张洪萍，杨晓华，韩云山

（1.中北大学土木工程系，山西 太原 030051；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

0 引言

新疆地区为典型的盐渍土地区，土体强度随颗粒组成、含盐量、含水量、温度的变化而变化。其中含盐量和盐分类型是盐渍土强度变化的内部原因，含水量和温度的影响是导致盐渍土强度变化的外部因素，所发生的变化是通过物理变化和化学途径进行的，结果表现为盐渍土的结构重整、膨胀或收缩，分散性、应变率加大，强度降低，从而导致地基严重失稳，给国家造成了很大的经济损失［1-3］。因此，考虑含水量和含盐量的交互作用，对研究盐渍土强度变化有较强的实际意义，这不仅为新疆盐渍土地区的路基和建筑设计提供一些参考的工程参数，对盐渍土的工程病害也有非常大的指导作用。

1 试验制备及试验方案

1.1 试验用土的基本性质

现场土样取自新疆S201线克榆高速公路，取土深度0.1～0.5m。该地区的土大部分易溶盐的含量1％～5％，均超过了规范规定的界限值0.5％，在此深度范围内，类型以氯（亚氯）盐渍土和中硫酸（亚）盐渍土为主，属于弱盐渍土 -中盐渍；土的类型主要以粉土和粉质粘土为主，且液限都很低。粒径主要分布在＜0.074mm的范围内且较均匀。最大干密度1.81～1.96 g/cm3，最佳含水量10.2％ ～14.2％。

1.2 试样制备方法

采用常规的不固结不排水试验，土样含水量的变化采用预湿法，把配制好的土样放在保湿缸内静置的时间不少于24h。土样含盐量的变化首先测出土样的初始含盐量，然后将盐溶解在同样的水中，掺加的含盐量以4％的比例增加，该试件含盐量定义为盐的质量与干土质量的百分比。然后击实成型。按照试验规程用专用的削土器将土样削制成高度为80mm，直径为39.1mm的圆柱形试样。普通三轴试样在制备时一般控制含水量差值应 ＜2％，干密度差值 ＜0.03kN/m3。

1.3 三轴剪切试验方案

试验设备：GDS静三轴仪，该仪器可准确的施加和保持围压，土样体变值的量测比较精确，同时能比较准确测出孔隙压力。

试验准备阶段：对GDS静三轴仪进行检查，排出孔隙压力量测系统的气泡，检查排水管路是否畅通，连接处有无漏水现象，检验橡皮膜是否漏气。

周围压力：围压按常规 100kPa、200kPa、300kPa逐级施加。

剪切应变速率：因为试验用土为粉土和粉质粘土，规程规定按每分钟应变为0.5％ ～1.0％进行剪切，故本试验设定的剪切速度为0.8mm/min。

剪切过程读数标准：由于数据的采集是电脑自动控制，所以读数标准定为每10秒钟读数一次。在试验中，应力无峰值时，按规程取应变ε=15％所对应的偏应力值作为破坏时的极限应力圆的直径，并且轴向应变变化到20％再结束［4］。

2 试验结果

试样经过三轴剪切以后，土样随外界条件的变化发生明显的塑性变形或脆性变形，形状由原来的圆柱形被压成中部鼓出形。试样在偏应力（σ1-σ3）作用下的应力应变关系曲线是研究盐渍土强度变形的基础，图1、图2给出了含水量变化情况下的几组偏应力-应变曲线。由曲线可看到，在试验范围内（σ1-σ2）-ε曲线十分相似，大致都呈双曲线型。［5］参考材料力学对应力-应变曲线的研究方法，把该试验的曲线大致分为三个阶段；第一阶段（从开始到 A点）为应变随应力呈线性增加的弹性阶段；第二阶段（从A点到B点）为应变硬化阶段，这一阶段主要是塑性变形阶段，包括部分弹性变形；第三阶段（B点以后）为破坏阶段，所以，根据破坏强度定义，数据分析中把B点定为破坏点，本文为了减少取点的误差，取最大偏应力为破坏强度［6］。

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图1 在某一含水量下不同围压下的（σ1－σ2）－ε曲线Fig.2 The stress-strain curves of different confining pressure at some water content

图2 同一围压σ3=300M Pa不同含水量下的（σ1－σ2）－ε曲线Fig.2 The stress-strain curves of the same confining pressureσ3=300M Pa at different water contents

图1、图2为相同含盐量不同含水量下应力-应变曲线，由于外界条件的不同，应力-应变曲线存在差异。在初始含水量较高的情况下，当轴向应变较小时，低围压的偏应力反而比高围压的偏应力大一些，这说明围压较小时，土样的结构性还未破坏，因此随应变增大应力增量增长较快，曲线斜率较大；当围压达到一定值时，主应力少有增加，土体的结构即被破坏，体积被压缩；从图中发现，含水量的不同使得试样发生的破坏也不同，在含水量低的条件下发生的是脆性变化，即随着应变的增大，应力由最大值逐渐降低，最后达到稳定值，但随着围压的增大，这种趋势逐渐减弱，这时候可把应力应变曲线的峰值作为破坏强度；而在含水量高的条件下试样发生的却是塑性变化，即在一定应变下应力达到最大值后，应变仍继续增加，土体的这类破坏无明显的破裂面，形成所谓塑流状态的塑性变化，这时把三轴试验的破坏标准定为应变ε=15％时的强度；图2应力应变曲线表明，围压一定时，在轴向应变相同时，初始含水量的增大都会使得偏应力有所减小。含水量越大，初始阶段的应力应变曲线越短，，即起始屈服变形点大都会使得偏应力有所减小。这是因为当含盐量一定时，抗剪强度与土中的含水量的关系较大，当含水量增加时，土中的结晶盐会比原先含水量低时溶解掉的要多，这使得土颗粒间的联结力削弱，抗剪强度下降；而当其含水量较低时，土中液态的盐会转变成固态的盐起着胶结作用，使其抗剪强度增大［1］。

图3、图4为相同含水量不同含盐量下应力-应变曲线，这种情况所表现出的应力-应变曲线形式恰好与含水量变化的曲线形式相反，即在含盐量低时，应力-应变曲线没有明显的峰值，呈加工硬化型，发生的是塑性变形；而随着含盐量的增加，试样发生的却是脆性变形，这种脆性破坏在围压较小（100kPa）时表现得较明显。图4还表明，围压一定在轴向应变相同时，随着初始含盐量的增大偏应力也在增大。这主要是由于盐渍土中的盐晶体填充于土中孔隙及盐的胶结作用，使得盐渍土的抗剪强度受到土中含盐量的影响。当含水量一定时，土中的水所溶解的盐是一定的，当过多的盐晶体填充于土孔隙中时，孔隙水溶液的浓度随着含盐量的增加而不断增大，当盐溶液达到饱和后，土中多余的盐便以固体晶体存在于土中，而成为土骨架的一部分且起重要的胶结作用，从而使抗剪强度在这种条件下随含盐量的增加而增大。

综上所述，盐渍土作为一种特殊的土类，由于其组成由不稳定的物质组成，所以它的强度将随着含水量、含盐量以及受力荷载等因素的变化而变化。

图3 在某一含盐量下不同围压下的（σ1－σ2）－ε曲线Fig.3 The stress-strain curves of different con fining pressure at some salt content

图4 同一围压σ3=300M Pa不同含盐量下的（σ1－σ2）－ε曲线Fig.4 The stress-strain curves of the same con fining pressureσ3=300MPa at different salt content

3 结果分析

极限强度试验取值是取试验破坏点的应力，即用破坏点的极限偏应力作为极限应力。取值标准为：对围压较小，峰值明显的应力应变曲线选峰值作为极限强度；对围压较大，峰值不明显的应力应变曲线一般取曲线上应力不再增大或略有减小的点作为相应的破坏点应力，一般取轴向应变ε=15％时所对应的偏应力（σ1-σ3）作为土体的极限强度。按照此标准分别得到了不同含水量和不同含盐量下的极限强度与应力的关系曲线。［7］

从图5、图6中看到，不论是含水量变化还是含盐量变化盐渍土的抗剪强度与破坏面上的法向应力成正比，且符合库伦定律。

图7为粘聚力和内摩擦角随含水量的变化曲线，由试验结果可知，粘聚力和内摩擦角都随着含水量的增加而减小，含水量小时，粘聚力下降幅度较大几乎成直线关系，含水量高时则不明显，曲线较平缓；而内摩擦角则变现为含水量小时，曲线较陡，含水量高时，曲线下降较缓，总体上含水量的变化对粘聚力和内摩擦角的变化都较明显。主要是因为随着含水量的不同，盐分在土中可呈现不同的状态，这对盐渍土抗剪强度必然产生影响。

图8为粘聚力和内摩擦角随含盐量的变化曲线，从试验结果可以看出，粘聚力随着含盐量的先减小后增大，含盐量小时，曲线变化幅度不大，较平缓，而随着含盐量增大粘聚力上升幅度增大几乎成直线关系；内摩擦角则随着含盐量的增加表现为先增大后减小的趋势，变化幅度不大。前苏联有研究表明盐渍土的抗剪强度随含盐量的增加而增大。本文不同含盐量的盐渍土的抗剪强度试验结果表明，其变化和前苏联研究的结果相近［8］。

图5 不同含水量下极限强度与围压的关系曲线Fig.5 The relationship between limit strength and con fining ressures at different water contents

图9是极限强度与含水量的关系，从图中发现，

极限强度随含水量的增加不断减小。而且随着围压的不同表现出不同的形式。

围压σ=300kPa时，Y=0.1352x2-6.3009x+96.116

围压σ=200kPa时，Y=0.3513x2-12.688x+132.41

围压σ=100kPa时，Y=0.3259 x2-11.326x+110.92

图6 不同含盐量下极限强度与围压的关系曲线Fig.6 The relationship between limit strength and con fining pressure at different salt con tents

图8 粘聚力和内摩擦角随含盐量变化曲线Fig.8 Curves of cohesions and friction angles with different salt con tents

图9 极限强度随含水量变化曲线Fig.9 Curves of limit strength for different water contents

图10 极限强度随含盐量变化曲线Fig.10 Curves of limit strength for different salt contents

图10是极限强度与含盐量的关系，从图中发现，极限强度随含盐量的增加不断增加。呈非线性关系。同样围压不同，回归方程不同。

围压σ=300kPa时，Y=0.1431x2-0.9398x+35.313

围压σ=200kPa时，Y=0.3097x2-3.1735x+30.984

围压σ=100kPa时，Y=0.3428 x2-4.0414x+26.806

通过多次试验验证，以上回归方程与试验结果的拟合程度较好。

4 结论

（1）盐渍土与非盐渍土的应力-应变曲线形式大致相同，即都呈现双曲线型，都可以将曲线分为三个阶段：第1阶段为弹性阶段，第2阶段为应变硬化阶段，第3阶段为破坏阶段。盐渍土的抗剪强度与破坏面上的法向应力成正比，且符合库伦定律。

（2）含水量和含盐量的不同使得试样发生的破坏也不同。在含水量低的条件下发生的是脆性变化，含水量高的条件下试样发生的是塑性变化；不同含盐量下的应力-应变曲线特征恰好与含水量变化的曲线特征相反，即在含盐量低时，应力 -应变曲线没有明显的峰值，呈加工硬化型，发生的是塑性变形，随着含盐量的增加，试样发生的是脆性变形，含水量和含盐量之间存在一组值作为不同应力-应变曲线特征的临界值，此临界值的大小还有待进一步的试验研究。

（3）人工加盐制备不同含盐量的盐渍土的抗剪强度试验表明，粘聚力随着含盐量的增加先减小后增大，内摩擦角有先增大后减小的趋势，强度参数随含水量的变化表现较明显；由不同含水量的盐渍土的抗剪强度试验表明，粘聚力和内摩擦角都随着含水量的增加而减小 ，其中粘聚力随含盐量的变化表现较明显，而内摩擦角变化不明显。

（4）极限强度与含水量和含盐量之间的关系符合二次抛物线变化规律，在不同应力作用下，抛物线形式不同。

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