NaCl作用下红黏土裂隙发育规律研究

肖桂元 安冉 朱杰茹 裴心成 刘君

摘要：土体在盐作用下强度会弱化，造成土体变形。为探索不同浓度NaCl溶液对红黏土的裂隙发育演化规律及其工程性质的影响，分别制作不同浓度NaCl的泥浆样，定时对试样进行称重、拍照，观察试样裂隙发育过程。结果表明：NaCl浓度的增加，改变了土颗粒之间的作用力，红黏土的水分蒸发速率也随之降低，裂隙块数明显减小，NaCl溶液对红黏土裂隙发育起到明显的抑制作用，且浓度越大效果愈明显。此外，通过界限含水率与直剪试验探索了不同浓度NaCl溶液对红黏土力学性质的影响，利用Zeta电位试验分析了其力学性质变化原因与裂隙发育规律。试验发现：由于NaCl溶液改变了土体结构与颗粒间的摩擦力，使得扩散层厚度变小，从而红黏土的液塑限与抗剪强度指标随着溶液浓度的增加而降低。

关 键 词：红黏土; NaCl溶液; 裂隙; 电位

中图法分类号： TU 42

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.026

0 引 言

随着中国经济不断发展，各个行业的废水排放量日益增加，目前水环境问题已成为中国面临的主要环境问题之一[1-2]。岩土环境逐渐恶化，对土体性质造成了极大的影响。随着中国工业化、城市化的不断发展，所生产化合物的数量越来越多，并逐渐进入地下环境中，化合物在岩土体中长期积累、沉淀、迁移，对地质工程产生的恶劣影响日渐突显[3]。由于水资源缺乏以及水污染，地面水体与地下水中含盐量逐年增加，NaCl作为一种碱金属盐，易溶于水、不受pH值影响，且很难在水中去除，故应重视NaCl对红黏土理化性质及强度特性的影响。

红黏土作为一种特殊土，多数分布在中国南方地区，拥有独特的工程性质，吸水軟化、失水开裂，其水敏性及裂隙性特征十分明显[4]。由于红黏土中裂隙的存在，会破坏土体的完整性，弱化土体的强度，在工程中会使红黏土的地基承载力降低，造成建筑物发生破坏[5-9]。红黏土裂隙的形成为工业废水的入渗提供了重要的优势通道[10-13]，废水中所包含的盐溶液作用大多属于无机反应，与岩土体发生反应速度快、时间周期短，废水通过裂隙更易进入到土体内引起土中孔隙溶液发生变化，使土体内不断发生着变化，最终使土体的力学性质弱化。

目前针对盐溶液对土体力学性质的影响已有大量研究：何锦堂等[14]发现土样的收缩能力随着NaCl溶液浓度的增大而增强。颜荣涛等[15]提出耦合模型，模拟了盐溶液饱和黏性土的变形和强度特性，发现黏土的工程特性受孔隙水溶液的变化影响。Budijanto等[16]研究了NaCl和CaCl2溶液对黏土界限含水率的影响，发现随着NaCl和CaCl2浓度的增加，土体的液塑限都随之降低，土样的塑性指数也发生改变。还有学者从微观角度发现盐溶液不仅使土体双电层厚度减小，还改变了其孔隙状态和结构，从而使土体的强度特性发生改变[17];于海浩等[18]发现土体的力学性质受其孔隙溶液的化学性质影响。还有研究表明，NaCl溶液可以有效抑制土体开裂程度，对土体的持水能力也有一定的影响[19]。Xu等[20]通过不同浓度盐溶液中黏土的e-p关系，推导出了一个定量解释渗透吸力对黏土体积变化影响的概念模型，提出了一个新的有效应力公式。Nurfer等[21]在不同盐溶液浓度和恒定pH值条件下测定了膨润土颗粒的Zeta电位。邢旭光等[22]探索了4种不同离子的盐溶液对土壤持水性能的影响。毛雪松等[23]绘制了不同硫酸盐浓度下的土水特征曲线，建立了含水率、含盐量与渗透吸力的关系。Hu[24]等通过对饱和土进行干燥实验，研究了土体孔隙空间演化情况。

综上可知：目前盐溶液对土体理化影响的研究主要集中在盐渍土、高岭石及蒙脱石等的强度、渗透性等方面，关于NaCl浓度对裂隙发育过程以及形成机理尚没有深入研究，尤其是对红黏土影响的研究还较少。本文主要通过观察红黏土的强度特性、液塑限性、蒸发速率及扩散层厚度的变化来研究NaCl溶液对裂隙发育的影响，探索不同浓度NaCl溶液对红黏土干缩开裂特性的影响机理。

1 试验方法

本次试验所使用的红黏土取自广西桂林市临桂区的工地，取土的深度为1.50～2.50 m，土质较均匀，试样土体呈红褐色。其物理性质指标如表1所列，试验所用盐为分析纯NaCl。本文主要通过裂隙试验、界限含水率试验、强度试验、Zeta电位试验等来探究NaCl溶液对红黏土裂隙发育规律及其力学特性的影响。

1.1 界限含水率试验

试验将风干的红黏土根据规范筛分后放置于烘箱烘干。烘干后，将配置好的不同浓度NaCl溶液喷洒在土样中，用配土器搅拌，让溶液与土样充分接触直至均匀，随后，将配好的土样分别装入保鲜袋中，并放置于阴凉处密封保存14 d。之后分别测得不同浓度下红黏土的液、塑限，最终通过计算分析得到不同浓度NaCl溶液对红黏土界限含水率变化的影响规律。

1.2 强度试验

依据规范，分别对筛好的红黏土加入0，0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.5，2.0 mol/L的NaCl溶液进行配土，土样初始含水率为最优含水率27.3%。配土、密封、放在阴凉处静置7 d之后，复测含水率，误差控制在（27.3±0.3）%。随后制作成压实度为96%的环刀试样，抽真空，再在不同浓度NaCl溶液中饱和7 d。采用常规直剪仪进行试验，剪切速率设为0.08 mm/min。

1.3 Zeta电位试验

试验将风干的红黏土放入到烘箱内烘干，筛分，随后取2 g的土样分别放入到40 mL不同浓度的NaCl溶液中，放置阴凉处静置15 d，待土样与盐溶液充分反应后再进行Zeta电位试验，观察不同浓度的盐溶液对其电位的影响规律，温度为（23.5±0.3）℃。

1.4 裂隙试验

本次试验采用称重与拍照一体的试验设备，将扫描仪固定在天秤上端一定高度，与计算机相连，定时对试样进行记录。裂隙试验具体过程如下：① 将风干红黏土碾碎，过1 mm筛;② 将过筛后的等质量土分别放入7个烧杯中，加入提前配置好的NaCl溶液中，过程中用玻璃棒不断搅拌使土样与溶液充分接触;③ 待泥浆样配置完成（配置初始含水率为60%），再用电动搅拌器进行搅拌，使盐溶液与试样充分接触;④ 试样搅拌均匀后，密封，静置24 h;⑤ 将烧杯中的试样分别倒入直径为85 mm、高度为10 mm的培养皿中，每个培养皿中试样质量误差为±0.2 g，确保每个试样的高度误差范围在±0.03 mm。⑥ 把试样放在室温为26℃、环境湿度为56%的环境下进行干燥失水，定时对试样进行拍照、测重。

为了探索不同浓度的NaCl溶液对红黏土裂隙发育过程的影响，本次试验分别设计了7组试验，每组分别做3个平行试样，且每组含水率误差控制在±0.3%内，相关参数如表2所列。

2 试验结果与分析

2.1 盐溶液作用后红黏土液塑限分析

液限、塑限是黏性土主要的物理状态特征，反映了孔隙溶液对土体工程性质的影响。红黏土作为一种特殊黏性土，其本身的矿物成分和黏粒含量受到孔隙溶液的影响，使液塑限发生变化[25]。本文采用液、塑限联合测定法测得不同浓度NaCl溶液下红黏土的液、塑限与塑性指数，结果如图1～2所示。

由图1可以看出：红黏土的液塑限受NaCl溶液浓度影响而发生变化，液限随浓度增大而降低的幅度相对较大，而塑限的变化比较稳定。由此可得，不同浓度的NaCl溶液对红黏土液限的影响较大，这是由于土内渗透吸力受盐溶液浓度影响，NaCl浓度的增加使渗透吸力增加，从而引起有效应力增加，使盐-黏土体系中颗粒间吸引力随着盐溶液浓度增加，土样之间胶结更为紧密，双电层厚度变薄导致土样的液限降低。

塑性指数为液限与塑限之差。从图2中可以看出：红黏土的塑性指数Ip随着NaCl溶液浓度的增加总体呈下降趋势，与其液、塑限的变化规律相似。由此可见NaCl溶液改变了红黏土可塑性的强弱，即浓度越高，红黏土可塑性越差。

2.2 直剪强度特性

2.2.1 剪应力-位移曲线

根据上述试验方案，对NaCl溶液作用下的土样进行快剪试验。图3为100，200，300，400 kPa竖向压力下不同浓度的NaCl溶液作用下红黏土应力-位移曲线图。通过试验结果的对比分析，发現不同NaCl溶液作用下红黏土的剪应力-位移曲线变化情况有所差异，在100，200 kPa的竖向压力作用下，随着NaCl溶液浓度的增大，红黏土的强度出现明显的弱化，且不同条件下的变化趋势大致相同;在竖向压力为300，400 kPa时，虽然NaCl溶液作用下红黏土的峰值应力变化不大，但峰值应力随NaCl溶液浓度的增大总体呈减小趋势。由图3还可看出红黏土在剪切过程中剪应力-位移曲线类型均为应力硬化型，且不同条件下红黏土的硬化趋势一致。

2.2.2 抗剪强度指标

由莫尔-库伦破坏理论可知，土的抗剪强度由黏聚力和内摩擦角组成。试验证明，孔隙水溶液的变化对红黏土颗粒间的作用力存在着明显影响[26]。图4为不同浓度的NaCl溶液对桂林红黏土抗剪强度指标的影响，可以很明显看出，浓度越大，土样黏聚力越小，内摩擦角逐渐变大至峰值后小幅度降低。这是由于NaCl溶液改变了土颗粒之间的作用力，且溶液浓度越高影响越深，土样的黏聚力随溶液浓度的增大而减小。从微观角度来分析，NaCl溶液可能改变了游离氧化铁在红黏土中的形态，而游离氧化铁是红黏土中重要的胶结物质，从而使试样的抗剪强度指标随NaCl溶液浓度增加而降低。

从图4中可以看出：溶液浓度越高，对土样抗剪强度指标影响越大。随着NaCl溶液浓度的增大，黏聚力逐渐降低且降低梯度也逐渐减小;内摩擦角先迅速增大达到峰值随后呈下降趋势最后趋于稳定，这是红黏土内物质与盐溶液发生物理化学反应，生成了新的物质，使土体的孔隙状态以及土体结构发生改变，使红黏土孔隙比增大。随着NaCl溶液浓度的增大，红黏土与盐溶液产生的新物质在盐溶液中慢慢趋于稳定，在NaCl溶液浓度大于0.5 mol/L后红黏土的抗剪强度指标变化幅度开始逐渐减小。

2.3 扩散层厚度变化规律

扩散双电层由两层组成：紧靠粒子表面的一层为固定层（亦被称为Stern层或吸附层），固定层外的一层为扩散层（见图5）[27]。黏土颗粒与固定层在外加驱动力的作用下发生移动，使其与扩散层在某一位置分离，Zeta电位便是该分离位置与扩散层溶液的电位差，故Zeta电位的改变可以反映出土颗粒间引力大小的变化[28]。

通过简化后的双电层方程可知：电荷密度、双电层厚度和介电常数对Zeta电位值有着重要影响。

ζ=4πdσD（1）

式中：ζ为Zeta电位值，d为双电层厚度，σ为电荷密度，D为介电常数。由公式（1）可知Zeta电位值与介电常数成反比，与双电层厚度d与电荷密度σ成正比，可见，Zeta电位对双电层厚度有着重要影响。

由图6可以看出：Zeta电位随NaCl溶液浓度的增加而降低，颗粒运动变快。由公式（1）可得电荷密度随着NaCl溶液浓度的增加而增大。离子浓度增加，颗粒间的相互排斥力也增加，使得扩散层中的离子进入到固定层。Zeta电位降低，从而引起扩散层厚度变薄，土体颗粒的持水能力降低，导致红黏土的液限与塑性指数降低，土的可塑性降低，因此扩散双电层厚度的变化反映了土体液塑限的升降。从图6中还可以看出Zeta电位在NaCl溶液浓度较低时下降趋势较大，说明Na+交换能力虽然较弱，但同样可以把胶体中交换能力较强的其它阳离子替换下来，但胶体中可以被Na+替换的阳离子数有限，当超过这一限值，Na+便很难再替换其它阳离子。

根据双电层理论，Zeta电位的减小说明扩散层厚度减小，土体胶结作用增强，使土体强度增加，但直剪试验结果表明土样的黏聚力随着NaCl溶液浓度的增加而呈降低趋势。土体的黏聚力可以分为原始黏聚力（土粒间吸附水膜与相邻土粒间的分子引力形成的可恢复的力）、固化黏聚力（土中不可恢复的化合物胶结形成）和毛细黏聚力（可忽略的毛细压力所引起）。Zeta电位试验反映了NaCl溶液对土样原始黏聚力的影响，这部分对土体的影响是可以随着时间而逐渐恢复的;而直剪试验得到的是NaCl溶液对固化黏聚力的影响这部分是不可恢复的。

土体强度受多方面因素影响，盐溶液对土样扩散层厚度的影响存在“阈值”。即在一定范围内，土样强度主要受扩散层厚度的影响，即受原始黏聚力的影响，这部分力会随时间而恢复;当超过这一范围，土体结构便占据了影响红黏土强度的主要因素。NaCl溶液进入到土体内，对土颗粒的大小、形状、排列方式以及联结关系造成了一定的影响，导致土体结构发生变化[29]。由于土中的NaCl溶液减少了土体颗粒间的排斥力，且浓度越高排斥力越小，因此土体结构发生改变，变为面-边接触且具有很大孔隙的絮状结构。絮状结构之间有较大的孔隙，使得土样剪切面的孔隙比随溶液浓度的增大而逐渐增大，红黏土的抗剪强度减小。

2.4 裂隙演化规律

2.4.1 水分蒸发过程

土中水分蒸发到一定程度土体将会出现裂隙，同时裂隙又为土体中水分的蒸发提供了重要的通道。在裂隙发育过程中水分蒸发主要分为3个阶段：① 常蒸发速率阶段（0～100 h），此阶段含水量只能持续很短的一个时段，含水率变化较大，水量蒸发速度最快;② 蒸发速率下降阶段（100～150 h），此阶段的土样含水率减小的速率较上一阶段明显变慢，蒸发速率也随之下降，持续时间较短，其失水速度仍然较快;③ 蒸发速率稳定阶段（150～300 h），此阶段土样表层已全部变干，下面的湿土水分先汽化，然后通过表面已干土层蒸发，此时的水分蒸发量主要受表面干土层中水分扩散率和对水分吸附力的影响。

此外，不同浓度的盐溶液作用下，试样出现裂隙的快慢也有所不同。图7是原始初始含水率为60%的红黏土试样在不同浓度NaCl溶液下含水率随时间变化的曲线图。从图7中可以看出：NaCl溶液浓度的增加对含水率变化的影响较为明显，通过对比发现高浓度的NaCl溶液的含水率曲线斜率比低浓度的含水率曲线斜率低。在0～100 h间盐溶液对红黏土试样作用最为明显，其水分蒸发速率相对较快，在100 h后试样水分蒸发速率已慢慢趋于稳定，并且在稳定阶段，高浓度的试样含水率高于低浓度的试样含水率。对比0 mol/L与2 mol/L的试样发现，低浓度的试样先于高浓度的试样趋于稳定，盐溶液浓度越高失水速率越慢。

2.4.2 裂隙发育过程

将获得的试验图片进行图像处理，通过选取合适的阈值，获得可以反映图像特征的二值化图像，使试样图像变得简单，凸显出裂隙轮廓。图8～9分别是红黏土试样在不同NaCl浓度下裂隙发育完成的原始图像与二值化处理后的图像。

通过试验可以将裂隙的发育过程可分为3个阶段：① 迅速发育阶段，在此阶段，随着水分的蒸发，土样的某个地方先出现小的裂隙，随后迅速延伸扩大并逐渐相交，这种裂隙称为一级裂隙（见图8（f））;② 过渡阶段，在此阶段，从一级裂隙上开始衍生出新的分叉，随着水分不断的蒸发，更多细小的裂隙开始出现，通常连接着两个一级裂隙，这时土块的面积不断缩小，这部分裂隙称为二级裂隙（见图8（a））;③ 发育稳定阶段，此时虽然土样仍在失水，但土样表面的裂隙长度、块数和面积都趋于稳定，不会再产生新的裂隙。

从图8～9可以看出随着浓度的增加，试样均推迟了裂隙出现的时间。在相同浓度NaCl溶液下的土样，低浓度试样出现裂隙的块数更多，且裂隙宽度也较大。此外，通过试验数据得到：试样分别在含水率为48.6%（0 mol/L），47.3%（0.3 mol/L），47.3%（0.5 mol/L），47.8%（0.7 mol/L），46.2%（1 mol/L），45.8%（1.5 mol/L），45.5%（2 mol/L）时出现裂缝。综上可知，高浓度的NaCl溶液降低了裂隙的开裂程度。从上文分析中可知：NaCl溶液浓度增加使得颗粒间的胶结力增强，推迟了裂隙出现时间。

本文选取NaCl溶液浓度为0.5 mol/L的试样来详细分析裂隙形成的机理。本次裂隙试验一共持续350 h，从图10可以看出其中一组试样裂隙发育的过程。在350 h后，试样质量保持不变，并不再产生新的裂隙，说明裂隙已全部发育完成。在发育过程中，一级裂隙形成于水分蒸发较快的时期，且裂隙长度较长、宽度较宽。随着水分的不断蒸发，二级裂隙开始从某个位置向一级裂隙发育，且发育方向几乎垂直于一级裂隙。

土体产生裂隙是在颗粒间相互作用下形成的张拉破坏，是土体随着水分蒸发产生的必然结果，是土体发生破坏的表现[30-31]。土作为一种多孔介质，其形状不规则、粒径大小不等，饱和时颗粒与颗粒间被盐溶液充满。在一般情况下，黏土颗粒表面带负电，孔隙盐溶液中包含着各种离子，故形成反离子层，与土颗粒表面电荷相反。由于黏土颗粒表面带负电，会吸引阳离子，其次热运动会使阳离子向液相内扩散，使反离子层分布在液相周围，故土颗粒表面一般被一层结合水化膜包围，使颗粒之间存在一定的孔隙，且盐溶液浓度越大，颗粒间孔隙越大，为黏土失水收缩提供了一定的条件。此外，随着土体的含水率不断减小，土中会产生毛细作用，由于表面张力的存在，使液面具有呈收缩趋势的拉力，将产生迫使相邻颗粒挤密的压力（毛细压力），故随着水分的蒸发，土体开始收缩变形，产生裂隙。随着NaCl溶液浓度的增大，试样裂隙的发育程度逐渐降低，但盐溶液（尤其是高浓度的盐溶液）对红黏土的强度造成了不可逆转的影响。

3 结 论

本文通过开展一系列的室内试验，研究了不同浓度NaCl溶液对红黏土开裂程度及其力学性质的影响，得到以下结论：

（1） 孔隙溶液中的Na+会与黏粒本身的电荷相结合，随着NaCl溶液浓度的增加，可与黏粒表面离子结合的Na+随之增加，故黏粒对Na+吸引力增大，使其更加靠近黏粒表面，从而令土体间胶结力增强。双电层厚度变薄，导致土样的液塑限都有所降低，且降低趋势逐渐减小。

（2） 随着NaCl溶液浓度的增加，颗粒之间的胶结力也随之增加。但这部分胶结并不是最主要的，而游离氧化铁是红黏土结构中重要的胶结物，NaCl溶液使得游离氧化铁形态发生改变，导致红黏土的强度随浓度的增加而弱化，且在100，200 kPa竖向压力作用下较为明显。

（3） 电荷密度随着NaCl溶液浓度的增加而增加，使得Zeta电位减小，颗粒间相互排斥力增加，引起扩散层厚度变薄。

（4） 颗粒之间的相互引力随着盐溶液浓度的增大逐渐减小，且土体结构变为絮状结构，其颗粒间孔隙变大。NaCl溶液浓度的增加使土体中分子间作用力增强，孔隙的连贯性变弱，使得試样的开裂面积、块数、长度减少;随着NaCl溶液浓度的增加，试样表面裂隙发育程度逐渐变低。

试验中发现溶液的浓度对扩散层厚度有一定的影响，本次试验只考虑了NaCl浓度对双电层的影响，未考虑温度等因素的影响。试验中还发现在同一溶液浓度下，当初始含水率较小时，试样裂隙发育程度也有所减小，且在不同的时间段水分蒸发量也有所不同。今后可以针对不同初始含水率的土样模拟水分迁移路径，从开裂过程中含水率的变化推测裂隙发育状态，探索含水率与开裂程度的关系式。

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（编辑：郑 毅）

Influence of different concentrations of NaCl solution on fracture development of red clay

XIAO Guiyuan1，2，AN Ran1，ZHU Jieru1，PEI Xincheng1，LIU Wenjun1

（ 1.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430000，China）

Abstract：

Salt will weaken the strength of soil，resulting in soil deformation.In order to explore the influence law of different concentrations of NaCl solution on crack development of red clay and its engineering properties，mud samples with different concentrations of NaCl were prepared respectively.We regularly weighed and took photos of the samples，and observed the development process of the sample crack.The results showed that the increase of NaCl concentration changed the interaction force between soil particles，and the water evaporation rate of red clay and the number of crack blocks decreased obviously.NaCl solution distinctly inhibited the crack development of red clay，the higher concentration is，the more obvious of inhibition is.In addition，the influence of different concentration of NaCl solution on the mechanical properties of red clay was explored through the limit moisture content and direct shear test，and the change reason of mechanical properties and the rule of crack development were analyzed by Zeta potential test.It was found that the friction between soil structure and particles was changed by NaCl solution，which reduced the thickness of diffusion layer，so the liquid and plastic limit and shear strength index of red clay decreased with the increase of solution concentration.

Key words：

red clay;concentration of NaCl;fracture;potential