青海东西部典型盐渍土抗剪强度对比试验研究

唐雄宇，张吾渝，高义婷，童国庆，常立君，于 荣

(青海大学土木工程学院，青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016)

盐渍土作为一种特殊土，在我国分布广泛，总面积大约为9.9×107hm2,主要集聚在我国华北、西北、东北半干旱、干旱地带及沿海地区，西北地区如青海、甘肃、内蒙古、宁夏和新疆等地都有分布[1]。根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》规定：岩土中易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀和腐蚀等特性时，应判断为盐渍土[2]。由于盐渍土的特殊性质在工程建设中具有一定的危害，因此前苏联在20世纪40年代就开始研究盐渍土的相关特性和规律,提出了一些理论和研究方法[3]，即主要通过多种因素的影响条件对盐渍土的压缩特性、稳定性、抗剪强度等方面进行研究。Roman等[4]分析了在不同条件下盐渍土强度特性与变形特性的关系，并研究了强度参数对土体物质组成的影响。

中国在20世纪50年代开展了大规模的盐渍土改良和考察工作，有力促进了我国盐渍土研究的发展，为盐渍土的改良奠定了坚实的基础。雷华阳等[5]研究了含盐量对盐渍土抗剪强度的影响并得到了内摩擦角和黏聚力与含盐量的回归方程。王欢等[6]开展了粉煤灰在不同压实度状态下的三轴试验，结果表明，压实度越大，粉煤灰的总黏聚力和总内摩擦角越大。胡世凯[7]以不同的冻融循环、含盐量和含水量为变量研究了盐渍土的力学特性变化规律和理化性质。孙小平[8]研究认为,水份、温度和含盐量是盐渍土盐胀变形的基本条件，盐胀变形的内在首要因素是盐份和水份。徐安花等[9]通过控制盐渍土的含盐量，改变含水率和压实度来测定土基回弹模量E0，得到了盐渍土的E0随着含水率的增大而先增大后减小的规律。郭菊彬等[10]通过大量试验得出含水率、干密度等对盐渍土的抗剪强度具有显著影响。邓亚虹等[11]研究了不同围压和含水率条件下原状黄土的强度特性，得到低围压、低含水率状态产生应变软化的现象。虽然我国现阶段对固化滨海地区盐渍土和西北地区盐渍土的研究较多，但是有关环境因素对盐渍土工程特性的影响只有单因素研究。因此，研究青海东西部典型盐渍土的抗剪强度特性变化规律和产生差异的原因，对两个地区的工程建设具有一定的现实意义。

1 材料与方法

图1 青海省盐渍土分布图Fig.1 Distribution of saline soil in Qinghai province

1.1试验地概况通过各种研究资料和勘察资料发现，青海省盐渍土分布比较广泛，主要分布在西宁、平安河湟谷地湟水河南岸山前倾斜平原及柴达木盆地等地带[12](图1)。本试验取青海西宁硝湾和察尔汗万丈盐桥附近的盐渍土为试验用土，其基本物理性质参数见表1。

表1 西宁硝湾和察尔汗盐渍土的基本物理性质参数Tab.1 Basic physical property parameters of saline soil in Xining Xiaowan and Qarhan

1.2试样制备制备试样的直径为39.1 mm，高度为80 mm。试样制备时先将现场取来的散状土样用烘箱烘干，过2 mm筛,按照试验方案的设定值分别配置不同的含水率后将土样置于密闭容器内至少24 h,使含水率均匀，击样前取出中间部分具有代表性土样再次测定其含水率，按GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》要求控制土样的含水率与设定的含水率的差值小于±1%[2]。

三轴试样击样工具由底座、三瓣膜和击锤组成，击锤的直径比试样的直径小，三瓣膜的内径与试样的直径相同。试样分5层击实，按照设定的含水率和压实度计算出试样的总质量，击样时保证各层的土质量、击实高度和击实次数相同。

1.3试验方法试验采用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透仪，在两个区域盐渍土最优含水率条件下，以不同周围压力、不同压实度进行不固结不排水三轴剪切(UU)试验，具体试验参数设定见表2。三轴UU试验的剪切速率为0.8 mm/min，轴向应变为15%时试验结束。三轴试验参数设定如下：西宁硝湾和察尔汗地区的最优含水率为13.88%、6.42%，周围压力为50、100、200和400 kPa，压实度为90%、93%和97%。

2 结果与分析

2.1抗剪强度参数对比分析根据三轴试验数据绘制应力应变曲线，选取曲线峰值点对应的主应力差作为破坏强度值，得到两个区域在不同压实度和周围压力条件下试样的峰值应力σ1和σ3(表2)。取在相同压实度条件下，不同周围压力的土样在破坏时的σ1和σ3，绘制莫尔应力圆，作出莫尔应力圆的公切线，得出两个区域盐渍土试样的抗剪强度参数(表3)。

表2 两个区域盐渍土试样的峰值应力Tab.2 Peak stress of saline soil samples in the two regions

表3 两个区域盐渍土抗剪强度参数表Tab.3 Parameters of shear strength of saline soil in the two regions

由图2和图3可知，随着压实度的增大，两个区域盐渍土黏聚力逐渐增大，黏聚力和压实度呈线性关系。内摩擦角先减小后增大，在93%时最小。在相同压实状态下，两个区域的曲线具有很大的差异，西宁硝湾盐渍土的黏聚力明显大于察尔汗盐渍土的黏聚力，且增幅较大，这说明西宁硝湾盐渍土内部颗粒的相互吸引力较强。但西宁硝湾盐渍土的内摩擦角小于察尔汗盐渍土的内摩擦角，说明察尔汗盐渍土土粒之间的连锁作用所产生的咬合力小于西宁硝湾盐渍土土粒之间的咬合力。

图2两个区域盐渍土黏聚力与压实度的关系Fig.2Relationship between cohesion and compactness of saline soil in the two regions图3两个区域盐渍土内摩擦角与压实度的关系Fig.3Relationship between internal friction angle and compactness of saline soil in the two regions

2.2抗剪强度对比分析抗剪强度参数直接决定土的抗剪强度。对文中出现的符号进行定义，τf为抗剪强度，σ为剪切面上的法向总应力，α为破坏面与大主应力面的夹角。

τf=c+σtanφ

(1)

(2)

(3)

式中：σ1和σ3分别为第一和第三方向的主应力，c为土的黏聚力，φ为土的内摩擦角。根据上式分别计算出在不同周围压力条件下，试样不同压实度对应的抗剪强度值(表4)。

表4 两个区域盐渍土的抗剪强度值Tab.4 Shear strength values of saline soil in the two regions

根据表4分别绘制相同周围压力条件下抗剪强度随压实度的变化曲线(图4)可以看出，试样的抗剪强度随围压增加呈线性增加的趋势。在最优含水率条件下，西宁硝湾盐渍土的抗剪强度和察尔汗盐渍土的抗剪强度差别显著，察尔汗盐渍土的抗剪强度性能优于西宁硝湾盐渍土的抗剪强度。当含水率一定时，盐分的含量对土体的抗剪强度有较大影响。当盐分含量较多时，盐分能够在土体内形成结晶，从而改变土体的颗粒级配。含盐量越大，抗剪强度值越低[14]。西宁硝湾盐渍土的含盐量为0.56%，察尔汗盐渍土的含盐量为5.3%，所以含盐量是造成两个区域盐渍土抗剪强度差异性的主要原因之一。

在相同周围压力条件下，两个区域盐渍土的抗剪强度值都随着压实度的增加而增加，土体的压实度越高，抗剪强度值越大；周围压力越大，抗剪强度值越大。周围压力为50 kPa时，不同压实度条件下两个区域盐渍土的抗剪强度差值分别为138.6、149.35、154.3 kPa；周围压力为100 kPa时，不同压实度条件下两个区域盐渍土的抗剪强度差值分别为166.1、149、152.7 kPa；周围压力为200 kPa时，不同压实度条件下两个区域盐渍土的抗剪强度差值分别为166.59、139、150.64 kPa；周围压力为200 kPa、压实度为93%时，两个区域盐渍土的抗剪强度差值分别为138.86、129.6、127.8 kPa。由此可以看出，在低压实状态下，两个区域盐渍土抗剪强度差值大，在高压实状态下，两个区域盐渍土抗剪强度差值小，说明压实度对两个区域盐渍土抗剪强度有很大的影响。越接近最密实状态，抗剪强度值越大，在密实状态下，抗剪强度趋近最大值。

图4 抗剪强度随压实度的变化曲线Fig.4 Variation curves of shear strength with compactness

绘制相同压实度条件下，抗剪强度随周围压力的变化曲线,如图5。从图中可以看出，在相同压实度条件下，西宁硝湾盐渍土的抗剪强度大于察尔汗盐渍土的抗剪强度；两个区域盐渍土的抗剪强度随着周围压力的增大呈线性增大，周围压力越大抗剪强度值越大。

图5 抗剪强度随周围压力的变化曲线Fig.5 Variation curves of shear strength with surrounding pressure

2.3两个区域抗剪强度微观机理分析微观试验采用扫描电子显微镜(SEM)观察土的表面形态和内部结构变形状态。试验前先将试样切成符合要求的小试块，再将试样在室温条件下进行干燥处理，之后进行镀金工艺。在三轴剪切试验的基础上选取部分试样进行微观电子扫描试验。试验中主要通过两个区域土样的微观形态进行跟踪研究，从而进一步解释盐渍土的强度特性规律。取两个区域试验用土，把两个区域土样的含水率配置成最优含水率，分别压实至90%、93%、97%，进行微观试验，试验结果见图6。

图6 两个区域盐渍土在不同压实度条件下的微观形态图Fig.6 Microscopic morphology of saline soil in the two regions with different compactness

孔隙结构是土的主要结构特征，直接决定土的强度特征和压缩性能。土颗粒的形状、大小以及颗粒之间的间隙不同，对盐渍土强度特性的影响也不同。孤立孔隙的直径和颗粒越大，对土的压缩性、孔隙性的影响越大，如果存在过多的孤立孔隙，强度性质就较差[14]。

由图6可知，西宁硝湾盐渍土主要以网状和珊瑚状附着在土颗粒周围，随着压实度的增大，西宁硝湾和察尔汗盐渍土颗粒之间的间隙和颗粒直径逐渐变小，盐渍土的抗剪强度逐渐增大。如图6左右对比可知，在同一压实度下，西宁硝湾盐渍土的颗粒和土颗粒之间的间隙小于察尔汗盐渍土的颗粒和土颗粒之间的间隙，体现出在同一压实度下，西宁硝湾盐渍土试样的抗剪强度大于察尔汗盐渍土试样的抗剪强度。此微观形态分析使试验结果得到了合理的解释和论证。

3 讨论与结论

盐渍土病害是工程建设中最重要的影响因素之一，前人主要通过多种因素的影响条件对盐渍土的压缩特性、稳定性、抗剪强度等方面[4]进行研究。随着大规模盐渍土改良工作的开展，我国现阶段对固化滨海地区盐渍土和西北地区盐渍土的研究[5-11]较多，但是有关环境因素对盐渍土工程特性的影响只有单因素研究。由于青海地区的盐渍土具有独特的力学强度特性，故对青海地区盐渍土的研究具有重要的工程意义。本研究结果表明，西宁硝湾和察尔汗盐渍土的强度特性差异性很大，并分析比较了不同围压和压实度对抗剪强度参数和抗剪强度值的影响，这对两个区域盐渍土工程建设和青海省不同区域的盐渍土研究提供了理论指导。压实度是影响抗剪强度参数的重要因素之一，建议在实际工程中尽量将土体夯实。本文以两个区域最优含水率为前提，在不同周围压力和压实度条件下探究青海东西部典型盐渍土的强度特性规律和差异,得出了以下几点结论：

(1)在相同试验条件下，随着压实度的增大，两个区域盐渍土的黏聚力逐渐增大，黏聚力随压实度的增加呈线性增加趋势。内摩擦角先增大后减小。

(2)在相同压实状态下，西宁硝湾盐渍土的黏聚力明显大于察尔汗盐渍土的黏聚力，且西宁硝湾的增幅较大，这说明西宁硝湾盐渍土内部颗粒之间的相互吸引力较强。

(3)西宁硝湾盐渍土的抗剪强度和察尔汗盐渍土的抗剪强度的差别显著，察尔汗盐渍土的抗剪强度性能好于西宁硝湾盐渍土的抗剪性能。

(4)在同一压实度状态下，西宁硝湾盐渍土的颗粒和土颗粒之间的间隙小于察尔汗盐渍土的颗粒和土颗粒之间的间隙，体现出在同一压实状态下，西宁硝湾盐渍土的抗剪强度大于察尔汗盐渍土的抗剪强度。