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硫酸盐对黄土剪切强度影响的试验研究

发表时间：2020/11/17 来源：《基层建设》2020年第21期作者：马瑞君1 汪金满2

[导读] 摘要：中国西北地区典型半干旱气候特征，赋存的黄土广泛分布，在不同湿度作用下硫酸盐含量变化对黄土性质影响很大。

        1甘肃省建设设计咨询集团有限公司甘肃兰州 730000
        2甘肃第五建设集团公司甘肃天水 741000
        摘要：中国西北地区典型半干旱气候特征，赋存的黄土广泛分布，在不同湿度作用下硫酸盐含量变化对黄土性质影响很大。论文在以天水市秦安县陇城地区黄土试样含水率一定条件下，开展了干湿作用下含盐量变化对黄土性质影响的试验，分别测试盐分含量变化条件下黄土基本物理性质和剪切强度。试验结果表明：黄土的湿密度在含盐量较小时基本比较稳定，在含盐量较大时，呈明显的下降趋势；随着地层深度的增加含水率随含盐量的增加而缓慢增加；常规条件下，黄土的抗剪强度随着含盐量的增加总体上呈下降趋势。
        关键词：黄土；硫酸盐；物理性质；剪切强度
        Experimental Study on the Effect of Sulfate on Shear Strength of Loess
        MA Ruijun1   Wang Jinman2
        （1.Gansu Construction Design Consulting Group Co.，Ltd.Gansulanzhou 730000
        2.Gansu Province Fifth Construction Group Co.，Ltd.Gansutianshui 74100）
        Abstract：The characteristics of typical semi-arid climate in northwest China are widely distributed，and the change of sulfate content has a great influence on the LOESS properties under different humidity.Under certain condition of water content of LOESS sample in longcheng area of qinan county of tianshui city，this paper carried out a test on the influence of salt content change on LOESS property under the action of dry and wet，and measured the basic physical properties and shear strength of LOESS under the condition of salt content change.The experimental results show that the wet density of LOESS is relatively stable when the salt content is relatively small，and it shows a significant downward trend when the salt content is large.As the depth of the formation increases，the water content increases slowly with the increase of salt content.Under normal conditions，the shear strength of LOESS generally decreases with the increase of salt content.
        Key words：Loess；Sulfate；Physical properties；Shear strength
        0 引言
        黄土是一种第四纪陆相松散堆积物，一般成黄色或褐黄色，在地理分布上区域性非常明显。其颗粒成分以粉粒为主，质地均匀，具有大孔隙，富含碳酸盐、氯盐、硫酸盐，无层理，垂直节理发育，通常分为黄土和黄土状土两种[1]。
        黄土在全世界分布相当广泛，而我国是世界上黄土面积分布最广的国家之一。我国西北的黄土以地层全、厚度大、分布广和特殊的工程性质而闻名。其通常被以特殊性土来对待，与当地人民的生产生活息息相关。西北地区多为含易溶盐类湿陷性黄土，主要包括氯化物盐类、易溶的硫酸盐及碳酸盐类等。含盐量对黄土的工程性质有很大影响。当黄土中含有更多的可溶盐时，就会使土壤变得碱性物理和机械性能发生变化。
        1 案例介绍
        本文以秦安县陇城镇南川地区的黄土为对象进行研究。秦安县位于甘肃省东南部，建筑区划分区为ⅡA.8区，属温带干旱大陆季风区，东经105º20′~106º2′，北纬34º44′~35º11′。该县地处秦安中部的渭河支流葫芦河下游兴国盆地，属陇中黄土高原西部梁峁沟壑区，山多川少，梁峁起伏，沟壑纵横。
        拟建场地位于陇城镇南川村内，南面为民宅，北面为西番寺，西面为幼儿园。安置区共6栋，6F层框架结构住宅楼，整体呈东西走向布置。本次勘察属一次性详细勘察阶段，工程重要性等级为二级，场地等级为三级，地基等级为二级，勘察等级为乙级。共布设勘探点36个，其中原位测试孔12个，取土试样探井（钻孔）12个，一般性孔12个。勘探点间距12.00 m～20.00 m。勘探孔深度20.30～24.60m。
                                                                                   表1-2     完成工作量表

        2 硫酸盐含量对黄土的影响
        2.1 硫酸盐含量对黄土的影响
        黄土中的易溶盐主要包括氯化物盐类、易溶的硫酸盐及碳酸盐类。由于长期的淋滤作用，易溶盐迁移不可避免，土中的易溶盐含量不断变化。郭玉文等[4]，比如使用扫描电子显微镜和能谱分析技术，碳酸钙在黄土的分布进行了研究，通过室内模拟实验，探讨了黄土湿陷过程由于灌溉的碳酸钙的行为，初步得到以下结论：黄土颗粒间存在大量碳酸钙，碳酸钙在黄土湿陷过程中淋溶，流动性强，其中以流动性损失为主，可溶性损失相对较小。碳酸钙的流动损失随着透水性的增加而增加，我们发现当透水性达到一定值时，渗透水中的阴离子和阴离子主要是碳酸钙溶解产生的Ca2+和 HCO3-[5]。
        2.2 黄土特殊的工程性质
        黄土特殊的工程性质尤其是湿陷性常带给工程建设带来非常严重的危害。地面沉降、地裂缝、滑坡等多种类型的地质灾害都是由黄土的湿陷性带来的。对于这种含盐类黄土，在降雨和蒸发的交替、冻融循环境等物理、化学及生物因素的影响下，发生颗粒移动，密度变小，盐分含量发生变化，导致强度变小、产生裂缝断裂，严重恶化了黄土的工程性能，影响黄土地区构筑物的寿命[6]。
        3 原状土样试验
                    3.1 试样的基本物理性指标

由附表可知所取土样的颗粒成分以粉粒占大多数，由于10<IP=11.1<17，按塑性指数和颗粒组成分类该土样属于粉质粘土，又由于液性指数IL≤0.25，按照土的液限指数可判断土的状态是坚硬和硬塑。
3.2 黄土试样的易溶盐总量和硫酸根（SO42-）的测定

        3.3 含硫酸盐黄土试验
        （1）土样的抗剪特性
        黄土的抗剪强度是黄土的重要力学性质之一，它是黄土体抵抗剪切破坏的极限能力。黄土的抗剪强度直接关系到地基承载力、挡土墙的土压力和边坡的稳定性。
        土是松散颗粒的集合体，一般不考虑土颗粒的破坏，通常表现为土颗粒之间的连接失效或颗粒之间的相对位移过大。
        黄土的抗剪强度指标φ值的测定和常见的粘性土壤c在同一测试方法，根据工程实际情况的压力和排水，通过直剪仪和三轴仪的原始结构或饱和压实固结不排水抗剪（UU），排水固结不排水抗剪（铜）或整合剪切（CD）和UU，铜和CD非饱和土的考验。
        根据实际情况本次试验主要通过ZJY-3型等应变直剪仪对击实情况的土样进行直接剪切中的慢剪试验。慢剪试验是在试样上施加垂直应力和水平剪切力的过程中均匀地使试样排水固结。
        （2）常规条件下土样的剪切试验
        1）环刀试样的制备
                         表3.5   土样所需环刀试样

        2）进行剪切试验
        根据土工试验方法标准（GB/T 50123-1999）[7]进行慢剪试验：
        ①剪切容器盒上下对准，固定插销，透水石和滤纸放到下盒内，环刀刃口向上，环刀内衣装有试样，把剪切盒口对准，滤纸和透水石分别放在试样上面，然后仔细将试样推入剪切盒。（透水石和滤纸的湿度要接近试样的湿度）
        ②缓慢移动传动装置，使上盒前端的钢珠刚好与测力计接触，依次上传压板、加压框架，安装垂直位移和水平位移量测装置，并调零位。
        ③根据本工程土的特性施加垂直压力分别是0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa。施加压力后，向盒内注水。
        ④施加垂直压力后每1h测读垂直变形一次。直至试样固变形稳定。变形稳定标准为每小时不大于0.005mm。
        ⑤拔去固定销以小于0.02mm/min的剪切速度进行剪切样每产生剪切位移0.2~0.4mm测记测力计和位移读数，直至力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值，当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停机。
        3）试验公式
        按式3.3计算剪应力：
             （3.3）
        式中：
         —试样所受的剪应力，kPa；
        R—测力计读数，0.01mm；
        C—测力计率定系数（N/cm2/0.01mm）
        10—单位换算系数。
        （4）试验结果
        依据上述步骤对3个梯度的环刀试样分别进行剪切试验。试验数据及结果记录详见表3.6
                                                                     表3.6   常规条件直剪试验试验记录表

        4 土样直剪试验结果分析
        4.1 含盐量的不同对抗剪强度的影响
        （1）常规条件下含盐量对抗剪强度的影响
        常规条件下，黄土的抗剪强度随着含盐量的增加总体上呈下降趋势，其中黏聚力随含盐量的增加呈现先减小后增大的趋势，而内摩擦角呈现出先增大后减小的趋势。
        当硫酸盐含量较低时，硫酸盐充分溶解，而溶有离子的水与纯净水之间的渗透压力不一样，进而会出现渗透斥力，从而使土粒相互排斥，因此土粒间的黏聚力开始时会有所下降。当硫酸盐含量增加到一定值，土中部分无水硫酸钠会吸收10个水分子变成晶体，黏土颗粒间就被盐分晶体形成的胶结物所粘结，是一种化学键。由于键能高，可形成很大的黏聚力，所以土中湿度较大，粘性较高，因此这时黏聚力随含盐量的增加而呈现上升趋势。
        对于内摩擦角，开始时，硫酸盐充分溶解，颗粒间接触紧密，土粒之间咬合作用较强，内摩擦角就随着含盐量的增加而增大。而当含盐量增加到一定值时，硫酸钠晶体析出，使得土体体积增大，结构松散，摩擦强度显著降低，因此内摩擦角随含盐量的增加呈下降趋势。而黏聚力的变化对抗剪强度的影响强于内摩擦角，所以抗剪强度总体呈下降趋势。
        （2）含盐量对抗剪强度的影响
        黄土的抗剪强度总体上与常规条件一样呈下降趋势，其中内摩擦角随着含盐量的增加缓慢下降逐渐趋于稳定。而内摩擦角先增大后减小。
        所有试样的含水率均有所增大，加入的硫酸盐均能充分溶解，盐溶液在土粒表面形成润滑剂，摩擦阻力降低，内摩擦角减小；结合水膜变厚，土粒间的电分子力减弱，使黏聚力降低。而内摩擦角在含盐量较大时呈上升趋势，是因为随着溶液中离子浓度增高，土体黏性增大，剪切后土体仍黏在一起，内摩擦角有所增大。
        5 结论
        本文选取典型黄土地区工程场地土样，通过室内试验，分析了不同含水率下硫酸盐含量对黄土性质的影响，得到了以下几点结论：
        （1）通过环刀法测定试样湿密度，得出黄土的湿密度在含盐量较小时基本比较稳定，在含盐量较大时，呈明显的下降趋势。
        （2）通过烘干法测定试样含水率，得出含水率随含盐量的增加而缓慢增加。
        （3）通过锥式液限仪测液限和搓条法测塑限，得出塑性指数随含盐量的增加先缓慢减小，当含盐量增加到一定值时塑性指数将逐渐增大，即一定的含盐量可增强黄土的可塑性。
        （4）通过固结慢剪试验得出：
        常规条件下，黄土的抗剪强度随着含盐量的增加总体上呈下降趋势，其中黏聚力随含盐量的增加呈现先减小后增大的趋势，而内摩擦角呈现出先增大后减小的趋势，黄土的抗剪强度随着含盐量的变化也不尽相同。
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        作者简介：马瑞君，1979年4月生，女，甘肃陇西人，本科学历，工程师，从事岩土工程试验研究。