库岸滑坡黏性土与河水物理化学作用试验研究

毕仁能，项 伟，郭 义，李涛涛，王菁莪

（中国地质大学（武汉）a.工程学院；b.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉 430074）

库岸滑坡黏性土与河水物理化学作用试验研究

毕仁能a，项 伟b，郭 义a，李涛涛a，王菁莪a

（中国地质大学（武汉）a.工程学院；b.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉 430074）

水库水位周期性升降加剧了河水与库岸滑坡堆积物松散土体之间的水土作用，对库岸表层岩土的工程性质会产生显著影响。从水土作用的角度研究河水对库岸黏性土工程性质的影响，通过X射线衍射试验、Zeta电位试验、可交换阳离子试验、固结快剪试验、电镜扫描试验等，对滑坡黏性土与河水作用前后的组分、微结构和抗剪强度进行了对比试验。结果表明：在黏性土与河水作用过程中，由于水化作用和离子吸附作用的共同影响，土颗粒表面Zeta电位降低；由于土颗粒对2价阳离子的吸附作用，结合水膜会变薄，重塑土的微结构和抗剪强度都有一定变化，河水处理后的黏性土在直剪试验中还因土颗粒结构的变化导致剪胀效应。由此揭示水土间物理化学作用在河水淹没范围内对细粒土工程性质影响的作用机理。

水土作用；离子吸附；Zeta电位；抗剪强度；微结构

1 概 述

岩土体物理性质决定其力学性质，然而岩土物理性质的变化不仅源于机械作用，更由于岩土介质动态系统中化学环境的变化对物性的改造［1］。水库蓄水必然引起库岸岩土介质赋存水化学环境的动态变化，变化的水环境与滑坡岩土体物质之间发生溶蚀、水解以及离子吸附与交换等水土化学作用。化学元素在岩土体与水之间重新分配，导致岩土体化学性质和微结构的改变，进而影响岩土体的力学性质［2］。

水土作用是一个复杂的多因素相互作用体系，大致包括水土作用（润滑、软化、泥化作用及结合水的强化作用）、渗流力学作用（净水压力和动水压力作用）以及水土化学作用（离子交换、溶解、水化、水解、溶蚀和氧化还原作用）等［3］。地下水变异带来的离子交换吸附变化是引起土体性质改变的重要环节，其作用过程概括为图1。文中以室内试验为基础，对黏性土在河水作用前后，土颗粒表面Zeta电位、结合水膜厚度、可交换阳离子种类、微结构和宏观剪切强度等作了对比研究，说明水土作用的影响。

图1 离子交换吸附作用分析图Fig.1 Cation absorption and exchange

2 试验材料

2.1 试验用土

试验用土取自三峡库区香溪河入江口右岸的八字门滑坡。本文通过对香溪河河水与典型堆积层滑坡体黏性土间的水土作用，研究水土作用对库岸黏性土工程性质的影响。八字门滑坡体地形上前缘向河流突起，平面形态呈不规则扇形，两侧边边界发育同源冲沟，后缘呈圈椅状凹陷。滑坡体上部滑坡宽约80～210m，下部宽约400～500m，纵长550m，总面积约13.5×104m2，滑体平均厚度30 m，总体积约400×104m3。滑坡体物质主要为红褐色黏性土，夹少量强风化碎石，为香溪西岸侏罗系下统沙镇溪组和三叠系上统香溪组典型的滑坡堆积物。

将试验用土碾碎后过2 mm筛，其基本物理指标见表1。通过X射线衍射试验鉴定了试验用土的矿物成分如图2。分析认为，试验用土为黏土，土中黏土矿物以高岭石为主，含少量伊利石。

表1 试验用土原土样（重塑土）的基本性质Table 1 Basic properties of original soil used in the test

2.2 试验用水

本文试验中主要讨论河水中阳离子对土工程性质的影响，水样取自香溪河八字门滑坡河段，水中主要阳离子种类和含量见表2。

图2 原土样小于2μm粒径X射线衍射分析Fig.2 X-ray analysis for the original soil of particle size less than 2μm

表2 河水中主要阳离子含量Table 2 M ajor cation contents in river water mmol／L

细粒土中含有较多的黏粒，自然界中的黏粒一般情况下带负电。细颗粒的双电层、离子吸附交换、黏粒的聚沉与稳定等特征，都与水环境中的阳离子种类和含量有密切联系［4］。水土作用过程中水分子吸附在土颗粒表面形成结合水膜，水溶液中的水化阳离子与土颗粒表面的阳离子发生交换、吸附等作用，同时也会溶解胶结黏土颗粒的可溶盐，从而对土的工程性质产生影响。

3 试验设计与结果分析

3.1 重塑土的水土作用室内处理

库水位变化过程中，滑坡体一定范围内岩土体长期受河水浸泡。河水主要通过水分子和河水中的化学物质对黏性土的结合水特性、土颗粒表面吸附阳离子种类以及颗粒排列的微观结构产生影响。浸泡土样的河水量按约2 L／kg配制，充分搅拌，静置后移去上清液，并测试上清液电导率值。重复此步骤直至电导率值基本稳定，视为水土作用已充分进行。

3.2 河水处理前后黏粒的Zeta电位、阳离子的吸附与交换

Zeta电位的大小与土颗粒表面结合水扩散层厚度有关，介质中离子对Zeta电位的影响是离子影响扩散层的结果［4］。由表3的试验结果可知河水浸泡土样土颗粒表面的Zeta电位（绝对值）显著小于原土样。黏粒在河水浸泡过程中的聚沉作用也是结合水膜变化的一个特征。不同的离子具有不同的交换吸附能力、离子半径及水合离子半径，因此土粒表面吸附离子的数量和紧密程度不一致，影响黏土矿物的液塑限［4］。

表3 原土样与河水处理样的Zeta电位值Table 3 Zeta potential for original，river water treated samples mV

表4是阳离子交换量试验中可交换阳离子测试结果。分析认为：河水浸泡过程中，土颗粒吸附河水中的阳离子，主要是2价的阳离子，致使土颗粒表面结合水层变薄，土颗粒间距离减小，静电引力作用下土颗粒聚沉。河水处理样土颗粒的Zeta电位试验结果和主要可交换阳离子总当量，均说明对2价离子的吸附是土颗粒扩散层变薄的原因。

表4 土颗粒吸附的主要阳离子含量Table 4 Main absorbed cations for original and river water treated soil samp les mmol／mg

3.3 河水处理对土强度的影响以及剪切试验中的剪胀效应

将原土样和河水处理样加水调至含水率略高于液限的土膏，依次在12.5，25，50，100，200，300 kPa法向压力下固结，每级加荷时间24 h。在固结至300 kPa压力后进行快剪试验，得到土的强度。快剪试验中发现，50 kPa法向压力条件下，河水处理样有显著的剪胀效应，原土样没有剪胀现象。

3.3.1 原土样和河水处理土样的重塑土剪切强度

分别对原土样和河水处理土样作了固结快剪试验，正应力－剪应力曲线取100，200，300，400 kPa的法向压力，结果见图3和表5。

图3 原土样和河水处理土样固结快剪试验结果Fig.3 Fast shear tests for original and river water treated consolidated samples

表5 固结快剪试验结果Table 5 Results of fast shear test for consolidated sam ples

快剪试验结果表明河水处理样的黏聚力和内摩擦角较原土样均略有提高。细粒土的黏聚力是土的连接的反映，包括结合水连接，胶结连接，毛细连接，但大部分细粒土的连接以结合水连接为主［4］。土结构的破裂面并不是通过颗粒本身，而是通过颗粒、颗粒集合体与集合体之间粒间连结［5］。

河水处理样的结合水膜厚度小于原土样结合水膜厚度，经河水处理后土颗粒间的连接强于原土样。河水处理样较原土样c值增大。河水处理样的凝聚结构（片架结构）比原土样的分散结构（片层结构）颗粒间的咬合要更加强烈，细粒土颗粒间剪切移动时，往往不是土颗粒间直接相互摩擦，而是结合水膜的相互摩擦，实质是结合水的黏滞阻力。河水处理样较原土样的结合水膜较薄，其黏滞阻力也较大。河水处理样φ值较原土样增大。

3.3.2 剪切试验中的剪胀效应及微结构分析

固结快剪试验中进行50 kPa法向压力下的快剪试验，但河水处理样发生明显剪胀效应。试验中的剪胀现象和剪胀效应下的应力－位移曲线，分别见图4和图5。可见对于本试验所用黏性土，剪胀效应使测得剪切应力值偏高。土的剪胀效应是由其结构性引起的，它主要是由于土粒在剪应力作用下重新排列而引起的塑性体积变化或变化趋势，一般由颗粒的咬合、颗粒的相对滑动、颗粒的形状及其取向、颗粒间的刚性结构4种效应组成［6］。

图4 法向压力50 kPa时河水处理样快剪过程中的剪胀效应Fig.4 Dilatancy effect during shear test under 50 kPa normal stress for river water treated consolidated samples

图5 法向压力50 kPa时固结快剪过程中的应力-位移曲线Fig.5 Stress-disp lacement curve for dilatancy effect in shear test under 50 kPa normal stress for consolidated sam ples

原土样和河水处理样泥膏在固结仪上固结，依次施以12.5，25，50，100，200，300 kPa固结压力，每级压力下24 h后稳定。固结样冷冻风干的电镜扫描结果如图6、图7。

图6 原土样固结样电镜扫描图片（分散结构）Fig.6 Photo of scanning electron m icroscopy for consolidated sam ples of original soil（dispersed structure）

图7 河水处理样固结样电镜扫描图片（凝聚结构）Fig.7 Photo of scanning electron m icroscopy for consolidated samples of river water treated soil（condensed structure）

图6 和图7分别是原土样和河水处理样在固结至300 kPa下的电镜扫描图片，原土样为分散结构，河水处理样为凝聚结构。结合水膜较薄使黏土颗粒的粒间扩散层斥力作用弱，而粒间的范德华引力作用强烈。此时已形成颗粒面对面、面对边及边对边等接触相混杂的排列形式，称为凝聚结构或片架结构（图8（b））。反之易形成颗粒面对面的片状堆积，称为分散结构或片堆结构（图8（a））［5］。

图8 土颗粒分散结构与凝聚结构示意图Fig.8 Dispersed structure and condensed structure of soil particles

4 结 论

（1）试验用土中的黏土矿物以高岭石为主，含少量伊利石。试验用香溪河河水中的阳离子主要是Na＋，Ca2＋，Mg2＋，K＋等；

（2）水土作用过程中，土颗粒对河水中2价阳离子的吸附作用，使土颗粒表面结合水膜变薄，Zeta电位降低；与河水离子交换作用后的土颗粒间斥力减弱，黏土颗粒呈凝聚结构（片架结构），原土样呈分散结构（片层结构），片架结构排列的黏土矿物会提高土的剪切强度；

（3）对于黏性土的固结快剪试验，较低法向压力下的剪胀效应会使试验所得结果比实际偏高。

［1］ 汤连生.略论岩土化学力学［J］.中山大学学报（自然科学版），2002，41（3）：77－78.（TANG Lian-sheng.On Chemical-Mechanics for Rock and Soil［J］.ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2002，41（3）：77－78.（in Chinese））

［2］ 吴 恒，张信贵，韩立华.水化学场变异对土体性质的影响［J］.广西大学学报（自然科学版），1999，24（2）：85－88.（WU Heng，ZHANG Xin-gui，HAN Li-hua.The Change of Ground Water Chemical Field Affect Properties of Soilmass［J］.Journal of Guangxi University（Natural Science Edition），1999，24（2）：85－88.（in Chinese））

［3］ 徐则明，黄润秋，唐光正.黏土矿物与斜坡失稳［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（5）：729－740.（XU Ze-ming，HUANG Run-qiu，TANG Guang-zheng.Clay Minerals and Failure of Slopes［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（5）：729－740.（in Chinese））

［4］ 唐大雄，刘佑荣，张文殊，等.工程岩土学［M］.北京：地质出版社，1999.（TANG Da-xiong，LIU You-rong，ZHANG Wen-shu，et al.Engineering Science of Rock and Soil［M］.Beijing：Geology Press，1999.（in Chinese））

［5］ 张信贵，吴 恒，方 崇，等.水土化学体系中钙镁对土体结构强度贡献的试验研究［J］.地球与环境，2005，33（4）：58－64.（ZHANG Xin-gui，WU Heng，FANG Chong，et al.Experimental Research on Ca2＋and Mg2＋Contributions to Structural Strength in Soil Body Hydrochemistry Environment［J］.Earth and Environment，2005，33（4）：58－64.（in Chinese））

［6］ 魏汝龙.论土的剪胀性［J］.水利学报，1963，（6）：31－40.（WEI Ru-long.Discuss on Soil Dilatancy［J］.Journal of Hydraulics，1963，（6）：31－40.（in Chinese））

［7］ 陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京：清华大学出版社，1994.（CHEN Zhong-yi，ZHOU Jing-xing，WANG Hong-jin.Soil Mechanics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1994.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Physical and Chem ical Reaction Between River W ater and Clayey Soil from Reservoir Landslide

BIRen-neng1，XIANGWei2，GUO Yi1，LITao-tao1，WANG Jing-e1
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Three Gorges Research Center for Geohazard of Ministry of Education，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Water level fluctuation in reservoir intensifies thewater-soil interaction between riverwater and loose soil of landslide deposit，and thereby profoundly affecting the engineering properties of surface rock-soil.The impact of river water on the engineering property of clayey soil at the reservoir bank is studied from the perspective ofwatersoil interaction.Contrast tests including X-ray diffraction，Zeta electric potential，exchangeable cation types，shear test for consolidated samples，and SEM are performed to study the change of components，microstructure and shear strength of clayey soil from landslide before and after the interaction.It is concluded that Zeta electric potential at the surface of soil particle decreases under the combined effect of hydration and cation absorption.The thickness of absorbed water of soil grains decreases，and themicrostructure and shear strength of remoulded soil are somewhat varied as the cations absorb divalent cations to soil grains.Moreover，dilatancy effect is generated due to the change of soil particle structure in the shear testofwater-treated clayey soil.Themechanism ofwater-soil interaction affecting on the engineering properties of fine-grained soil is finally revealed.

water-soil interaction；cation absorption；Zeta potential；shear strength；microstructure

TU411.91；P642.1

A

1001－5485（2011）07－0028－04

2010-09-06

毕仁能（1984-），男，湖北荆州人，硕士，主要从事工程地质专业岩土体工程性质的学习和研究，（电话）18986153373（电子信箱）birenneng＠126.com。