硫酸钠粉质黏土变形规律及改良研究

万旭升，颜梦宇，路建国，晏忠瑞，刘凤云

(西南石油大学 土木工程与测绘学院，四川 成都 610500)

0 引言

我国盐渍土分布广泛，面积约为1.908×105km2，主要分布在陕西、甘肃、新疆和青海等内陆地区[1]。盐渍土为特殊混合土，是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的统称，按土样中氯离子、碳酸根离子、硫酸根离子的含量可分为氯盐渍土、碳酸盐渍土、硫酸盐渍土等，硫酸盐渍土由气体、水、土颗粒、硫酸钠组成，其中硫酸钠盐渍土最为常见，具有松胀、膨胀性、水稳性差、腐蚀性等特点，其物理与力学特性受多种因素耦合影响。硫酸钠盐渍土地基易发生盐胀、溶陷和腐蚀病害[2-3]，加之该类型盐渍土大多处于西部寒区，气温变化剧烈，易发生土的冻胀/融沉现象，土体在冻融循环过程中，土中溶液浓度增大/减小，加快了盐晶体的析出/溶解，导致建筑工程或道路基层产生变形而发生破坏，极大地危害了该地区的工程建设，造成巨大的经济损失。因此，在寒区硫酸钠盐渍土区域内进行基础工程建设，冻结/融化状态下硫酸钠盐渍土的变形规律和强度特征的试验研究亟待深入开展。

目前，在含盐粉质黏土的物理力学性质、强度特性研究方面已取得了显著成果。众多学者基于三轴试验，在粉质黏土的变形规律和理论模型推导方面进行了大量研究，建立了摩尔-库仑准则与包络线理论下的非线性强度准则描述粉质黏土的应力-应变关系，结果表明粉质黏土广义黏聚力随围压增加而增大、广义内摩擦角随围压增加而减小[4-7]。张尔齐等[8]、胡小荣等[9-10]，以初始切向模量E为基准，通过分析应变软化型土的不同强度指标，建立了可以表示应变软化型土软化性能的非线性力学模型，较好描述了具有主应力峰值差的应变软化型土的应力-应变关系。陈炜韬等[11]、杨成松等[12]通过一系列试验研究了含盐量和含盐类别对盐渍土抗剪强度的影响机理，试验结果表明，在一定范围内，土体抗剪强度参数随含盐量增大而增大。部分学者利用等量代换法和坐标平移法等，对剑桥模型的相关参数进行修正，提出了黏土的本构模型，如三剪统一强度准则和三剪统一屈服面方程等[13-15]，均能较好描述粉质黏土在单一影响因素下的本构关系和变形特性。在盐渍土改良方面，向盐渍土中掺加一定量石灰可提升土体强度[16-18]，改良后的盐渍土能够满足变形要求。吕擎峰等[19-20]在硫酸盐渍土中掺入一定含量的水玻璃和石灰粉煤灰等改良材料，从微观结构的角度研究得出了掺加改良材料对土体的固化机理，发现固化后硫酸盐渍土的强度有明显提高，其盐胀特性也得到有效抑制。除了通过添加改性材料来改善土体性能，还可以利用纤维材料对土体的摩擦和空间约束来改善土的工程性质，各种纤维加筋土的试验研究结果表明，改良后的土体破坏强度和变形能力有显著的提高[21-24]。

受气候变化影响，我国西北硫酸钠盐渍土地区浅层地基土每年处于正负温动态变化过程。然而，现有成果多数研究了负温单因素下粉质黏土变形规律和强度特点，常温粉质黏土的非线性准则研究较少，也缺乏负温条件含盐粉质黏土大温度梯度下的变形和强度特性研究。本研究在已有研究成果基础上，开展室内三轴剪切试验，研究常温、冻结硫酸钠盐粉质黏土在多因素影响下的偏应力-应变变化规律，并讨论分析了硫酸钠盐粉质黏土改良效果。该研究可以对硫酸钠盐渍土强度准则的理论基础、参数拟合方法等提供参考，也可对西北地区工程建筑有着积极的实践指导意义。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验土样采用甘肃省兰州市树屏镇地区粉质黏土，测定原状土样液塑限分别为18.3%和28.9%，天然含水率ω0为18.5%，密度ρ为2.70 g/cm3，干密度ρd为1.7 g/cm3。试样制备前，取原样土离子分析结果如表1所示，结果显示该区域盐渍土主要盐分为硫酸钠盐。

表1 试验土样离子含量Tab.1 Ion contents of test silty clay samples

为了研究硫酸钠盐分对粉质黏土的强度影响规律，试验前用蒸馏水对土体进行多次脱盐处理，以防止土样中其他盐分对试验的结果产生影响。脱盐后将土体静置自然风干，使用101型电热鼓风干燥箱在105 ℃条件下烘干24 h。烘干后将土体碾碎过筛，此时土样可视为无盐土，将其密封保存，以便人工配置所需含水量和含盐量的硫酸钠盐渍土(使用蒸馏水和无水硫酸钠盐配置)。

分别配置含盐量为0%～4%，含水率ω为18.5%的土样，试样编号如表2所列。将土样密封常温保存24 h，以保证盐分分布均匀，然后装至特制容器内。常温三轴剪切试样直径d=39.1 mm、高度h=80 mm，干密度ρd=1.7 g/cm3，负温三轴剪切试样直径d=61.8 mm、高度h=125 mm，干密度ρd=1.7 g/cm3。制样完成后对试样进行3 h的真空饱和处理，然后进行12 h的水压饱和，以确保试样饱和度高于95%，对负温试样在-30 ℃环境下冻结8 h，紧接着在不同温度梯度下恒温12 h后进行试验。

表2 常温三轴剪切试验试样工况Tab.2 Samples of triaxial shear test at normal temperature

1.2 试验条件

1.2.1 常温试验

本试验使用TSZ101.0型应变控制式三轴仪，人工读数，(按仪器使用手册，仪器测力环系数C=10.352 N/0.01 mm，围压范围为0～2 MPa，轴向位移精确到0.01 mm)以0.3 mm·min-1应变速率施加轴向荷载。按试验规范要求，粉质黏土为超固结土，进行固结不排水(CU)试验方法[25]，当试样产生15%应变时终止试验。试样工况如表2所示，A-F分别表示不同含盐量w(盐质量/土质量)，编号1～4分别表示不同试验围压σ3。

1.2.2 负温试验

本试验使用MTS-810万能试验机。试验过程由电脑程序自动控制，仪器最大轴向位移为100 mm，最大轴向压力为250 kN，围压范围为0～20 MPa，轴向位移精确到0.001 mm。试验围压σ3为1 MPa。试验时以1.25 mm·min-1应变速率施加轴向荷载，为了便于后期数据的处理，当试样产生16%应变时终止试验。试样工况如表3所示。编号1～5分别表示不同含盐量w；G，H，I分别表示试验温度为-2，-6，-10 ℃。

表3 负温三轴剪切试样工况Tab.3 Samples of triaxial shear test at negative temperature

1.2.3 改良试验

本研究中改良试验材料选用无水Ca(OH)2和木质纤维。木质纤维为白色粉末状固体，纤维长度为0.3～0.5 mm，在水中溶解度较小，堆积密度约为20 g/cm3，对水泥、砂浆等有很好的黏结作用，广泛用于装饰材料、混凝土加固中。无水Ca(OH)2为白色粉末状固体，微溶于水(20 ℃时溶解度为1.65 g/L)，密度为2.24 g/cm3。改良材料如图1所示。

图1 改良材料Fig.1 Improved materials

已有研究证实，当掺入1%质量分数的木质纤维或2%质量分数的Ca(OH)2时，土体的改良效果最佳[17-18]。故本研究选用以上的木质纤维及Ca(OH)2含量作为添加剂。常温、负温下试验工况及试样工况如表4所示。

表4 改良土体三轴剪切试验工况Tab.4 Triaxial shear test condition with improved silty clay

1.3 数据处理方法

在剪切试验前后，试样的高度、横截面积、体积等都会发生明显变化。因此在对试验数据进行计算时，应进行修正。

常温剪切试验时，围压稳定后，应使试样在该围压下固结3 h。固结后试样高度、试样横截面积、试样体积[25]如式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

Vc=hcA，

(3)

式中，h0为式样的初始高度；∇V为固结后式样的体积变化；V0为试样的初始体积；Vc为试样固结后的体积；Ac为试样固结后的横截面积；hc为试样固结后的高度；A为试样初始的横截面面积。

主应力差(σ1～σ3)和试样剪切时的面积如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

式中，Aa为试样剪切时的面积；C为测力计率定系数(N/0.1 mm)；R为测力计读数。

针对粉质黏土的应变特征，当围压在小范围内变化时，可用线性摩尔-库仑强度准则计算试样广义摩尔-库仑强度参数[5]。在发生剪切破坏时，轴压σ1和围压σ3之间的关系由式(6)所示：

fs=σ1-σ3tan2(45°+φ/2)-2ctan(45°+φ/2)=0

(6)

式中，fs为破坏时临界状态的切应力值；c为试样的广义黏聚力；φ为试样的广义内摩擦角。

令：

A=tan2(45°+φ/2)，

(7)

B=2ctan(45°+φ/2)，

(8)

式中A，B均为计算过程参量。

将式(6)化简为：

σ1=Aσ3+B。

(9)

摩尔应力圆f如式(10)所示：

(10)

式中τ为剪应力。

包络线理论微分方程为：

(11)

引入幂指型多项式函数L(σ1，σ3)来描述轴压σ1和围压σ3的关系，引入含盐影响系数W描述含盐量对硫酸钠盐粉质黏土在发生剪切破坏时大小主应力之间的影响；引入初始影响系数W0描述硫酸钠盐对土体的加固作用，根据式(11)对函数L(σ1，σ3)进行微分计算，可以得到抗剪强度的表达式。

2 结果与分析

2.1 常温试验结果

2.1.1 应力应变规律

常温三轴剪切试验试样的偏应力-应变关系如图2所示，参考已有研究成果[5，7]，将常温硫酸钠盐粉质黏土的偏应力-应变曲线分为3个阶段进行分析研究。

图2 常温应力-轴向应变曲线Fig.2 Curves of stress and axial strain at normal temperature

第1个阶段(图示Ⅰ区域)，当轴向应变ε<1%时，应力与应变呈线性增大趋势，增幅较快。原因是固结完全的土体内部结构较为紧致，在剪切初期处于线弹性阶段，应力变化幅度明显。

第2个阶段(图示Ⅱ区域)，当轴向应变1%<ε<10%时，应力与应变呈非线性增大趋势，增幅较第1阶段逐渐减缓，原因是随着应变的发展，土体内部结构由最初的线弹性阶段向弹塑性阶段过渡，然后进入塑性阶段，土体内部产生塑性形变，土颗粒产生损伤，试样的抗变形能力开始减弱，试样破坏前，应力保持增加，但增幅减缓。由于试验误差的存在，个别试样的弹性模量变化存在偏差，但基于试验数据综合考量，各组试样的弹性模量整体变化规律相同。

第3个阶段(图示Ⅲ区域)，应变继续发展，应力进入稳定过渡阶段，部分曲线斜率开始出现负值，应力达到峰值后基本趋于平稳，直到试样破坏。

结合图2可以看出，试验范围内，试样的偏应力-应变曲线在ε=10%后大致呈现出应力逐渐趋于稳定的现象，偏应力峰值随含盐量、围压变化略有不同。相同含盐量情况下，当围压从50 kPa增大到200 kPa时，偏应力峰值点所对应的轴向应变越来越小，试样的强度呈增大趋势。

文献[8]提出了软化型土软化性能的非线性力学模型的参数计算方法，由(12)式计算得出各组试样在线弹性阶段临界点ε1=1%时相应的切向模量E的值，如图3所示。

图3 切向模量与含盐量的关系Fig.3 Relationship between tangential modulus and sodium sulfate content

(12)

从图3可以看到，当含盐量不超过3%时，粉质黏土的切向模量随含盐量的增加显著增大，并在含盐量为3%时达到峰值，当含盐量超过3%后，切向模量减小图4(a)为在200 kPa围压下不同盐含量的粉质黏土的固结孔压变化曲线。从图4(a)中可以看出，孔压由初始状态下逐渐降低并维持稳定，当孔压维持稳定2 h后，认为试样固结完全，开始剪切试验。

图4 不同盐含量试样的试验曲线Fig.4 Test curves of samples with different sodium sulfate contents

从图4(b)中可以看出，随含盐量的增加，粉质黏土偏应力强度及应力峰值呈现先增大后减少的趋势，在含盐量为3%时，应力峰值最大。

当硫酸钠盐溶解于土体孔隙水后，分解的钠离子和硫酸根离子增大了土颗粒中离子浓度，土体颗粒周围水膜的厚度发生变化，从而导致土样强度变化。当土颗粒之间的溶液逐渐达到饱和，含盐量增加至酸钠盐完全溶解，部分酸钠盐便结晶出来赋存于土颗粒之间，起到土骨架的作用。此时，这部分盐便成为土体固态的一部分，增大了土体强度。同时，析出的硫酸钠盐结晶对土颗粒能起到胶结的作用，从而增大土体的黏聚力和内摩擦角，故土体切向模量增大。当继续增加盐含量，土体中的Na2SO4盐含量过高后，形成过饱和溶液，部分盐无法结晶析出，减弱Na2SO4盐对土体的增强效果。

通过观察含盐粉质黏土与不含盐粉质黏土的微观孔隙结构特征，可以看到含盐土与无盐土的微观形貌相差甚大，如图5所示。在常温条件下，土体结构因硫酸钠的存在而发生较大改变。无盐土的土颗粒呈不规则形状，且颗粒大小不一，较大者一般为块片状，但更多的则是较小类球状颗粒，以点-面方式接触，土粒间孔隙相对较少。

2.1.2 摩尔-库仑强度参数

当围压在小范围内变化时，由式(6)～(9)计算得出粉质黏土的摩尔-库仑强度参数如图6所示。

图6 常温试样摩尔-库仑强度参数Fig.6 Mole-Coulomb strength parameters of samples at normal temperature

从图6可以看出，围压变化密切影响着硫酸钠盐粉质黏土的摩尔-库仑参数。在试验范围内，广义黏聚力c随围压的增大而增大，在200 kPa时达到峰值。广义内摩擦角φ随围压的增大而减小。这是由于在一定范围内，围压持续增大，黏土内部固相作用机理逐渐破坏，土体发生软化，使得内摩擦角逐渐减小。

根据拟合结果，广义黏聚力c与广义内摩擦角φ随围压的变化关系可由式(13)～(14)所示。

(13)

式中，C0=22.17；C1=0.2255；C2=-3.36×10-4；Pa为标准大气压值。

(14)

式中，φ0=22.3；φ1=-0.126；φ2=2.8×10-4。

2.1.3 非线性摩尔强度准则

在试验过程中，认为在标准大气压下进行剪切试验，不含盐粉质黏土在发生剪切破坏时，轴压σ1和围压σ3之间的关系拟合结果如式(15)所示：

(15)

在式(15)的基础上，引入含盐影响系数W、初始影响系数W0描述含盐量对硫酸钠盐粉质黏土强度的影响，表达如式(16)所示：

(16)

式中，M，σ0，α1，α2为试验拟合参数；M=-107.578，σ0=266.2，α1=155.28，α2=189.8；W，W0为只与含盐量有关的参数。

基于剪切试验结果，取剪切破坏应变对应的主应力，用式(16)拟合可得到不同含盐量下的W，W0值，如表5所示。

表5 不同含盐量下的W，W0取值Tab.5 Values of W and W0 under different sodium sulfate contents

由表5中数据拟合得到含盐量与W，W0之间的关系如式(17)～(18)所示：

(17)

(18)

式中w为盐量。

式(16)可变形为关于σ1和σ3的方程如式(19)所示：

(19)

分别对式(16)，(19)进行微分并代入式(11)得到正应力σ和剪应力τ的表达式，式(20)～(21)即为硫酸钠盐粉质黏土非线性准则的表达式。

(20)

(21)

在本次三轴剪切试验中，M=-107.578，α1=155.28，α2=189.8。

2.2 负温试验结果

2.2.1 应力应变规律

负温三轴剪切试验试样的应力-应变关系如图7所示。冻结硫酸钠盐粉质黏土的应力-应变曲线与常温试验的应力-应变曲线相似，仍可分为3个阶段。

图7 冻结试验应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves in freezing test

第1个阶段(图示Ⅰ区域)，当轴向应变ε<1%时，应力与应变呈线性增大趋势，增幅较快。原因是冻结后土中水分结冰，土体内部变紧致，在一定程度上增大了土体的强度。试样剪切初期处于线弹性阶段，应力变化非常明显。冻结温度越低，冻结后的试样在此阶段的强度越大。

第2个阶段(图示Ⅱ区域)，当轴向应变1%<ε< 10%时，应力与应变的呈非线性增大趋势，增幅较第1阶段逐渐减缓，原因是随着应变的发展，土体内部结构由最初的线弹性阶段向弹塑性阶段过渡，然后进入塑性阶段，土体发生塑性变形，土体内部颗粒产生损伤，土中冰骨架也逐渐破碎，试样抗变形能力开始减弱，但在试样发生破坏前，应力始终保持增加，但增幅逐渐减缓。

第3个阶段(图示Ⅲ区域)，应变继续发展，应力缓慢增加，部分曲线斜率逐渐降低或出现负值，应力基本趋于平稳，逐渐达到峰值，直到试样破坏。

结合图7可以看出，冻结试样在3组冻结温度梯度范围内的应力-应变曲线都呈现出向应变硬化过渡的趋势。当冻结温度逐渐降低，试样的峰值强度逐渐增大，在16%应变范围内，试样的应变硬化的趋势逐渐明显。相同冻结温度下，含盐量增加，试样的强度呈现逐渐减弱的变化趋势。

2.2.2 非线性强度准则

本次负温三轴剪切试验围压恒定为1 MPa，每个试样取轴向应变ε=15%时的轴压σ1为破坏强度。分析试验数据可知，含盐量、冻结温度都影响含盐粉质黏土的破坏强度。以轴向应变ε为横坐标，以轴向应变与偏应力的比值(ε/σ1-σ3)为纵坐标[12]，试验结果如图8所示。

从图8中可以看出，当应变大于1%时，ε/σ1-σ3与ε呈标准的线性关系，用线性方程如式(22)所示：

(22)

式中，a为该直线在纵坐标上的截距；b为直线的斜率，二者皆为与土性质有关的试验参数。基于试验结果，参数a，b拟合结果如表6所示。

表6 参数a，b拟合结果Tab.6 Fitting result of parameters a and b

采用Duncan-Chang土体应力-应变曲线模型，其表达如式(23)所示：

(23)

式中，Rf为试样破坏比，等于破坏应力差与极限应力差的比值；E0为初始切向模量。

引入幂指函数描述温度T℃对参数a，b的影响，由试验数据拟合可得式(24)～(25)：

(24)

(25)

联立式(24)～(25)推导可得式(26)～(27)：

(-10≤T≤-2)。

(26)

(-10≤T≤-2)。

(27)

根据含盐冻土的应力-应变关系，利用式(26)～(27)可直接求出硫酸钠盐粉质黏土的初始切向模量值和最大偏主应力值。

2.3 粉质黏土改良

为提高硫酸钠盐粉质黏土的工程性能与破坏强度，利用化学方法对其进行改良试验研究。

常温改良试验前后试样的应力-应变关系如图9所示。

图9 改良前后应力-应变关系Fig.9 Stress-strain relationships before and after improvement

由图9(a)可以看到，试样的应力强度随含盐量增加而提高。木质纤维能使不含盐粉质黏土强度提高了12.2%，含盐粉质黏土强度从16.3%提高至18.9%。这是由于木质纤维具有较好的黏结性能，可以充分填充土体内的孔隙并具有胶结作用，使土样的内部结构更紧致，强度增大。

当掺入Ca(OH)2后，黏土中的Na2SO4会与Ca(OH)2发生化学反应，生成更难溶的物质CaSO4(CaSO4的溶度积小于Ca(OH)2)，化学反应方程如式(28)所示：

Ca(OH)2+Na2SO4=CaSO4↓+2NaOH。

(28)

由图9(b)可以看到，随着含盐量的增加，试样的强度呈现先增大后减小的趋势，Ca(OH)2能使不含盐粉质黏土强度提高了14.8%，含盐粉质黏土强度从18.5%提高至20.4%。原因是Ca(OH)2与Na2SO4反应生成的CaSO4是一种白色晶状固体，溶解度较低，具有吸湿性。反应后起到作为土体骨架的作用，填充土体内的孔隙，并吸收掉土体中的部分水分，使土体的整体强度得到加强。当试样中Ca(OH)2质量是Na2SO4的两倍时，试样有最大的应力强度，改良效果最好。

冻结改良试验前后试样的应力-应变关系如图10所示。

图10 冻结试样改良前后应力-应变关系Fig.10 Stress-strain relationships of frozen samples before and after improvement

从图10可以看出，无水Ca(OH)2材料可以使冻结粉质黏土的力学性质得到改善，改良效果较为明显。随着含盐量的增加，改良试样的强度呈现减小的趋势。不含盐试样强度提高了22.8%，含盐试样强度提高由19.3%下降至 19.2%。这是由于在负温环境下，试样发生盐胀反应，土体中的Na2SO4结晶析出，产生膨胀，体积增大导致土体的结构膨胀，孔隙变大，导致试样的强度降低。另一方面析出的Na2SO4无法与掺入的改良材料进行充分反应，一定程度上抑制了改良效果。

3 结论

本研究通过对常温、冻结两种情况下不同硫酸钠含量的粉质黏土进行三轴剪切试验与改良研究，提出了常温硫酸钠盐粉质黏土的摩尔-库仑参数计算公式，明晰了冻结硫酸钠盐粉质黏土轴向应变/偏应力与轴向应变之间的有效关联，建立了非线性强度准则描述应力-应变变化规律，提出了硫酸钠盐渍土改良方法。具体结论如下：

(1)常温情况下硫酸钠盐粉质黏土的应力-应变曲线呈现出应力逐渐增大后趋于稳定的现象；当围压增大时，试样的破坏强度增大。切向模量随含盐量增加呈现先增大后减小的变化趋势，在含盐量为3%时达到峰值。在试验范围内，广义黏聚力随围压的增大而增大，广义内摩擦角随围压的增大而减小。提出的非线性强度准则模型可较好地描述常温硫酸钠盐粉质黏土强度随围压和含盐量变化的非线性。

(2)负温情况下硫酸钠盐粉质黏土的应力-应变曲线呈现出向应变硬化过渡的现象。当冻结温度降低，试样的破坏强度逐渐增大。相同冻结温度下，含盐量增加，试样的破坏强度逐渐减弱。轴向应变与轴向应变与偏应力的比值呈标准的线性关系，提出的公式可计算冻结硫酸钠盐粉质黏土的切向模量值和最大偏主应力值。

(3)无水Ca(OH)2和木质纤维对硫酸钠盐粉质黏土的改良效果明显。常温情况下，无水Ca(OH)2改良效果优于木质纤维，无水Ca(OH)2使不含盐试样强度提高了14.8%、含盐试样强度从18.5%提高至20.4%；木质纤维使不含盐试样强度提高了12.2%、含盐试样强度从16.3%提高至18.9%。冻结情况下，无水Ca(OH)2使不含盐试样强度提高了22.8%，相同冻结温度下，改良强度随含盐量增加从22.8%下降至19.2%。