钠盐占比对黄土基本物理化学力学性质的影响

岩土力学论文第七篇：钠盐占比对黄土基本物理化学力学性质的影响

 

　　摘要：钠盐累积对黄土的基本物理化学性质及工程性质有重要影响。以杨凌黄土为研究对象,通过添加不同质量的氯化钠溶液,人工制备钠盐含量分别为0.1%、0.3%、0.5%、1.0%和2.0%(质量分数)的钠盐土样,设置其含水率分别为13%、16%和19%,干密度分别为1.38、1.48、1.58、1.68 g/cm3,进行相对密度、酸碱度、击实、渗透、直剪及扫描电镜试验,分析钠盐含量、干密度和含水率对黄土基本性质的影响。结果表明:随着氯化钠含量的增加,土样相对密度、最优含水率及渗透系数逐渐减小,扫描电镜显示颗粒团聚、孔隙变大现象加剧,黏聚力总体呈现先增大后减小的趋势,在13%和16%含水率时,内摩擦角在30°至40°之间波动,但在含水率较大时呈现W形。研究结果可为盐渍化过程中黄土地区的工程建设提供借鉴。

 

　　关键词：环境岩土工程; 盐渍土; 黄土; 钠盐含量; 工程性质;

 

　　Study on the Influence of Sodium Salt Accumulation to the Engineering Properties of Loess

 

　　DU Yuhang YANG Xiujuan FAN Henghui WU Leijie LUO Shuwei

 

　　College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University Xi'an Engineering Investigation & Design Research Institute of China National Nonferrous Metals Industry Co., Ltd.

 

　　Abstract：The accumulation of sodium salt has an important influence to the basic physical and chemical properties and engineering properties of loess. Taking Yangling loess as the research object, the sodium salt samples with the salt content of 0.1%, 0.3%, 0.5%, 1.0% and 2.0%(mass fraction) were artificially prepared by adding different quality sodium chloride solutions. The water content was 13%, 16% and 19%, and the dry density was 1.38 g/cm3, 1.48 g/cm3, 1.58 g/cm3and 1.68 g/cm3, respectively. The relative density, pH, compaction and penetration of soil particles were respectively carried out. Direct shear and scanning electron microscopy experiments were carried out to analyze the effects of sodium salt content, dry density and water content on the basic properties of loess. The results show that with the increase of sodium chloride content, the relative density of soil particles, the optimum water content and the permeability coefficient decrease gradually. Scanning electron microscopy show an increase in particle agglomeration and pore enlargement. The cohesive force generally increases first and then decreases. When the water content is 13% and 16%, the internal friction angle fluctuates between 30° and 40°, but exhibits “W” shape when the water content is high. The research results provide reference for the construction of the loess area during the salinization process.

 

　　盐渍土是盐土、碱土及各种盐化、碱化土的总称,遇水后发生溶陷、盐胀等现象,为工程建设及农业生产带来严重危害[1,2]。我国西北黄土地区地处干旱半干旱区域,蒸发过量、灌溉不利等因素导致土体中盐分含量逐渐增加、土体盐渍化程度严重。

 

　　国内外科研人员针对盐渍土的工程性质开展了广泛研究,并取得了不少成果[3,4]。谌文武等[5,6]对氯盐和硫酸盐的液塑限与界限含水率的研究认为,盐会导致黏粒含量变化,从而对液塑限产生影响,同时在含水率较小的情况下,土体强度随钠盐含量增加而增大;陈炜韬等[7]分析了钠盐含量及含水率对氯盐盐渍土抗剪强度的影响及其作用机理;徐海林等[8]对人工制备的不同盐浓度盐渍土的抗剪强度进行试验研究,结果表明随着土样中可溶性盐浓度的增加,黏聚力呈线性减小趋势,内摩擦角近似呈线性增大趋势;于青春等[9]用干燥法和滴水法研究了苏打型盐渍土在失水和吸水条件下抗剪强度随含水率的变化机制;Spagnoli等[10]测试了不同浓度氯化钠溶液饱和情况下混合土的不排水抗剪强度,并结合液塑限试验结果进行综合分析,对理解盐溶液对土体力学强度的影响机制提供了基础支撑;Warkentin等[11]通过直剪试验研究了不同浓度钠离子、钙离子溶液对膨润土、高岭土强度的影响规律,认为随着盐溶液浓度增加,饱和膨润土的强度会降低,而饱和高岭土的强度会提高。由此可见,盐分对土体的工程性质尤其是抗剪强度有显著影响。洪安宇等[12]对高含盐量氯盐渍土研究发现黏聚力和内摩擦角均随含盐量的增加先减小后增大。以上文献对含盐量较高时盐渍土的物理化学及工程性质研究较多,但对盐分累积过程中工程性质变化缺少相应研究。土体盐渍化过程中,盐分逐渐累积,钠盐含量的不同对黄土的基本物理性质及工程性质有着显著影响。为探究盐分累积过程中盐渍土工程性质的变化,笔者以杨凌黄土为研究对象,采用颗粒相对密度、击实、酸碱度、渗透、直剪和扫描电镜等试验,分析了钠盐含量、干密度和含水率对黄土基本物理化学力学性质的影响规律。

 

　　1 试验材料与方法

 

　　试验用土取自杨凌台塬地区,属于Q4黄土,取土深度为1.5～2.0 m。土样相对密度为2.71,最优含水率为19.2%,最大干密度为1.73 g/cm3,基本物理化学指标见表1。

 

　　表1 试验土样的基本物理化学指标 

 

　　将现场取回的土样风干,碾碎过2 mm筛备用。称取适量风干土,放置在试验盆中。选用化学分析纯氯化钠作为试剂。根据《盐渍土地区建筑技术规范》,弱盐渍土的界限盐含量为0.3%[13]。试验中,以杨凌黄土为参照(钠盐含量假定为0),分别制备钠盐含量为0.1%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%(干土质量分数)的试验土样。制样时控制土样干密度为1.38、1.48、1.58、1.68 g/cm3,含水率控制为13%、16%和19%。全部测试内容包括相对密度、界限含水率、渗透系数、抗剪强度、酸碱度、扫描电镜等,具体试验方法见《土工试验规程》(SL237—1999)。

 

　　2 试验结果与分析

 

　　2.1 钠盐含量对土体相对密度的影响

 

　　由于土体含有大量易溶盐,因此测试介质用煤油代替纯水,测试结果见图1。

 

　

 

　　图1 土样相对密度与钠盐含量的关系   

 

　　随着钠盐含量的增加,土样的相对密度逐渐降低。产生这种现象的原因一方面是氯化钠的加入导致钠离子增多,使得双电层被压缩,土颗粒间斥力减小,引力增大,土体颗粒发生聚集,孔隙增多,体积有所变大,因而相对密度降低;另一方面,氯化钠的相对密度为2.17,小于土粒的相对密度2.71,所以加入的氯化钠掺量越大,含盐土样的相对密度就越小。

 

　　2.2 钠盐含量对黄土击实特性的影响

 

　　不同钠盐含量土样击实试验结果见图2。随着钠盐含量的逐渐增多,土样的最大干密度逐渐增大,最优含水率逐渐减小。加入氯化钠后,在含水率较大时,盐分溶解,盐分和水的存在对土体起到了较强的润滑作用,随着钠盐含量的逐步变大,这种润滑作用进一步加强,土粒间的摩阻力进一步减小,所以土体在击实时所需的最优含水率随着含盐量的增大而显著减小;而最优含水率的降低又减小了土中孔隙水的体积,从而提高了击实土的密实度,所以最大干密度随着含盐量的增大而显著增大[14]。

 

　

　　图2 土的击实特性与钠盐含量的关系   

 

　　2.3 钠盐含量对黄土酸碱度的影响

 

　　不同钠盐含量土样酸碱度的试验结果见图3。随着加入盐的量逐渐增多,土样pH值呈现出先降低后升高的现象。产生这种现象的原因是氯化钠呈中性,加入氯化钠后,土体pH值降低。同时,土体中也存在交换性钠离子,这两点在土体中建立一个平衡状态,因此,加入少量氯化钠后,交换性钠离子作用不明显,土壤pH值有所降低,但随着氯化钠加入量的增加,交换性钠离子逐步占据主导地位,钠离子置换出土体中的钙镁离子,当Na+/(Ca2++Mg2+)≥4时,该反应得以顺利进行,土壤碱化加速[15]。

 

　

 

　　图3 酸碱度与钠盐含量的关系   

 

　　2.4 钠盐含量对渗透特性的影响

 

　　不同钠盐含量土样渗透性质的试验结果见图4。试验选用1.38、1.48和1.58 g/cm33种干密度。随着钠盐含量的增大,土体渗透系数的变化趋势可以分为两段,在钠盐含量低于0.5%时,随着钠盐含量的增大土体渗透系数呈陡降趋势,当钠盐含量高于0.5%时,其下降趋势变缓。由此可见,在盐渍化发展过程中,初期盐渍化对土体的渗透性有较大影响。同时,随着干密度的增大,渗透系数也呈现出逐渐降低的趋势。在低钠盐含量时,干密度对钠盐含量影响较大,但在高钠盐含量时,干密度对土壤渗透系数影响较小。

 

　　产生这种现象的原因是多方面的。首先,盐含量的增大,使得土中溶解的盐浓度变高。在相同温度下,氯化钠溶液黏滞性随着溶液浓度的提高而提高[15],使得渗透系数降低。同时,土颗粒扩散层的厚度与离子强度有关,伴随着钠盐含量的增大,在饱和状态时,结晶盐溶解变为液相,随着盐分的累积,水中盐分浓度逐渐变大,钠离子含量逐步增加,胶体扩散层厚度也逐渐降低。滑动面处与水溶液离子浓度均匀处的电位差即ξ电位。ξ电位取决于黏土颗粒表面负电量与吸附层内阳离子正电量的差值。ξ电位的高低反映了扩散层的厚度,ξ电位越高,表示在扩散层中被吸附的阳离子越多,扩散层越厚,土水悬液稳定,反之,扩散层越薄,土水悬液凝聚[16]。因此,随着盐浓度的增大,ξ电位降低,这使得土体中静电力的平衡被打破,土颗粒间排斥作用减弱,土体颗粒发生聚集[17]。除此之外,起主导作用的孔隙逐步被大颗粒土阻塞,影响土体中水流速度[16]。同时,随着浓度的提高,在低温时盐分溶解度降低,使得少部分盐分析出,析出的盐会增强土颗粒之间的连接,多余的盐会填充在孔隙中,使得孔隙发生阻塞,也会对渗透系数产生影响。

 

　

 

　　图4 土样渗透系数与钠盐含量的关系  

 

　　工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准,以控制填土工程的施工质量。随着干密度的逐渐增大,土壤逐步被压缩,土颗粒变得紧凑,使得土中有效孔隙进一步被挤密,渗水通道进一步减少,从而使得土体渗透系数进一步降低。

 

　　将加入不同盐分的土壤放置15 d,制样进行扫描电镜试验,不同钠盐含量土样微观结构见图5。随着盐分的逐步累积,土体颗粒发生明显聚集,土颗粒间起主导作用的大孔隙被聚集而成的大颗粒阻塞,这是渗透性发生变化的根本原因。

 

　

 

　　图5 扫描电镜图(1 000倍)   

 

　　2.5 钠盐含量对黄土抗剪强度的影响

 

　　不同钠盐含量土样强度性质的试验结果见图6。在含水率较低时,土样黏聚力随着钠盐含量增大呈现逐步减小的趋势,但在总体上,土样的黏聚力随着钠盐含量变化呈现先增大后减小的趋势,除个别土样外内摩擦角随着干密度的变化在30°至40°之间波动。但在19%含水率时呈现出W形,这种现象是两方面平衡的结果。在盐含量较低的情况下,土颗粒发生有限的聚集,产生的孔隙也较少,由于土体含水率较低,因此土体中盐分析出,填充在孔隙中,成为土骨架的一部分[18],对土颗粒起到支撑作用,有助于提高土体强度。但在钠盐含量过大时,土体ξ电位进一步降低,土颗粒间排斥作用进一步减弱,土体发生明显聚集,孔隙明显变大,使得析出的盐分无法对土颗粒孔隙产生有效填充,无法起到有效支撑作用,同时,未析出的盐分加强了土颗粒之间的润滑作用,从而使得抗剪强度变差。由图5可见,土颗粒逐步由面接触变为点接触,随着孔隙的变大,盐分无法完全填充土颗粒,导致土体黏聚力降低。

 

　　盐分对土体工程性质产生影响的根本原因是土颗粒间相互作用,基于土颗粒间作用力分析钠盐含量与抗剪强度指标的关系仍需深入研究。

 

　

　　图6 土样黏聚力、内摩擦角与钠盐含量的关系  

 

　　3 结 论

 

　　通过人工配置含钠盐黄土试验,探究钠盐含量累积对黄土物理化学及工程性质的影响,研究表明:随着氯化钠含量的逐步累积,土粒相对密度、最优含水率、渗透性逐步降低,酸碱度先降低后升高,黏聚力总体随钠盐含量的增加呈现先增大后减小的趋势。产生以上结果的原因为:随着盐分的累积,土体颗粒会发生团聚作用,在饱和时易发生溶陷,使得有效孔隙减少,同时在高浓度时甚至会发生析出现象,堵塞孔隙,进一步降低渗透系数。干密度的增大使得土体更加密实,导致土体渗透系数减小。

 

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