含盐量对硫酸盐渍土抗剪强度影响试验研究

时间：2024-07-28

张飞，胡小庆，刘亚薇，徐光黎，詹学启

(1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉 430074;2.中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

硫酸盐渍土是指盐渍土中氯离子和硫酸根离子之比＜0.3的盐渍土[1]。由于硫酸盐具有盐胀性、腐蚀性和湿陷性，会导致盐渍土路基产生翻浆、盐胀、腐蚀、冻胀等病害[2-3]。对硫酸盐渍土力学性质的研究，对盐渍土地区路基建设显得尤为重要。刘威等[4-5]通过室内试验研究不同含盐类别、含盐量、含水量下盐渍土抗剪强度变化规律，并从结晶体位置变化、微观结构方面进行了分析。梁健伟等[6]通过十字板剪切试验、三轴试验、直剪试验、液塑限试验等探讨了在水的作用下由可溶盐离子引起的土颗粒表面微电场的变化对盐渍土抗剪强度的影响。

新建郑徐高速铁路位于我国黄淮海平原，该地区存在大面积的盐渍土。盐渍土地区客运专线的地基强度和变形影响因素较多，目前对于这方面的工程经验不多。土的抗剪强度是地基承载力计算中的重要指标。三轴压缩试验能真实反映土的实际受力情况[7]，是一种较为完善的测定土体抗剪强度的方法。本文对郑徐高速铁路沿线硫酸盐渍土进行三轴压缩试验，研究其不同含盐量下的力学特性，为盐渍土地区路基设计提供可靠的技术参数。

2 试验条件

2.1 试验材料

试验用原料土为开封兰考南站的粉土，根据室内试验测定，原料土基本物理参数见表1。试验以干土为标准，向原料土中添加无水硫酸钠(Na2SO4)配制不同含盐量的盐渍土，并且称量后要快速与土样拌匀。试验用水为蒸馏水。试样直径3.91 cm，高8.0 cm。试样养护7 d，经过密度测定后，测试其抗剪强度。

表1 试验用原料土的基本物理参数

2.2 试验方法

三轴剪切试验采用不固结不排水剪切试验，试样每产生0.3% ～0.4%的轴向应变(或0.2 mm变形)，测记1次测力计读数和轴向变形值。当轴向总应变＞3%时，试样每产生0.7% ～0.8%的轴向应变(或0.5 mm变形)测记1次。直到试件破坏或轴向应变达到15%～20%时为止。

试样含水率21%，龄期7 d，密度1.75 g/cm3，含盐量分别取 0，1%，3%，5%，8%，10%，围压分别取50，100，200，300 kPa，共计6 ×4=24 个样本。

3 试验结果与分析

3.1 莫尔—库伦强度包线分析

根据同一含盐量4种不同围压下试样三轴压缩试验数据绘制摩尔应力圆，根据应力圆找出莫尔—库伦强度包络线，共得到6组不同含盐量下硫酸盐渍土试样的三轴不固结不排水剪切试验强度包络线，如图1所示。

图1 三轴压缩状态下不同含盐量硫酸盐渍土摩尔—库伦强度包络线

由图1可见，不同含盐量硫酸盐渍土试样的破坏包线变化不大，基本呈直线型，较符合摩尔—库伦破坏准则[8]。直线的斜率基本相同，说明不同含盐量盐渍土的内摩擦角基本相同。

3.2 抗剪强度参数变化规律

黏聚力与易溶盐含量关系曲线见图2，内摩擦角与易溶盐含量关系曲线见图3。

图2 黏聚力与易溶盐含量关系曲线

由图2、图3可知:

1)三轴压缩状态下，含水率为21%时，硫酸盐渍土的黏聚力c随易溶盐含量as的增大呈先减小后增长的趋势，变化范围在12.4～24.1 kPa，在as=2%时黏聚力达到最小。当as≥8%时，黏聚力增大缓慢，甚至再次减小。

图3 内摩擦角与易溶盐含量关系曲线

2)含水率为21%时，硫酸盐渍土的内摩擦角φ随易溶盐含量的增大呈现出先减小后增大再减小的趋势，但变化范围极小，在29.4°～31.3°。含盐量 as＜3%时内摩擦角随着含盐量增大而减小，含盐量超过3%后内摩擦角逐渐增大，在as=7%时达到最大值之后迅速减小，在as=10%时达到最小值。

3)内摩擦角和黏聚力的变化趋势基本一致，随着含盐量的增加，均呈现先减小后增大，然后再减小的趋势。研究含盐量对抗剪强度影响的意义在于找出抗剪强度最大的最优含盐量，但内摩擦角与黏聚力取得极大值时的含盐量并不相同，即不能找到一个含盐量使得黏聚力和内摩擦角同时达到最大，说明盐渍土的抗剪强度问题不能分离c，φ来讨论。

3.3 抗剪强度机理分析

硫酸盐渍土含盐量较小时，可溶解的盐含量未达到饱和，盐可溶解于水，溶液中钠离子发生水化反应，钠离子以水化离子形式存在，土粒间距增大，水的润滑作用更加明显，土颗粒间引力被削弱，表现为内摩擦角减小，黏聚力减小。随着含盐量的增加，多余的盐会以结晶盐的形式析出，结晶盐作为固体颗粒的一部分起到胶结作用，并能填充土中孔隙，从而增大了土粒间的摩擦，同时，饱和结晶盐构成了盐渍土的一部分骨架，表现为内摩擦角增大，黏聚力增大;当含盐量超过界限含盐量时，硫酸盐会发生盐胀作用[9]，土颗粒之间的粘结作用减弱，削弱了土粒间的粘结力，从而使黏聚力和内摩擦角随含盐量的增大再次减小。