含水量、可溶鹽對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度影響研究

摘" 要：該文以陜西涇陽非飽和黃土為研究對(duì)象，采用直剪、環(huán)剪試驗(yàn)探究不同含水率、含鹽量條件下非飽和黃土抗剪強(qiáng)度（黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ）變化趨勢。試驗(yàn)結(jié)果表明，①隨含水率的增加，黏聚力表現(xiàn)為先增大，塑限附近達(dá)到峰值，此后逐漸減小；內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為持續(xù)減小；②易溶鹽含量的增加或減少會(huì)增大土體黏聚力、內(nèi)摩擦角，但隨含水率的增加c、φ值增加趨勢逐漸減緩；③不同含水率條件下含鹽量對(duì)c、φ值的影響強(qiáng)弱有所不同。當(dāng)含水率較低時(shí)，易溶鹽含量對(duì)c、φ值有明顯的提升，當(dāng)含水率接近飽和時(shí)c、φ值受含鹽量影響較小，均表現(xiàn)為趨于定值。

關(guān)鍵詞：非飽和黃土；易溶鹽；含水率；抗剪強(qiáng)度；重塑黃土

中圖分類號(hào)：TU444" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0052-04

Abstract： In this paper， taking the unsaturated loess in Jingyang， Shaanxi Province as the research object， direct shear and ring shear tests were used to explore the changing trend of shear strength （cohesion c， internal friction angle φ） of unsaturated loess under different water content and salt content. The test results show that： （1） With the increase of water content， the cohesion increases at first， reaches the peak near the plastic limit， and then decreases gradually; the internal friction angle decreases continuously; （2） the increase or decrease of soluble salt content will increase soil cohesion and internal friction angle， but the increasing trend of c and φ values slow down gradually with the increase of water content; and （3） the effects of salt content on c and φ values are different under different water content conditions. When the water content is low， the soluble salt content increases the values of c and φ obviously. When the water content is close to saturation， the values of c and φ are less affected by the salt content， and both tend to be fixed.

Keywords： unsaturated loess; soluble salt; moisture content; shear strength; remolded loess

黃土分布廣泛，覆蓋我國西北、華北及東北松遼平原等地約63.5萬km2，約占國土面積6.6%[1]。隨著“一帶一路”建設(shè)項(xiàng)目的開展，坐落于黃土分布地區(qū)的工程建設(shè)亦逐漸增多，如已經(jīng)建成的川藏鐵路、正在施工的中國國際絲路中心大廈“秦天柱”等工程建設(shè)。在內(nèi)外因素影響下，土體發(fā)生剪切破壞造成如滑坡、地基失穩(wěn)等災(zāi)害。而黃土發(fā)生剪切破壞的直接原因是由于含水量的增加，顆粒間黏聚力降低乃至消失從而不足以抵抗土體的下滑力，進(jìn)一步產(chǎn)生剪切破壞。另一方面，含水率的增加會(huì)使鹽分發(fā)生溶解，從而使得易溶鹽膠結(jié)作用喪失，土體黏聚力降低，進(jìn)而加劇土體破壞。因土體剪切破壞造成的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重危及人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土體強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了大量研究。米海珍等[2]研究得出隨含水量增加，土體c、φ值均減小且c值降低幅度遠(yuǎn)大于φ值。黨進(jìn)謙等[3]認(rèn)為c值與含水量呈二次曲線關(guān)系、φ值與含水量呈一次線性關(guān)系；Gratchev等[4]認(rèn)為c、φ隨含水量變化趨勢與土體塑限相關(guān)。張寧寧等[5]研究得出易溶鹽對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值的影響要比對(duì)φ值的影響大。Zettlemoyer[6]得出易溶鹽濃度會(huì)提高土體強(qiáng)度，但濃度過高影響雙電層厚度進(jìn)而降低土體強(qiáng)度。

然而對(duì)土體強(qiáng)度的影響研究多為單一因素，未考慮多因素作用下土體強(qiáng)度的變化趨勢。基于以上研究現(xiàn)狀，本文以陜西涇陽黃土為研究對(duì)象，探究在含水量、可溶鹽含量變化的條件下非飽和黃土抗剪強(qiáng)度的變化趨勢，以期為黃土地區(qū)工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣來自陜西涇陽南塬地區(qū)，取土深度約0.5～1.0 m，室內(nèi)試驗(yàn)測得土樣的基本物理參數(shù)見表1。對(duì)所采集土樣晾曬風(fēng)干，碾碎過2 mm篩。土樣含水率設(shè)置5%、10%、15%、20%、25%、飽和6個(gè)梯度，可溶鹽添加采用對(duì)風(fēng)干土樣噴灑不同濃度的鹽溶液（NaCl溶液），溶液濃度依次為0、5%、10%、15%、20%、25%、飽和7個(gè)梯度，共42組試樣，將制得的試樣放置于陰涼處24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

2" 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

2.1" 直剪試驗(yàn)

本次直剪試驗(yàn)采用如圖1所示的ZJ-4型應(yīng)變控制式直剪儀，將試樣制成Φ61.8 mm×20 mm圓柱體，采用0.8 mm/min剪切速率進(jìn)行試驗(yàn)，分別在法向壓力100、200、300、400 kPa下，測得不同法向壓力條件下42組試樣剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，進(jìn)而換算得出該條件下土樣c、φ值。

2.2" 環(huán)剪試驗(yàn)

本次環(huán)剪試驗(yàn)采用如圖2所示的27-WF2202型Bromhead全自動(dòng)環(huán)剪儀，將土樣均勻裝入如圖2（b）所示的剪切盒中（外徑100 mm、內(nèi)徑70 mm、高5 mm）進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置0.8 mm/min速率，采用單剪的剪切方法，即每次試驗(yàn)的試樣只在一級(jí)法向壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，當(dāng)法向壓力為另外一級(jí)壓力時(shí)，才用下一個(gè)試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)法向應(yīng)力分別設(shè)置100、200、300、400 kPa 4個(gè)梯度。

3" 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

直剪試驗(yàn)所得土樣c、φ值結(jié)果如圖3所示。

圖中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；ω為含水率；ω5代表該組試樣含水率為5%；n代表鹽溶液濃度；n0代表鹽濃度為0；ω5、n0代表含水率為5%、鹽溶液濃度為0的試樣。

根據(jù)圖3（a）可知，當(dāng)溶液濃度相同，隨含水率的增加黏聚力表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，表現(xiàn)為含水率小于塑限時(shí)，黏聚力隨含水量增加而增大，塑限附近達(dá)到峰值；當(dāng)含水率大于塑限時(shí)，黏聚力隨含水量的增加而減小。當(dāng)含水率相同時(shí)，隨溶液濃度的增加黏聚力增大，且這種變化趨勢在15%～25%（液塑限附近）變化幅度最大[2]，這也與前人研究成果表現(xiàn)出一致性。當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，黏聚力受溶液濃度的影響較小，表現(xiàn)為隨溶液濃度增加黏聚力增加，但增加幅度較小。分析認(rèn)為，當(dāng)含水率較小時(shí)，土顆粒吸附的強(qiáng)結(jié)合水膜厚度尚未達(dá)到峰值，因此隨含水率增加土顆粒強(qiáng)結(jié)合水膜增厚，從而表現(xiàn)為黏聚力隨含水率增加而增大；當(dāng)含水率繼續(xù)增大時(shí)，出現(xiàn)弱結(jié)合水膜及自由水，弱結(jié)合水膜減弱了土顆粒之間的相互吸引力，同時(shí)自由水充當(dāng)潤滑劑減小了土顆粒之間的摩擦力，因此表現(xiàn)為隨含水率的繼續(xù)增加黏聚力減小；當(dāng)含水率繼續(xù)增加至接近飽和時(shí)，土中弱結(jié)合水膜達(dá)到最大，有效自由水含量達(dá)到最大，因此黏聚力基本上趨于定值。

根據(jù)圖3（b）可知，當(dāng)溶液濃度相同時(shí)，隨含水率的增加內(nèi)摩擦角逐漸減小；當(dāng)含水率相同時(shí)，隨溶液濃度增加內(nèi)摩擦角逐漸增大。當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，內(nèi)摩擦角趨于定值。分析認(rèn)為，水充當(dāng)潤滑劑減弱了土顆粒之間相互摩擦作用，隨著含水率的增加對(duì)摩擦作用的減弱更為明顯，因此表現(xiàn)為隨含水率增大內(nèi)摩擦角減小，當(dāng)土孔隙中有效自由水飽和時(shí)，內(nèi)摩擦角趨于定值，從而表現(xiàn)為含水率大于20%時(shí)內(nèi)摩擦角變化趨勢減緩，在含水率飽和時(shí)趨于穩(wěn)定。

當(dāng)含水率相同時(shí)，隨溶液濃度的增大，土體c、φ值均逐漸增大，這是因?yàn)橐兹茺}（氯化鈉）充當(dāng)顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)使土顆粒團(tuán)聚在一塊，同時(shí)鈉離子（Na+）吸引帶負(fù)電的土顆粒減小了土顆粒之間的間距，因此隨溶液濃度的增大，c、φ值均表現(xiàn)為增大的趨勢。當(dāng)含水率繼續(xù)增大時(shí)，土中弱結(jié)合水增多出現(xiàn)自由水，易溶鹽的膠結(jié)作用減弱，溶液濃度（易溶鹽含量）對(duì)土體c、φ值的影響減弱，因此表現(xiàn)為c、φ值差異減小并趨于定值。

3.2" 環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果分析

環(huán)剪試驗(yàn)所得土樣φ值結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，環(huán)剪試驗(yàn)中內(nèi)摩擦角φ值的變化趨勢與圖3（b）中直剪試驗(yàn)相同。但環(huán)剪試驗(yàn)土體內(nèi)摩擦角φ值整體小于直剪試驗(yàn)，這是因?yàn)橹奔粼囼?yàn)反映土體的峰值強(qiáng)度，而環(huán)剪試驗(yàn)反映土體殘余強(qiáng)度，同時(shí)環(huán)剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中通常設(shè)定土體黏聚力c值為0，因此環(huán)剪試驗(yàn)中內(nèi)摩擦角φ值包含假黏聚力，因此φ值有一定的增大[7-8]。在本次試驗(yàn)中，環(huán)剪試驗(yàn)中φ值約為直剪試驗(yàn)的90%，這表明雖然環(huán)剪試驗(yàn)內(nèi)摩擦角φ值包含一部分假黏聚力，但數(shù)值仍小于直剪試驗(yàn)測得的峰值強(qiáng)度。

4" 結(jié)論

1）隨著含水率的增加，土體內(nèi)摩擦角φ表現(xiàn)為持續(xù)減小；黏聚力c表現(xiàn)為先增大后減小，在塑限附近達(dá)到峰值。當(dāng)ω小于等于ωP時(shí)，黏聚力隨含水率增大而增大；當(dāng)ω大于等于ωP時(shí)黏聚力隨含水率增大而減小。并且當(dāng)ω在ωP與ωL之間時(shí)黏聚力變化幅度較大。

2）易溶鹽濃度會(huì)增大土體c、φ值，但這種提升作用隨含水率的增加而減緩。

3）含水率對(duì)土體c、φ值的影響大于易溶鹽濃度，在含水率較低時(shí)易溶鹽濃度對(duì)c、φ值均有不同程度的提升，但隨著含水率的增加，易溶鹽對(duì)c、φ值增大幅度逐漸減緩，當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，不同易溶鹽濃度土樣c、φ值均趨于定值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝定義，姚仰平，黨發(fā)寧.高等土力學(xué)：Advanced soil mechanics[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 米海珍，李如夢，牛軍賢.含水量對(duì)蘭州黃土剪切強(qiáng)度特性的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18（1）：78-81.

[3] 黨進(jìn)謙，李靖.非飽和黃土的強(qiáng)度特征[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19（2）：56-61.

[4] GRATCHEV I B， SASSA K. Cyclic behavior of fine-grained soils at different pH values[J]. Journal of Geotechnical amp; Geoenvironmental Engineering， 2009，135（2）：271-279.

[5] 張寧寧，駱亞生.易溶鹽對(duì)黃土強(qiáng)度特性的影響[J].人民黃河，2014，36（8）：103-105.

[6] ZETTLEMOYER A C. An introduction to clay colloid chemistry[J]. Advances in Colloid and Interface Science， 1978，9（2）：144.

[7] AZZAM W R， BASHA A. Utilization of soil nailing technique to increase shear strength of cohesive soil and reduce settlement[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2017，9（6）：116-123.

[8] 李冬陽，趙競哲.易溶鹽濃度對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度影響研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（25）：104-106.