易溶盐对伊犁黄土湿陷性的影响

蔺广花,刘百来,张爱军

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，杨凌 712100)

黄土具有大孔隙、欠压密和水敏感等特性。湿陷性黄土在浸水增压和饱和条件下因自重或者非自重载荷作用会发生大幅附加沉降，即湿陷变形。黄土湿陷机理是黄土工程地质领域尚未很好解决的复杂问题[1]，尤其特定区域黄土的湿陷性问题研究已经成为岩土工程急需解决的技术难题[2-5]。黄土湿陷性受内因与外因两个方面的影响。内因包括黄土颗粒组成、易溶盐含量、pH值、孔隙比、饱和度和干密度等，外因包括水和压力的作用。目前关于黄土湿陷机理的研究有较多的假设和理论[6-7]，但黄土湿陷是一个复杂的过程，目前已有假说很难解释清楚，影响因素较多。

针对黄土变形及湿陷性，国内外学者做了大量工作，也取得了很多较好的成果[8-11]。文献[12]表明，单轴压缩实验中单线法得到的黄土湿陷系数变化规律与采用双线法得到的规律不同。文献[1]中研究了陕西蒲城地区黄土湿陷性，结果表明黄土湿陷性与其黏粒含量、pH值、饱和度和干密度等有关，易溶盐含量对黄土湿陷性影响不大。文献[13]研究了不同干密度和含水率对伊犁黄土湿陷性的影响，结果表明含水率和干密度对伊犁黄土的湿陷系数具有较大影响。文献[14]找到了黄土结构强度与湿陷系数的线性拟合关系，结果表明初始含水率和结构强度对黄土湿陷系数影响较大。文献[15]研究表明初始压实度和初始含水率对黄土的压缩变形特性影响较大。现有研究中，关于伊犁黄土湿陷性的影响因素研究较少。因此，本文以新疆伊犁黄土为研究对象，分析不同含水率、压力、易溶盐种类和易溶盐含量对黄土湿陷性的影响规律。

1 材料与方法

1.1 试验土样

试验采用新疆伊犁黄土，土体为粉质黏土。试验采用人工挖井法取得原状黄土试样，取土深度分别为8 m，16 m，18 m，取样过程中尽量避免对土样的扰动。将不同深度的土充分混合，使用2 mm筛网过滤后装袋备用。通过比重瓶法测定土粒的相对密度，本次试验土样的土粒比重为2.72，干密度为1.24 g·cm-3，空隙比为1.194。

1.2 洗盐处理

本试验使用100 cm3的环刀，制备了40个试样，并对10 kg的原状土进行洗盐处理。洗盐后将土晒干、碾细并过筛备用，分别取洗盐前后的土样100 g，以土水比为1∶5的比例混合，充分震荡3 min并静置一段时间，然后用虹吸装置抽气过滤。

1.3 湿陷试验

本次试验采用双线法进行，试验的过程按以下步骤进行：

① 制样：称取计算好的土壤放入环刀中，压实后放入保湿缸中进行3 d养护。

② 压缩：将养护好的土样放入仪器中，按照定好的含水率和含盐量(见表1)进行低压压缩和高压压缩试验。土样的含水率划分成4个梯度，分别为7.0%，13.2%，19.7%，26.7%。最后土样按照易溶盐种类和含量不同分为5组，每组按照含水率不同分为4组，共20组，40个环刀试样。全程采用双线法进行黄土湿陷性试验，采用的压力级为0，200，400，600，800，1 000，1 200，1 400 kPa。

表1 加盐种类及含盐量

1.4 计算方法

1.4.1 洗盐前后易溶盐总量计算

易溶盐含量计算公式为

(1)

(2)

式中：m2为蒸发皿加烘干残渣质量；m1为蒸发皿质量；Vw为制取浸出液所需的纯水量；V1为吸取浸出液量；md为烘干土质量；m为风干土质量；w为风干含水率。

1.4.2 湿陷系数

黄土湿陷性可根据室内固结试验计算，湿陷系数计算公式为

(3)

式中：hp为试样加至一定压力时，下沉稳定后的高度；hp′为加压稳定后的试样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度；h0为试样的原始高度。

2 试验结果分析

2.1 不同含水率无盐黄土湿陷系数与垂直压力的关系

不同含水率无盐土壤湿陷系数与垂直压力的关系，如图1所示。由图1可知，总体上无盐土壤随着含水率增大，湿陷系数逐渐减小，土壤含水率为7.0%和13.2%时湿陷系数最大，土壤含水率为26.7%时湿陷系数最小；外界压力一定时，随着土壤含水率增大，黄土湿陷系数降低，主要因为随着土壤含水率增大，土壤颗粒间的电解质浓度低，土壤颗粒间的斥力较大；垂直压力大于400 kPa以后，不同含水率无盐黄土湿陷系数基本不变化，这是由于外力较大，导致黄土粒间孔隙变小。

图1 不同含水率无盐黄土湿陷系数与垂直压力的关系Fig.1 Relationship between the collapsibility coefficient of unsalted loess with different water contents and vertical pressure

2.2 不同含水率易溶盐黄土湿陷系数与垂直压力的关系

不同含水率易溶盐黄土(50 mmol·kg-1NaCl)湿陷系数与垂直压力的关系，如图2所示。

由图2可知，易溶盐(50 mmol·kg-1NaCl)黄土含水率为7.0%，19.7%，26.7%时，随着垂直压力的增大，该易溶盐黄土湿陷系数变化较为平稳且数值较小，土壤含水率为13.2%时，随着垂直压力的增大，该易溶盐黄土湿陷系数大幅度降低；垂直压力大于200 kPa，50 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数(如图2所示)比无盐黄土湿陷系数(如图1所示)小，说明一定情况下，易溶盐可减小黄土湿陷变形。

图2 不同含水率易溶盐黄土(50 mmol·kg-1 NaCl)湿陷系数与垂直压力的关系Fig.2 The relationship between the subsidence coefficient of soluble salt soil (50 mmol·kg-1 NaCl) with different water contents and vertical pressure

不同含水率易溶盐(100 mmol·kg-1NaCl)黄土湿陷系数与垂直压力的关系，如图3所示。

图3 不同含水率易溶盐黄土(100 mmol·kg-1 NaCl)湿陷系数与垂直压力的关系Fig.3 The relationship between subsidence coefficient of soluble salt soil (100 mmol·kg-1 NaCl) with different water contents and vertical pressure

由图3可知，土壤含水率为7.0%和13.2%，垂直压力为0～800 kPa时，随着垂直压力增大，100 mmol·kg-1NaCl易溶盐土壤湿陷系数逐渐降低，土壤含水率为19.7%和26.7%时，随着垂直压力增大，该易溶盐黄土湿陷系数逐渐增大，该结果是土壤含水率和易溶盐共同作用的结果；当垂直压力大于400 kPa，100 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数变化较小。垂直压力为200～400 kPa，土壤含水率为19.7%,26.7%时，在垂直压力相同情况下，100 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数大于50 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土，表明黄土中不同含量易溶盐对黄土湿陷性影响不同。

不同含水率易溶盐(50 mmol·kg-1Na2SO4)黄土湿陷系数与垂直压力的关系，如图4所示。由图4可知，外界压力一定，含水率为7.0%,19.7%时，50 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数随土壤含水率增大而逐渐降低；随着垂直压力增大，其湿陷系数逐渐下降，并在400 kPa时保持稳定；当含水率为26.7%时，50 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土的湿陷系数不随外界压力的变化而变化。黄土中不同种类易溶盐对黄土的湿陷性影响不同，与50 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数相比，垂直压力一定时，50 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数较大。

图4 不同含水率易溶盐黄土(50 mmol·kg-1 Na2SO4)湿陷系数与垂直压力的关系Fig.4 The relationship between subsidence coefficient of soluble salt loess (50 mmol·kg-1 Na2SO4) with different water contents and vertical pressure

不同含水率易溶盐黄土(100 mmol·kg-1Na2SO4)湿陷系数与垂直压力的关系，如图5所示。

图5 不同含水率易溶盐黄土(100 mmol·kg-1 Na2SO4)湿陷系数与垂直压力的关系Fig.5 The relationship between subsidence coefficient of soluble salt soils (100 mmol·kg-1 Na2SO4) with different water contents and vertical pressure

由图5可知，垂直压力为100～300 kPa，外界压力一定时，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土随着含水率的增大湿陷系数逐渐降低；随着垂直压力的增大，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数也逐渐降低，且减小幅度较小。黄土中不同含量、种类易溶盐对黄土湿陷变形影响不同。与50 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数相比，垂直压力一定时，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数较大；与100 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数相比，100 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数较大。

3 结 论

1) 不同含量易溶盐对黄土湿陷性影响不同。与无盐黄土相比，易溶盐黄土湿陷系数有一定下降。在100 kPa压力且含水率为7.0%条件下，无盐黄土湿陷系数、50 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数、100 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数、50 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数和100 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数各不相同。

2) 不同种类易溶盐对黄土湿陷变形影响不同。100 kPa压力且含水率为7.0%的条件下，50 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数比50 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数小，100 mmol·kg-1NaCl易溶盐黄土湿陷系数比100 mmol·kg-1Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数小。

3) 不同土壤含水率对黄土湿陷变形影响不同，随着土壤含水率增加，湿陷系数逐渐变小，当土壤含水率为26.7%时，黄土湿陷系数基本保持不变。在100 kPa压力下，不同土壤含水率无盐黄土湿陷系数为0.06～0.20；50 mmol Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数为0.07～0.16；100 mmol Na2SO4易溶盐黄土湿陷系数为0.01～0.17。50 mmol NaCl易溶盐黄土湿陷系数为0～0.10；100 mmol NaCl易溶盐黄土湿陷系数为0.03～0.08。

4) 外界压力对黄土湿陷系数有一定影响。随着外界压力的增大，黄土湿陷系数逐渐降低，当外部压力大于400 kPa以后，黄土湿陷系数基本保持不变。