽含量最小值為0.15%，最大值為4.55%，平均值為0.70%，其中陽離子以Na+和K+為主，陰離子以SO2-4和Cl-為主，易溶鹽主要以NaSO4和NaCl為主。灌溉水入滲溶濾臺塬上部黃土結構體系中的可溶鹽，經優勢通道在坡腳以泉點滲出等方式排泄并富集鹽分。

（2） 相同含水率條件下，抗剪強度參數黏聚力隨鹽分含量增加而增加，且增加幅度顯著;而內摩擦角隨鹽分含量增加變化幅度較小。鹽分含量對黏聚力的影響較大，對內摩擦角的影響較小。

（3） 相同鹽分含量條件下，抗剪強度參數黏聚力隨含水率增加而減小，且減小幅度顯著;內摩擦角隨含水率增加變化明顯，黏聚力對非飽和黃土含水率的變化更敏感。

（4） 不同易溶鹽及含水率條件下，試樣黏聚力對易溶鹽及含水率的變化更敏感。

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Ministry of Housing and Urban－Rural Development of the People's Republic of China. Standard for geotechnical testing method：GB/T 50123—2019［S］.Beijing：China Planning Press，2019.

（本文編輯：賈源源）

收稿日期：2020-05-19

基金項目：國家自然科學基金項目（41602359，41907255，42177155）；青海省青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室資助項目（2019－KZ－01）

第一作者簡介：馬建全（1983-），男，新疆和靜人，博士，講師，主要從事巖土體穩定與地質災害防治方面的工作。E－mail：majianquan@xust.edu.cn。

通信作者：李識博（1987-），女，內蒙古赤峰人，博士，講師，主要從事巖土體滲透變形方面的工作。E－mail：lishibo@xust.edu.cn。