盐溶液饱和粘土的直剪试验研究

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【摘要】在钻孔井壁失稳、核废料处置、库岸滑坡等特殊岩土工程中，孔隙水溶液组分和浓度对土体强度存在重大影响。本文利用直接剪切试验研究了不同浓度盐溶液饱和粘土的强度特性，得出了以下结论：盐溶液饱和粘土能使其固结状态发生改变，随着盐分浓度的增加，土体可以从超固结状态转变为正常固结状态，甚至转变欠固结状态，发生所谓的化学固结；盐溶液浓度的增加可以提高内摩擦角，降低粘聚力，两个强度指标的不同变化控制了土体在不同竖向压力、浓度范围下的强度的不同演变规律。

【关键词】饱和粘土；盐溶液；强度

The Research of Direct Shearing Tests on Clay Saturated by Salt Solution

YAN Rong-tao

（ College of Civil engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guiling Guangxi, 541004, China）

【Abstract】In some special Geotechnical engineerings, such as the wall stability problem of well, the disposal of nuclear waste, the landslide of reservoir and so on, the species and concentration of porewater have significantly effect on the strength of clay. In this paper, direct shearing tests were preformed to study the strength characteristics of clay samples saturated by salt solution with different concentration. The experimental result shows exposing to salt solution could change the consolidation state of clay sample. With the increasing of salt concentration, clay can be transform from the overconsolidation state into the normal consolidation state, even into the under consolidation state which is likely to induce the chemical consolidation. Increasing of the salt concentration of pore water could rise the frication angle, but depress the cohesion of clay. Therefor, the different variabilities of strength indexs are combined to decide the changing trend of strength of clay saturated by Salt Solution.

【Key words】Saturated Clay; Salt Solution; Strength

0引言

在一些特殊的岩土工程问题中，土体孔隙水溶液组分和浓度会发生一些改变，这种变化对土体的力学强度存在重大影响[1-3]。例如，在钻探过程中，护壁泥浆会改变原有孔隙水的组分以及浓度，导致井壁土体的力学强度发生改变，可能导致井壁的失稳坍塌；核废料处置库中核素等溶质迁移引起孔隙水组分、浓度的变化，改变缓冲材料的力学强度性质，导致原有评估的失效，甚至有可能发生核泄露；水库周期性的水位升降必然会引起孔隙水溶质的动态变化，从而改变了库岸土体的强度特性，为库岸滑坡提供了可能性条件。因此，探究水溶液组分和浓度变化对土体强度的影响规律和影响机理是一个急待解决的问题。

目前关于水溶液组分和浓度变化对力学特性的影响展开了一些研究，主要集中于对液塑限、压缩性等力学指标，针对于土体强度的研究还处于起步阶段。Warkentin & Yong [1]利用直剪试验研究了钠离子、钙离子不同浓度溶液对膨润土、高岭土强度的影响规律，认为盐溶液饱和土体会降低土体强度，并且试图揭示其影响机理。Di Maio & Fenelli [2]通过试验认为由于盐向土体扩散使膨润土的强度产生了明显的改变，而高岭土强度却基本不受孔隙水组分的影响。此外，很多学者也对不同水化学环境下土体的强度做了类似的试验研[3-8]。

为了充实盐溶液饱和土体的强度试验数据，建立强度受盐溶液饱和后的演化规律，揭示其作用机制，本文通过直剪试验研究了不同浓度氯化钠溶液饱和粘土的强度特性，这些试验数据必定为后期的理论研究一定的数据支持。

1试验介绍

1.1试验方案

本文采用不同浓度的NaCl溶液作为试验饱和溶液，在试样的制备和抽真空饱和都采用试验浓度的NaCl溶液，而后进行直接剪切试验研究强度的演变规律。试验选用的试样干密度为1.6g/cm3，竖向压力和溶液浓度设置如表1。

1.2试验材料

由于粘性土对于水化学环境变化非常敏感，并且为了体现试验效果，本试验选用粘性土进行试验。粘性土具体物性指标如下：比重GS

=2.67；液限为WL=41.7%、塑限为Wp=21.9%；颗分曲线如图1。试验溶液采用NaCl溶液按照预定浓度制成。

图1试验粘土的颗粒分布曲线

1.3剪切过程

剪切采用常规的直剪仪，采用固结排水剪切模式。固结时间一般为12h左右，每小时变形不超过0.005mm，判断固结完成。固结完成后，采用0.01mm/min的剪切速率进行剪切，剪切过程中剪切应力-剪切位移曲线出现峰值，则取峰值作为强度；否则，取剪切位移为4mm对应的应力值作为土体的强度。

2试验结果

2.1剪切应力-剪切位移曲线

剪切应力-剪切位移曲线是直剪试验得出的最直接的试验数据。为了比较不同浓度的盐溶液、不同竖向压力对试样剪切应力-剪切位移特性的影响，图2给出了50kPa、150kPa、350kPa和400kPa竖向压力下不同浓度（0M、0.01M、0.02M、0.05M、0.1M）盐溶液饱和粘土的剪切应力-剪切位移曲线。在图2（a）中，根据其剪切应力-剪切位移曲线可以得出在50kPa竖向压力下试样会展现出不同程度的应力软化现象，也就是说试样处于不同程度的超固结状态，但是随着盐溶液的浓度的增大，这种应力软化效应、超固结程度会有明显的减弱，在盐溶液浓度达到0.05M时，基本没有了应力软化现象。综合分析可知，随着盐溶液浓度的增大，可见试验试样从超固结状态到正常固结状态、甚至可能是欠固结状态的转化。

图2中，50kPa、150kPa竖向压力下和350kPa、400kPa竖向压力下的强度特性存在很明显的差别。在50kPa、150kPa竖向压力下，随着盐溶液浓度的增大（0M~0.05M），强度显现出很明显的下降，并且具有很好的下降一致性。50kPa竖向压力下，0.01M、0.02M、0.05M盐溶液饱和粘土的强度下降幅度分别为10.7%、14.9%、40.1%；150kPa竖向压力下，0.01M、0.02M、0.05M盐溶液饱和粘土的强度下降幅度分别为2.75%、14.2%、24.5%。然而，在竖向压力为350kPa、400kPa的情况下，盐溶液浓度对强度并没有很明显的影响，也没有很一致性的下降或是上升趋势。

(a)50kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线

（b）150kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线

（c）350kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线

(d) 400kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线

图2不同竖向压力、不同浓度盐溶液饱和粘土的

剪切应力-剪切位移曲线

2.2强度特征

为了更进一步的分析剪切强度随盐溶液浓度的变化规律，本文在图3中给出了不同竖向压力下的强度随盐溶液浓度的演变规律。很明显，在竖向压力为50kPa、100kPa和150kPa的情况下，剪切强度随着浓度的增大呈现出明显的下降，而在竖向压力为200kPa~400kPa的情况下，剪切强度基本上保持不变(可以采用水的势理论进行解释，在比较大的压力下，原有的吸附水获得了较高的水势也转化成自由水，使原有的双电子层变薄)。这与Warkentin & Yong [1]对蒙脱土和高岭土进行直剪试验得到的结论一致的，即随着盐溶液浓度的变大，剪切强度降低。但是，现在的一些试验却存在于此相反的试验，即随着盐溶液浓度的变大，剪切强度呈现不同幅度的升高[1-3]。

图 3剪切强度随浓度的变化规律

Fig 3The variation of shearing strength with concentration

强度指标分析是岩土力学强度分析中非常关键的一环。图4给出了粘聚力和内摩擦角随盐溶液浓度的变化情况，随着孔隙水盐溶液的变大，粘聚力降低，内摩擦角呈上升趋势。并且在粘聚力和内摩擦角的变化梯度逐渐变小，最后可能趋于一致。目前针对于内摩擦角的变大趋势，已经可以利用电子双层吸附理论可以进行解释，也就是说孔隙水盐溶液浓度的变大，原有孔隙水的阳离子浓度变大，通过分子吸附/解吸附等水化学作用使电子双层变薄，斥力变小，颗粒之间具有更大的接触面积，同时接触面起伏不平，使内摩擦角变大[3-5]。然而，对于粘聚力的变化，目前很难有具体的定论，因为它涉及到粒间连结力与结合水厚度两个方面，若电子双层厚，粒间连结力就比较弱，表现出来的粘聚力也就比较小，但是从结合水的角度上讲，电子双层厚度较大，克服弱结合水所做的功也就多些，这两者具有矛盾的效应[1]。

图 4强度指标随浓度的变化规律

Fig 4The variation of shearing strength indexes with concentration

3结论

本文采用NaCl溶液饱和粘土，研究了不同浓度盐溶液对粘土的强度的影响规律，并且结合前人的研究成果，探讨盐溶液对粘土的强度的影响机制。经过研究分析，得出了以下结论：

（1）盐溶液饱和粘土可以使土体的固结状态发生改变，随着盐分浓度的增加，土体可以从超固结状态转变为正常固结状态，甚至转变欠固结状态，发生所谓的化学固结；

（2）在低竖向压力、低溶液浓度的情况下，土体强度随盐溶液浓度增大而减小；而在相对较高竖向压力或高溶液浓度情况下，土体强度随盐溶液浓度增大而变大；

（3）随着盐溶液浓度的提高，内摩擦角随着变大，而粘聚力呈现相反的趋势，二者共同控制土体强度的变化。

【参考文献】

［1］汪民.饱水粘性土中粘粒与水相互作用的初步探讨[J].水文地质工程地质, 1987，3(6):p.1.

［2］朱春鹏,刘汉龙and沈扬.酸碱污染土强度特性的室内试验研究[J].岩土工程学报,2011，33(7):p.7.

［3］Nguyen, X.P., et al., Effects of pore water chemical composition on the hydro-mechanical behavior of natural stiff clays[J]. Engineering Geology, 2013(0).

［4］Warkentin B P and Y.R. N, Shear strength of montmorillonite and kaolinite related to interparticle forces[J]. Clays Clay Miner, 1962，9:p.210-218.

［5］Di Maio, C. and G.B. Fenelli, Residual strength of kaolin and bentonite: the influence of their constituent pore fluid[J]. Geotechnique, 1994，44(2):p.10.

［6］Di Maio, C., Exposure of bentonite to salt solution: osmotic and mechanical effects[J]. Geotechnique, 1996，46(4):p.13.

［7］Calvello, M., et al., Compressibility and residual shear strength of smectitic clays: influence of pore aqueous solutions and organic solvents[J]. Rivista Italiana Di Geotechnica,2005.

［8］Loret, B., T. Hueckel, and A. Gajo, Chemo-mechanical coupling in saturated porous media: elasticplastic behaviour of homoionic expansive clays[J]. International Journal of Solids and Structures, 2002，39(10):p.2773-2806.