NaCl作用下红黏土裂隙发育规律研究
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作者: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。
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