水盐含量及电阻率对盐渍土抗剪强度的影响

苏 巍, 金刘彪, 刘 鹏, 何迎祥

(吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院, 长春 130119)

0 引 言

盐的累积会造成许多环境岩土问题,如盐胀、冻胀、腐蚀、翻浆等,故有必要对其力学性质进行研究。电阻率法具有连续全面、快速准确、原位无损等特点,已被广泛应用于岩土检测中[1]。土的电阻率是研究土体力学的重要指标,它的变化受土的基本参数影响,如含水率、温度、饱和度、固体颗粒组成、胶结状态、孔隙特征等[2]。研究人员对土体电阻率的特征进行室内试验研究,吕擎峰等[3]通过甘肃粗颗粒盐渍土易溶盐含量测试和电导率测试,研究含盐量和电导率之间的关系。罗述伟等[4]配制了不同质量分数的钠盐和混合钠盐的盐渍土土样,研究不同含水率下钠盐盐渍土的变化规律。王兴为等[5]通过室内试验测定不同温度和不同pH值下易溶盐电导率,分析温度和pH值对电导率测定的影响。朱杰[6]研究茶卡地区盐渍土洗盐前后抗剪强度变化,分析了盐渍土中盐分影响土力学性质的原因。田高源[7]研究赤泥改良山西太原东山地区黄土,结合电阻率研究其抗剪强度,分析了剪应力和电阻率随剪切位移的变化规律。李苹等[8]通过测定盐渍土的吸力、电阻率测试和直剪试验,得到非饱和盐渍土电阻率随含水率成指数减小关系。陈议城等[9]研究不同浓度和干密度的Cu2+污染红黏土的直剪试验,得到抗剪强度与破坏电阻率、黏聚力与初始电阻率等均呈现较好的指数函数关系。通过直剪试验研究电阻率与抗剪强度的关系较多,但用全自动三轴仪做抗剪强度与电阻率相关的研究较少,故笔者通过对长岭县盐渍土的室内三轴剪切试验和电阻率测试,阐明了盐渍土的抗剪强度受含盐量和含水率变化的影响,得出盐渍土抗剪强度与电阻率变化的回归方程,总结出电阻率与各试验变量间的相关关系。

1 试 验

1.1 试验材料与土样制备

本次研究区位于吉林省西部长岭县某养殖场附近,粉质黏土,呈黄褐色,取土深度为1 m。根据基本的土工试验方法,分别采用环刀法测量天然密度,烘干残渣质量法测定含盐量,烘干法测定含水率,液塑限用数显式土壤液塑限测定仪测得,土样的颗粒成分用LS-909型激光粒度分析仪测得。原状土样的天然密度为1.85～2.05 g/cm3,其余基本性质见表1,其中Ip为塑性指数,w为不同粒径颗粒组成的质量分数。

表1 盐渍土基本物理性质

试验中选择不同深度的土样均为定量,取出每一层的土样,控制干密度为1.65 g/cm3,用直径为39.1 mm、高度为82 mm规格的试模制样,将压好的土样包上保鲜膜养护24 h。

1.2 试验方法

电阻率测试采用VICTORY 4090A型数字电桥,取出养护后的土样,通过电极片与试样夹相连,电极片与土样两端需要施加60 kPa压力固定,使电极片与土样耦合良好且不扰动土样抗剪强度的目的,依次测量土样的电阻率ρ,测量时间1 min,测量完成后,正负极对调再测一次,取两次测量的平均值。

式中:R——盐渍土样电阻;

L——两电极片间的距离;

S——电流流经土样的横截面面积;

I——电流的强度;

ΔU——电位差。

因为试样与电极片接触时会有阻抗,所以要修正接触电阻,可通过测量不同长度试样间的电阻绘制出R-L拟合直线(图1),将线延长与纵轴相交,得到的截距为土样接触电阻,由此将每次测试的土样电阻率减掉接触电阻即可得到试件的真实电阻率。

图1 R-L拟合直线Fig. 1 R-L fit a straight line

试件电阻率测量完毕随即进行室内三轴剪切试验,通过TSZ-1A全自动三轴仪测其抗剪强度(图2)。土样在乳胶膜和承膜筒的辅助下完成装样工作,采用不固结不排水试验,围压分别为100、200、300 kPa,将剪切速率设置为0.8 mm/min,轴向应变为15%时试验结束。根据摩尔-库伦强度理论,盐渍土的抗剪强度指标有两个:内摩擦角φ和黏聚力c。试验结束后可以得到土样的内摩擦角φ和黏聚力c值。针对土样在剪切过程中不同的破坏形式,对应变软化的土样,取峰值为土样的抗剪强度;对应变硬化的土样,取轴向应变为15%时对应的强度为土样抗剪强度。

图2 试样三轴剪切试验Fig. 2 Triaxial shear test of specimens

2 结果分析

2.1 电阻率随含盐量含水率的变化

室内试验测得土样的参数见图3和表2。记围压100、200、300 kPa时的破坏强度分别为τ100、τ200、τ300。含水率ww、含盐量ws的增加,盐渍土电阻率有逐渐降低的趋势,由100 cm深的土样到80 cm深的土样过程中,盐渍土的含盐量由0.08%增加到0.19%,含水率由20.71%增加到21.34%,这一过程中电阻率急剧下降,原因是土样中的水可以使盐完全溶解,电荷量增多,导电能力增强,且含水率的增加可以使颗粒间孔隙联通,共同作用下,电阻率急剧下降。当土样中的深度逐渐降到20 cm时,含盐量增加到1.59%和含水率增加到29.84%,土样中的盐溶解度逐渐增加,离子浓度慢慢趋近饱和,电荷量逐渐增多,导电能力继续增加,而含水率的增加使土样中孔隙间的连通性增强,土中水的状态也有变化,由毛细水到重力水的转变,使得导电性增强但变化慢慢趋于平缓,所以,电阻率的变化也逐渐趋于平缓。总之,在含盐量和含水率共同作用下,使得盐渍土的电阻率发生变化。

图3 盐渍土电阻率随含盐量含水率三维变化Fig. 3 Resistivity of saline soil varies with salt content and moisture content in three dimensions

表2 水盐含量及抗剪强度

2.2 抗剪强度随含盐量含水率的变化

试验得到土样的水盐含量以及抗剪强度结果由表2可知,其中,h为取土的深度,τ为破坏强度。

根据不同深度的5个土样绘制内摩擦角φ、黏聚力c随含盐量及含水率的变化关系,见图4和图5。由图4可知,在三轴压缩状态下,内摩擦角和黏聚力均随含盐量的增加而呈现下降的趋势,变化趋势基本一致,随含盐量增加,溶液中的离子浓度逐渐增大,且离子在水中发生水化反应,水膜厚度增大,使土粒间距增大,土颗粒间的排斥力增大,水化反应使水的润滑能力变强,从而盐渍土的抗剪强度参数受到影响。由图5可知,当含水率变大时,土体盐含量变小,土体电位变化逐渐升高,胶体间吸引力变小。同时,含水率的增加会使土体颗粒间的排斥力和润滑能力增强。由于土样的盐溶液未达到饱和,所以并未有盐结晶析出。含水率的增加,土颗粒间的水膜增大土颗粒间距离,所以内摩擦角和黏聚力均随含水率的增大而呈现减小的趋势。

图4 内摩擦角和黏聚力与含盐量的关系Fig. 4 Relationship between angle of internal friction and cohesion and salt content

图5 内摩擦角和黏聚力与含水率的关系Fig. 5 Relationship between angle of internal friction and cohesion and moisture content

2.3 抗剪强度随电阻率的变化

为了探究盐渍土电阻率与抗剪强度之间的关系,探索用电阻率来表示盐渍土抗剪强度的方法,绘制了盐渍土不同深度的抗剪强度与不同围压下随电阻率的变化关系的拟合曲线,如图6所示。由图6可知,盐渍土抗剪强度和电阻率呈现出正相关关系,当围压为100 kPa时,抗剪强度与电阻率的拟合公式为τ=1.493 6ρ+32.172,相关系数为0.928 7;当围压为200 kPa时,抗剪强度与电阻率的拟合公式为τ=1.567 3ρ+84.719,相关系数为0.909 5;当围压为300 kPa时,抗剪强度与电阻率的拟合公式为τ=0.843 6ρ+157.39,相关系数为0.910 2。

盐渍土的电阻率是在三轴试验之前测量得到,故认定此电阻率为初始电阻率。围压的增加,改善了土体孔隙结构,更大的压力会使颗粒之间变得紧密,为了破坏盐渍土结构之间的力需要更大的剪应力。盐渍土的抗剪强度与电阻率之间具有良好的线性关系,抗剪强度随电阻率的增大呈上升趋势。

图6 盐渍土抗剪强度和电阻率的拟合关系Fig. 6 Fitting relationship between shear strength and resistivity of saline soil

3 结 论

(1)长岭县盐渍土的电阻率是随着含盐量和含水率的增加而逐渐降低的趋势。

(2)在三轴压缩状态下,内摩擦角和黏聚力均随土样中含盐量的增加而减小;内摩擦角和黏聚力均随含水率的增加呈现出减小的趋势。

(3)盐渍土的抗剪强度与电阻率之间具有良好的线性关系,抗剪强度随电阻率的增大呈上升趋势,拟合出不同围压下抗剪强度与电阻率的相关公式,相关系数均大于0.90,具有很好的相关性。