水盐含量对寒旱区黄土状盐渍土强度特性和渗透特性的影响

2023-10-14马欢欢常立君

科学技术与工程 2023年28期

马欢欢, 常立君,2*

(1.青海大学土木工程学院, 西宁 810016; 2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室, 西宁 810016)

盐渍土是盐土、碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称。《岩土工程勘察规范》[GB 50021—2001(2009)][1]中规定,盐渍土是指易溶盐含量大于0.3%,并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性的土。特殊的工程性质极易对工程建设带来不利影响[2-3]。黄土状盐渍土作为广泛分布于黄土高原与青藏高原的特殊土,因富含硫酸根离子和金属离子,且这些离子随外界环境变化较为敏感,故其力学性质和渗透特性不同于一般土体。

关于硫酸盐渍土的力学性质诸多学者进行了系统研究。文献[4]研究表明,盐渍土的抗剪强度与含盐量呈正相关关系。钱晓明[5]研究了含水率、压实度、含盐量、冻融循环等多因素下的硫酸盐渍土抗剪强度指标,结果表明,压实度与含水率在一定范围内对黏聚力有增强作用,但超过临界值会降低黏聚力,含盐量与冻融循环次数对黏聚力具有削减作用。马君泽等[6]研究了不同含盐量和不同干湿循环周期下的硫酸盐渍土的抗剪强度,结果表明随着含盐量的增大,土样的黏聚力呈现出先减小后增大的趋势,内摩擦角则随着含盐量的增大而减小。Liu等[7]通过结合室内试验和数理统计方法,对不同盐含量、降温速率、氯硫比下土壤的盐冻溶胀力的变化进行了实验研究,建立了硫酸盐渍土和含氯化钠硫酸盐土的最终盐冻膨胀力预测模型。Wang等[8]以颗粒级配、压实度、含水率和硫酸钠含量为自变量,研究了冻结作用下土样的结晶变形特性,研究结果可为盐碱地土地资源的利用和管理提供指导。

土体的渗透系数影响因素较多,研究表明初始孔隙比、干密度、冻融循环、初始含水率等因素均会影响土体的渗透特性[9-13]。目前有关盐渍土的渗透特性研究较少,主要研究了含盐量、干重度、含盐类型、含水率等对盐渍土渗透特性的影响。邓友生等[14]以青藏地区的黏土和粉土为研究对象,研究了干容重、含盐量及含盐类型对土体渗透系数的影响。刘力等[15]通过变水头渗透试验研究指出,硫酸盐盐渍土的渗透系数随含盐量的增大而减小。徐文硕[16]通过室内试验与扫描电镜,研究了含盐量、含水率、干密度及冻融循环对盐渍土渗透性能的影响。Liu等[17]采用多种微观试验手段,对黄河三角洲区域的盐渍土的渗透特性进行了研究,建立了当地的排盐工程模型。郭爱科等[18]通过模拟降雨,研究了不同降雨时长、降雨强度等影响因素下盐渍土的雨水入渗能力,结果表明,降雨总量对盐渍土土壤含水率影响最为显著,降雨强度次之。车宝等[19]以粗粒盐渍土为研究对象,结合现场试验和室内试验,指出盐渍土的渗透性受中溶盐含量、易溶盐的含量和颗粒粒径影响显著。

综上可知,不同土体的抗剪强度参数及渗透系数均随外界环境变化(含盐量、含水率等)呈现出不同的变化趋势,但现有文献大多以盐渍土的力学特性或渗透特性为切入点,少有研究将其力学特性与渗透特性联系起来。此外多数研究以宏观试验为主,没有从微观量化角度对宏观现象进行解释说明。鉴于此,以分布在西宁市坡洪积扇上的黄土状盐渍土为研究对象,考虑其特殊的工程性质在此类地区常会引起一些工程病害,如建(构)筑物裂缝、地基下沉、基础腐蚀、边坡滑塌等,通过室内三轴、恒水头渗透和扫描电镜等试验方法,评价黄土状盐渍土的力学特性和渗透特性,以期对本地区的工程安全提供理论依据。

1 试验方案及材料

1.1 试验仪器

三轴试验使用的仪器为SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,该仪器由应力应变控制器、加载系统及软件系统组成(图1)。

图1 SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪Fig.1 SLB-1 stress-strain controlled triaxial shear seepage tester

1.2 试验方案

本次试验用土取自西宁市北山滑坡带,为黄土状土。研究指出西宁市区内的盐渍土全盐量最大为5%[20],北山边坡的含盐量平均值为1.2%[21],综合考虑确定无水硫酸钠的掺量为0、0.8%、1.2%、3.2%、5.2%;并依据该土样的天然含水率、液塑限等综合确定试验试样的含水率分别为9%、12%、15%和18%,干密度取天然干密度1.55 g/cm3,试验方案如表1所示。

表1 黄土状盐渍土力学特性及渗透特性试验方案Table 1 Test scheme of mechanical properties and permeability properties of loess saline soil

1.3 试验材料及试验过程

天然土样取回后进行室内基本物理性质试验,试验后得出土样的基本物理性质指标如表2所示,颗粒级配曲线如图2所示。

表2 试验用土的基本物性指标Table 2 Basic physical properties of test soil

图2 天然土样颗粒级配曲线Fig.2 Particle gradation curve of natural soil sample

将无水硫酸钠与烘干碾碎过2 mm筛后的干土按目标配比搅拌均匀,依据试验设定的含水率,分别配置不同含水率和不同含盐量的土样,在击样器中分五层击实为直径39.1 mm,高度80 mm的圆柱形试样,每个试验条件下试样制备6个,两个为力学平行试样,两个为渗透平行试样,两个用于电镜扫描试验。

力学性质试验中,试验类型为不固结不排水三轴试验,围压分别设置为50、100、200 kPa,加载速率为0.8 mm/min,试验参数在软件系统中设置无误后即可开始试验,待围压达到设定值后开始剪切。

恒水头渗透试验中,反压差设置为10 kPa,围压50kPa,待围压达到设定值后开始渗透,当数据采集器中上游流量和排水流量差值恒定后即认为试样内部已形成稳定的渗流通道,记录数据,依据式(1)计算渗透系数。

(1)

式(1)中:k为渗透系数;γw为水的容重;V为流经试样的水量;L为试样高度;A为过水断面面积;t为渗透时间;σc1为底部反压力1;σc2为顶部反压力2。

沿圆柱试样的高度方向切样,取圆柱试样中心的1 cm×1 cm×2 cm立方体块为SEM试样,将该试样用真空冷冻干燥仪冻结干燥,保证试样干燥并保持原有结构形态。将干燥完成的试样垂直于长边掰开,并取新鲜横断面进行喷金处理后进行扫描电镜试验,扫描倍数分别为500倍、1 000倍、1 500倍。

2 试验结果及分析

2.1 含盐量对盐渍土应力应变曲线的影响

经试验所得的各围压下应力应变曲线的变化规律一致,故仅选取围压为200 kPa的曲线分析。不同含水率条件下含盐量对盐渍土应力应变曲线[主应力差(σ1-σ3)与应变(ε1)的关系图]的影响如图3所示。可以看出,在同一含水率下土体的应力应变曲线随含盐量的不同呈现出不同的硬化趋势,具体表现为:含水率为9%时,随着含盐量的增大,应力应变曲线的硬化特征逐渐弱化,当含盐量为5.2%时,土样的应力应变曲线有应变软化的趋势,即土样的破坏形式为塑性破坏,如图4(a)所示,可以看出,含水率为12%和15%时,随着含盐量的增大,应力应变曲线均呈现出硬化型特征,土样的破坏形式为延性破坏,如图4(b)所示,当含盐量为5.2%时,土样的应力应变曲线硬化特征最为明显;含水率为18%时,随着含盐量的增大,应力应变曲线的硬化特征逐渐弱化,且当含盐量高于1.2%时,随含盐量的增大,曲线的硬化趋势更加显著。

图3 不同含盐量下盐渍土的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of saline soil under different salt content

图4 应变硬化与应变软化试样破坏图Fig.4 Failure diagram of strain hardening and strain softening specimens

同时,在轴向应变相同时,低含水率条件下(9%、12%、15%)随含盐量的增大,偏应力逐渐减小,此时土中的易溶盐硫酸钠溶解于水中,使得盐渍土强度减小。当含盐量继续增大至5.2%时,同等轴应变下,随着含盐量增大,偏应力也增大,这是由于盐分过饱和使得盐晶体填充在土体孔隙中,使土体抗剪强度随之增大;高含水率条件下(18%),随着含盐量的增大,偏应力持续减小,这是由于高含水率下盐分未达到饱和状态,一直以离子形式存在与水中,颗粒间的胶结较弱,使其抗剪强度减小。

2.2 含水率对盐渍土应力应变曲线的影响

围压200 kPa条件下,不同含盐量条件下盐渍土应力应变曲线随含水率的变化如图5所示。可以看出,同一含盐量下土体的应力应变曲线[主应力差(σ1-σ3)与应变(ε1)的关系图]随含水率的增大,曲线变化趋势几乎一致。在轴向应变相同时,含水率的增大使得偏应力减小。这是因为含盐量一定时,抗剪强度与土中含水率变化密切相关,随着含水率的增大,土中自由水增多,结晶盐溶解量增多,一方面使得土颗粒间的联结变弱,另一方面溶液在颗粒间的润滑作用显著。

图5 不同含水率下盐渍土的应力应变曲线关系Fig.5 Stress-strain curve relationship of saline soil under different moisture contents

2.3 含盐量对盐渍土抗剪强度指标的影响

含盐量对盐渍土抗剪强度参数的影响如图6所示。可以看出,当含水率小于18%时,盐渍土的黏聚力随含盐量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势,在硫酸钠掺量为3.2%时黏聚力和内摩擦角均达到最小值。分析其原因,当硫酸钠掺量小于3.2%时,无水硫酸钠溶解率较高,硫酸钠以硫酸根离子和钠离子的形式存在与土体中,离子浓度增大使扩散层厚度增大,增大了土颗粒之间的距离,颗粒与颗粒之间的联结被削弱,土体的黏聚力和内摩擦角也随之减小。当硫酸钠掺量大于3.2%时,土体中盐溶液达到过饱和,盐分以晶体形式析出,析出的结晶盐填充在土体孔隙中,使得土体变得更密实,另外结晶盐的胶结作用使土颗粒间的联结更牢固,颗粒间距离更小,最终表现为黏聚力和内摩擦角的增大。当含水率为9%和12%时,黏聚力和内摩擦角的变化幅值均较小,具体为:含水率为9%时,黏聚力和内摩擦角的变化幅值分别为13.24 kPa和3.92°,含水率为12%时,黏聚力和内摩擦角的变化幅值分别为11.99 kPa和2.44°。含水率为15%,含盐量从3.2%增大到5.2%时,黏聚力和内摩擦角的增幅小于同条件下低含水率土体抗剪强度参数的增幅。究其原因,当含盐量进一步增大的时候,土体中盐溶液达到过饱和,盐分以晶体形式析出,析出的结晶盐填充在土体孔隙中,使得土体变得更密实,另外结晶盐的胶结作用使土颗粒间的联结更牢固,颗粒间距离更小,最终表现为黏聚力和内摩擦角的增大。当含水率为18%时,盐渍土的抗剪强度参数均随含盐量的增大而减小,变化幅值较大,分别为17.32 kPa和6.74°。由于土体中液相占比较大,随含盐量的增加,无水硫酸钠不断溶解,直至含盐量达到5.2%时,土体中的盐分仍析出,随着盐分的增多扩散层厚度逐渐变厚,颗粒间的作用力更小,使土体的黏聚力和内摩擦角一直在减小。另外同一含水率下黏聚力随硫酸钠掺量的变化较内摩擦角更为明显。原因为,该土样中黏粒成分较多,黏聚力在强度中占主导地位,黏聚力大小取决于土粒间的联结程度,随着硫酸钠掺量的增大,土中结晶盐增多,盐胀更为显著,土颗粒间间距增大,黏聚力减小趋势显著。

图6 抗剪强度指标与含盐量的关系Fig.6 Relationship between shear strength index and salt content

2.4 含水率对盐渍土抗剪强度指标的影响

含水率对盐渍土抗剪强度参数的影响如图7所示,在含盐量一定的条件下,盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的增大而降低,且在低含盐量的情况下(硫酸钠的掺量小于等于1.2%时)黏聚力随含水率的变化率相近,变化幅值也相似,为22.71 ～25.57 kPa。当含盐量进一步增大时,黏聚力和内摩擦角对含水率的变化较为敏感,表现为黏聚力和内摩擦角随含水率变化其变化率增大,同时黏聚力的变化幅值也增大,含水率为15%时,变化幅值为29.89 kPa,当含水率增大到18%时,变化幅值为48.92 kPa。在含水率较小的情况下,土颗粒间的水膜较薄[22],颗粒间的分子力强,其次结合水的存在使得颗粒间形成了水胶连结,两者共同作用使得低含水率的土样黏聚力较高;随着含水率不断增大,土体中的弱结合水以及自由水逐渐增多,颗粒间水膜增厚,颗粒间的分子力减弱,土颗粒被水包围,水分子的润滑作用显著,土体的黏聚力和内摩擦角减小。所以对于无水硫酸钠掺量为零的土样,黏聚力和内摩擦角随着含水率的增大而减小。对含盐量较高的土样而言,如当含盐量5.2%时,随着含水率的增大,抗剪强度指标的降幅也最大。这是由于高含盐量下,除水分子的润滑作用外,抗剪强度指标还受盐离子的影响。当含水率不断增大,结晶盐的溶解度也相应增大,钠离子水化增强,土中盐溶液浓度降低,电动势位增加,胶粒间分散作用增强[23],进而导致土体的黏聚力随着含水率增大而显著减小。

图7 抗剪强度指标与含水率的关系Fig.7 Relationship between shear strength index and moisture content

2.5 含盐量对盐渍土渗透系数的影响

含盐量与土体渗透系数的关系如图8所示。由图8(a)可知,随着土样含盐量的增大,其渗透系数逐渐减小。高含水率(大于15%)下土样的渗透系数随含盐量变化较为明显,低含水率下,土样的渗透系数随含盐量的变化不明显,总体呈减小趋势。含水率为18%时,各含盐量下渗透系数的变化幅值达到3.7×10-6cm/s,不同含盐量下,渗透系数在同一数量级(10-5);当含水率为15%时,渗透系数的变化幅值为2.8×10-6cm/s,渗透系数数量级从10-5降至10-6。当含水率为12%时,渗透系数的变化幅值为3.3×10-6cm/s,渗透系数的数量级没有随含盐量变化而变化。当含水率为9%时,渗透系数的变化幅值为9.4×10-7cm/s。以无水硫酸钠掺量为零的土样为基础,对比渗透系数的变化值随含盐量的变化,如图8(b)、图8(c)所示。可以看出,随着含盐量的增大,渗透系数的变化值逐渐增大,尤其在含盐量为5.2%时渗透系数的变化率达到48.8%。含盐量的增多会导致土壤的渗透性变差,其原因有两方面:一是由于硫酸钠室温下的溶解度较大,硫酸钠溶解后形成的盐溶液黏滞系数较大[14],同时会增大土中土水势。结合力学试验可知:低含水率条件下,当含盐量小于等于3.2%时,随着含盐量的增大,硫酸钠溶液的浓度不断增大,其黏滞系数也相应增大,降低了土样的渗透性。二是土体中掺入盐分,一定程度上改变了土体孔隙结构,孔径及孔隙含量都将直接影响土体的渗透系数[24]。低含水率条件下,由于含盐量持续增大至5.2%时,盐分开始结晶析出,填充了土体孔隙,大颗粒间的架空孔隙被补充或填满,内部结构变得更密实。盐分结晶析出改变了土中孔隙含量和土中孔隙的孔径,使相应的联通孔隙含量变少及主导渗流的孔径变小,入渗过程不易形成稳定的渗流通道。

图8 渗透系数与硫酸钠掺量的关系Fig.8 Relationship between permeability coefficient and salt content

2.6 初始含水率对渗透系数的影响

含水率与土样渗透系数的关系如图9(a)所示,可以看出,相同含盐量下,非饱和渗透系数随着初始含水率的增大而增大。较含盐土的渗透系数,不掺无水硫酸钠的土样渗透系数随含水率的变化最为明显,含水率从9%增大到18%时,渗透系数的变化幅值达到1.3×10-5m/s;含盐量为0.8%和1.2%时,渗透系数的变化幅值为1.1×10-5m/s;含盐量为3.2%时,渗透系数的变化幅值为1.0×10-5m/s;含盐量为5.2%时,渗透系数的变化幅值为9.8×10-6m/s。以含水率为9%的土样为基础,从图9(b)、图9(c)可以看出,随着含水率的增大渗透系数的变化率增长较为显著,含水率为18%时,渗透系数的变化率达到767.69%,可见含水率对渗透系数的影响大于含盐量对其的影响。造成这种现象的原因可能有:①土样的击实含水率不同,使得土中的胶结物的赋存位置和状态有所不同[13],无水硫酸钠掺量为零的土样为黄土,黄土中胶结物的作用形式,骨架颗粒之间的排列及联结很大程度决定了土中孔隙的分布和连通孔隙的比例,不同的骨架排列方式及胶结形式,造成土样不同的孔隙特征,进而导致其水理性质的差异;②击实含水率往往会影响土样的击实效果,进而影响到土样的微观结构和土的渗透特性[25];③初始含水率低的土样,土水势也越低,对水分子的引力越大,水分入渗越快[26]。同时,初始含水率越低,先饱和的土层与下层非饱和土层间产生较大的吸力梯度,水分传导更快。

图9 渗透系数与含水率的关系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and moisture content

3 SEM及PCAS结果分析

为了进一步研究含水率和含盐量对盐渍土强度特性和渗透特性的影响机制,对不同含水率和含盐量下黄土状盐渍土试样进行了观测倍数为500倍、1 000倍和1 500倍的扫描电镜试验,并选取500倍从整体上分析试样的内部孔隙结构,1 500倍分析结晶盐的析出情况。

为分析含盐量对盐渍土微观结构的影响,取含水率12%的土样在不同含盐量下的扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图像如图10中第1列所示,对扫描电镜图像利用颗粒与裂隙图像识别与分析系统(particle and fissure characteristic analysis system software,PCAS)软件进行二值化处理及矢量化处理如图10中第2、3列所示。由图10(a)可知,不添加无水硫酸钠的土样土粒结构多为单粒结构,表面可见粒状及板状的细粉粒。土粒的形状大小不规则,颗粒结构间较松散,架空孔隙较大且孔隙数量较多。

图10 不同含盐量下土样的微观图像Fig.10 Microscopic images of soil samples under different salt contents

由图11可知,随着含盐量的不断增大,土颗粒逐渐细散,土体中的架空孔隙数量减少,表现为土体内部结构更为致密。当含盐量增加至5.2%时,土颗粒表面析出大量的结晶盐,析出的晶体附着在土颗粒表面,土体孔隙得到填充,宏观上表现为土体的抗剪强度增大,渗透系数减小,与前文宏观试验得出的规律一致。

h为试样高度;d为试样直径图11 s=5.2%,ω=12%时,结晶盐的析出情况Fig.11 s=5.2%,ω=12%, precipitation of crystalline salt

图12为含水率12%条件下,分形维数、概率熵及平均形状系数随含盐量的变化规律。分形维数、概率熵和平均形状系数分别用于描述土中孔隙的复杂度、孔隙分布的有序性和孔隙形态的圆滑度,数值越大代表其孔隙分布越复杂无序、孔隙形态越圆滑。可以看出,分形维数随无水硫酸钠掺量变化呈现出先减小后增大的趋势,在掺量达到3.2%时,达到最小,表明此刻土体最为密实。概率熵的值差异较小,表明无水硫酸钠的掺量对孔隙分布的有序性影响较小。平均形状系数变化无明显规律。

图12 不同含盐量下微观量化分析结果(ω=12%)Fig.12 Microscopic quantitative analysis results under different salt contents(ω=12%)

为分析含水率对盐渍土微观结构的影响,取无水硫酸钠掺量为1.2%的土样在不同含水率下的SEM图像如图13所示。可以看出,同一含盐量下,随含水率增大土体的大颗粒结构逐渐增多,随颗粒形状和结构的变化架空孔隙也增多,但孔隙连通性减弱。造成以上现象的原因是含水率增大使得土体中土颗粒的团聚现象明显,小颗粒在黏土矿物及盐分的胶结作用下黏结为粒径较大的颗粒,相较于小颗粒,大颗粒间的黏结较弱,宏观表现为土体的强度减弱。同时,由于孔隙的连通性减弱使得水分难以在土中形成稳定渗流通道,导致其渗透性降低。

图13 不同含水率下土样的SEM图像Fig.13 SEM images of soil samples under different moisture contents

图14为无水硫酸钠掺量1.2%条件下,分形维数、概率熵及平均形状系数随含水率的变化规律。由图可知分形维数随在含水率15%时值最大,即该含水率下土样最为密实,表明最优含水率下土样内部最为密实。概率熵的值差异较小,表明含水率对孔隙分布的有序性影响较小。平均形状系数随含水率的增大而增大,即随着含水率增大,颗粒与孔隙的形态越圆滑。