張洪萍，楊曉華，韓云山

（1.中北大學土木工程系，山西 太原 030051；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

0 引言

新疆地區(qū)為典型的鹽漬土地區(qū)，土體強度隨顆粒組成、含鹽量、含水量、溫度的變化而變化。其中含鹽量和鹽分類型是鹽漬土強度變化的內(nèi)部原因，含水量和溫度的影響是導致鹽漬土強度變化的外部因素，所發(fā)生的變化是通過物理變化和化學途徑進行的，結果表現(xiàn)為鹽漬土的結構重整、膨脹或收縮，分散性、應變率加大，強度降低，從而導致地基嚴重失穩(wěn)，給國家造成了很大的經(jīng)濟損失［1-3］。因此，考慮含水量和含鹽量的交互作用，對研究鹽漬土強度變化有較強的實際意義，這不僅為新疆鹽漬土地區(qū)的路基和建筑設計提供一些參考的工程參數(shù)，對鹽漬土的工程病害也有非常大的指導作用。

1 試驗制備及試驗方案

1.1 試驗用土的基本性質(zhì)

現(xiàn)場土樣取自新疆S201線克榆高速公路，取土深度0.1～0.5m。該地區(qū)的土大部分易溶鹽的含量1％～5％，均超過了規(guī)范規(guī)定的界限值0.5％，在此深度范圍內(nèi)，類型以氯（亞氯）鹽漬土和中硫酸（亞）鹽漬土為主，屬于弱鹽漬土 -中鹽漬；土的類型主要以粉土和粉質(zhì)粘土為主，且液限都很低。粒徑主要分布在＜0.074mm的范圍內(nèi)且較均勻。最大干密度1.81～1.96 g/cm3，最佳含水量10.2％ ～14.2％。

1.2 試樣制備方法

采用常規(guī)的不固結不排水試驗，土樣含水量的變化采用預濕法，把配制好的土樣放在保濕缸內(nèi)靜置的時間不少于24h。土樣含鹽量的變化首先測出土樣的初始含鹽量，然后將鹽溶解在同樣的水中，摻加的含鹽量以4％的比例增加，該試件含鹽量定義為鹽的質(zhì)量與干土質(zhì)量的百分比。然后擊實成型。按照試驗規(guī)程用專用的削土器將土樣削制成高度為80mm，直徑為39.1mm的圓柱形試樣。普通三軸試樣在制備時一般控制含水量差值應 ＜2％，干密度差值 ＜0.03kN/m3。

1.3 三軸剪切試驗方案

試驗設備：GDS靜三軸儀，該儀器可準確的施加和保持圍壓，土樣體變值的量測比較精確，同時能比較準確測出孔隙壓力。

試驗準備階段：對GDS靜三軸儀進行檢查，排出孔隙壓力量測系統(tǒng)的氣泡，檢查排水管路是否暢通，連接處有無漏水現(xiàn)象，檢驗橡皮膜是否漏氣。

周圍壓力：圍壓按常規(guī) 100kPa、200kPa、300kPa逐級施加。

剪切應變速率：因為試驗用土為粉土和粉質(zhì)粘土，規(guī)程規(guī)定按每分鐘應變?yōu)?.5％ ～1.0％進行剪切，故本試驗設定的剪切速度為0.8mm/min。

剪切過程讀數(shù)標準：由于數(shù)據(jù)的采集是電腦自動控制，所以讀數(shù)標準定為每10秒鐘讀數(shù)一次。在試驗中，應力無峰值時，按規(guī)程取應變ε=15％所對應的偏應力值作為破壞時的極限應力圓的直徑，并且軸向應變變化到20％再結束［4］。

2 試驗結果

試樣經(jīng)過三軸剪切以后，土樣隨外界條件的變化發(fā)生明顯的塑性變形或脆性變形，形狀由原來的圓柱形被壓成中部鼓出形。試樣在偏應力（σ1-σ3）作用下的應力應變關系曲線是研究鹽漬土強度變形的基礎，圖1、圖2給出了含水量變化情況下的幾組偏應力-應變曲線。由曲線可看到，在試驗范圍內(nèi)（σ1-σ2）-ε曲線十分相似，大致都呈雙曲線型。［5］參考材料力學對應力-應變曲線的研究方法，把該試驗的曲線大致分為三個階段；第一階段（從開始到 A點）為應變隨應力呈線性增加的彈性階段；第二階段（從A點到B點）為應變硬化階段，這一階段主要是塑性變形階段，包括部分彈性變形；第三階段（B點以后）為破壞階段，所以，根據(jù)破壞強度定義，數(shù)據(jù)分析中把B點定為破壞點，本文為了減少取點的誤差，取最大偏應力為破壞強度［6］。

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圖1 在某一含水量下不同圍壓下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.2 The stress-strain curves of different confining pressure at some water content

圖2 同一圍壓σ3=300M Pa不同含水量下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.2 The stress-strain curves of the same confining pressureσ3=300M Pa at different water contents

圖1、圖2為相同含鹽量不同含水量下應力-應變曲線，由于外界條件的不同，應力-應變曲線存在差異。在初始含水量較高的情況下，當軸向應變較小時，低圍壓的偏應力反而比高圍壓的偏應力大一些，這說明圍壓較小時，土樣的結構性還未破壞，因此隨應變增大應力增量增長較快，曲線斜率較大；當圍壓達到一定值時，主應力少有增加，土體的結構即被破壞，體積被壓縮；從圖中發(fā)現(xiàn)，含水量的不同使得試樣發(fā)生的破壞也不同，在含水量低的條件下發(fā)生的是脆性變化，即隨著應變的增大，應力由最大值逐漸降低，最后達到穩(wěn)定值，但隨著圍壓的增大，這種趨勢逐漸減弱，這時候可把應力應變曲線的峰值作為破壞強度；而在含水量高的條件下試樣發(fā)生的卻是塑性變化，即在一定應變下應力達到最大值后，應變?nèi)岳^續(xù)增加，土體的這類破壞無明顯的破裂面，形成所謂塑流狀態(tài)的塑性變化，這時把三軸試驗的破壞標準定為應變ε=15％時的強度；圖2應力應變曲線表明，圍壓一定時，在軸向應變相同時，初始含水量的增大都會使得偏應力有所減小。含水量越大，初始階段的應力應變曲線越短，，即起始屈服變形點大都會使得偏應力有所減小。這是因為當含鹽量一定時，抗剪強度與土中的含水量的關系較大，當含水量增加時，土中的結晶鹽會比原先含水量低時溶解掉的要多，這使得土顆粒間的聯(lián)結力削弱，抗剪強度下降；而當其含水量較低時，土中液態(tài)的鹽會轉(zhuǎn)變成固態(tài)的鹽起著膠結作用，使其抗剪強度增大［1］。

圖3、圖4為相同含水量不同含鹽量下應力-應變曲線，這種情況所表現(xiàn)出的應力-應變曲線形式恰好與含水量變化的曲線形式相反，即在含鹽量低時，應力-應變曲線沒有明顯的峰值，呈加工硬化型，發(fā)生的是塑性變形；而隨著含鹽量的增加，試樣發(fā)生的卻是脆性變形，這種脆性破壞在圍壓較?。?00kPa）時表現(xiàn)得較明顯。圖4還表明，圍壓一定在軸向應變相同時，隨著初始含鹽量的增大偏應力也在增大。這主要是由于鹽漬土中的鹽晶體填充于土中孔隙及鹽的膠結作用，使得鹽漬土的抗剪強度受到土中含鹽量的影響。當含水量一定時，土中的水所溶解的鹽是一定的，當過多的鹽晶體填充于土孔隙中時，孔隙水溶液的濃度隨著含鹽量的增加而不斷增大，當鹽溶液達到飽和后，土中多余的鹽便以固體晶體存在于土中，而成為土骨架的一部分且起重要的膠結作用，從而使抗剪強度在這種條件下隨含鹽量的增加而增大。

綜上所述，鹽漬土作為一種特殊的土類，由于其組成由不穩(wěn)定的物質(zhì)組成，所以它的強度將隨著含水量、含鹽量以及受力荷載等因素的變化而變化。

圖3 在某一含鹽量下不同圍壓下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.3 The stress-strain curves of different con fining pressure at some salt content

圖4 同一圍壓σ3=300M Pa不同含鹽量下的（σ1－σ2）－ε曲線Fig.4 The stress-strain curves of the same con fining pressureσ3=300MPa at different salt content

3 結果分析

極限強度試驗取值是取試驗破壞點的應力，即用破壞點的極限偏應力作為極限應力。取值標準為：對圍壓較小，峰值明顯的應力應變曲線選峰值作為極限強度；對圍壓較大，峰值不明顯的應力應變曲線一般取曲線上應力不再增大或略有減小的點作為相應的破壞點應力，一般取軸向應變ε=15％時所對應的偏應力（σ1-σ3）作為土體的極限強度。按照此標準分別得到了不同含水量和不同含鹽量下的極限強度與應力的關系曲線。［7］

從圖5、圖6中看到，不論是含水量變化還是含鹽量變化鹽漬土的抗剪強度與破壞面上的法向應力成正比，且符合庫倫定律。

圖7為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的變化曲線，由試驗結果可知，粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水量的增加而減小，含水量小時，粘聚力下降幅度較大幾乎成直線關系，含水量高時則不明顯，曲線較平緩；而內(nèi)摩擦角則變現(xiàn)為含水量小時，曲線較陡，含水量高時，曲線下降較緩，總體上含水量的變化對粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化都較明顯。主要是因為隨著含水量的不同，鹽分在土中可呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，這對鹽漬土抗剪強度必然產(chǎn)生影響。

圖8為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的變化曲線，從試驗結果可以看出，粘聚力隨著含鹽量的先減小后增大，含鹽量小時，曲線變化幅度不大，較平緩，而隨著含鹽量增大粘聚力上升幅度增大幾乎成直線關系；內(nèi)摩擦角則隨著含鹽量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，變化幅度不大。前蘇聯(lián)有研究表明鹽漬土的抗剪強度隨含鹽量的增加而增大。本文不同含鹽量的鹽漬土的抗剪強度試驗結果表明，其變化和前蘇聯(lián)研究的結果相近［8］。

圖5 不同含水量下極限強度與圍壓的關系曲線Fig.5 The relationship between limit strength and con fining ressures at different water contents

圖9是極限強度與含水量的關系，從圖中發(fā)現(xiàn)，

極限強度隨含水量的增加不斷減小。而且隨著圍壓的不同表現(xiàn)出不同的形式。

圍壓σ=300kPa時，Y=0.1352x2-6.3009x+96.116

圍壓σ=200kPa時，Y=0.3513x2-12.688x+132.41

圍壓σ=100kPa時，Y=0.3259 x2-11.326x+110.92

圖6 不同含鹽量下極限強度與圍壓的關系曲線Fig.6 The relationship between limit strength and con fining pressure at different salt con tents

圖8 粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量變化曲線Fig.8 Curves of cohesions and friction angles with different salt con tents

圖9 極限強度隨含水量變化曲線Fig.9 Curves of limit strength for different water contents

圖10 極限強度隨含鹽量變化曲線Fig.10 Curves of limit strength for different salt contents

圖10是極限強度與含鹽量的關系，從圖中發(fā)現(xiàn)，極限強度隨含鹽量的增加不斷增加。呈非線性關系。同樣圍壓不同，回歸方程不同。

圍壓σ=300kPa時，Y=0.1431x2-0.9398x+35.313

圍壓σ=200kPa時，Y=0.3097x2-3.1735x+30.984

圍壓σ=100kPa時，Y=0.3428 x2-4.0414x+26.806

通過多次試驗驗證，以上回歸方程與試驗結果的擬合程度較好。

4 結論

（1）鹽漬土與非鹽漬土的應力-應變曲線形式大致相同，即都呈現(xiàn)雙曲線型，都可以將曲線分為三個階段：第1階段為彈性階段，第2階段為應變硬化階段，第3階段為破壞階段。鹽漬土的抗剪強度與破壞面上的法向應力成正比，且符合庫倫定律。

（2）含水量和含鹽量的不同使得試樣發(fā)生的破壞也不同。在含水量低的條件下發(fā)生的是脆性變化，含水量高的條件下試樣發(fā)生的是塑性變化；不同含鹽量下的應力-應變曲線特征恰好與含水量變化的曲線特征相反，即在含鹽量低時，應力 -應變曲線沒有明顯的峰值，呈加工硬化型，發(fā)生的是塑性變形，隨著含鹽量的增加，試樣發(fā)生的是脆性變形，含水量和含鹽量之間存在一組值作為不同應力-應變曲線特征的臨界值，此臨界值的大小還有待進一步的試驗研究。

（3）人工加鹽制備不同含鹽量的鹽漬土的抗剪強度試驗表明，粘聚力隨著含鹽量的增加先減小后增大，內(nèi)摩擦角有先增大后減小的趨勢，強度參數(shù)隨含水量的變化表現(xiàn)較明顯；由不同含水量的鹽漬土的抗剪強度試驗表明，粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水量的增加而減小 ，其中粘聚力隨含鹽量的變化表現(xiàn)較明顯，而內(nèi)摩擦角變化不明顯。

（4）極限強度與含水量和含鹽量之間的關系符合二次拋物線變化規(guī)律，在不同應力作用下，拋物線形式不同。

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