含盐砂岩风化物抗剪强度及盐析特征研究.pdf

第 卷第 期 年 月水 力 发 电 .含盐砂岩风化物抗剪强度及盐析特征研究李荣亮 李迎阳 周军红 徐兴倩 彭尔瑞(云南农业大学水利学院 云南 昆明 中铁十一局集团第五工程有限公司 重庆)摘 要:以云南禄丰黑井地区的含盐砂岩风化物为研究对象 以盐析时间为控制条件 考虑初始含水率的影响 通过直剪试验研究含盐砂岩风化物的抗剪强度及盐析特征 结果表明 含水率是影响含盐砂岩风化物盐析程度和剪切强度的关键因素 其抗剪强度随含水率增加呈先增大后减小的变化特征 在最优含水率附近达到峰值 其黏聚力和内摩擦角分别为 和 不同初始含水率条件下 含水率越高 盐析总量越大 随着盐析天数的增加盐析量和盐析速率逐渐降低 含水率越大 盐析量降低速率越慢关键词:含盐砂岩 风化物 含水率 盐析 抗剪强度 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:校企合作项目:芒硝盐岩弃渣场生态修复与植被重建关键技术研究与示范()云南农业大学科技创新创业行动基金()作者简介:李荣亮()男 湖南醴陵人 硕士研究生研究方向为农业水利工程与岩土工程 彭尔瑞(通信作者).0引言在公路和铁路的修建过程中 会产生大量的弃渣 而弃渣的种类、粒径、堆放角度及高度等因素对弃渣堆放坡体的稳定性有着重大影响 新建铁路成昆线骄子山隧道位于云南禄丰县 该地区开挖弃渣主要为含盐砂岩 含大量、和等离子 主要以芒硝及钙芒硝形式存在 含石膏及氯盐 岩块开挖裸露于地表后 短期内便风化形成一种含盐量较高的风化物 而由此风化物堆积形成的弃渣场在降雨作用下产生了大量盐析 污染了表层客土及周边环境 导致边坡失稳、植被难以恢复等问题 因此 对含盐砂岩风化物抗剪强度及盐析特征进行研究有重要的现实意义含盐砂岩风化物剪切强度与含水率和含盐量直接相关 大量研究表明 含水率不同 盐渍土剪切特性各异 陈炜韬、张宁霞等通过直剪试验得到氯盐盐渍土的强度在含盐量一定时 随含水率的增大而减小 含水率一定时 随含盐量的增大先减小后增大的结论 于青青等研究得出 松嫩平原苏打型盐渍土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增水 力 发 电 年 月 .c 破坏面盐析ba 整体坡面cb 局部破坏面图 含盐砂岩风化物堆积体加而下降 卢佩霞等研究发现 粉土盐渍土在含盐量一定时剪切强度随含水率增大而减小 雷华阳等发现含盐吹填土的抗剪强度随含水率增大而增大 也有学者通过对土样加盐配置盐浓度梯度的方法 研究土壤盐含量与强度的关系 张飞等通过室内三轴试验测得硫酸盐渍土内摩擦角受含盐量影响较小 黏聚力随易溶盐含量的增大先减小后增大 付江涛等发现亚硫酸盐渍土的黏聚力值和内摩擦角均随含盐量增加呈先降后增的趋势 临界值为 上述研究集中探讨了各类盐渍土抗剪强度与含水率和含盐量间的关系 多采用已长期固结的盐渍土 性质相对稳定 研究方法集中于先洗盐再配浓度或直接对原位土添加盐溶液的方式开展剪切试验 针对含盐砂岩风化物这类成土时间较短、结构较不稳定的风化盐渍土的研究较为少见 为此本文以云南禄丰黑井地区的含盐砂岩风化物为研究对象 以盐析时间为控制条件 考虑初始含水率的影响 通过直剪试验探讨含盐砂岩风化物盐析过程的主要影响因素及其抗剪强度的变化规律 为类似区域工程建设含盐砂岩弃渣场堆坡设计提供参考1试验材料 试样采集试验土样取自贯通云南省禄丰县黑井镇的新建成昆铁路骄子山隧道的 号弃渣场 试样采集时在取样点先清除弃渣场地表 的表层土壤 然后采集 处土体 该土层深度的岩块皆已风化成土 同时盐分析出程度较低 正是相对新鲜的含盐砂岩风化物 弃渣场含盐砂岩风化物堆积及局部变形破坏与表层盐析情况见图 基本物理指标根据/土工试验方法标准进行相关基础试验 测得该土样的基本物理性质结果见表 表 基本物理指标天然含水率/天然密度/液限/塑限/最优含水率/最大干密度/由颗粒分析试验得到该含盐砂岩风化物的粒径级配曲线 见图 从图 可知 试验土样中黏粒()、粉粒()、砂粒()和砾粒()的质量分数分别为、和 属于粉土质砾图 含盐砂岩风化物粒径级配曲线由击实试验得到含盐砂岩风化物击实曲线 见图 从图 可知 该含盐砂岩风化物的最优含水率为 最大干密度为 /图 含盐砂岩风化物击实曲线第 卷第 期李荣亮等:含盐砂岩风化物抗剪强度及盐析特征研究 .2试样制备及试验方法 试样制备试样制备步骤为:将所取含盐砂岩风化物烘干碾碎过 筛 去除大颗粒岩块及有机物等杂质后备用 在所测得天然含水率值 和最优含水率值 附近取定含水率梯度(、)并配置 组不同含水率的湿土备用 根据试样体积和设计干密度称取相应质量湿土 击实装入体积为 的环刀中 将 组不同含水率的湿土分别制成各 件、共 件试样备用 将制好试样于室温()条件下静置使其自然盐析 分别经过、刮取试样表面盐析层用于测定盐析量 再用内径 、高度 的环刀在 环刀土样中心处制取 式 份的环刀样用于直剪试验 试验方法盐析量的测定采用质量法 步骤如下:将从 环刀试样表面盐析层刮取的盐析物烘干按照土水质量比为 的比例溶解于蒸馏水中得到悬浊液 然后利用真空泵抽气设备过滤 得到易溶盐待测澄清液 将易溶盐待测澄清液水浴蒸发 直至得到白色残渣 过程中可用滴管滴加少量的双氧水氧化去除有机质 将所得蒸发白色残渣在 条件下烘干 取出于干燥器中冷却后称量 反复进行直至 次质量之差不大于 时 所称得质量即为对应土样的盐析量直剪试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的 型应变控制式直剪仪(四联剪)进行 剪切速率为 /施加竖向荷载为、和 以剪切位移为 作为试验结束的依据 过程中记录试样剪坏时的剪应力测力计读数3结果分析 含水率对含盐砂岩风化物强度的影响含盐砂岩风化物土样初始含水率设为、和 在室温()条件下静置盐析、分别测得对应时间段内试样表层盐析量与内部含水率的变化情况及抗剪强度参数 结果见表 盐析前 黏聚力与含水率的关系见图 基于图 中实际数据值点 通过 软件拟合出含盐砂岩风化物黏聚力与含水率的关系 其拟合公式为:该含盐砂岩风化物黏聚力随含水率增大先增后减 在含水率为 左右达到峰值表 测试结果初始含水率/盐析天数/盐析总量/含水率/黏聚力/内摩擦角/()图 黏聚力与含水率的关系盐析前 内摩擦角与含水率的关系见图 基于图 中实际数据值点 通过 软件拟合出含盐砂岩风化物内摩擦角与含水率的关系 其拟合公式为:该含盐砂岩风化物内摩擦角同样随含水率水 力 发 电 年 月 .增大先增后减 综上 在含水率 左右达到峰值综上 黏聚力和内摩擦角与含水率的关系变化趋势相同 由此可知 该类含盐砂岩风化物的含水率在最优含水率附近剪切强度达到峰值图 内摩擦角与含水率的关系 盐析对含盐砂岩风化物强度的影响不同初始含水率下含盐砂岩风化物黏聚力及内摩擦角与盐析天数的关系分别见图、从图、可知 当初始含水率大于等于 时 黏聚力随盐析天数的增长先减小后增大后出现回落 而初始含水率小于 时 黏聚力随盐析天数的增加呈现先缓慢下降后趋于稳定的变化趋势 内摩擦角随盐析图 黏聚力与盐析天数的关系图 内摩擦角与盐析天数的关系天数增加呈现先增大后减小再趋于稳定的变化趋势受盐析天数影响相对较小随着盐析天数的增加 含盐砂岩风化物试样含水率和盐析量均发生变化 分析可知 盐析过程可归纳为 个阶段:()盐析初期 盐析量和含水率变化均较为明显 试样内摩擦角和黏聚力同时受两者影响 变化情况较为复杂()盐析中期 实际含水率小于含盐砂岩风化物最优含水率 盐析量仍在增大 试样的内摩擦角和黏聚力受盐析量变化影响较大 随盐析量的增大而增大 该过程中土体内部盐结晶组成较多 在土孔隙中起骨架作用 使含盐砂岩风化物的黏聚力及内摩擦角增大()盐析后期 盐析量基本不再增加 含水率仍在减小 试样的抗剪强度主要受含水率变化影响 随含水率的减小而减小 由于前期盐析过程中水盐运移在土体中形成新的孔隙通道 当表层盐析量不再增加 而水分依旧在流失时 通道内可能变成真空 土体结构变得相对松散 从而使含盐砂岩风化物的黏聚力及内摩擦角减小甚至出现骤降现象 含水率对含盐砂岩风化物盐析特征的影响不同含水率下盐析量随天数的变化见图 通过试验观测可知 随着盐析天数的增加 试样表层土体逐渐变得松散 可明显观测到有白色粉末状盐结晶析出 同时土样内部含水率逐渐下降 试样表层析出盐类物质逐渐增多 直到含水率降到 左右趋于稳定 且初始含水率越大 盐析速率越快土样内部含水率下降速率也越快图 不同初始含水率下盐析量随天数的变化在盐析初期 相同跨度的盐析时段内 初始含水率越高 盐析量越大 随着盐析天数的增长 盐析速率逐渐下降 直至土样含水率基本稳定后盐析停止 且初始含水率越大 盐析量降低速率越慢最终盐析总量越大 不同含水率下各时段的含盐砂第 卷第 期李荣亮等:含盐砂岩风化物抗剪强度及盐析特征研究 .岩风化物盐析量的具体变化见图 图 不同初始含水率下各时段的盐析量综上可知 含盐砂岩风化物试样的表层盐析及内部含水率下降基本是同步进行的 考虑到试样静置时处于温度为 空气湿度为 的密闭养护室内且四周及底部皆与空气隔断 所以试样体内的水分流失仅考虑表面自然蒸发 因此可初步认定 试样的盐析过程是一个试样体内盐分随其毛细水上升的水盐运移过程 与现有相关研究成果一致4结语本文以云南禄丰黑井地区的含盐砂岩风化物为研究对象 探讨土体含水率对含盐砂岩风化物盐析情况及剪切强度特性的影响 得出以下结论:()在不同含水率条件下 该含盐砂岩风化物剪切强度随含水率增大先增加后减小 其黏聚力和内摩擦角均在含水率为最优含水率附近达到峰值分别为 和 该变化与含盐砂岩风化物中易溶盐的结晶与溶解情况有关()在控制含水率及盐析天数条件下 该含盐砂岩风化物剪切强度随盐析量的增大逐渐增大 第 的最优含水率试样黏聚力和内摩擦角均达到峰值 分别为 和 ()初始含水率越大 该含盐砂岩风化物的盐析现象越明显 而随着盐析天数的增加 试样含水率逐渐下降 试样表层析出盐类物质增多 直到含水率降到约 趋于稳定 盐析速率和含水率变化速率随初始含水率的增大而增大 随盐析天数的增长而减小直至盐析停止 该规律符合盐渍土中水分蒸发时的水盐运移规律参考文献:杨小彬 侯鑫 裴艳宇 等.大粒径石块分布对土石混合体稳定性的影响.科学技术与工程 ():.伍永平 罗宇恩 贺圣林.基于正交实验法的坡体安全系数影响因素分析.煤炭技术 ():.():.陈炜韬 王明年 王鹰 等.含盐量及含水量对氯盐盐渍土抗剪强度参数的影响.中国铁道科学 ():.张宁霞 刘保健 赵丽娅.氯盐渍土的工程特性研究.工程勘察 ():.于青春 孙婉 陈波 等.松嫩平原苏打型盐渍土强度特性研究.岩土力学 ():.卢佩霞 徐永福 陈志明 等.滨海相盐渍土强度机理分析.公路交通科技 ():.雷华阳 屠慈科 王磊 等.不同硫酸钠含量条件下吹填超软土的力学特性试验研究.天津大学学报(自然科学与工程技术版)():.陈红星 李法虎 郝仕玲 等.土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响.农业工程学报 ():.张飞 胡小庆 刘亚薇 等.含盐量对硫酸盐渍土抗剪强度影响试验研究.铁道建筑 ():.付江涛 栗岳洲 胡夏嵩 等.含盐量对亚硫酸盐渍土抗剪强度影响的试验.农业工程学报 ():.():.邴慧 武俊杰 邓津.黄土状盐渍土洗盐前后物理力学性质的变化.冰川冻土 ():.中华人民共和国水利部.土工试验方法标准:/.北京:中国标准出版社.张虎元 杨盛清 孙博 等.石质文物盐害类型与蒸发速率的关系研究.岩石力学与工程学报 ():.(责任编辑 杨 健)