唐雄宇，張吾渝，高義婷，童國(guó)慶，常立君，于 榮

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

鹽漬土作為一種特殊土，在我國(guó)分布廣泛，總面積大約為9.9×107hm2,主要集聚在我國(guó)華北、西北、東北半干旱、干旱地帶及沿海地區(qū)，西北地區(qū)如青海、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏和新疆等地都有分布[1]。根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定：巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹和腐蝕等特性時(shí)，應(yīng)判斷為鹽漬土[2]。由于鹽漬土的特殊性質(zhì)在工程建設(shè)中具有一定的危害，因此前蘇聯(lián)在20世紀(jì)40年代就開始研究鹽漬土的相關(guān)特性和規(guī)律,提出了一些理論和研究方法[3]，即主要通過(guò)多種因素的影響條件對(duì)鹽漬土的壓縮特性、穩(wěn)定性、抗剪強(qiáng)度等方面進(jìn)行研究。Roman等[4]分析了在不同條件下鹽漬土強(qiáng)度特性與變形特性的關(guān)系，并研究了強(qiáng)度參數(shù)對(duì)土體物質(zhì)組成的影響。

中國(guó)在20世紀(jì)50年代開展了大規(guī)模的鹽漬土改良和考察工作，有力促進(jìn)了我國(guó)鹽漬土研究的發(fā)展，為鹽漬土的改良奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雷華陽(yáng)等[5]研究了含鹽量對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響并得到了內(nèi)摩擦角和黏聚力與含鹽量的回歸方程。王歡等[6]開展了粉煤灰在不同壓實(shí)度狀態(tài)下的三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，壓實(shí)度越大，粉煤灰的總黏聚力和總內(nèi)摩擦角越大。胡世凱[7]以不同的凍融循環(huán)、含鹽量和含水量為變量研究了鹽漬土的力學(xué)特性變化規(guī)律和理化性質(zhì)。孫小平[8]研究認(rèn)為,水份、溫度和含鹽量是鹽漬土鹽脹變形的基本條件，鹽脹變形的內(nèi)在首要因素是鹽份和水份。徐安花等[9]通過(guò)控制鹽漬土的含鹽量，改變含水率和壓實(shí)度來(lái)測(cè)定土基回彈模量E0，得到了鹽漬土的E0隨著含水率的增大而先增大后減小的規(guī)律。郭菊彬等[10]通過(guò)大量試驗(yàn)得出含水率、干密度等對(duì)鹽漬土的抗剪強(qiáng)度具有顯著影響。鄧亞虹等[11]研究了不同圍壓和含水率條件下原狀黃土的強(qiáng)度特性，得到低圍壓、低含水率狀態(tài)產(chǎn)生應(yīng)變軟化的現(xiàn)象。雖然我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)固化濱海地區(qū)鹽漬土和西北地區(qū)鹽漬土的研究較多，但是有關(guān)環(huán)境因素對(duì)鹽漬土工程特性的影響只有單因素研究。因此，研究青海東西部典型鹽漬土的抗剪強(qiáng)度特性變化規(guī)律和產(chǎn)生差異的原因，對(duì)兩個(gè)地區(qū)的工程建設(shè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

圖1 青海省鹽漬土分布圖Fig.1 Distribution of saline soil in Qinghai province

1.1試驗(yàn)地概況通過(guò)各種研究資料和勘察資料發(fā)現(xiàn)，青海省鹽漬土分布比較廣泛，主要分布在西寧、平安河湟谷地湟水河南岸山前傾斜平原及柴達(dá)木盆地等地帶[12](圖1)。本試驗(yàn)取青海西寧硝灣和察爾汗萬(wàn)丈鹽橋附近的鹽漬土為試驗(yàn)用土，其基本物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 西寧硝灣和察爾汗鹽漬土的基本物理性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Basic physical property parameters of saline soil in Xining Xiaowan and Qarhan

1.2試樣制備制備試樣的直徑為39.1 mm，高度為80 mm。試樣制備時(shí)先將現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的散狀土樣用烘箱烘干，過(guò)2 mm篩,按照試驗(yàn)方案的設(shè)定值分別配置不同的含水率后將土樣置于密閉容器內(nèi)至少24 h,使含水率均勻，擊樣前取出中間部分具有代表性土樣再次測(cè)定其含水率，按GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》要求控制土樣的含水率與設(shè)定的含水率的差值小于±1%[2]。

三軸試樣擊樣工具由底座、三瓣膜和擊錘組成，擊錘的直徑比試樣的直徑小，三瓣膜的內(nèi)徑與試樣的直徑相同。試樣分5層擊實(shí)，按照設(shè)定的含水率和壓實(shí)度計(jì)算出試樣的總質(zhì)量，擊樣時(shí)保證各層的土質(zhì)量、擊實(shí)高度和擊實(shí)次數(shù)相同。

1.3試驗(yàn)方法試驗(yàn)采用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透儀，在兩個(gè)區(qū)域鹽漬土最優(yōu)含水率條件下，以不同周圍壓力、不同壓實(shí)度進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切(UU)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。三軸UU試驗(yàn)的剪切速率為0.8 mm/min，軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。三軸試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下：西寧硝灣和察爾汗地區(qū)的最優(yōu)含水率為13.88%、6.42%，周圍壓力為50、100、200和400 kPa，壓實(shí)度為90%、93%和97%。

2 結(jié)果與分析

2.1抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比分析根據(jù)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，選取曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差作為破壞強(qiáng)度值，得到兩個(gè)區(qū)域在不同壓實(shí)度和周圍壓力條件下試樣的峰值應(yīng)力σ1和σ3(表2)。取在相同壓實(shí)度條件下，不同周圍壓力的土樣在破壞時(shí)的σ1和σ3，繪制莫爾應(yīng)力圓，作出莫爾應(yīng)力圓的公切線，得出兩個(gè)區(qū)域鹽漬土試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(表3)。

表2 兩個(gè)區(qū)域鹽漬土試樣的峰值應(yīng)力Tab.2 Peak stress of saline soil samples in the two regions

表3 兩個(gè)區(qū)域鹽漬土抗剪強(qiáng)度參數(shù)表Tab.3 Parameters of shear strength of saline soil in the two regions

由圖2和圖3可知，隨著壓實(shí)度的增大，兩個(gè)區(qū)域鹽漬土黏聚力逐漸增大，黏聚力和壓實(shí)度呈線性關(guān)系。內(nèi)摩擦角先減小后增大，在93%時(shí)最小。在相同壓實(shí)狀態(tài)下，兩個(gè)區(qū)域的曲線具有很大的差異，西寧硝灣鹽漬土的黏聚力明顯大于察爾汗鹽漬土的黏聚力，且增幅較大，這說(shuō)明西寧硝灣鹽漬土內(nèi)部顆粒的相互吸引力較強(qiáng)。但西寧硝灣鹽漬土的內(nèi)摩擦角小于察爾汗鹽漬土的內(nèi)摩擦角，說(shuō)明察爾汗鹽漬土土粒之間的連鎖作用所產(chǎn)生的咬合力小于西寧硝灣鹽漬土土粒之間的咬合力。

圖2兩個(gè)區(qū)域鹽漬土黏聚力與壓實(shí)度的關(guān)系Fig.2Relationship between cohesion and compactness of saline soil in the two regions圖3兩個(gè)區(qū)域鹽漬土內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度的關(guān)系Fig.3Relationship between internal friction angle and compactness of saline soil in the two regions

2.2抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接決定土的抗剪強(qiáng)度。對(duì)文中出現(xiàn)的符號(hào)進(jìn)行定義，τf為抗剪強(qiáng)度，σ為剪切面上的法向總應(yīng)力，α為破壞面與大主應(yīng)力面的夾角。

τf=c+σtanφ

(1)

(2)

(3)

式中：σ1和σ3分別為第一和第三方向的主應(yīng)力，c為土的黏聚力，φ為土的內(nèi)摩擦角。根據(jù)上式分別計(jì)算出在不同周圍壓力條件下，試樣不同壓實(shí)度對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值(表4)。

表4 兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度值Tab.4 Shear strength values of saline soil in the two regions

根據(jù)表4分別繪制相同周圍壓力條件下抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化曲線(圖4)可以看出，試樣的抗剪強(qiáng)度隨圍壓增加呈線性增加的趨勢(shì)。在最優(yōu)含水率條件下，西寧硝灣鹽漬土的抗剪強(qiáng)度和察爾汗鹽漬土的抗剪強(qiáng)度差別顯著，察爾汗鹽漬土的抗剪強(qiáng)度性能優(yōu)于西寧硝灣鹽漬土的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)含水率一定時(shí)，鹽分的含量對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有較大影響。當(dāng)鹽分含量較多時(shí)，鹽分能夠在土體內(nèi)形成結(jié)晶，從而改變土體的顆粒級(jí)配。含鹽量越大，抗剪強(qiáng)度值越低[14]。西寧硝灣鹽漬土的含鹽量為0.56%，察爾汗鹽漬土的含鹽量為5.3%，所以含鹽量是造成兩個(gè)區(qū)域鹽漬土抗剪強(qiáng)度差異性的主要原因之一。

在相同周圍壓力條件下，兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度值都隨著壓實(shí)度的增加而增加，土體的壓實(shí)度越高，抗剪強(qiáng)度值越大；周圍壓力越大，抗剪強(qiáng)度值越大。周圍壓力為50 kPa時(shí)，不同壓實(shí)度條件下兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度差值分別為138.6、149.35、154.3 kPa；周圍壓力為100 kPa時(shí)，不同壓實(shí)度條件下兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度差值分別為166.1、149、152.7 kPa；周圍壓力為200 kPa時(shí)，不同壓實(shí)度條件下兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度差值分別為166.59、139、150.64 kPa；周圍壓力為200 kPa、壓實(shí)度為93%時(shí)，兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度差值分別為138.86、129.6、127.8 kPa。由此可以看出，在低壓實(shí)狀態(tài)下，兩個(gè)區(qū)域鹽漬土抗剪強(qiáng)度差值大，在高壓實(shí)狀態(tài)下，兩個(gè)區(qū)域鹽漬土抗剪強(qiáng)度差值小，說(shuō)明壓實(shí)度對(duì)兩個(gè)區(qū)域鹽漬土抗剪強(qiáng)度有很大的影響。越接近最密實(shí)狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度值越大，在密實(shí)狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度趨近最大值。

圖4 抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化曲線Fig.4 Variation curves of shear strength with compactness

繪制相同壓實(shí)度條件下，抗剪強(qiáng)度隨周圍壓力的變化曲線,如圖5。從圖中可以看出，在相同壓實(shí)度條件下，西寧硝灣鹽漬土的抗剪強(qiáng)度大于察爾汗鹽漬土的抗剪強(qiáng)度；兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的抗剪強(qiáng)度隨著周圍壓力的增大呈線性增大，周圍壓力越大抗剪強(qiáng)度值越大。

圖5 抗剪強(qiáng)度隨周圍壓力的變化曲線Fig.5 Variation curves of shear strength with surrounding pressure

2.3兩個(gè)區(qū)域抗剪強(qiáng)度微觀機(jī)理分析微觀試驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察土的表面形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)。試驗(yàn)前先將試樣切成符合要求的小試塊，再將試樣在室溫條件下進(jìn)行干燥處理，之后進(jìn)行鍍金工藝。在三軸剪切試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取部分試樣進(jìn)行微觀電子掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)中主要通過(guò)兩個(gè)區(qū)域土樣的微觀形態(tài)進(jìn)行跟蹤研究，從而進(jìn)一步解釋鹽漬土的強(qiáng)度特性規(guī)律。取兩個(gè)區(qū)域試驗(yàn)用土，把兩個(gè)區(qū)域土樣的含水率配置成最優(yōu)含水率，分別壓實(shí)至90%、93%、97%，進(jìn)行微觀試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 兩個(gè)區(qū)域鹽漬土在不同壓實(shí)度條件下的微觀形態(tài)圖Fig.6 Microscopic morphology of saline soil in the two regions with different compactness

孔隙結(jié)構(gòu)是土的主要結(jié)構(gòu)特征，直接決定土的強(qiáng)度特征和壓縮性能。土顆粒的形狀、大小以及顆粒之間的間隙不同，對(duì)鹽漬土強(qiáng)度特性的影響也不同。孤立孔隙的直徑和顆粒越大，對(duì)土的壓縮性、孔隙性的影響越大，如果存在過(guò)多的孤立孔隙，強(qiáng)度性質(zhì)就較差[14]。

由圖6可知，西寧硝灣鹽漬土主要以網(wǎng)狀和珊瑚狀附著在土顆粒周圍，隨著壓實(shí)度的增大，西寧硝灣和察爾汗鹽漬土顆粒之間的間隙和顆粒直徑逐漸變小，鹽漬土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。如圖6左右對(duì)比可知，在同一壓實(shí)度下，西寧硝灣鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙小于察爾汗鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙，體現(xiàn)出在同一壓實(shí)度下，西寧硝灣鹽漬土試樣的抗剪強(qiáng)度大于察爾汗鹽漬土試樣的抗剪強(qiáng)度。此微觀形態(tài)分析使試驗(yàn)結(jié)果得到了合理的解釋和論證。

3 討論與結(jié)論

鹽漬土病害是工程建設(shè)中最重要的影響因素之一，前人主要通過(guò)多種因素的影響條件對(duì)鹽漬土的壓縮特性、穩(wěn)定性、抗剪強(qiáng)度等方面[4]進(jìn)行研究。隨著大規(guī)模鹽漬土改良工作的開展，我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)固化濱海地區(qū)鹽漬土和西北地區(qū)鹽漬土的研究[5-11]較多，但是有關(guān)環(huán)境因素對(duì)鹽漬土工程特性的影響只有單因素研究。由于青海地區(qū)的鹽漬土具有獨(dú)特的力學(xué)強(qiáng)度特性，故對(duì)青海地區(qū)鹽漬土的研究具有重要的工程意義。本研究結(jié)果表明，西寧硝灣和察爾汗鹽漬土的強(qiáng)度特性差異性很大，并分析比較了不同圍壓和壓實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)和抗剪強(qiáng)度值的影響，這對(duì)兩個(gè)區(qū)域鹽漬土工程建設(shè)和青海省不同區(qū)域的鹽漬土研究提供了理論指導(dǎo)。壓實(shí)度是影響抗剪強(qiáng)度參數(shù)的重要因素之一，建議在實(shí)際工程中盡量將土體夯實(shí)。本文以兩個(gè)區(qū)域最優(yōu)含水率為前提，在不同周圍壓力和壓實(shí)度條件下探究青海東西部典型鹽漬土的強(qiáng)度特性規(guī)律和差異,得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在相同試驗(yàn)條件下，隨著壓實(shí)度的增大，兩個(gè)區(qū)域鹽漬土的黏聚力逐漸增大，黏聚力隨壓實(shí)度的增加呈線性增加趨勢(shì)。內(nèi)摩擦角先增大后減小。

(2)在相同壓實(shí)狀態(tài)下，西寧硝灣鹽漬土的黏聚力明顯大于察爾汗鹽漬土的黏聚力，且西寧硝灣的增幅較大，這說(shuō)明西寧硝灣鹽漬土內(nèi)部顆粒之間的相互吸引力較強(qiáng)。

(3)西寧硝灣鹽漬土的抗剪強(qiáng)度和察爾汗鹽漬土的抗剪強(qiáng)度的差別顯著，察爾汗鹽漬土的抗剪強(qiáng)度性能好于西寧硝灣鹽漬土的抗剪性能。

(4)在同一壓實(shí)度狀態(tài)下，西寧硝灣鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙小于察爾汗鹽漬土的顆粒和土顆粒之間的間隙，體現(xiàn)出在同一壓實(shí)狀態(tài)下，西寧硝灣鹽漬土的抗剪強(qiáng)度大于察爾汗鹽漬土的抗剪強(qiáng)度。