溶蚀作用对黄土体物理力学性质影响的试验

叶万军 李长清 李晓

摘 要：为了探究雨水溶蚀作用对黄土体物理力学性质的影响，以洛川塬边黄土为研究对象，对试样开展X射线衍射、扫描电镜、强度等试验，对比雨水溶蚀前后试样在粒度组成、矿物成分、离子含量、微结构单元及物理力学性质方面的差异，探究雨水溶蚀作用对黄土工程性质的影响，然后通过显著性理论定量分析溶蚀作用对黄土体损伤程度的大小。试验结果表明：雨水的溶蚀会使土样粉粒含量明显降低，粘粒含量明显增大，亲水性矿物成分降低，土体中Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3等离子含量减少;溶蚀作用前后试样微结构单元发生了明显的变化，具体表现为试样大孔隙减少、小空隙增多，粒间连接减弱;经历溶蚀作用后试样粘聚力、内摩擦角明显降低，成分的改变造成强度指标降低，进而使得黄土体发生病害;通过显著性理论分析，溶蚀作用会对土体造成明显损伤。

关键词：黄土;溶蚀;矿物成分;强度

中图分类号：TU 411   文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0408   文章编号：1672-9315（2019）04-0610-09

Abstract：In order to explore the effect of rain water dissolution on the physical and mechanical properties of loess，the loess at the edge of the Luochuan Plateau is studied by X ray diffraction，scanning electron microscopy and strength tests.By comparing the differences of particle size，mineral composition，ion content，micro structure unit and physical and mechanical properties of samples before and after rain water dissolution，the effects of rain water dissolution on loess engineering properties are explored，and then a quantitative analysis is made of the degree of damage caused by rain water dissolution to loess by Significance Theory.The results show that the dissolution of rainwater can significantly reduce the content of silt，clay，hydrophilic minerals and Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3 plasma in soil.The microstructural units of the samples changes obviously before and after the dissolution，which is manifested in the decrease of macropores，the increase of small voids and the weakening of intergranular connections.After corrosion，the cohesion and internal friction angle of the sample decrease obviously，and the strength index decreases with the change of composition，which leads to the disease of loess.Through significant theoretical analysis，the dissolution will cause obvious damage to the soil.It can be seen that rainwater erosion has a great impact on the physical and mechanical properties of loess.

Key words：loess;dissolution;mineral composition;strength

0 引 言

隨着一带一路战略的实施，越来越多的工程将在黄土地区修建，黄土体干燥时强度较高、工程性质稳定，但当受到水的作用时土体性质就会发生明显劣化，造成工程灾害的发生。在我国西北黄土高原，每年的雨季是黄土高原发生地质灾害的高发季节，因此研究在雨水作用下黄土体工程性质的演化规律就显得迫在眉睫。

雨水对黄土体的影响主要包括机械剥蚀作用和化学溶蚀作用，机械剥蚀作用是在雨水侵入过程中对黄土体颗粒的搬运以及对迁移通道的扩展，化学溶蚀作用是雨水入侵过程中与土体发生化学反应，造成试样在颗粒组成及矿物成分发生改变，剥蚀作用和溶蚀作用在雨水入渗过程中同时存在，水力梯度较大时以剥蚀作用为主。研究雨水溶蚀作用对黄土体物理力学性质影响将有助于揭示黄土体病害的发生条件、发展历程，为黄土地区防灾减灾工程提供理论依据。

在黄土与水的相互作用方面目前已取得了许多成果，试验研究发现：湿陷后的黄土微、小空隙增多，中、大空隙减少，试样的湿陷性质不仅依赖于试样的初始条件，还与试样的初始含水率应力状态有关[1-3];在低含水量、低固结压力下水敏性结构参数敏感较强，在高含水量、高固结压力下敏感性较弱[4-5];黄土的侧限压缩应变、湿陷性随着干湿循环次数的增加不断增大[6-7];干湿循环会使得黄土抗拉强度丧失，结构性不断破坏[8-10];在冻融循环的作用下，原状黄土与重塑黄土的渗透性先减小后增大最后趋于稳定[11-13];冻融循环会改变土体的孔隙比、渗透系数及土颗粒之间胶结[14-16];此外冻融循环条件下黄土物理力学性质演化[17-18]、干湿循环条件下土体水分迁移规律与变形特性[19-20]以及不同初始含水量条件下黄土体的结构强度[21]都是目前研究的热点。张常亮以陕西省耀州区庵里滑坡为对象，对该类滑坡的发生机制进行分析和探讨，建立了滑坡发生前侵蚀作用的不同阶段边坡的有限元模型，计算了相应的应力场和位移场，在此基础上求得各模型沿最终滑面上的正应力、剪应力和抗剪强度分布，采用极限平衡法计算边坡整体稳定系数[22];王阵地研究了冻融循环与氯盐侵蚀作用下混凝土基体的变形和损伤，分别测量了快速冻融循环与氯盐侵蚀作用下混凝土基体的变形和干冻条件下基体的变形，研究了饱盐试件和干燥试件的变形与损伤演化行为[23];姜磊研究了硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤层及微观结构[24]。可以看出在水与黄土的相互作用关系方面专家学者做了大量的研究工作[25-28]，但在黄土体与雨水相互作用，尤其是雨水的溶蚀作用对黄土体物理力学性质影响方面研究较少，还需进一步研究，文中取洛川塬边黄土，通过对比雨水溶蚀前后试样在粒度组成、矿物成分、离子含量、微结构及力学性质方面的差异，探究雨水溶蚀作用对黄土工程性质的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

土样取自洛川塬边黄土，按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）对试样进行土工试验，基本物理力学指标见表1.

1.2 试验方案

对试样进行基本物理试验、力学试验、扫描电镜试验，物理试验包括量测土体的颗粒组成、矿物成分、离子含量、基本物理性质;力学试验采用南京土壤仪器厂生产的TSZ 3型应变控制式三轴仪，试验采用CU固结不排水剪切试验，剪切速率为02 mm/min;扫描电镜试验量测溶蚀作用前后试样微结构单元的变化。

1.2.1 物理实验

在常温常压下进行A，B 2组试验，每组试验有2个试样，记为A-1，A-2，B-1，B-2，每组的一号试样不经任何处理，自然风干，每组的二号试样在雨水溶液中静止浸泡2 h然后在自然条件下风干，对A，B 2组试样进行颗粒组成、矿物成分、离子含量及物理力学性质量测。本次试验采用雨水基本参数如下：测其pH=5.65，含Cl-=5.20 μmol/L，NO-3=6.50 μmol/L，SO2-4=58.51 μmol/L，Na+=1.52 μmol/L，K+=1.63 μmol/L，Ca2+=13.11 μmol/L，Mg2+=2.91 μmol/L.

1.2.2 力学试验

将土样风干、碾碎分成2组，第一组土样采用滴水法给土样加纯净水，控制土样含水率，使其含水率控制在10%，15%，20%，25%;第二组土样在雨水中浸泡2 h，取出后风干，采用滴水法给试样加纯净水，控制土样的含水率为10%，15%，20%，25%，然后制备标准三轴试样，即直径=3.91 cm，高H=8.00 cm，此次试验分为溶蚀重塑试样和普通重塑土样，分3个固结围压（100，200，300 kPa），共24个试样。

1.2.3 扫描电镜试验

扫描电镜试验采用的是日本生产的JSM 6460LV高真空、数字化扫描电子显微镜（如图1）。

1）制备4个尺寸39.1 mm×80 mm试样;

2）将制备好的试样在雨水溶液中静止浸泡2 h然后在自然条件下风干，此为经历一次溶蚀作用;

3）制备经历0，1，2，3次溶蚀作用试样;

4）将经历0，1，2，3次溶蚀作用试样制成电镜扫描样并做喷AU处理，然后对试样进行电镜扫描。

1.2.4 显著性理论

2 试验结果及分析

2.1 颗粒组成分析试验

采用筛析法和密度计法对黄土土样A-1，A-2，B-1，B-2进行颗粒成分分析试验，得到如图2，图3所示的试验结果。

从图2，3可以看出，黄土土样中粉粒含量最高，粘粒次之，砂粒最少，未浸泡的洛川黄土土样粉粒百分含量在80%左右，黏粒在18%左右;对比同一组土样可以发现浸泡后的土样粉粒含量明顯降低，粘粒含量明显增大，这说明了在雨水的溶蚀作用下，土体中的矿物颗粒、盐类与雨水溶液发生化学反应，这种反应改变了土中颗粒粒度组成，粒度组成的改变促使土体的物质结构以及水理性质发生改变，从而影响着土体的力学性质，黄土的颗粒粒度组成是影响土体工程地质性质和水文地质性质的一个重要因素。

2.2 矿物成分分析试验

采用X射线衍射测试技术对A，B 2组黄土试样的矿物成分进行了测试分析，测试结果如图4所示。

从图4可以看出，黄土主要由石英、长石、碳酸盐、水云母、蒙脱石、伊利石和高岭石等矿物组成，雨水侵蚀后土样亲水性矿物成分明显降低;黄土的矿物成分控制着土颗粒的大小、形状和表面特征，其与液体的相互作用又决定了土的塑液限、体变、强度和渗透性等性状，进而影响了土的物理力学性质。黄土与水的相互作用影响着土的絮凝和分散作用进而影响土的结构，亲水性矿物含量的降低，导致土体内部水分的表面张力、湿吸力和结合水厚度降低，影响土颗粒间的联接力，致使土体结构发生变化。

2.3 离子含量试验  通过双氧水除去溶蚀后土样溶液内的有机物，烘干残渣测定阴阳离子的含量，以摩尔浓度表示，测定结果如图5所示。

在黄土所含的化学成分中，与黄土性质联系较紧密的为易溶性盐类，因此研究黄土中易溶性盐含量意义非常重大。由图可以看出黄土中易溶性盐主要以氯化物、碳酸盐为主，土样被雨水溶液浸泡后，其阴阳离子Ca2+，Mg2+，SO2-4，CO2-3，HCO-3等含量均减少，说明了土样中的阴阳离子与雨水溶液发生了化学反应，生成了难溶性盐，这些难溶性盐被水溶液搬运，促使土样孔隙比增大，土体的结构遭到破坏。可见，易溶性盐的含量不仅直接影响着黄土的溶解性、冻胀性、崩解性、透水性和稳定性等水理性质，而且会使土体结构发生变化。

2.4 基本物理性质试验

对土样进行土工试验，得到土体的物理性质参数如图6所示。

从图6可知，四块土样的ds值较接近，p，pd两参数，浸泡的土样略小于未浸泡的土样，液塑限比较可知，浸泡后土样的ωz值较未浸泡土样的低2%左右，而ωp值是浸泡后土样较未浸泡土样高4%左右，浸泡后土样塑性较其未浸泡土样的塑性弱一些。干密度是土中固体颗粒的含量，同等条件下土样的干密度越大，土体越密实，土体的性质越稳定，侵泡后土样的干密度降低，虽然下降幅度不是很大，但考虑到土样只经过了一次侵泡，而实际工程中土体会经过几次甚至几十次的干湿循环，这样累积起来就会使土体干密度减小很多，因此可以得到雨水的溶蚀会使土体中固体颗粒不断减小，导致土体结构性减弱，进而影响土体的强度。

2.5 力学试验

试验结果如图7所示。以应力应变曲线的峰值点为其破坏点，无峰值点时取轴线应变15%的主应力差作为其破坏点，以法向应力为横坐标，剪应力表示纵坐标，（σ1f+σ3f）/2为圆心，（σ1f-σ3f）/2为半径，在τ-σ应力平面上绘制Mohr应力圆，得到土体的粘聚力、内摩擦角参数如图8，9所示。

从图9可以看出，含水率越大土的抗剪强度指标（粘聚力、内摩擦角）越小;溶蚀后土样的抗剪强度指标c值和φ值均低于未溶蚀的土样。以15%含水率为例，未溶蚀的土样粘聚力为42.78 kPa，而溶蚀后降低为38.87 kPa，内摩擦角值由初始状态的24.15°降低为23.15°，这是由于在雨水的溶蚀作用下，土体的颗粒组成、离子含量、矿物成分都发生改变，土体的物理性质发生变化，导致土体的抗剪强度指标下降。粘聚力的减小是由于土体溶蚀于水后，土体内具有胶结作用的易溶性盐及矿物成分与雨水溶液发生了化学反应，使得胶结物溶解或者被软化，从而使黏聚力减小;出现内摩擦角减小且减小幅度小于粘聚力减小的幅度，原因是由于黄土与水反应后重新形成的结构结构性变弱，致使内摩擦角减小，但由于内摩擦角是由土颗粒与土颗粒、土颗粒与胶结物质之间的摩擦而产生，其值主要与接触面的法向应力相关，因此导致其值变化不大。通过显著性理论分析（结果见表3，表4），溶蚀作用对试样粘聚力影响显著，对试样内摩擦角有影响。

2.6 扫描电镜试验

图10为试样经历不同溶蚀次数放大300倍微观结构图。由图可见未经历溶蚀作用的试样结构较致密，随着经历溶蚀次数的增多试样大孔隙、孔洞减少小空隙增多，颗粒间的连接作用减弱，分析原因土体中的矿物颗粒、盐类会与雨水溶液发生化学反应，破坏土体结构单元，使土体产生结构性损伤。

3 结 论

1）在雨水的溶蚀作用下，黄土体内的粒度组成、矿物成分以及离子含量都发生了很大的变化：浸泡后土样粉粒含量明显降低，粘粒含量明显增大、土样亲水性矿物成分降低、Ca2+，Mg2+，SO2-4，HCO-3等含量均减少。

2）在雨水的溶蚀作用下，黄土的干密度、液限、塑限等物理量发生改变，这是因为黄土体与雨水发生相互作用，致使土体物质组成发生变化，进而影响土体的物理性质。

3）溶蚀作用前后试样结构单元发生了明显的变化，具体表现为大孔隙减少、小空隙增多，粒间连接减弱。

4）对溶蚀前后土样进行三轴试验，对比普通重塑土样和溶蚀后重塑土样在应力应变曲线、抗剪强度指标方面的不同，可以看出雨水溶蚀作用使土体强度降低，经显著性理论分析，溶蚀作用会对土体结构造成损伤。

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