盐分及含水率对甘肃黑方台黄土强度的影响研究

马建全　 邱勇强　赵晓杰　李凯　李识博　段钊

摘要： 文章以甘肃黑方台灌区黄土滑坡区黄土为研究对象，开展了滑坡区盐分调查及水土化学特征分析，进行了不同易溶盐含量及不同含水率条件下的重塑黄土三轴固结不排水剪切试验，探讨盐分及含水率对黄土强度的影响。结果表明：滑坡区土样中易溶盐含量范围为0.15%～4.55%，易溶盐主要是以Na2SO4和NaCl为主;水化学分析显示灌溉水入渗及溶滤台塬黄土中的可溶盐，经优势通道在坡脚以泉点渗出等方式排泄并富集;试样抗剪强度随易溶盐含量的增加而提高，随含水率的增加而降低;不同易溶盐及含水率条件下，抗剪强度参数黏聚力变化范围为4.2～57.1 kPa，内摩擦角变化范围为23.1°～33.5°，黏聚力对易溶盐及含水率的变化更敏感。

关键词： 易溶盐; 含水率; 黑方台; 黄土; 抗剪强度

中图分类号： TU444 文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0819-08

DOI：10.20000/j.1000－0844.20200519005

Effects of salinity and moisture content on the strengthof loess in Heifangtai， Gansu Province

MA Jianquan QIU Yongqiang ZHAO Xiaojie LI Kai3， LI Shibo DUAN Zhao1

Abstract：  The loess in the landslide area of the Heifangtai irrigation district in Gansu Province was taken as the research object in this study. The salt content and the chemical characteristics of the soil and water in the landslide area were investigated. A series of triaxial consolidation undrained shear tests was conducted on remolded loess with different soluble salt contents and moisture contents to explore the effects of the salinity and moisture content on the shear strength of the loess in this region. The results showed that （1） The soluble salt contents in the samples ranged from 0.15% to 4.55%， and the main components were Na2SO4 and NaCl. （2） The hydrochemical analysis showed that the irrigation water infiltrated and dissolved the soluble salt in the plateau loess， which was discharged and enriched at the slope foot in the form of spring point seepage. （3） The shear strength of the samples increased with the increase in the soluble salt content and decreased with the increase in the water content. （4） Under the conditions of different soluble salts and water contents， the cohesion varied from 4.2 kPa to 57.1 kPa， and the internal friction angle varied from 23.1° to 33.5°. The cohesion was more sensitive to changes in the soluble salt and moisture contents.

Keywords： soluble salt; moisture content; Heifangtai; loess; shear strength

0 引言

甘肅永靖县盐锅峡镇黑方台灌区，由于长期进行大量引水灌溉活动，在塬边形成了约10 km的滑坡密集发育带，1984—2019年已频繁发生滑坡灾害约150次［1］。在野外调查中发现黄土滑坡灾害发育区域分布有大量的“析盐”现象（图1，图2）。“盐随水来，盐随水去”是黄土中盐分运移的基本规律，土的积盐和脱盐完全受水盐运移过程控制［2］。在外塬引水灌区，长期的入渗作用加剧了黄土渗透带的水盐运移作用［3］，使得土体中含水率及水溶盐类含量发生了改变，而含水率及水溶盐类的含量，又是影响黄土强度的重要因素。

关于水盐效应对黄土强度影响的研究，国内外学者大多从含水率和盐分含量方面做了大量工作。含水率方面，众多学者利用常规直剪和三轴试验获得了含水率对黄土抗剪强度的影响，但试验结果存在很大的差异性。如邢鲜丽等［4］基于三轴试验得到了黏聚力随含水率的增大先减小后增大，内摩擦角随含水率增大而减小的试验规律。而廖红建等［5］基于直剪试验得到了黏聚力随含水率的增大先增大后减小的相反试验规律。李保雄等［6］在研究不同沉积时代黄土抗剪强度水敏感性机制时，也发现了黄土抗剪强度随含水率的不同衰减规律，并提到可能与易溶盐和结构性有关。盐分含量方面，一些学者研究了洗盐（去盐）、增盐对黄土抗剪强度的影响，如邴慧等［7］发现洗盐后土体的抗剪强度参数有不同程度的增大，而更多的研究得出去盐后土体抗剪强度降低的试验结果［8－10］。沈云霞等［11］、崔自治等［12］发现黄土的抗剪强度随易溶盐含量的增大而减小，但也有研究表明黄土抗剪强度随易溶盐含量的增加呈先增大后减小的趋势［13－15］。

综上研究，水盐对黄土强度影响的差异性较大，且水盐效应对黄土强度影响的研究都是针对土体工程地质性质，而对黑方台灌区塬边黄土滑坡区且同时考虑盐分及含水率对黄土强度影响的研究鲜有报道。因此，本文以黑方台黄土滑坡区黄土为研究对象，开展滑坡区水盐运移调查及水土化学特征分析，并基于水土化学特征开展6个盐分含量、6个含水率条件下的重塑黄土三轴固结不排水剪切试验，探讨盐分及含水率对甘肃黑方台黄土强度的影响，为黑方台灌区黄土滑坡形成机理及影响因素认识提供一定的理论参考。

1 滑坡区盐分调查及分析

对甘肃省永靖县盐锅峡镇黑方台焦家村塬边滑坡的后缘、前缘、滑体和后壁等部位进行了取样，取样位置如图3所示，取样深度约15 cm，共19份土样。对取回的试样进行烘干，过2 mm筛，依照《土工试验方法标准》［16］，对试样进行易溶盐含量测试（表1）。如表1所列，滑坡区试样中易溶盐含量最小值0.15%，最大值4.55%，平均值0.70%，其中阳离子以Na+与K+为主，最大含量可达13 262 mg/kg，阴离子以SO2-4和Cl-为主，Cl-离子含量最大可达16 286 mg/kg。易溶盐主要是以Na2SO4和NaCl为主。此外，还对黑方台东侧黄河水、灌溉水及滑坡后缘坡脚泉点等水样，依照《铁路工程水质分析规程》进行了水化学特征分析（表2）。如表2所列，由于灌溉水来源于黄河水，二者之间离子含量接近，但滑坡后缘泉点的各个离子含量及溶解性固体TDS值远大于灌溉水和黄河水。灌溉水入渗溶滤台塬上部黄土结构体系中的可溶盐，经优势通道在坡脚以泉点渗出等方式排泄并富集盐分。

由滑坡区盐分调查数据可知，灌溉入渗加剧了黄土渗透带的水盐运移作用，改变了黄土结构体系中可溶盐含量及含水率，由此可能会影响黄土强度特性及黄土斜坡稳定性。因此，本文重点讨论坡脚处黄土在增盐效应及不同含水率条件下强度的变化规律。

2 试样及试验方案

2.1 土样采集及基本物理化学性质

试验所用土样采自黄土滑坡后壁，为上更新统风积黄土。土样呈灰黄色，疏松多孔，具有大孔结构。

依照《土工试验方法标准》，对土样进行了含水率、密度、比重及界限含水率等测试，采用Bettersize2000型激光粒度分析仪对土样颗粒组成进行了测试，黄土试样基本物理性质如表3所列。采用d/max－2500v型X射线衍射仪对土样矿物成分进行测试（表4），黏土矿物总量约23.0%。黄土试样易溶盐成分及含量如表5所列。

2.2 试样制备

本试验试样是通过在重塑黑方台黄土土样中加入盐的方式制作不同易溶盐含量的重塑土样获得的。首先对野外采集回来的样品烘干后过2 mm筛，按照《土工试验方法标准》，配置一定含水率的试样，在此过程中控制加入水量及溶液浓度来控制易溶盐含量，这样做的目的是为了使盐分均匀分布在试样中。由表1可知，调查点土样中易溶盐含量最大为4.55%，试验所用土样易溶盐含量为0.40%（表5）。控制含水率为2%（风干）、7%（天然）、13%、18%、23%、28%，采用NaCl制备不同浓度的溶液（分别为0、10%、12%、14%、16%、18%）。则试验试样的易溶盐含量如表6所列。

2.3 试验仪器及试验方案

试验仪器为SLB－1A型应力应变控制式三轴仪，试验设定剪切速率为0.1 mm/min。设计6个含水率（2%、7%、13%、18%、23%和28%）、6个盐分溶液浓度（0、10%、12%、14%、16%和18%）、3个有效围压（100 kPa、200 kPa和300 kPa）共36组108个试样的三轴固结不排水剪切试验。

3 试验结果与分析

3.1 抗剪强度参数随盐分及含水率总体变化

將108个试样以试样破坏时平均应力pf为横坐标，试样破坏时偏应力qf为纵坐标，分析pf－qf关系，如图4所示。由图4可知，盐分和含水率对抗剪强度参数影响较大，试样黏聚力变化范围在4.2～57.1 kPa，内摩擦角变化范围在23.1°～33.5°。

3.2 盐分对黄土强度的影响

选取含水率为7%的试样进行盐分条件对强度的影响分析。

（1） 应力－应变关系曲线

不同含盐条件下试样的应力－应变关系曲线如图5所示。由图5可知，所有盐分条件下试样的应力－应变关系曲线均呈应变硬化状态，无峰值出现，因此，取轴向应变为15%时的应力为破坏应力。不同盐分条件下黄土试样破坏时的应力如表7所列。

（2） 强度参数

基于试样破坏时的平均应力pf和偏应力qf，计算抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角，如表7所列。抗剪强度参数随不同含盐条件的变化规律如图6所示。黏聚力变化范围在15.4～21.9 kPa，随盐分含量增加而增加，且增加幅度显著;内摩擦角变化范围在28.2°～30.2°，随盐分含量增加变化幅度较小。盐分含量对黏聚力的影响较大，对内摩擦角的影响较小。黏聚强度主要来源于胶结材料的联结作用，摩擦强度更多取决于颗粒之间的咬合摩擦作用［10］，由此可见，盐分对黄土强度的影响应主要显现在黏聚力上。

3.3 含水率对黄土强度的影响

选取添加溶液浓度为16%的试样进行含水率条件对强度的影响分析。

（1） 应力－应变关系曲线不同含水率条件下试样的应力－应变关系曲线如图7所示。由图7可知，试样在含水率为2%（风干）且低围压条件下的应力－应变关系曲线呈应变软化状态，有峰值，其他的均呈应变硬化状态，无峰值出现。因此有峰值时，取峰值点为破坏应力;无峰值时，取轴向应变为15%时的应力为破坏应力。

不同盐分条件下黄土试样破坏时的应力如表8所列。

（2） 强度参数

抗剪强度参数随不同含水率条件的变化规律如图8所示。黏聚力变化范围在4.8～36.2 kPa，随含水率增加而减小，且减小幅度显著;内摩擦角变化范围在24.3°～32.5°，随含水率增加变化较明显。黏聚力对非饱和黄土含水率的变化更敏感。

4 结论

（1） 滑坡区土样中易溶盐含量最小值为0.15%，最大值为4.55%，平均值为0.70%，其中阳离子以Na+和K+为主，阴离子以SO2-4和Cl-为主，易溶盐主要以NaSO4和NaCl为主。灌溉水入渗溶滤台塬上部黄土结构体系中的可溶盐，经优势通道在坡脚以泉点渗出等方式排泄并富集盐分。

（2） 相同含水率条件下，抗剪强度参数黏聚力随盐分含量增加而增加，且增加幅度显著;而内摩擦角随盐分含量增加变化幅度较小。盐分含量对黏聚力的影响较大，对内摩擦角的影响较小。

（3） 相同盐分含量条件下，抗剪强度参数黏聚力随含水率增加而减小，且减小幅度显著;内摩擦角随含水率增加变化明显，黏聚力对非饱和黄土含水率的变化更敏感。

（4） 不同易溶盐及含水率条件下，试样黏聚力对易溶盐及含水率的变化更敏感。

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Ministry of Housing and Urban－Rural Development of the People's Republic of China. Standard for geotechnical testing method：GB/T 50123—2019［S］.Beijing：China Planning Press，2019.

（本文编辑：贾源源）

收稿日期：2020-05-19

基金项目：国家自然科学基金项目（41602359，41907255，42177155）；青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室资助项目（2019－KZ－01）

第一作者简介：马建全（1983-），男，新疆和静人，博士，讲师，主要从事岩土体稳定与地质灾害防治方面的工作。E－mail：majianquan@xust.edu.cn。

通信作者：李识博（1987-），女，内蒙古赤峰人，博士，讲师，主要从事岩土体渗透变形方面的工作。E－mail：lishibo@xust.edu.cn。