循环荷载作用下NaCl溶液对黏土动力特性影响及微观机理分析

庄心善 潘睿捷 夏顺磊

摘 要：針对黏土易与水结合，孔隙溶液环境变化对黏土动力特性有较大影响的问题，使用GDS真/动三轴仪对黏土试样进行模拟交通循环荷载下的分级加载试验，研究不同浓度NaCl孔隙溶液、振动频率对土体应力 应变关系和动弹性模量的影响，分析骨干曲线及弹性模量的发展规律，并结合电镜扫描，分析NaCl溶液浓度和振动频率改变前后试样的孔隙分布规律，得到微观孔径与动力特性的关系。结果表明，随着NaCl溶液浓度和振动频率的升高，应力 应变曲线和动弹性模量曲线呈上移趋势；阻尼比 动应变曲线随振动频率的增加而上升，随NaCl溶液浓度的增加而下降；NaCl溶液浓度升高，水化反应产生的胶体增多，微填充作用可有效减少小孔隙，振动频率增加则使得片状颗粒间距被压缩，层状结构减少，土体更加密实，有效减少大孔隙。研究得出的含NaCl溶液黏土受孔隙溶液浓度与振动频率变化的影响规律，可为研究其他环境下黏土的强度变化提供参考。

关键词：地基基础工程；黏土；孔隙溶液；循环动荷载；分级加载；土动力特性

中图分类号：TU443   文献标识码：A  DOI：10.7535/hbkd.2023yx04009

Influence of NaCl solution on dynamic characteristics of clay under cyclic loading and microscopic mechanism analysis

ZHUANG Xinshan，PAN Ruijie，XIA Shunlei

（School of Civil， Architecture and Environment， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068， China）

Abstract： Aiming at the problem that the change of the pore solution environment has a great influence on the dynamic characteristics of clay， graded loading tests were performed on clay samples under simulated traffic cyclic loads by using a GDS true/dynamic triaxial apparatus. The effects of different concentrations of NaCl pore solution and vibration frequency on the stress strain relationship and dynamic elastic modulus of the soil were studied， and the development rules of the backbone curve and elastic modulus were analyzed. Combined with electron microscope scanning， the pore distribution law of samples before and after changing the NaCl solution concentration and vibration frequency was analyzed to obtain the relationship between micro pore size and dynamic characteristics. The results show that with the increase of NaCl solution concentration and vibration frequency， the stress strain curve and dynamic elastic modulus curve show an upward trend; the damping ratio dynamic strain curve rises with the increase of vibration frequency and decreases with the increase of NaCl solution concentration; at higher NaCl solution concentration， the increase of colloid produced by the hydration reaction can effectively reduce small pores; increasing vibration frequency compresses the distance between flaky particles， reduces the layered structure and makes the soil more compact， effectively reducing large pores. The influence of pore solution and vibration frequency on clay with NaCl solution is obtained， which provides some reference for intensity change of clay under other environment.

Keywords： foundation engineering; clay; pore solution; cyclic dynamic loads; stepwise loading; geodynamic properties

黏土广泛分布于世界各地，其颗粒周围有一层水分子膜，在潮湿时具有良好的可塑性，但在干燥或烧制时会变硬，脆性增加，且失去可塑性[1 2]。随着中国城市化建设的不断推进，公路铁路遍布全国各地，也面临来自环境和交通工具的各种考验。在一些特殊情况下，溶液会渗透进入土壤孔隙，例如氯盐融雪剂、垃圾处理场和工地堆放的易分解废弃物等[3]。氯化钠溶液是孔隙溶液中较为常见的一种，其中带正电的离子易与黏土颗粒表面带负电的离子结合，使黏土孔隙的微观结构发生变化，进而在宏观上影响黏土的物理力学性质，若忽略孔隙溶液的影响，在对土体性质进行评估时可能出现误差，从而导致安全隐患[4 5]。

CHAKRABORTTY等[6]对不同级配砂土施加循环动荷载，得出孔隙环境对砂土剪切模量及阻尼比影响显著。HUSSAIN等[7]和CHEN等[8]采用MIP和SEM探究三轴压缩试验前后饱和重塑黄土的微观结构，对微观结构参数和宏观强度的相关性作出了评价。梁维云等[3]采用一维压缩试验和压汞实验，研究在不同NaCl溶液浓度下重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构，结果表明水化反应中盐溶液使孔隙比减少，宏观上表现为渗透性降低，进而导致压缩性降低。前人通过改变黏土孔隙溶液环境，再将黏土循环加载试验的数据与微观现象结合，证明了孔隙溶液环境变化对黏土的工程性质有着不容忽视的影响，但需要开展进一步研究。

SALEH等[9]通过循环荷载下的三轴试验分析了围压、加载频率对海洋黏土动力特性的影响。XIAO等[10]通过控制振次、含水量、固结比研究了不饱和黄土动力特性，结果表明动弹性模量随含水量的增加而减少，随固结比的增大而增大。 庄心善等[11]采用GDS真/动三轴仪研究了孔隙溶液浓度变化下膨胀土的动力特性，得到随NaCl溶液浓度升高，累积变形和阻尼比均减小。张勇等[12]对饱和软黏土进行固结不排水试验，研究振次和动应力幅值对土体动力特性的影响，建立了含幅值、振次、围压等影响因素的动骨干曲线模型，得到动荷载循环下刚度软化规律。由已有研究可知，振动频率对黏土本构关系及动弹性模量的发展规律有较大影响，进而影响黏土的工程性质。然而以上研究多从宏观角度分析土体的工程特性，基于微观结构进行宏观现象的研究较少。

鉴于此，本文拟进行黏土动力循环三轴压缩试验，探讨NaCl溶液与振动频率对黏土动力特性的影响，结合电镜扫描从微观角度对宏观现象进行分析，以期为实际工程土体评估提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试验仪器

试验仪器為英国GDS公司生产的动静态真三轴仪，最大频率为5 Hz，最大轴向力为10 kN，最大围压为2 MPa，如图1所示。本次试验选用该仪器动力加载模块，使用GDSLSAB软件对高度为100 mm、直径为50 mm的圆柱试样精准施加围压、反压、轴向压力及动荷载，测量系统可精准测得随时间变化的孔隙水压力、轴向压力、围压、体积应变等数据，位移传感器测量精度为0.000 1 mm。

1.2 试验材料

试验用黏土取自于安徽某公路工程，颜色呈淡黄色，主要由蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物组成，含盐量为0，其基本物理力学参数见表1。试验用NaCl晶体产自国药集团化学试剂有限公司，符合GB/T 1266—2006标准，计算并称取一定摩尔质量的NaCl晶体后配置在相应体积的容量瓶内，流程严格遵守溶液配置标准。

1.3 试验方案

试样按最优含水率19.7%制作，直径为50 mm，高度为100 mm，分5层，每层捣实27次，每一层捣实后进行刮毛处理。在试验前，对掺入不同浓度NaCl溶液的土样进行12 h抽真空后，再注入与土样孔隙中浓度相同的NaCl溶液，浸泡12 h进行饱和处理。开始试验时，将处理

好的土样脱模后装入橡皮膜，置于GDS动静态真三轴仪中反压饱和，在饱和度大于0.98后，以线性加载方式逐步施加200 kPa围压进行排水固结。本试验模拟交通荷载下车速20～80 km/h，对应频率1～5 Hz，为保证试验结果的准确，最终选用1，1.5和2  Hz作为加载频率。为模拟融雪剂和垃圾填埋场，选用0，0.05，0.1和0.15 mol/L的孔隙溶液浓度。采用固结不排水循环剪切试验，加载波形选用正弦波。初始动应力幅值为10 kPa，分20个振级，每级递增10 kPa，加载到200 kPa时终止，每个振级循环振动10次，分级加载示意图如图2所示。为使试验数据精确有效，提取动应力幅值在60～150 kPa范围内的十级数据用于分析，当轴向应变达到6%时视作破坏，终止试验，试验方案如表2所示。

2 结果及分析

2.1 动应力 应变特征分析

2.1.1 浓度影响

为分析不同浓度、不同振动频率对动应力 应变关系的影响，选取每级荷载循环的第4～7次滞回圈顶点的应力、应变平均值绘制动应力 应变关系骨干曲线，如图3所示。

由图3可知，在εd<1%时，动应力 应变曲线较为陡峭，趋近于线性关系；当εd＞1%时，相同动应力幅值变化下应变的变化速率加快，使得整个动应力 应变曲线趋近于对数函数形态。

在相同频率下，动应力 应变曲线随NaCl溶液浓度增加呈整体上移趋势。黏土矿物主要是由铝片和硅片组成的晶胞堆叠而成[13]，晶胞间的负电荷易与电场范围内水分子和NaCl溶液中的阳离子形成双电层，静电力较强的表面易形成固定层，静电力较弱的固定层外形成扩散层，极性水分子与水化离子被吸引的同时具有一定活动性，形成扩散层[14 16]。双电层示意图如图4所示。

双电层的厚度与NaCl溶液浓度相关，NaCl溶液浓度越高，其中的阳离子越容易与带负电的黏土颗粒相结合以平衡电性，减少静电引力强度，结合水膜厚度减少，黏土颗粒间距变小[17 19]，宏观表现为土体更加密实，动应力 应变曲线随孔隙溶液浓度的增加呈现出整体上移的趋势。

2.1.2 频率影响

如图5所示，不同频率对黏土动应力 应变曲线影响较为显著，在各浓度下均呈现出相同应力下低频动应变大于高频动应变。这是因为，循环荷载作用下黏土的体积变化主要由孔隙体积变化而引起，

随着振动频率的升高，动荷载作用在土体表面的时间缩短，土体受到的动能减小，土中孔隙水压力来不及上升和扩散，在一定程度上遏制了土体发生形变，孔隙体积压缩量降低。

2.2 动弹性模量 动应力特征分析

动弹性模量表示土体抵抗弹性形变的能力，与土体的刚度呈正相关。各级动应力 应变滞回圈顶点连线的斜率为动弹性模量，其公式为

式中：Ed为动弹性模量；εd为动应变；σd为动应力。

选取每级荷载循环的第4～7次动弹性模量平均值及对应动应力，绘制Ed σd关系曲线如图6所示。由图6可知，在频率不变条件下，动弹性模量随NaCl孔隙溶液浓度增大而增大；在浓度不变条件下，振动频率越大，动弹性模量越大。孔隙溶液浓度上升及振动频率增加均对土体刚度有提高作用。

2.3 动弹性模量 动应变特性分析

选取每级荷载循环的第4～7次动弹性模量平均值及对应动应变，绘制不同孔隙溶液浓度、不同频率Ed εd关系曲线如图7、图8所示。由图7、图8可知，动弹性模量 动应变曲线呈近似幂函数形态，当εd＜1%时，试样处于弹性变形阶段，曲线较陡，动弹性模量随动应变的增加迅速减少；当1%＜εd＜3%时，试样进入弹塑性变形阶段，曲线陡峭程度降低；当εd＞3%时，试样进入塑性发展阶段，动应变以塑性形变为主，动弹性模量减少缓慢。

动弹性模量随孔隙溶液浓度和频率的增加而增大，表现为Ed εd曲线整体上移。根据双电层理论，孔隙溶液浓度的增加会使得颗粒结合水膜变薄，减少颗粒间距，土颗粒间相对作用力变强，更难产生位移，土体刚度提高。而振动频率的增加使土体在受到外力发生形变时迅速达到某一形变，不能充分回弹，因此在相同动弹性模量下，动应变随频率的增加而增加。

2.4 阻尼比变化规律分析

土的阻尼比 λ 反映了土体在循环动荷载作用下能量损耗的情况，可用土体在1个周期内损耗的能量ΔW与该循环中所储存总能量W的比值表示：

图9为阻尼比 动应力关系随振动频率和孔隙溶液浓度变化曲线。由图9可知，在频率较低条件下，当σd＜110 kPa时，阻尼比随动应力增大而增大，当σd＞110 kPa时，阻尼比随动应力增大而减小；而在频率较高条件下，阻尼比隨动应力的变化规律转折点变为σd=120 kPa。这是因为随着动应力增大，土体密实度不断增加，当达到较大的密实度时，土体变形速率迅速降低，使阻尼比达到最大值后逐渐减小；随频率增大，动荷载作用在土体上的时间缩短，使土体达到较大密实度所需的动荷载降低。

3 电镜扫描及分析

孔隙溶液环境的变化导致黏土颗粒与钠离子结合改变微观结构，进而影响黏土的力学特性。为了研究黏土在不同孔隙溶液浓度和不同振动频率影响下的结构特征，从各组试样中心处取约1 g黏土，模拟夏季工况，将黏土置于50 ℃恒温烘箱中72 h，取出冷却，再采用电镜扫描将烘干的黏土试样放大800倍、3 000倍和10 000倍进行观察，如图10—图12所示。

由图10 a）可观察到，黏土在放大800倍下呈现出完整的片状，其中均匀分布着大小不一的条形和三角形孔隙，由于放大倍数较低，仅能观察到黏土表面形态，不能清晰准确地观察到颗粒的结构和中小孔隙分布规律。在放大3 000倍下黏土的颗粒表面的层状结构可以较好地展现出来，由图10 b）可观察到片状的黏土颗粒堆叠，向各方向卷曲，呈层状分布，高亮部分为颗粒表面形成的羽翼状胶体，阴影区域为孔隙和土颗粒间联结部分。在放大10 000倍下的中小孔隙结构如图10 c）所示，在该放大倍率下难以完整地观察到黏土颗粒和盐的结构，但可以较好地展示孔隙内部结构。本文主要研究加入NaCl孔隙溶液后的黏土颗粒结构和孔隙分布情况，因此在研究孔隙发展规律时使用3 000倍放大下的电镜扫描结构参数。

图11展示了素土在放大3 000倍下不同振动频率下的电镜扫描图像。为了对比不同孔隙溶液浓度、振动频率对孔隙发展规律的影响，本文结合文献[20 21]按孔径大小将土中孔隙分为大孔隙（r≥10 μm）、中孔隙（0.1 μm≤r<10 μm）和小孔隙（r<0.1 μm）。图11 a）中，当黏土孔隙不含NaCl溶液时，土颗粒表面片状结构明显且不定向排列，大量条形、三角形孔隙不均匀遍布其中；图11 b）中，随着振动频率增加到1.5 Hz，中小孔隙变化不显著，但大孔隙明显缩小并转变为中孔隙和小孔隙，层状结构依然明显；图11 c）中，当振动频率增加到2 Hz时，加载速率变快，土颗粒被快速压实，面 面接触区域高亮胶体增多，三角形孔隙被挤压成条形，条形孔隙体积减小显著，黏土颗粒间紧密贴合，层状结构不再明显。

图12表示在2 Hz频率下不同浓度孔隙溶液对试样孔隙变化的影响。在2 Hz振动频率下黏土颗粒表面颗粒被压缩，大孔隙转变为中小孔隙。图12 a）中，土颗粒表面的黏性矿物紧密聚集在一起，条形孔隙被土颗粒挤压，数量减少，圆形中孔隙依然存在且均匀遍布其中。图12 b）中，黏土加入0.05 mol/L的NaCl溶液后，表面无序排列的片状颗粒相互堆叠贴合，层状结构减少，NaCl颗粒起到微填充作用，条形中孔隙消失，圆形孔隙数量减少。图12 c）中，随着NaCl溶液浓度提高到0.1 mol/L，水化反应产生的絮状胶体增多，均匀分布在各孔隙中链接土颗粒，导致中小孔隙数量减少，颗粒间黏聚力增强，不定向层状排列减少。图12 d）中，将NaCl溶液浓度增加到0.15 mol/L，颗粒表面羽翼状胶体增多，土颗粒被胶结，各种形状中孔隙几乎消失，转变为3 000倍放大下不易观察到的小孔隙，土颗粒表面更平整光滑，土体的密实度增大，强度提高。

4 结 论

1）NaCl溶液中钠离子易与黏土颗粒结合平衡电性，导致黏土颗粒扩散层变薄，颗粒间距缩小，密实度提高。提高振动频率使黏土试样更快达到某一变形，孔隙水压力来不及扩散。因此试样黏土随NaCl溶液浓度上升和频率增加，在达到相同应变时所需应力增加，消耗的能量相应增大。

2）相较于NaCl溶液浓度，频率对黏土的动弹性模量影響更大。在动应变较小的弹性变形阶段，黏土动弹性模量迅速降低，在塑性变形至破坏的过程中动弹性模量降低速率减缓。

3）通过电镜扫描，从微观层面观察到黏土在不同孔隙溶液环境和振动频率下的孔隙分布特点和孔径变化规律，证明了黏土宏观动力学特性变化规律，为实际工程提供参考依据。

在试验方案设计阶段，为了模拟黏土道路融雪化冰及垃圾填埋场等环境，选用较低浓度的NaCl溶液研究本构关系及动弹性模量的发展规律，得出在以上环境中NaCl浓度的升高对黏土的强度有提高作用。但在海水等NaCl较高浓度环境下黏土是否呈现相同趋势还有待验证，在今后的研究中拟考虑更高浓度NaCl溶液下黏土应用场景，并根据实际情况给出工程施工建议。

参考文献/References：

［1］ 张锐，申姁宁，杨相展，等.黏土结合水分类及测试方法研究综述［J］.中外公路，2022，42（3）：1 10.

ZHANG Rui，SHEN Xuning，YANG Xiangzhan，et al.Review on classification and testing methods of clay bound water［J］.Journal of China & Foreign Highway，2022，42（3）：1 10.

［2］ 胡传林，陶永征，TARIQ J，等.煅烧黏土反应活性及其影响机理［J］.建筑材料学报，2023，26（2）：179 185.

HU Chuanlin，TAO Yongzheng，TARIQ J，et al.Reactivity of calcined clay and its influence mechanism［J］.Journal of Building Materials，2023，26（2）：179 185.

［3］ 梁维云，韦昌富，颜荣涛，等.NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制［J］.岩土力学，2019，40（12）：4759 4766.

LIANG Weiyun，WEI Changfu，YAN Rongtao，et al.Microstructure and compression characteristics of NaCl solutions saturated expansive soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2019，40（12）：4759 4766.

［4］ 王宝峰.孔隙溶液环境对黏土力学特性影响的试验研究［D］.杭州：浙江大学，2017.

WANG Baofeng.Experimental Study on the Effect of Pore Fluid Properties on the Clay Mechanical Characteristics［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2017.

［5］ 于海浩，韦昌富，颜荣涛，等.孔隙溶液浓度的变化对黏土强度的影响［J］.岩土工程学报，2015，37（3）：564 569.

YU Haihao，WEI Changfu，YAN Rongtao，et al.Effects of pore solution concentrations on shear strength of clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2015，37（3）：564 569.

［6］ CHAKRABORTTY P，ROSHAN A R，DAS A.Evaluation of dynamic properties of partially saturated sands using cyclic triaxial tests［J］.Indian Geotechnical Journal，2020，50（6）：948 962.

［7］ HUSSAIN M，SACHAN A.Dynamic behaviour of Kutch soils under cyclic triaxial and cyclic simple shear testing conditions［J］.International Journal of Geotechnical Engineering，2020，14（8）：902 918.

［8］ CHEN Huie，JIANG Yaling，NIU Cencen，et al.Dynamic characteristics of saturated loess under different confining pressures：A microscopic analysis［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2019，78（2）：931 944.

［9］ SALEH S.MOHD YUNUS N Z，AHMAD K，et al.Effect of confining pressure and loading frequency on dynamic characteristics of Batu Pahat marine clay［J］.IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2021，682.DOI： 10.1007/s10064 017 1101 9.

［10］XIAO Jin，LI Hui，ZHANG Shanjun，et al.Experimental study on dynamic properties of loess in Xining area under cyclic loading［J］.IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2018，153（3）.DOI： 10.1088/1755 1315/153/3/032014.

［11］庄心善，周荣，周睦凯，等.孔隙溶液对循环荷载作用下膨胀土累积变形及阻尼比影响研究［J］.岩土力学，2022，43（sup2）：1 10.

ZHUANG Xinshan，ZHOU Rong，ZHOU Mukai，et al.Influence of pore solution on cumulative deformation and damping ratio of expansive soil under cyclic loading［J］.Rock and Soil Mechanics，2022，43（sup2）：1 10.

［12］张勇，孔令伟，李雄威.循环荷载下饱和软黏土的动骨干曲线模型研究［J］.岩土力学，2010，31（6）：1699 1704.

ZHANG Yong，KONG Lingwei，LI Xiongwei.Dynamic backbone curve model of saturated soft clay under cyclic loading［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31（6）：1699 1704.

［13］梁维云，韦昌富，张芹，等.膨润土吸湿过程中膨胀力演化及水分分布特征［J］.岩土工程学报，2023，45（2）：283 291.

LIANG Weiyun，WEI Changfu，ZHANG Qin，et al.Swelling pressure evolution and water distribution characteristics of bentonite during wetting process［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2023，45（2）：283 291.

［14］李广信，张丙印，于玉贞.土力学［M］.2版.北京：清华大学出版社，2013.

［15］李广信.高等土力学［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［16］叶为民，黄伟，陈宝，等.双电层理论与高庙子膨润土的体变特征［J］.岩土力学，2009，30（7）：1899 1903.

YE Weimin，HUANG Wei，CHEN Bao，et al.Diffuse double layer theory and volume change behavior of densely compacted Gaomiaozi bentonite［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（7）：1899 1903.

［17］BOLT G H，MILLER R D.Compression studies of illite suspensions［J］.Soil Science Society of America Journal，1955，19（3）：285 288.

［18］SRIDHARAN A，JAYADEVA M S.Double layer theory and compressibility of clays［J］.Géotechnique，1982，32（2）：133 144.

［19］ MITCHELL J K，SOGA K.Fundamentals of Soil Behavior［M］.New York：Wily，2015.

［20］MONROY R，ZDRAVKOVIC L，RIDLEY A.Evolution of microstructure in compacted London clay during wetting and loading［J］.Géotechnique，2010，60（2）：105 119.

［21］藺建国，叶加兵，邹维列.孔隙溶液对膨胀土微观结构的影响［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2020，48（4）：12 17.

LIN Jianguo，YE Jiabing，ZOU Weilie.Effect of pore fluid on microstructure in expansive soil［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology （Nature Science Edition），2020，48（4）：12 17.