硫酸钠浓度对黄土强度影响的试验研究*

贾艳军 庄建琦② 王 颖 赵 勇 牛鹏尧 贾珂程

( ①长安大学地质工程与测绘学院 西安 710054)

( ②长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室 西安 710054)

0 引 言

黄土是第四纪时期以粉粒为主，富含钙质的褐黄色、黄白色的风成堆积物，具有大孔隙、垂直节理发育、渗透性良好、易崩解和湿陷等特点。在黑方台灌区，黄河灌溉水流经岩土体的过程中，携带走在细粒土中起胶结作用的大量易溶盐且与黄土内矿物发生破坏微观结构的水－岩( 土) 相互作用，导致峰值和残余剪切强度降低，诱发了灾难性高速远程黄土滑坡，造成了巨大的生命和财产损失( 李志强等，2017) 。在兰州及其周边地区，灌溉水渗出过程中溶解并淋滤了其中的可溶盐，在水－土物理作用下降低了红层风化泥岩的抗剪强度( 何蕾，2014) 。

研究表明孔隙水中离子浓度及成分影响土体的性质( Wen et al.，2012) 。一方面，孔隙水中离子浓度在一定范围内变化才会影响土体的性质，例如NaCl 浓度在0～1 mol·L－1范围内变化对钠－膨润土的残余剪切强度影响显著，而NaCl 浓度在1 mol·L－1到饱和范围内变化不会显著影响钠－膨润土的残余剪切强度( Di Maio，1996a) 。另一方面，不同孔隙水成分对土体的剪切强度影响不同( Man et al.，2010; Scaringi，2016) ，例如氢氧化钙与六偏磷酸钠对土体强度的影响不同( Ramiah et al.，1970) 。最后，同一孔隙水中离子对不同土体影响不同，例如氯化钠溶液饱和高岭土不会影响其剪切强度，但氯化钠溶液饱和膨润土会显著影响其剪切强度( Di Maio et al.，1994) 。

一些学者研究了孔隙水中离子对黄土强度的影响。卢雪清( 2012) 通过三轴试验研究易溶盐、难溶盐及碳酸盐含量变化对黄土强度特性的影响。张帆宇( 2013) 通过环剪试验研究不同浓度氯化钠溶液饱和黄土后的强度，发现黄土的强度随氯化钠浓度的增加先增大后减小。李姝( 2016) 研究了黄土中离子不同程度减少后的强度，得出离子减少后黄土的强度降低。黄土中含有Na+、Ca2+、CI－、最多，在灌溉入渗的过程中，这些离子会随着水淋滤流失，从而影响到黄土的强度。黄土含有的阳离子中Na+最多，阴离子中CI－最多，因为NaCl 浓度对黄土强度的影响已被研究，所以选择Na2SO4来研究其对黄土强度的影响。为丰富孔隙水中离子浓度对黄土强度影响的试验研究，本文以甘肃黑方台黄土为研究对象，用不同浓度硫酸钠溶液配制18%含水量的土样，通过三轴试验研究硫酸钠浓度对黄土强度的影响。

1 材料与方法

1.1 黄 土

黄土样取自黑台滑坡后壁。通过Bettersize2000激光粒度分布仪分析了黄土的粒径分布，图1 是黄土的粒径级配曲线，有效粒径d10为6 μm，控制粒径d60为40 μm，不均匀系数Cu为6.67，曲率系数Cc为1.67，黄土中黏粒含量为 8.56%，粉粒含量74.22%，砂粒含量17.22%。黄土的一些基本物理性质参数如表1 所示。

图1 黄土的粒径级配曲线Fig. 1 Particle-size distribution curve of loess

表1 黄土的基本物理性质参数Table 1 The basic physical property parameters of the loess

将100 g 黄土和200 g 蒸馏水混合装入塑料瓶中，静置，浸泡20 d，用注射器抽取瓶中的上层清液，过0.45 μm 的水相滤头后，保存于新塑料瓶中，然后测其K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI－、、、－、的浓度( 单位: mg·L－1) ( 李姝，2016) 。上层清液的离子浓度如表2 所示，从中可以看出，黄土中含有K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI－、、、，在水进入黄土过程中这些离子会溶于水被水带走，从而影响黄土的结构和强度。

表2 上层清液的离子浓度Table 2 Ion concentration of supernatant liquid

1.2 溶 液

用天平称取60 g 的无水硫酸钠，把准确称量好的无水硫酸钠放在烧杯中，用少量蒸馏水溶解，然后将溶液转移到1000 mL 容量瓶里。为保证无水硫酸钠能全部转移到1000 mL 容量瓶中，要用蒸馏水多次洗涤烧杯，并把洗涤溶液全部转移到1000 mL 容量瓶里。向1000 mL 容量瓶内加入的液体液面离标线1 cm 左右时，应改用滴管滴加，最后使液体的弯月面与标线正好相切。盖紧瓶塞，用倒转和摇动的方法使瓶内的液体混合均匀。至此就配制成功60 g·L－1的硫酸钠溶液。用同样的方法分别配制120 g·L－1、150 g·L－1、180 g·L－1、210 g·L－1的硫酸钠溶液。

1.3 试验方法

将黄土过2 mm 标准筛后放入烘箱内，在100 ℃温度下烘烤24 h 以去除土体中的水分，然后用不同浓度的硫酸钠溶液制备含水量为18%的土样。密封静置24 h 后，将土样制成直径为39.1 mm、高度为80 mm 的试样( 干密度为1.54 g·cm－3) 。安装好试样后，进行等压固结不排水试验( ICU) ，围压设定为100 kPa、200 kPa、300 kPa，剪 切 速 率 设 定 为0.6 mm·min－1，固结排水30 min 后关闭排水阀门，开始剪切试验，每剪切0.02 mm 取一个试验数据，最大变形量达到25 mm 时结束试验。

2 试验结果

2.1 硫酸钠浓度和围压对黄土强度的影响

图2 ～图4 是黄土在不同硫酸钠浓度及围压下的应力－应变曲线。从图2 ～图4 中可以看出，在不同围压下，黄土都表现出一定的应力软化现象，可以观测到明显的峰值。硫酸钠浓度对黄土强度有明显影响，在本文所研究的硫酸钠浓度范围内，在同一应变下，随着硫酸钠浓度从0 增加到60 g·L－1，黄土的强度减小，硫酸钠浓度从60 g·L－1增加到210 g·L－1，黄土的强度增大。

图2 100 kPa 围压下的应力－应变曲线Fig. 2 Stress-strain curve with the confining pressure of 100 kPa

图3 200 kPa 围压下的应力－应变曲线Fig. 3 Stress-strain curve with the confining pressure of 200 kPa

以硫酸钠浓度为横轴，以同一围压下的黄土的峰值强度及应变为25%时的黄土强度为纵轴绘出不同围压下黄土的峰值强度、残余强度与硫酸钠浓度的关系曲线图，如图5～图7 所示，在同一围压下，黄土的峰值剪切强度和残余剪切强度受硫酸钠浓度的影响，具体表现为:在100 kPa、200 kPa、300 kPa 围压下，随硫酸钠浓度从0 增加到60 g·L－1，黄土的峰值强度分别减小了9.7 kPa、19.3 kPa、18 kPa，硫酸钠浓度从60 g·L－1增加到210 g·L－1，黄土的峰值强度分别增大了64.5 kPa、82 kPa、107.4 kPa; 残余强度随硫酸钠浓度从0 增加到60 g·L－1分别减小了3.2 kPa、13.6 kPa、4.2 kPa，硫酸钠浓度从60 g·L－1增加到210 g·L－1，黄土的残余强度分别增大了56.4 kPa、68.4 kPa、88.6 kPa。

图4 300 kPa 围压下的应力－应变曲线Fig. 4 Stress-strain curve with the confining pressure of 300 kPa

图5 100 kPa 围压下硫酸钠浓度与黄土强度关系Fig. 5 Relationship between the concentration of sodium sulfate and strength of loess with the confining pressure of 100 kPa

图6 200 kPa 围压下硫酸钠浓度与黄土强度关系Fig. 6 Relationship between the concentration of sodium sulfate and strength of loess with the confining pressure of 200 kPa

图7 300 kPa 围压下硫酸钠浓度与黄土强度关系Fig. 7 Relationship between the concentration of sodium sulfateand strength of loess with the confining pressure of 300 kPa

2.2 硫酸钠浓度对黄土抗剪强度指标的影响规律

总应力强度参数c、φ 值可由应力莫尔圆和相关表达式( 1) 和( 2) 求得:

根据三轴试验的数据绘制了同一硫酸钠浓度下不同围压下黄土的应力莫尔圆，将3 个围压下黄土的应力莫尔圆顶点连成一条直线－总应力破坏主应力线( Kf线) ，Kf线与p 轴的倾角为α，在q 轴上的截距为a，利用式( 1) 、式( 2) 可计算出总应力强度参数c、φ 值，由总应力强度参数可得到总强度包线( τf线) 。

表3 不同硫酸钠浓度下黄土的强度参数Table 3 Strength parameters of loess under different concentration of sodium sulfate

图8 不同硫酸钠浓度下黄土的应力莫尔圆Fig. 8 Stress molar circle of loess at different concentration of sodium sulfate

图9 黄土总内摩擦角、有效内摩擦角、总黏聚力、有效黏聚力与硫酸钠浓度关系Fig. 9 Relationship between total internal friction angle，effective internal friction angle，total cohesive force，effective cohesive force of loess and concentration of sodium sulfate

同理可以求得有效应力强度参数c' 和φ'。不同硫酸钠浓度下黄土的总应力强度参数和有效应力强度参数如表3 所示。不同硫酸钠浓度下黄土的Kf线、τf线、有效应力破坏主应力线( K'f 线) 、有效强度包线( τ'f 线) 和应力莫尔圆如图8a～图8f 所示。

在干密度1.54 g·cm－3、硫酸钠浓度不同的条件下，以硫酸钠浓度为横轴，以黄土的抗剪强度指标为纵轴绘出黄土总黏聚力、总内摩擦角、有效黏聚力、有效内摩擦角与硫酸钠浓度的关系曲线图，如图9所示:在干密度相同的条件下，随硫酸钠浓度从0 到60 g·L－1，黄土的总内摩擦角减小，硫酸钠浓度从60 g·L－1到120 g·L－1，黄土的总内摩擦角几乎不变，硫酸钠浓度从120 g·L－1到210 g·L－1，黄土的总内摩擦角增大; 随硫酸钠浓度从0 到60 g·L－1，黄土的有效内摩擦角减小，硫酸钠浓度从 60 g·L－1到210 g·L－1，黄土的有效内摩擦角增大; 随硫酸钠浓度从0 到60 g·L－1，黄土的总黏聚力减小，硫酸钠浓度从60 g·L－1到210 g·L－1，黄土的总黏聚力增大;硫酸钠浓度从0 到210 g·L－1，黄土的有效黏聚力单调增大。

图10 不同硫酸钠浓度的黄土SEM 图Fig. 10 SEM image of loess at different concentration of sodium sulfate

3 硫酸钠浓度对黄土强度影响的机理

黏粒含量少于10%的黄土剪切强度对孔隙水中离子浓度变化非常敏感，这与比表面积大的黏粒之间的物理化学相互作用相关( 张帆宇，2011) 。随着孔隙水中离子浓度的增大，由于离子向内扩散或向内渗透流入黏粒之间，黏粒的双电层厚度减小，黏粒之间的物理化学力增加，形成比黏粒更粗糙的颗粒集合体( Sridharan et al.，1999; Wen et al.，2012;Zhang et al.，2013; Fan et al.，2017) 。

从图10 中可以看出，随着硫酸钠浓度的增加，黄土中的颗粒集合体越多越大，这是因为硫酸钠浓度增大时，扩散或渗透进入黏粒之间的硫酸钠会更多，这样黏粒的双电层厚度减小，这会使黏粒之间的静电斥力减小、范德华引力增大，黏粒间连结力显著增强，所以黏粒形成更多更大的颗粒集合体。当硫酸钠浓度从0 增加到60 g·L－1时，黏粒形成的颗粒集合体充当大颗粒间的接触或填充于大颗粒孔隙之中，大颗粒间的颗粒集合体接触更易于破坏，所以黄土的强度减小; 当硫酸钠浓度从60 g·L－1继续增大时，充当大颗粒间接触的颗粒集合体更大，所以不易破坏，从而黄土的强度增大。

4 结 论

( 1) 同一围压下，随硫酸钠浓度从0 增大到210 g·L－1，黄土峰值剪切强度和残余剪切强度先减小再增大。

( 2) 在干密度相同条件下，随硫酸钠浓度从0增大到210 g·L－1，黄土的总内摩擦角、总黏聚力、有效内摩擦角先减小再增大，黄土的有效黏聚力单调增大。

(3) 硫酸钠浓度的增大会减小黏粒的双电层厚度，使黏粒之间的力增强，从而黏粒的颗粒集合体增多，进而影响黄土的强度。