葉萬軍 李長清 李曉

摘 要：為了探究雨水溶蝕作用對(duì)黃土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，以洛川塬邊黃土為研究對(duì)象，對(duì)試樣開展X射線衍射、掃描電鏡、強(qiáng)度等試驗(yàn)，對(duì)比雨水溶蝕前后試樣在粒度組成、礦物成分、離子含量、微結(jié)構(gòu)單元及物理力學(xué)性質(zhì)方面的差異，探究雨水溶蝕作用對(duì)黃土工程性質(zhì)的影響，然后通過顯著性理論定量分析溶蝕作用對(duì)黃土體損傷程度的大小。試驗(yàn)結(jié)果表明：雨水的溶蝕會(huì)使土樣粉粒含量明顯降低，粘粒含量明顯增大，親水性礦物成分降低，土體中Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3等離子含量減少;溶蝕作用前后試樣微結(jié)構(gòu)單元發(fā)生了明顯的變化，具體表現(xiàn)為試樣大孔隙減少、小空隙增多，粒間連接減弱;經(jīng)歷溶蝕作用后試樣粘聚力、內(nèi)摩擦角明顯降低，成分的改變?cè)斐蓮?qiáng)度指標(biāo)降低，進(jìn)而使得黃土體發(fā)生病害;通過顯著性理論分析，溶蝕作用會(huì)對(duì)土體造成明顯損傷。

關(guān)鍵詞：黃土;溶蝕;礦物成分;強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU 411 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0408 ? 文章編號(hào)：1672-9315（2019）04-0610-09

Abstract：In order to explore the effect of rain water dissolution on the physical and mechanical properties of loess，the loess at the edge of the Luochuan Plateau is studied by X ray diffraction，scanning electron microscopy and strength tests.By comparing the differences of particle size，mineral composition，ion content，micro structure unit and physical and mechanical properties of samples before and after rain water dissolution，the effects of rain water dissolution on loess engineering properties are explored，and then a quantitative analysis is made of the degree of damage caused by rain water dissolution to loess by Significance Theory.The results show that the dissolution of rainwater can significantly reduce the content of silt，clay，hydrophilic minerals and Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3 plasma in soil.The microstructural units of the samples changes obviously before and after the dissolution，which is manifested in the decrease of macropores，the increase of small voids and the weakening of intergranular connections.After corrosion，the cohesion and internal friction angle of the sample decrease obviously，and the strength index decreases with the change of composition，which leads to the disease of loess.Through significant theoretical analysis，the dissolution will cause obvious damage to the soil.It can be seen that rainwater erosion has a great impact on the physical and mechanical properties of loess.

Key words：loess;dissolution;mineral composition;strength

0 引 言

隨著一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，越來越多的工程將在黃土地區(qū)修建，黃土體干燥時(shí)強(qiáng)度較高、工程性質(zhì)穩(wěn)定，但當(dāng)受到水的作用時(shí)土體性質(zhì)就會(huì)發(fā)生明顯劣化，造成工程災(zāi)害的發(fā)生。在我國西北黃土高原，每年的雨季是黃土高原發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)季節(jié)，因此研究在雨水作用下黃土體工程性質(zhì)的演化規(guī)律就顯得迫在眉睫。

雨水對(duì)黃土體的影響主要包括機(jī)械剝蝕作用和化學(xué)溶蝕作用，機(jī)械剝蝕作用是在雨水侵入過程中對(duì)黃土體顆粒的搬運(yùn)以及對(duì)遷移通道的擴(kuò)展，化學(xué)溶蝕作用是雨水入侵過程中與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成試樣在顆粒組成及礦物成分發(fā)生改變，剝蝕作用和溶蝕作用在雨水入滲過程中同時(shí)存在，水力梯度較大時(shí)以剝蝕作用為主。研究雨水溶蝕作用對(duì)黃土體物理力學(xué)性質(zhì)影響將有助于揭示黃土體病害的發(fā)生條件、發(fā)展歷程，為黃土地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)工程提供理論依據(jù)。

在黃土與水的相互作用方面目前已取得了許多成果，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：濕陷后的黃土微、小空隙增多，中、大空隙減少，試樣的濕陷性質(zhì)不僅依賴于試樣的初始條件，還與試樣的初始含水率應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)[1-3];在低含水量、低固結(jié)壓力下水敏性結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感較強(qiáng)，在高含水量、高固結(jié)壓力下敏感性較弱[4-5];黃土的側(cè)限壓縮應(yīng)變、濕陷性隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷增大[6-7];干濕循環(huán)會(huì)使得黃土抗拉強(qiáng)度喪失，結(jié)構(gòu)性不斷破壞[8-10];在凍融循環(huán)的作用下，原狀黃土與重塑黃土的滲透性先減小后增大最后趨于穩(wěn)定[11-13];凍融循環(huán)會(huì)改變土體的孔隙比、滲透系數(shù)及土顆粒之間膠結(jié)[14-16];此外凍融循環(huán)條件下黃土物理力學(xué)性質(zhì)演化[17-18]、干濕循環(huán)條件下土體水分遷移規(guī)律與變形特性[19-20]以及不同初始含水量條件下黃土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[21]都是目前研究的熱點(diǎn)。張常亮以陜西省耀州區(qū)庵里滑坡為對(duì)象，對(duì)該類滑坡的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行分析和探討，建立了滑坡發(fā)生前侵蝕作用的不同階段邊坡的有限元模型，計(jì)算了相應(yīng)的應(yīng)力場和位移場，在此基礎(chǔ)上求得各模型沿最終滑面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度分布，采用極限平衡法計(jì)算邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)[22];王陣地研究了凍融循環(huán)與氯鹽侵蝕作用下混凝土基體的變形和損傷，分別測量了快速凍融循環(huán)與氯鹽侵蝕作用下混凝土基體的變形和干凍條件下基體的變形，研究了飽鹽試件和干燥試件的變形與損傷演化行為[23];姜磊研究了硫酸鹽侵蝕作用下混凝土損傷層及微觀結(jié)構(gòu)[24]。可以看出在水與黃土的相互作用關(guān)系方面專家學(xué)者做了大量的研究工作[25-28]，但在黃土體與雨水相互作用，尤其是雨水的溶蝕作用對(duì)黃土體物理力學(xué)性質(zhì)影響方面研究較少，還需進(jìn)一步研究，文中取洛川塬邊黃土，通過對(duì)比雨水溶蝕前后試樣在粒度組成、礦物成分、離子含量、微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)方面的差異，探究雨水溶蝕作用對(duì)黃土工程性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自洛川塬邊黃土，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）對(duì)試樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)試樣進(jìn)行基本物理試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)，物理試驗(yàn)包括量測土體的顆粒組成、礦物成分、離子含量、基本物理性質(zhì);力學(xué)試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ 3型應(yīng)變控制式三軸儀，試驗(yàn)采用CU固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，剪切速率為02 mm/min;掃描電鏡試驗(yàn)量測溶蝕作用前后試樣微結(jié)構(gòu)單元的變化。

1.2.1 物理實(shí)驗(yàn)

在常溫常壓下進(jìn)行A，B 2組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)有2個(gè)試樣，記為A-1，A-2，B-1，B-2，每組的一號(hào)試樣不經(jīng)任何處理，自然風(fēng)干，每組的二號(hào)試樣在雨水溶液中靜止浸泡2 h然后在自然條件下風(fēng)干，對(duì)A，B 2組試樣進(jìn)行顆粒組成、礦物成分、離子含量及物理力學(xué)性質(zhì)量測。本次試驗(yàn)采用雨水基本參數(shù)如下：測其pH=5.65，含Cl-=5.20 μmol/L，NO-3=6.50 μmol/L，SO2-4=58.51 μmol/L，Na+=1.52 μmol/L，K+=1.63 μmol/L，Ca2+=13.11 μmol/L，Mg2+=2.91 μmol/L.

1.2.2 力學(xué)試驗(yàn)

將土樣風(fēng)干、碾碎分成2組，第一組土樣采用滴水法給土樣加純凈水，控制土樣含水率，使其含水率控制在10%，15%，20%，25%;第二組土樣在雨水中浸泡2 h，取出后風(fēng)干，采用滴水法給試樣加純凈水，控制土樣的含水率為10%，15%，20%，25%，然后制備標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣，即直徑=3.91 cm，高H=8.00 cm，此次試驗(yàn)分為溶蝕重塑試樣和普通重塑土樣，分3個(gè)固結(jié)圍壓（100，200，300 kPa），共24個(gè)試樣。

1.2.3 掃描電鏡試驗(yàn)

掃描電鏡試驗(yàn)采用的是日本生產(chǎn)的JSM 6460LV高真空、數(shù)字化掃描電子顯微鏡（如圖1）。

1）制備4個(gè)尺寸39.1 mm×80 mm試樣;

2）將制備好的試樣在雨水溶液中靜止浸泡2 h然后在自然條件下風(fēng)干，此為經(jīng)歷一次溶蝕作用;

3）制備經(jīng)歷0，1，2，3次溶蝕作用試樣;

4）將經(jīng)歷0，1，2，3次溶蝕作用試樣制成電鏡掃描樣并做噴AU處理，然后對(duì)試樣進(jìn)行電鏡掃描。

1.2.4 顯著性理論

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顆粒組成分析試驗(yàn)

采用篩析法和密度計(jì)法對(duì)黃土土樣A-1，A-2，B-1，B-2進(jìn)行顆粒成分分析試驗(yàn)，得到如圖2，圖3所示的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖2，3可以看出，黃土土樣中粉粒含量最高，粘粒次之，砂粒最少，未浸泡的洛川黃土土樣粉粒百分含量在80%左右，黏粒在18%左右;對(duì)比同一組土樣可以發(fā)現(xiàn)浸泡后的土樣粉粒含量明顯降低，粘粒含量明顯增大，這說明了在雨水的溶蝕作用下，土體中的礦物顆粒、鹽類與雨水溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)改變了土中顆粒粒度組成，粒度組成的改變促使土體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及水理性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響著土體的力學(xué)性質(zhì)，黃土的顆粒粒度組成是影響土體工程地質(zhì)性質(zhì)和水文地質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要因素。

2.2 礦物成分分析試驗(yàn)

采用X射線衍射測試技術(shù)對(duì)A，B 2組黃土試樣的礦物成分進(jìn)行了測試分析，測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，黃土主要由石英、長石、碳酸鹽、水云母、蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物組成，雨水侵蝕后土樣親水性礦物成分明顯降低;黃土的礦物成分控制著土顆粒的大小、形狀和表面特征，其與液體的相互作用又決定了土的塑液限、體變、強(qiáng)度和滲透性等性狀，進(jìn)而影響了土的物理力學(xué)性質(zhì)。黃土與水的相互作用影響著土的絮凝和分散作用進(jìn)而影響土的結(jié)構(gòu)，親水性礦物含量的降低，導(dǎo)致土體內(nèi)部水分的表面張力、濕吸力和結(jié)合水厚度降低，影響土顆粒間的聯(lián)接力，致使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2.3 離子含量試驗(yàn) ?通過雙氧水除去溶蝕后土樣溶液內(nèi)的有機(jī)物，烘干殘?jiān)鼫y定陰陽離子的含量，以摩爾濃度表示，測定結(jié)果如圖5所示。

在黃土所含的化學(xué)成分中，與黃土性質(zhì)聯(lián)系較緊密的為易溶性鹽類，因此研究黃土中易溶性鹽含量意義非常重大。由圖可以看出黃土中易溶性鹽主要以氯化物、碳酸鹽為主，土樣被雨水溶液浸泡后，其陰陽離子Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3等含量均減少，說明了土樣中的陰陽離子與雨水溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了難溶性鹽，這些難溶性鹽被水溶液搬運(yùn)，促使土樣孔隙比增大，土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞?？梢?，易溶性鹽的含量不僅直接影響著黃土的溶解性、凍脹性、崩解性、透水性和穩(wěn)定性等水理性質(zhì)，而且會(huì)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2.4 基本物理性質(zhì)試驗(yàn)

對(duì)土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，得到土體的物理性質(zhì)參數(shù)如圖6所示。

從圖6可知，四塊土樣的ds值較接近，p，pd兩參數(shù)，浸泡的土樣略小于未浸泡的土樣，液塑限比較可知，浸泡后土樣的ωz值較未浸泡土樣的低2%左右，而ωp值是浸泡后土樣較未浸泡土樣高4%左右，浸泡后土樣塑性較其未浸泡土樣的塑性弱一些。干密度是土中固體顆粒的含量，同等條件下土樣的干密度越大，土體越密實(shí)，土體的性質(zhì)越穩(wěn)定，侵泡后土樣的干密度降低，雖然下降幅度不是很大，但考慮到土樣只經(jīng)過了一次侵泡，而實(shí)際工程中土體會(huì)經(jīng)過幾次甚至幾十次的干濕循環(huán)，這樣累積起來就會(huì)使土體干密度減小很多，因此可以得到雨水的溶蝕會(huì)使土體中固體顆粒不斷減小，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)性減弱，進(jìn)而影響土體的強(qiáng)度。

2.5 力學(xué)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。以應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)為其破壞點(diǎn)，無峰值點(diǎn)時(shí)取軸線應(yīng)變15%的主應(yīng)力差作為其破壞點(diǎn)，以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力表示縱坐標(biāo)，（σ1f+σ3f）/2為圓心，（σ1f-σ3f）/2為半徑，在τ-σ應(yīng)力平面上繪制Mohr應(yīng)力圓，得到土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角參數(shù)如圖8，9所示。

從圖9可以看出，含水率越大土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力、內(nèi)摩擦角）越小;溶蝕后土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值和φ值均低于未溶蝕的土樣。以15%含水率為例，未溶蝕的土樣粘聚力為42.78 kPa，而溶蝕后降低為38.87 kPa，內(nèi)摩擦角值由初始狀態(tài)的24.15°降低為23.15°，這是由于在雨水的溶蝕作用下，土體的顆粒組成、離子含量、礦物成分都發(fā)生改變，土體的物理性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)下降。粘聚力的減小是由于土體溶蝕于水后，土體內(nèi)具有膠結(jié)作用的易溶性鹽及礦物成分與雨水溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使得膠結(jié)物溶解或者被軟化，從而使黏聚力減小;出現(xiàn)內(nèi)摩擦角減小且減小幅度小于粘聚力減小的幅度，原因是由于黃土與水反應(yīng)后重新形成的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性變?nèi)?，致使?nèi)摩擦角減小，但由于內(nèi)摩擦角是由土顆粒與土顆粒、土顆粒與膠結(jié)物質(zhì)之間的摩擦而產(chǎn)生，其值主要與接觸面的法向應(yīng)力相關(guān)，因此導(dǎo)致其值變化不大。通過顯著性理論分析（結(jié)果見表3，表4），溶蝕作用對(duì)試樣粘聚力影響顯著，對(duì)試樣內(nèi)摩擦角有影響。

2.6 掃描電鏡試驗(yàn)

圖10為試樣經(jīng)歷不同溶蝕次數(shù)放大300倍微觀結(jié)構(gòu)圖。由圖可見未經(jīng)歷溶蝕作用的試樣結(jié)構(gòu)較致密，隨著經(jīng)歷溶蝕次數(shù)的增多試樣大孔隙、孔洞減少小空隙增多，顆粒間的連接作用減弱，分析原因土體中的礦物顆粒、鹽類會(huì)與雨水溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞土體結(jié)構(gòu)單元，使土體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷。

3 結(jié) 論

1）在雨水的溶蝕作用下，黃土體內(nèi)的粒度組成、礦物成分以及離子含量都發(fā)生了很大的變化：浸泡后土樣粉粒含量明顯降低，粘粒含量明顯增大、土樣親水性礦物成分降低、Ca2+，Mg2+，SO2-4，HCO-3等含量均減少。

2）在雨水的溶蝕作用下，黃土的干密度、液限、塑限等物理量發(fā)生改變，這是因?yàn)辄S土體與雨水發(fā)生相互作用，致使土體物質(zhì)組成發(fā)生變化，進(jìn)而影響土體的物理性質(zhì)。

3）溶蝕作用前后試樣結(jié)構(gòu)單元發(fā)生了明顯的變化，具體表現(xiàn)為大孔隙減少、小空隙增多，粒間連接減弱。

4）對(duì)溶蝕前后土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，對(duì)比普通重塑土樣和溶蝕后重塑土樣在應(yīng)力應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方面的不同，可以看出雨水溶蝕作用使土體強(qiáng)度降低，經(jīng)顯著性理論分析，溶蝕作用會(huì)對(duì)土體結(jié)構(gòu)造成損傷。

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