含盐量对盐渍土力学特性的影响

席人双

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

含盐量对盐渍土力学特性的影响

席人双

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

盐渍土在我国广泛分布，由于其具有特殊的工程力学特性，会影响到许多地区基础设施的建设。大量试验研究结果表明，含盐量对盐渍土的物理力学性质有着重要影响。本文采用低塑性黏土作为研究对象，将不同浓度的NaCl溶液与土样混合来模拟实际工程中遇到的不同含盐量的盐渍土；将上述饱和重塑土进行不同浓度下的固结以及直剪试验，获得了含盐量对土样强度以及压缩特性的影响规律，并从微观物理化学方面对含盐量影响盐渍土物理力学特性的机理进行了系统的分析。

盐渍土；抗剪强度；压缩系数；含盐量；试验分析

盐渍土是一种易溶盐含量＞0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性的特殊土［1］，广泛分布在我国的大部分地区，尤其是西北以及沿海地区。许多基础设施的建设都可能遇到盐渍土地层［2］，盐渍土特殊的工程力学特性会影响到该地区的工程建设，如公路、铁路、房屋建筑物等。盐渍土中的盐分主要以氯化物或硫酸盐为主，阳离子主要以Na+，Ca2+，Mg2+为主。盐渍土的工程力学特性，包括压缩性、抗剪强度等，与盐渍土的化学性质（盐分组成、含盐类型等）密切相关。

在人为扰动或自然条件变化时，盐渍土的化学性质会发生变化，从而引起土体的宏观力学和水力学特性的变化。例如在污染土填埋以及核废料封存过程中，由于各种溶质的迁移，使得土体中孔隙水盐分的浓度以及组份发生变化，从而改变土体的结构、变形、强度特性等。在瑞典、加拿大等国家，由于盐分溶脱后，造成软黏土地基上的公路变形加大、边坡失稳等现象［3］；在国内滨海地区，盐渍土盐分变化也会使地基发生失稳、变形增大等现象［4］。而在盐渍土地区进行的工程设计一般依据现有盐分状态下土样指标或原位测试指标，并未考虑盐分变化使得土体工程性质产生的改变，有可能为工程带来潜在的危害［5］。

为了解决上述问题，不少学者开始关注孔隙水盐分变化对黏性土的化学作用机理。研究表明，当孔隙溶液的物理化学环境（包括浓度、离子类型、PH值等）改变时，由于颗粒和孔隙溶液之间的相互作用，土体的颗粒排列、结构特征以及孔隙水赋存状态会产生变化，从而改变土体的宏观物理力学特性［6-10］。通过试验结果发现，随着盐溶液浓度、化合价及水合半径的增大，高塑性黏土的液限减小［11］，渗透性增大［12］，压缩性降低［13］，抗剪强度增大，但是这种化学作用随着外荷载的增大而减弱。

本文采用低塑性黏土为研究对象，采用不同浓度的NaCl溶液来模拟不同含盐量的盐渍土。采用相应浓度的NaCl溶液对土样进行饱和，然后进行固结以及剪切试验。根据试验结果，分析了含盐量对盐渍土物理力学特性的影响机理。

1　试验材料

本文采用低塑性黏土为研究对象，其物理性质和颗粒分布曲线分别如表1和图1所示，其中该黏土的比表面积采用N2吸附法获得，为Sa=22.63 m2/g。试验中采用的土样均为重塑土样，即首先将风干土碾碎过筛，然后采用不同浓度的NaCl溶液与风干土进行拌合，按设定的含盐量配制成初始含水率为20%的土样，静置48 h，使其水分分布均匀。控制干密度为1.6 g/cm3，采用静压法制备环刀土样。该环刀土样的横截面积为30 cm2，高度为2 cm。将制备好的试样采用抽真空方法进行饱和，并浸泡24 h使其完全饱和，饱和时采用相同浓度的NaCl溶液。在试验中设定NaCl溶液的浓度分别为：0，1，2，5 mol/L。

表1　土样的物理性质指标

图1　土样的颗粒分布曲线

2　含盐量对盐渍土固结特性的影响

将上述饱和土样放入固结仪中，向水槽中注满相应浓度的NaCl溶液。在设定的竖向荷载作用下进行标准固结试验，在每一级压力下固结24 h，当竖向位移读数稳定时，施加下一级荷载。试验中设定的加载序列为12.5，25，50，100，200，400，800，400，200，100，50，25，50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa。不同浓度下的固结试验结果如图2所示。

图2　不同浓度下的固结试验结果

从图2中可以看出，所有的土样初始孔隙比都在0.7左右，也就是说制备的不同含盐量的土样在初始状态下孔隙比不存在较大的差别。当土样在设定的竖向荷载进行固结时，在相同的竖向荷载作用下，土样的含盐量越高，对应的孔隙比越小。而不同含盐量的土样对应的回弹曲线几乎是平行的，也就是说含盐量对土样的回弹特性影响较小，可以忽略。

这与前人的试验结果是一致的，即在一定的竖向荷载作用下，将蒸馏水饱和的土样采用盐溶液进行置换，则会出现孔隙比降低的现象，称为渗透固结。而渗透固结的大小与施加的竖向荷载有关，即力学特性和化学特性存在耦合现象。从上述试验结果来看，竖向荷载越大，化学作用引起的固结现象越明显。但这仅针对该黏土的试验结果成立，对应不同的土则有不同的结论。另外，随着含盐量的增大，土样的固结系数也相应增大，即对应的渗透系数增大，固结速度加快。

3　含盐量对盐渍土抗剪强度的影响

将上述饱和土样放入直剪仪中，向水槽中注满相应浓度的NaCl溶液。在设定的竖向荷载作用下固结24 h，稳定之后开始慢剪试验。试验中设定的竖向荷载为50，100，150，200 kPa，剪切速率为0.02 mm/min，剪切变形达到7 mm为止。不同浓度下的试验结果如图3和图4所示，其中取剪切位移等于4 mm对应的剪应力作为抗剪强度。

图3　不同竖向荷载下含盐量与抗剪强度的关系

图4　不同含盐量下的抗剪强度曲线

由图3、图4可知，随着盐浓度的增大，土体的强度总体上呈增大趋势。其中采用蒸馏水饱和的土样强度稍高一些，这可能是由于制样的误差引起的。由图4可知，不同含盐量下的抗剪强度曲线大致是平行的，也就是说含盐量主要是对黏聚力产生影响，对内摩擦角的影响较小。

4　影响机理分析

黏土的颗粒表面带有负电荷，由于静电引力的作用，会吸引孔隙水中的正电荷离子，形成扩散双电层。黏土颗粒和水之间存在着复杂的物理化学作用，包括氢键作用、可交换阳离子的水化作用、渗析作用、静电力作用和范德华力作用。文献［14］最早根据双电层理论做了电解质溶液对黏土压缩性的研究。文献［15］指出双电层间的电荷密度和电势能分布可用Poisson-Boltzman方程描述，双电层的厚度可以表示为

式中：1/K为双电层厚度；E为单位静电荷；υ为电荷的离子价；D为扩散层介质的介电常数；k为Boltzman常数，k=1.38×10-23J/K；T为绝对温度；n0为溶液的离子浓度。

根据上式可知，双电层的厚度受孔隙水的介电常数、离子浓度、离子价的影响。扩散层厚度与孔隙溶液中离子浓度n0的平方根成反比，同时与离子价成反比。也就是说随着土中含盐量的增大，扩散层厚度降低，双电层间斥力减小，使双电层距离减小，从而引起孔隙直径和体积的减小；阳离子的化学价越高，扩散层的厚度越薄。

双电层中扩散水膜的厚度对黏土的工程性质有重要影响。扩散层厚度大，从而土体的持水性强，塑性高，颗粒之间的距离相对也大，因此土体的膨胀和收缩性大，土的压缩性大，而强度相对较低。因此，在实际工程中，可利用这一机理，通过改变孔隙水溶液的化学成分来改良黏土的工程性质，增加土体的稳定性［16］。

由前面的固结试验结果可知（图2），在某一竖向荷载作用下，随着含盐量的增大，土颗粒之间的双电层变薄，双电层间斥力减小，使得土样的孔隙比减小。同时，由抗剪强度试验结果可知（图3和图4），由于含盐量的增大导致孔隙比减小，土颗粒之间的斥力减小，引力增大，进而使得土样的黏聚力增大。但是内摩擦角表征的是相互接触土颗粒之间的摩擦特性，与土颗粒及其排列有关，为土样的本征参数，与含盐量无关，因此保持为常数；而黏聚力为颗粒之间的黏结力，受到颗粒间的物理化学作用力影响较大。

5　结论

黏性土的工程力学特性与土样的化学性质（盐分组成、含盐类型等）密切相关，本文通过对不同含盐量下低塑性黏土的固结试验和抗剪强度试验获得了以下的结论：

1）在相同竖向荷载作用下，随着土样含盐量增大，土样的孔隙比减小，发生渗透固结现象。同时，渗透固结的程度与竖向荷载的大小有关，也就是说力学作用和化学作用存在耦合现象。而这种耦合特性与土样的种类有关。对该种黏土来说，竖向荷载越大，渗透固结现象越明显。

2）随着含盐量的增大，土样的抗剪强度增大。主要表现在黏聚力随含盐量的增大而增大，而对内摩擦角影响较小，几乎保持为常数。

3）根据双电层理论，从微观物理化学方面分析了含盐量对土体力学特性的影响机理。随着含盐量的增大，双电层厚度变薄，则土颗粒之间的斥力减小，造成土样孔隙比降低，抗剪强度增大。

［1］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

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（责任审编周彥彥）

Effect of Salt Content on Mechanical Properties of Saline Soils

XI Renshuang
（China Railway Siyuan Survey&Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

Saline soils are widely distributed in China and have special mechanical properties，which would affect the construction of many infrastructures.A large number of tests and research results show that the salt content has a strong influence on the physical and mechanical properties of saline soils.In this paper，the low plastic clay was mixed with different concentrations of NaCl solutions，which was used to simulate the saline soils with different salt content encountered in the construction.T he compression and shear tests were performed on the remoulded soils saturated with different concentrations of NaCl solutions.T he effects of salt content on the shear strength and compression properties of the samples were obtained.Based on the test results，the influence mechanism of the salt content on the physical and mechanical properties of saline soils was analyzed from the microscopic physic-chemical aspect.

Saline soil；Shear strength；Compression coefficient；Salt content；T est analysis

TU448

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.23

1003-1995（2016）10-0086-04

2016-05-16；

2016-07-28

席人双（1985—），男，工程师，硕士。