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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 6: 63 - 71

DOI: https://doi.org/10.11978/2024037

海洋工程

海洋环境下吹填钙质粉土夹层剪切特性研究*

  • 陈宾 , 1 ,
  • 李圆程 1 ,
  • 张召 , 2 ,
  • 胡杰铭 3
展开
  • 1.湘潭大学土木工程学院, 湖南 湘潭 411105
  • 2.中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083
  • 3.河海大学力学与工程科学学院, 江苏 南京 210098
张召(1992—), 男, 博士, 讲师, 主要从事非饱和环境工程地质方向的研究工作。email:

*感谢编辑部和审稿专家为完善本文提出的宝贵建议; 感谢课题组老师和同门的关怀和指导。

陈宾(1977—), 男, 博士, 教授, 主要从事地质灾害防治方面的研究工作。email:

Editor: 林强

收稿日期: 2024-02-06

  修回日期: 2024-03-13

  网络出版日期: 2024-03-24

基金资助

国家自然科学基金(42207227)

湖南省自然科学基金(2022JJ40586)

国家建设高水平大学公派研究生项目(202306710072)

收起

Investigation on shear behavior of hydraulic fill calcareous silt interlayer in marine environment

  • CHEN Bin , 1 ,
  • LI Yuancheng 1 ,
  • ZHANG Zhao , 2 ,
  • HU Jieming 3
Expand
  • 1. College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China
  • 2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China
  • 3. College of Mechanics and Engineering Science, Hohai University, Nanjing 210098, China
ZHANG Zhao. email:

Editor: LIN Qiang

Received date: 2024-02-06

  Revised date: 2024-03-13

  Online published: 2024-03-24

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42207227)

Natural Science Foundation of Hunan Province, China(2022JJ40586)

China Scholarship Council(202306710072)

Fold

摘要

南海岛礁吹填工程建设中, 建筑地基土层内易形成厚度不均、间断分布的钙质粉土夹层, 目前关于钙质粉土夹层在高盐度海洋环境下的力学特性少有研究。本论文分别开展了不同水盐比下钙质粉土的直剪试验、激光粒度分析、Zeta电位分析和SEM试验。结果表明, 钙质粉土的抗剪强度和内摩擦角随水盐比的增加呈先减后增的变化趋势, 而黏聚力变化呈先增后减; 当盐溶液进入过饱和阶段, 土体抗剪强度和内摩擦角连续下降, 而黏聚力单调升高。含盐量的升高可促进颗粒发生团聚, 提高土颗粒表面电势, 但随着含盐量进一步增加, 颗粒团聚效应不再显著。进入过饱和阶段后, 盐晶体沉淀析出, 颗粒间胶结程度加强, 并以“包裹”细颗粒的形式促进颗粒接触面的润滑作用。

关键词： 钙质粉土; 水盐比; 剪切特性; 粒度分析; Zeta电位分析

本文引用格式

陈宾 , 李圆程 , 张召 , 胡杰铭 . 海洋环境下吹填钙质粉土夹层剪切特性研究*[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(6) : 63 -71 . DOI: 10.11978/2024037

Abstract

Calcareous silt interlayer with uneven thickness and disjunct distribution, is normally generated inside the building foundation during South China Sea Island reef reclamation project. Until now, investigation on the mechanical behavior of calcareous silt soils in the high-salt sea environment are scarcely carried out. In this paper, a series of direct shear tests, laser particle size analysis, Zeta potential analysis and SEM tests were performed to study the effects of water-salt ratio on shearing behaviors of calcareous silt soils. Experimental results demonstrated that the shear strength and internal friction angle of calcareous silt firstly decreased and then increased with the increase of water-salt ratio, but the cohesive force of soils showed an opposite pattern. When entering the supersaturation stage of salt content, the shear strength and internal friction angle continuously increased with increasing water-salt ratio, while the cohesive force monotonically decreased. Microstructural test results revealed that, the increase in salt content can improve the aggregation of silty soil particles and increase the particle surface potential, but this phenomenon becomes less significant at higher salt contents. After entering the supersaturation stage, salt crystals were formed inside the soils, which could improve the bonding degree between particles and promote lubrication of particle contact surfaces by wrapping fine particles.

Key words： calcareous silt; water-salt ratio; shear behavior; particle size analysis; Zeta potential analysis

在南海岛礁吹填工程过程中, 由于水力分选和颗粒的自重作用, 珊瑚礁砂中粗、细颗粒沉降速度不同, 在地基中易形成间断分布、颗粒细小的钙质粉土夹层(王新志 等, 2017; Shen et al, 2021; Wang et al, 2022; Mohiuddin et al, 2022; Jang et al, 2023)。研究表明, 沉积钙质粉土夹层对构筑物长期稳定性带来一定的安全隐患, 如承载力分布不均、不均匀沉降等(Shorten, 1995; 张晨阳 等, 2019)。因此, 开展钙质粉土的力学特性的研究对于南海岛礁建筑物地基的稳定性分析和安全性评价具有一定参考意义。
近年来, 许多学者围绕钙质粉土的力学性质开展了试验研究。例如, Wang等(2021)通过直剪试验研究, 发现土体黏聚力与含水率间呈“M型”变化。谌民(2019)通过开展钙质粉土的快剪试验, 发现干密度和含水率是控制土体抗剪强度变化的主要因素。雷学文 等(2021)通过一维固结试验对钙质粉土和石英砂的压缩特性进行对比试验研究, 发现钙质粉土压缩系数较石英砂更低, 且受含水率和干密度影响显著。目前研究成果对钙质粉土的力学行为开展了大量试验工作, 但极少考虑南海实际的海洋化学环境。作为典型海相岩土介质, 钙质粉土通常处于普遍含有高浓度Cl-、SO2- 4、Mg2+等侵蚀性离子的高盐度海洋环境中(李育林, 2022)。目前, 有关盐溶液环境下土体力学特性的相关研究已被广泛关注。Warkentin等(1960)分别开展了不同钠离子、钙离子浓度条件下膨润土和高岭土的直剪试验, 研究指出, 高岭土强度随盐浓度的增加而降低, 但膨润土强度反而增加。卢佩霞 等(2015)通过开展考虑含盐量影响下粉土和黏土的直剪试验, 发现含盐量对黏土盐渍土抗剪强度的影响主要归因于双电层效应和结晶盐胶结作用。此外, 陈炜韬 等(2006)研究了含水率对盐渍土力学性质的影响, 结果表明, 当含水率较高时, 氯盐盐渍土的抗剪强度随着含盐量的增加而先减小后增大的变化特征, 但在低含水率下这一现象并不显著, 含盐量对土体强度的影响是易溶盐相态的变化、离子优先结合和阳离子交换三种作用的共同影响结果。综上, 目前研究大多关注于含盐量对黏性土力学性质的影响, 而对钙质粉土在盐溶液环境下的力学特性鲜有报道。一方面, 相较于陆源粉土而言, 海相沉积的钙质粉土中含有大量海洋生物遗骸(碳酸钙含量高于95%), 二者在矿物成分存在明显差异。另一方面, 钙质粉土颗粒形状不规则, 表面粗糙且呈明显的单粒结构, 颗粒间接触形式以面—面接触和面—线接触为主(Wang et al, 2011; Chen et al, 2019, 2020; 陈宾 等, 2022)。此外, 由于地质成因和颗粒结构的特殊性, 钙质粉土在不同盐度环境下可能表现出更为复杂的力学行为。
本研究材料取自我国南海岛礁现场吹填工程沉积层钙质粉土, 模拟海水蒸发、海平面升降、降雨等可能导致土体盐溶液环境变化条件下, 通过制备不同水盐比条件的钙质粉土试样, 分别开展考虑水盐比影响的钙质粉土直剪试验, 探明不同盐浓度条件下钙质粉土强度特性的变化特征, 并借助Zeta电位试验、激光粒度分析试验和SEM试验等微观测试手段, 从宏微观角度揭示孔隙液离子浓度对钙质粉土强度特性的影响机理。研究成果为掌握岛礁工程中钙质粉土夹层的力学行为和评价地基土的安全稳定提供了数据支撑和理论依据。

1 试验方案

1.1 试验材料及制备

试验用土选自南海某岛礁吹填钙质土地基中细颗粒沉积钙质粉土, 试验前参考《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2019)中的有关规定对试样的基本物理性质指标进行测定, 如表1所示。采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪对钙质粉土素土样的颗粒级配进行测定(方法见2.4), 其粒度分布曲线如图1所示, 沉积层粉土粒径大多集中于50~750μm之间, 且粉粒占比超过50%, 试样中值粒径d50=268μm。从颗粒微观形态(图2)可以看出, 钙质粉土颗粒形状极不规则、棱角度高且含有丰富的内孔隙, 呈现出明显的生物特征和海水溶蚀痕迹。颗粒之间不存在明显的定向排列特征, 导致试样内部呈现出较多的粒间孔隙。
表1 钙质粉土基本物理性质参数

Tab. 1 Basic physical parameters of calcareous slit

参数 数值
最大干密度ρdmax/(g·cm-3) 1.68
最小干密度ρdmin/(g·cm-3) 1.15
相对密实度Dr 0.37
塑限Wp/% 18.5
液限WL/% 30.2
塑性指数Ip 11.7
最优含水率Wop/% 15.1
图1 钙质粉土的粒径分布曲线

Fig. 1 Particle size distribution curve of calcareous silt

图2 钙质粉土的微观颗粒形态

Fig. 2 Microstructure of calcareous silt

试验前, 为避免土体中原有易溶盐的影响, 需对土体进行脱盐处理。具体过程如下: 将过0.075mm筛后的钙质粉土放入容器中与蒸馏水混合、充分搅拌均匀, 静置24h, 待上层液体澄清后, 采用虹吸法吸出上层清液, 重复上述操作3~5次, 直至取出的上层清液中盐含量不高于土体质量的0.1%(王文孟 等, 2014)。随后, 将土样烘干处理, 采用加热搅拌的方式制备不同水盐比条件下的盐溶液, 并均匀喷洒至钙质粉土试样。利用保鲜袋将其密封保存24h以确保水分分布均匀, 土样含水率均控制为8.0%。试验采用的土样荷载条件及目标水盐比列于表1。其中, 可溶盐选自日晒海盐, NaCl成分占比90%以上。试样的制备以及试验均在常温常压的条件下进行。根据现场的盐度变化范围, 试验分别选取0%、3.5%、10%、15%、20%、25%和30%等7种水盐比条件, 试验具体水盐比定义公式如下。
${{C}_{\mathrm{s}}}={{m}_{\mathrm{s}}}/m$
式中, Cs为水盐比; ms为盐的质量; m为盐溶液质量。

1.2 直剪试验

钙质粉土的直剪试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型四联应变控制直剪仪, 通过击样法分层制备试样, 试样的直径和高度分别为61.8和20mm, 干密度控制在1.37g·cm-3。相同盐浓度条件下, 土样的上覆荷载分别设置为100、200、300、400kPa。按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2019)中的要求, 土体的剪切速率设置为0.8mm·min-1, 试验选取峰值剪应力作为土体抗剪强度, 无峰值时, 选取剪切位移4mm时对应的剪应力作为抗剪强度。待试样每小时竖向变形不大于0.005mm认定土样固结达到稳定。直剪试验的方案列于表2。
表2 不同水盐比条件下钙质粉土直剪试验方案

Tab. 2 Shear test program of calcareous silt at various water-salts ratio

土样编号 竖向荷载/kPa 水盐比/% 含盐量/g
CS-C0VS100 100 0 0
CS-C0VS200 200 0 0
CS-C0VS300 300 0 0
CS-C0VS400 400 0 0
CS-C3.5VS100 100 3.5 0.24
CS-C3.5VS200 200 3.5 0.24
CS-C3.5VS300 300 3.5 0.24
CS-C3.5VS400 400 3.5 0.24
CS-C10VS100 100 10.0 0.74
CS-C10VS200 200 10.0 0.74
CS-C10VS300 300 10.0 0.74
CS-C10VS400 400 10.0 0.74
CS-C15VS100 100 15.0 1.17
CS-C15VS200 200 15.0 1.17
CS-C15VS300 300 15.0 1.17
CS-C15VS400 400 15.0 1.17
CS-C20VS100 100 20.0 1.66
CS-C20VS200 200 20.0 1.66
CS-C20VS300 300 20.0 1.66
CS-C20VS400 400 20.0 1.66
CS-C25VS100 100 25.0 2.21
CS-C25VS200 200 25.0 2.21
CS-C25VS300 300 25.0 2.21
CS-C25VS400 400 25.0 2.21
CS-C30VS100 100 30.0 2.85
CS-C30VS200 200 30.0 2.85
CS-C30VS300 300 30.0 2.85
CS-C30VS400 400 30.0 2.85

1.3 Zeta电位试验

Zeta电位作为连续相与附着在分散粒子上流体稳定层之间的电势差, 是用于度量颗粒间相互作用力强度的重要指标。Zeta电位的绝对值越低, 表示颗粒间范德华引力越大, 体系越不稳定, 颗粒趋向于团聚(李洪良 等, 2009)。本文采用Zetasizer Nano-ZS90型Zeta电位分析仪(产自英国Malvern公司), 测定不同水盐比条件下钙质粉土的Zeta电位。考虑到溶液饱和对试验结果的影响, 本试验配置0%、3.5%、10.0%、15.0%和20.0%等5种水盐比条件的溶液。首先, 将预先准备好的不同水盐比溶液与钙质粉土按照1mg·mL-1的质量浓度混合, 装入一次性试管中让样品自然沉淀。使用一次性注射器至少抽取1mL上层清液进行试验, 确定样品池电极完全被样品浸没且不存在气泡后, 将样品池缓慢推入仪器样品槽进行测试, 得到Zeta电位分布曲线, 其峰值为样品的Zeta电位(张彤炜, 2018)。

1.4 激光粒度分析试验

为进一步探究钙质粉土在盐溶液环境下的粒径分布特征, 分别对不同水盐比条件下钙质粉土试样进行激光粒度分析试验。激光粒度分析方法是基于光和颗粒之间的相互作用, 通过光对一定粒径的球形颗粒产生的衍射光强计算出颗粒的粒径分布(马杰, 2022)。试验采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪, 粒径测量范围为0.02~2000μm。试验过程如下: 首先, 取烘干土样30g倒入预先配置好的纯水或不同水盐比的盐溶液中, 充分搅拌溶液, 随后将其置于4.0%六偏磷酸钠的分散剂中浸泡24h。采用烧杯盛800mL蒸馏水置于样品区, 启动分散泵设定泵速至2500~3500r·min-1, 设置分散泵相对光强至最大光强的75%以上; 采用一次性试管吸取试样悬浊液缓慢滴入盛满蒸馏水的烧杯中, 待溶液遮光度达到10.0%~ 20.0%时, 记录并保存数据。

2 试验结果

2.1 盐浓度对钙质粉土剪切特性的影响

图3—5绘制了不同水盐比、上覆荷载条件下钙质粉土的剪应力—剪切位移曲线。从图3中结果可以看出, 初始阶段剪应力近似呈线性增长, 随后, 曲线逐渐趋于平缓。通过对比4个荷载条件下的曲线特征可发现, 线性段占据的剪切位移和斜率均随上覆荷载的增加而增加。同时, 随着竖向荷载的增加, 土体的峰值剪应力(即抗剪强度τf)显著提升, 如竖向荷载由100kPa增至400kPa时, 抗剪强度τf由50kPa升至198kPa。类似地, 当土体水盐比达到15%后(图4), 曲线的发展趋势仍呈现先增加后平缓的变化特征。相同荷载条件下, 相较于未掺盐的试样, 15%水盐比条件下的土体抗剪强度τf略有降低, 例如, 试样CS-C15VS400的抗剪强度(τf=166.3kPa)低于试样CS-C0VS400的抗剪强度(τf=198.0kPa)。图5绘制了水盐比30%条件下钙质粉土试样的剪应力—剪切位移发展曲线。对比结果表明, 随着竖向荷载的增加, 曲线由应变软化型向应变硬化型转变, 这种现象在高含盐量条件下更加明显。并且在低应力条件下水盐比对土体剪应力发展曲线的影响并不显著, 而在高应力条件下, 曲线的发展趋势和峰值剪应力均随水盐比降低。因此, 水盐比的影响与土体所处的荷载条件密切相关。
图3 Cs=0条件下钙质粉土剪应力—剪切位移关系曲线

Fig. 3 Evolutions of shear stress with shear displacement for calcareous silt under the condition of Cs = 0

图4 Cs=15%条件下钙质粉土剪应力—剪切位移关系曲线

Fig. 4 Evolutions of shear stress with shear displacement for calcareous silt under the condition of Cs = 15%

图5 Cs=30%条件下钙质粉土剪应力-剪切位移关系曲线

Fig. 5 Evolutions of shear stress with shear displacement for calcareous silt under the condition of Cs = 30%

摩擦强度和黏聚强度是衡量土体抗剪强度的两个力学指标, 反之, 土体的抗剪强度是黏聚力和内摩擦角共同作用的宏观表现, 因此, 阐明不同水盐比条件下土体黏聚力和内摩擦角的变化特征是揭示盐度对强度特性影响机制的关键。
基于摩尔-库仑理论, 对不同荷载条件下的抗剪强度进行线性拟合, 通过式(2)获取不同水盐比条件下土体的黏聚力和内摩擦角。
$\tau \text{=}c\text{+}\sigma \text{tan}\phi $
式中, τ为试样的抗剪强度, σ为剪切面上的法向应力, ϕ为试样的内摩擦角, c为黏聚力。
图6—8分别绘制了钙质粉土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随水盐比的变化关系。从图6结果可知, 随着水盐比的增加, 钙质粉土的抗剪强度整体呈下降趋势。当水盐比低于20.0%时, 土体内的盐溶液处于欠饱和状态, 但当水盐比达到25%后, 盐溶液临近或进入过饱和状态, 土样内将出现不同程度的盐晶体沉淀析出现象。以Cs=20%为界限, 可以发现, 在水盐比低于20%区域, 抗剪强度随水盐比的变化不显著, 但当Cs高于20%时, 抗剪强度显著降低, 尤其在高荷载条件下这一现象更为明显。根据图7和图8的结果可以看出, 土体的黏聚力和内摩擦角随水盐比的变化并不单调, 而是呈现增减波动性。黏聚力随水盐比的增加先增加后降低, 而后再增加, 对应的水盐比拐点分别为Cs=10%和Cs=20%。这一现象意味着, 在盐溶液欠饱和区间, 随着盐度的增加, 黏聚力先增加后降低, 并在Cs=10%时达到峰值, 对应黏聚力为c= 29.7kPa。当临近和进入过饱和阶段, 黏聚力随水盐比显著增加, 并在Cs=30%时达到最大值, 对应黏聚力为c=45.3kPa。对比图7、8, 内摩擦角ϕ随水盐比的变化同黏聚力恰恰相反, 即在欠饱和段ϕ值先降低再升高, 在Cs=15%附近存在最低值, 而在接近和进入过饱和段ϕ值显著降低, 在Cs=30%处达到最低值, 对应ϕ= 17.3°。上述现象表明, 水盐比对钙质粉土抗剪强度指标具有显著影响, 在欠饱和段和过饱和段, 水盐比的影响及其程度存在明显差异。
图6 钙质粉土抗剪强度随水盐比的变化关系

Fig. 6 Variation of shear strength with changing water-salt ratio

图7 钙质粉土黏聚力随水盐比的变化关系

Fig. 7 Variation of cohesive force with water-salt ratio

图8 钙质粉土内摩擦角随水盐比的变化关系

Fig. 8 Variation of internal friction angle with water-salt ratio

2.2 盐浓度对钙质粉土Zeta电位的影响

图9为不同水盐比条件下钙质粉土Zeta电位的变化关系图。结果表明, 随着水盐比增加, Zeta电位绝对值单调下降, 这一现象与既有文献中发现的规律相一致(Yukselen et al, 2008; 彭昌盛 等, 2010)。当水盐比为0%时, 即悬浊液的初始状态, Zeta电位为-20.2mV, 表明颗粒表面存在较多的负电荷。随着水盐比的增加, 悬浊液颗粒表面的负电荷量逐渐被溶液中游离的阳离子中和, 负电荷逐渐减少, Zeta电位逐渐升高。在水盐比为12%附近, Zeta电位达到0点。随着盐度的进一步增加, 过量的阳离子吸附于颗粒表面, 导致颗粒表面的电荷符号发生逆转。待水盐比增至20%时, Zeta电位接近+5.0mV。通过曲线拟合, 发现Zeta电位随水盐比的变化可通过指数型函数予以表征, 其拟合程度接近R2=0.97。
图9 不同水盐比溶液对Zeta电位的影响

Fig. 9 Effect of solutions with different water-salt ratios on Zeta potentials

2.3 盐浓度对钙质粉土粒径分布的影响

图10为不同水盐比下钙质粉土的粒径分布曲线。从图可知, 土体的粒径主要分布在0.3~300μm粒径范围, 曲线峰值粒径集中在 30~40μm附近。通过对比不同水盐比下曲线的分布特征, 可以看出, 在低含盐量条件下(Cs<10%), 试样的粒径分布曲线基本一致, 曲线近似呈三峰特征, 峰值粒径分别处于0.6、3.3和30.2μm。当土体的水盐比增至15%时, 曲线峰值发生右移, 粒径小于10μm的颗粒减少, 而粒径大于20μm以上的颗粒增多, 相应地, 峰值粒径增至38‍‍μm。待水盐比增至20%后, 粒径分布曲线继续右移, 表明颗粒粒径进一步增加, 峰值粒径增至40μm。为了量化描述盐浓度对土体颗粒粒径分布的影响, 图11绘制了不同粒组区间水盐比对颗粒含量的影响。结果表明, 钙质粉土粒径分布主要集中于粗粉粒区, 含量占比接近80%。随着水盐比的增加, 黏粒和细粉粒含量逐渐减小, 而粗粉粒和砂粒的含量逐渐增多。
图10 不同水盐比条件下钙质粉土的粒径分布曲线

Fig. 10 Variations of particle size distribution curves for calcareous silt under different water-salt ratios

图11 不同水盐比条件下钙质粉土各粒组含量变化特征

Fig. 11 Variations of various-sized particle contents for calcareous silt under different water-salt ratios

3 微观机理分析

土体的微观结构特征是控制其宏观力学行为的关键。不同含盐量条件下钙质粉土强度特性的变化受控于微观结构的演化。为了揭示宏观力学行为的演化机理, 分别绘制了不同水盐比条件下钙质粉土的电镜扫描结果(图12)。图中结果表明, 在含盐量为0时, 钙质粉土颗粒数量多且粒径较小, 整体结构较为分散, 粒间黏结作用差。当Cs增至10%时, 土颗粒间产生团聚现象, 导致颗粒的粒径增大(图12中的团聚体)。究其原因, 盐分的掺入改变了颗粒间的原有静电力平衡状态, 土中细小颗粒在范德华氏引力的作用下团聚形成大颗粒。当Cs升至15%时, 土颗粒团聚作用更加显著, 较大的团聚体从图中被识别, 粒径尺寸达273.3μm。这一现象也在图10中的粒度分析结果得以证实, 即当Cs增至15%时, 粗粉粒含量升高, 峰值粒径有所增加。但当Cs进一步增至25%时, 土体内部出现明显的结晶现象, 如图12中Cs=25%条件下观察到的明显的白色盐晶体。这一现象归因于, 当水盐比超过25%后, 盐分达到过饱和状态, 多余的盐分无法继续溶解, 产生沉淀析出。
图12 不同含盐量下钙质粉土的微观结构形态

Fig. 12 Microstructure and morphology of calcareous silt under different salt contents

土体的黏聚力主要由土粒间分子引力形成的原始黏聚力和土颗粒与土中化合物形成的固化黏聚力控制(Moore, 1991)。其中, 粒间作用力涉及库仑力、范德华力、胶结作用力等多种类型, 而固化黏聚力则与土体颗粒的排列结构有关。土体的内摩擦角主要取决于剪切面颗粒间的摩阻力和连锁作用, 剪切面越光滑, 内摩擦角越小, 反之亦然。
直剪试验结果表明, 在盐溶液欠饱和阶段, 钙质粉土的黏聚力随水盐比呈先增加后降低变化, 而待进入饱和段后, 黏聚力随水盐比显著增加。值得注意的是, 土体的内摩擦角呈现出与黏聚力完全相反的变化特征。究其原因: (1)盐溶液的加入改变了颗粒表面Zeta电位, 导致颗粒间的静电力平衡被打破; (2)盐溶液的加入促使土颗粒发生团聚, 改变土体的骨架结构和孔隙分布; (3)待盐溶液过饱和后, 多余的盐分以晶体形式析出, 结晶盐的存在增强了颗粒与颗粒之间的粘结作用。在水盐比处于0~10%区间, 盐离子浓度的升高导致颗粒表面结合水膜厚度降低, 颗粒间静电斥力减小, 颗粒在范德华氏力等引力作用下团聚, 颗粒间黏结作用增强(Gouy, 1910; Chapman, 1913)。但在此过程中, 团聚体的形成会伴随有粒间大孔隙的出现(杨德欢 等, 2016), 引起土体耐剪能力下降, 导致内摩擦角降低。待土体的水盐比增至10%~20%区间时, 土体的Zeta电位经历了由负转正的阶段(图9)。这一现象意味着, 当水盐比超过10%后, 颗粒间静电斥力逐渐占主导, 颗粒团聚体发生絮散现象, 粒间胶结作用减弱, 黏聚力降低(彭昌盛 等, 2010)。与此同时, 待剪切区域内颗粒间接触位点数减少至某一极限后, 颗粒的排列将重新调整, 大孔隙结构坍缩甚至破坏, 导致团聚减少的颗粒接触位点得以部分恢复, 土体的内摩擦角有所回升(赵续月 等, 2017)。当进入过饱和含盐状态后, 盐溶液因过饱和而在土体内形成盐晶体(图12)。一方面, 盐晶体的存在增强了颗粒间的胶结作用, 导致土体的黏聚力显著增加; 另一方面, 析出的盐分吸附粒径较小的黏粒, 使颗粒表面变得光滑, 降低土颗粒的原有粗糙度, 并在颗粒间起到了润滑作用, 从而导致土体的内摩擦角降低(吕海敏, 2016)。

4 结论

论文开展考虑盐溶液影响的钙质粉土直剪试验, 获取不同上覆荷载、不同水盐比条件下钙质粉土剪应力变化曲线, 揭示抗剪强度、黏聚力以及内摩擦角随水盐比的变化关系, 结合Zeta电位、粒度分析和SEM等测试技术, 分析不同水盐比下钙质粉土颗粒表面带电性、颗粒尺寸分布以及微观结构形态的变化特征, 进而揭示孔隙水离子浓度变化对钙质粉土强度特性的影响机理。结论如下。
1) 在低水盐比阶段(0~10%), 钙质粉土的Zeta电位绝对值随含盐量的升高而下降, 颗粒发生团聚, 土体内形成大尺寸的团聚体, 颗粒平均粒径增大, 粒间黏结作用增强, 土体宏观黏聚力增加。与此同时, 团聚体的形成伴随有粒间大孔隙产生, 导致土体耐剪能力下降, 内摩擦角减小。而钙质粉土抗剪强度在低荷载下变化不显著, 但在高荷载条件下有所降低。
2) 随着水盐比的进一步增加, Zeta电位由负转正, 颗粒间静电斥力逐渐占主导, 颗粒团聚体发生絮散, 粒间胶结作用减弱, 黏聚力降低, 颗粒接触位点减小至某一极限后颗粒排列重新调整, 内摩擦角增加。
3) 待进入盐离子过饱和状态后(25%~30%), 盐晶体沉淀析出, 一方面, 增强了颗粒间的胶结作用, 提高了土体的黏聚力; 另一方面, 析出的盐分存在于颗粒之间并起到润滑作用, 导致土体的抗剪强度与内摩擦角显著降低。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
陈宾, 邓坚, 胡杰铭, 等, 2022, 钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究[J]. 岩土力学, 43(7): 1781-1790, 1853.

CHEN BIN, DENG JIAN, HU JIEMING, et al, 2022. Macroscopic and microscopic experimental study on fractal fragmentation characteristics of calcareous sand during one-dimensional compression creep[J]. Rock and Soil Mechanics, 43(7): 1781-1790, 1853 (in Chinese with English abstract).

[2]
陈炜韬, 王明年, 王鹰, 等, 2006. 含盐量及含水量对氯盐盐渍土抗剪强度参数的影响[J]. 中国铁道科学, 27(4): 1-5.

CHEN WEITAO, WANG MINGNIAN, WANG YING, et al, 2006. Influence of salt content and water content on the shearing strength parameters of chlorine saline soil[J]. China Railway Science, 27(4): 1-5 (in Chinese with English abstract).

[3]
谌民, 2019. 钙质粉土物理力学特性及其对钙质砂强度的弱化机理研究[D]. 南宁: 广西大学.

CHEN MIN, 2019. Research on physical and mechanical properties of calcareous silt and its weakening mechanism of calcareous sand strength[D]. Nanning: Guangxi University (in Chinese with English abstract).

[4]
雷学文, 丁豪, 王新志, 等, 2021. 钙质粉土的固结特性试验研究[J]. 岩土力学, 42(4): 909-920.

LEI XUEWEN, DING HAO, WANG XINZHI, et al, 2021. Experimental study of consolidation properties of calcareous silt[J]. Rock and Soil Mechanics, 42(4): 909-920 (in Chinese with English abstract).

[5]
李洪良, 樊恒辉, 党进谦, 等, 2009. 介质环境中阳离子和酸碱度变化对粘土分散性的影响[J]. 水资源与水工程学报, 20(6): 26-29.

LI HONGLIANG, FAN HENGHUI, DANG JINQIAN, et al, 2009. Effect of cation and pH value on dispersivity of clay in the medium environment[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 20(6): 26-29 (in Chinese with English abstract).

[6]
李育林, 2022. 海洋环境下硫酸盐-镁盐对砂浆中氯离子扩散影响研究[J]. 公路工程, 47(5): 150-155.

LI YULIN, 2022. Effects of sulfate-magnesium salt on the chloride ion diffusion in mortar under marine environment[J]. Highway Engineering, 47(5): 150-155 (in Chinese with English abstract).

[7]
卢佩霞, 徐永福, 陈志明, 等, 2015. 滨海相盐渍土强度机理分析[J]. 公路交通科技, 32(8): 51-58.

LU PEIXIA, XU YONGFU, CHEN ZHIMING, et al, 2015. Analysis of strength mechanism of coastal saline soil[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 32(8): 51-58 (in Chinese with English abstract).

[8]
吕海敏, 2016. 盐分对遗址土体性质影响探究[D]. 兰州: 兰州大学.

LÜ HAIMIN, 2016. Explore the impact of properties about soil sites on salts[D]. Lanzhou: Lanzhou University (in Chinese with English abstract).

[9]
马杰, 2022. 激光粒度分析仪在土工颗粒分析试验中的应用[J]. 土工基础, 36(3): 466-470, 496.

MA JIE, 2022. Application of laser particle size analyzer in the grain size distribution test for geotechnical purposes[J]. Soil Engineering and Foundation, 36(3): 466-470, 496 (in Chinese with English abstract).

[10]
彭昌盛, 张倩, 徐兴永, 等, 2010. 团聚-分散行为对悬浮液Zeta电位的影响[J]. 中国海洋大学学报, 40(10): 121-126.

PENG CHANGSHENG, ZHANG QIAN, XU XINGYONG, et al, 2010. Effect of aggregation and dispersion on zeta potential of suspensions[J]. Periodical of Ocean University of China, 40(10): 121-126 (in Chinese with English abstract).

[11]
王文孟, 郭少春, 崔自治, 2014. 可溶盐对黄土触变性的作用效应研究[J]. 岩土力学, 35(12): 3385-3388, 3395.

WANG WENMENG, GUO SHAOCHUN, CUI ZIZHI, 2014. Study of effect of soluble salt on loess thixotropy[J]. Rock and Soil Mechanics, 35(12): 3385-3388, 3395 (in Chinese with English abstract).

[12]
王新志, 王星, 胡明鉴, 等, 2017. 吹填人工岛地基钙质粉土夹层的渗透特性研究[J]. 岩土力学, 38(11): 3127-3135.

WANG XINZHI, WANG XING, HU MINGJIAN, et al, 2017. Study of permeability of calcareous silty layer of foundation at an artificial reclamation island[J]. Rock and Soil Mechanics, 38(11): 3127-3135 (in Chinese with English abstract).

[13]
杨德欢, 颜荣涛, 韦昌富, 等, 2016. 粉质黏土强度指标的水化学敏感性研究[J]. 岩土力学, 37(12): 3529-3536.

YANG DEHUAN, YAN RONGTAO, WEI CHANGFU, et al, 2016. A study of water chemical sensitivity of strength indices of silty clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 37(12): 3529-3536 (in Chinese with English abstract).

[14]
张晨阳, 谌民, 胡明鉴, 等, 2019. 细颗粒组分含量对钙质砂抗剪强度的影响[J]. 岩土力学, 40(S1): 195-202.

ZHANG CHENYANG, CHEN MIN, HU MINGJIAN, et al, 2019. Effect of fine particles content on shear strength of calcareous sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 40(S1): 195-202 (in Chinese with English abstract).

[15]
张彤炜, 2018. 盐分对人工软黏土物理力学行为影响机制与本构模型[D]. 南京: 东南大学.

ZHANG TONGWEI, 2018. Pore water salinity effect on the physical mechanical behavior and constitutive model of artificial soft clay[D]. Nanjing: Dongnan University (in Chinese with English abstract).

[16]
赵续月, 颜荣涛, 梁维云, 等, 2017. 渗透吸力对饱和黏土变形-强度特性的影响[J]. 桂林理工大学学报, 37(3): 451-455.

ZHAO XUYUE, YAN RONGTAO, LIANG WEIYUN, et al, 2017. Effect of osmotic suction on strength characteristics of saturated clay[J]. Journal of Guilin University of Technology, 37(3): 451-455 (in Chinese with English abstract).

[17]
中华人民共和国住房和城乡建设部, 2019. GB/T 50123-2019 土工试验方法标准[S]. 北京: 中国计划出版社: 110-113.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China, 2019. GB/T 50123-2019 Standard for geotechnical testing method[S]. Beijing: Beijing China Planning Publishing House: 110-113 (in Chinese with English abstract).

[18]
CHAPMAN D L, 1913. LI. A contribution to the theory of electrocapillarity[J]. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 25(148): 475-481.

[19]
CHEN BIN, CHAO DAIJIE, WU WENJUAN, et al, 2019. Study on creep mechanism of coral sand based on particle breakage evolution law[J]. Journal of Vibroengineering, 21(4): 1201-1214.

[20]
CHEN BIN, HU JIEMING, 2020. Fractal behavior of coral sand during creep[J]. Frontiers in Earth Science, 8: 134.

[21]
GOUY M, 1910. Sur la constitution de la charge électrique à la surface d'un electrolyte[J]. Journal de Physique Théorique et Appliquée, 9(1): 457-468.

[22]
JANG CHUNYONG, DING XUEMING, FANG HUAQIANG, et al, 2023. The undrained shear behavior of clean coral silt and coral silt-sand mixtures[J]. Journal of Testing and Evaluation, 51(5): 3596-3611.

[23]
MOHIUDDIN M A, HOSSAIN M S, KIM Y H, et al, 2022. Insight into the behavior of a caisson anchor under cyclic loading in calcareous silt[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 148(7): 04022047.

[24]
MOORE R, 1991. The chemical and mineralogical controls upon the residual strength of pure and natural clays[J]. Géotechnique, 41(1): 35-47.

[25]
SHEN JIANHUA, WANG XINZHI, WANG XING, et al, 2021. Effect and mechanism of fines content on the shear strength of calcareous sand[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 80(10): 7899-7919.

[26]
SHORTEN G G, 1995. Quasi-overconsolidation and creep phenomena in shallow marine and estuarine organo-calcareous silts, Fiji[J]. Canadian Geotechnical Journal, 32(1): 89-105.

[27]
WANG XING, CUI JIE, WU YANG, et al, 2021. Mechanical properties of calcareous silts in a hydraulic fill island-reef[J]. Marine Georesources & Geotechnology, 39(1): 1-14.

[28]
WANG XINZHI, DING HAOZHEN, WEN DONGSHENG, et al, 2022. Vibroflotation method to improve silt interlayers of dredged coral sand ground-a case study[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81: 472.

[29]
WANG XINZHI, JIAO YUYONG, WANG REN, et al, 2011. Engineering characteristics of the calcareous sand in Nansha Islands, South China Sea[J]. Engineering Geology, 120(1-4): 40-47.

[30]
WARKENTIN B P, YONG R N, 1960. Shear strength of montmorillonite and kaolinite related to interparticle forces[J]. Clays and Clay Minerals, 9(1): 210-218.

[31]
YUKSELEN Y, ERZIN Y, 2008. Artificial neural networks approach for zeta potential of Montmorillonite in the presence of different cations[J]. Environmental Geology, 54(5): 1059-1066.

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