萬旭升，顏夢(mèng)宇，路建國(guó)，晏忠瑞，劉鳳云

(西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

我國(guó)鹽漬土分布廣泛，面積約為1.908×105km2，主要分布在陜西、甘肅、新疆和青海等內(nèi)陸地區(qū)[1]。鹽漬土為特殊混合土，是鹽土和堿土以及各種鹽化、堿化土壤的統(tǒng)稱，按土樣中氯離子、碳酸根離子、硫酸根離子的含量可分為氯鹽漬土、碳酸鹽漬土、硫酸鹽漬土等，硫酸鹽漬土由氣體、水、土顆粒、硫酸鈉組成，其中硫酸鈉鹽漬土最為常見，具有松脹、膨脹性、水穩(wěn)性差、腐蝕性等特點(diǎn)，其物理與力學(xué)特性受多種因素耦合影響。硫酸鈉鹽漬土地基易發(fā)生鹽脹、溶陷和腐蝕病害[2-3]，加之該類型鹽漬土大多處于西部寒區(qū)，氣溫變化劇烈，易發(fā)生土的凍脹/融沉現(xiàn)象，土體在凍融循環(huán)過程中，土中溶液濃度增大/減小，加快了鹽晶體的析出/溶解，導(dǎo)致建筑工程或道路基層產(chǎn)生變形而發(fā)生破壞，極大地危害了該地區(qū)的工程建設(shè)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在寒區(qū)硫酸鈉鹽漬土區(qū)域內(nèi)進(jìn)行基礎(chǔ)工程建設(shè)，凍結(jié)/融化狀態(tài)下硫酸鈉鹽漬土的變形規(guī)律和強(qiáng)度特征的試驗(yàn)研究亟待深入開展。

目前，在含鹽粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度特性研究方面已取得了顯著成果。眾多學(xué)者基于三軸試驗(yàn)，在粉質(zhì)黏土的變形規(guī)律和理論模型推導(dǎo)方面進(jìn)行了大量研究，建立了摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則與包絡(luò)線理論下的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則描述粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)果表明粉質(zhì)黏土廣義黏聚力隨圍壓增加而增大、廣義內(nèi)摩擦角隨圍壓增加而減小[4-7]。張爾齊等[8]、胡小榮等[9-10]，以初始切向模量E為基準(zhǔn)，通過分析應(yīng)變軟化型土的不同強(qiáng)度指標(biāo)，建立了可以表示應(yīng)變軟化型土軟化性能的非線性力學(xué)模型，較好描述了具有主應(yīng)力峰值差的應(yīng)變軟化型土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。陳煒韜等[11]、楊成松等[12]通過一系列試驗(yàn)研究了含鹽量和含鹽類別對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含鹽量增大而增大。部分學(xué)者利用等量代換法和坐標(biāo)平移法等，對(duì)劍橋模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，提出了黏土的本構(gòu)模型，如三剪統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則和三剪統(tǒng)一屈服面方程等[13-15]，均能較好描述粉質(zhì)黏土在單一影響因素下的本構(gòu)關(guān)系和變形特性。在鹽漬土改良方面，向鹽漬土中摻加一定量石灰可提升土體強(qiáng)度[16-18]，改良后的鹽漬土能夠滿足變形要求。呂擎峰等[19-20]在硫酸鹽漬土中摻入一定含量的水玻璃和石灰粉煤灰等改良材料，從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究得出了摻加改良材料對(duì)土體的固化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)固化后硫酸鹽漬土的強(qiáng)度有明顯提高，其鹽脹特性也得到有效抑制。除了通過添加改性材料來改善土體性能，還可以利用纖維材料對(duì)土體的摩擦和空間約束來改善土的工程性質(zhì)，各種纖維加筋土的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，改良后的土體破壞強(qiáng)度和變形能力有顯著的提高[21-24]。

受氣候變化影響，我國(guó)西北硫酸鈉鹽漬土地區(qū)淺層地基土每年處于正負(fù)溫動(dòng)態(tài)變化過程。然而，現(xiàn)有成果多數(shù)研究了負(fù)溫單因素下粉質(zhì)黏土變形規(guī)律和強(qiáng)度特點(diǎn)，常溫粉質(zhì)黏土的非線性準(zhǔn)則研究較少，也缺乏負(fù)溫條件含鹽粉質(zhì)黏土大溫度梯度下的變形和強(qiáng)度特性研究。本研究在已有研究成果基礎(chǔ)上，開展室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)，研究常溫、凍結(jié)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土在多因素影響下的偏應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律，并討論分析了硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土改良效果。該研究可以對(duì)硫酸鈉鹽漬土強(qiáng)度準(zhǔn)則的理論基礎(chǔ)、參數(shù)擬合方法等提供參考，也可對(duì)西北地區(qū)工程建筑有著積極的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣采用甘肅省蘭州市樹屏鎮(zhèn)地區(qū)粉質(zhì)黏土，測(cè)定原狀土樣液塑限分別為18.3%和28.9%，天然含水率ω0為18.5%，密度ρ為2.70 g/cm3，干密度ρd為1.7 g/cm3。試樣制備前，取原樣土離子分析結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示該區(qū)域鹽漬土主要鹽分為硫酸鈉鹽。

表1 試驗(yàn)土樣離子含量Tab.1 Ion contents of test silty clay samples

為了研究硫酸鈉鹽分對(duì)粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度影響規(guī)律，試驗(yàn)前用蒸餾水對(duì)土體進(jìn)行多次脫鹽處理，以防止土樣中其他鹽分對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。脫鹽后將土體靜置自然風(fēng)干，使用101型電熱鼓風(fēng)干燥箱在105 ℃條件下烘干24 h。烘干后將土體碾碎過篩，此時(shí)土樣可視為無鹽土，將其密封保存，以便人工配置所需含水量和含鹽量的硫酸鈉鹽漬土(使用蒸餾水和無水硫酸鈉鹽配置)。

分別配置含鹽量為0%～4%，含水率ω為18.5%的土樣，試樣編號(hào)如表2所列。將土樣密封常溫保存24 h，以保證鹽分分布均勻，然后裝至特制容器內(nèi)。常溫三軸剪切試樣直徑d=39.1 mm、高度h=80 mm，干密度ρd=1.7 g/cm3，負(fù)溫三軸剪切試樣直徑d=61.8 mm、高度h=125 mm，干密度ρd=1.7 g/cm3。制樣完成后對(duì)試樣進(jìn)行3 h的真空飽和處理，然后進(jìn)行12 h的水壓飽和，以確保試樣飽和度高于95%，對(duì)負(fù)溫試樣在-30 ℃環(huán)境下凍結(jié)8 h，緊接著在不同溫度梯度下恒溫12 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 常溫三軸剪切試驗(yàn)試樣工況Tab.2 Samples of triaxial shear test at normal temperature

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 常溫試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用TSZ101.0型應(yīng)變控制式三軸儀，人工讀數(shù)，(按儀器使用手冊(cè)，儀器測(cè)力環(huán)系數(shù)C=10.352 N/0.01 mm，圍壓范圍為0～2 MPa，軸向位移精確到0.01 mm)以0.3 mm·min-1應(yīng)變速率施加軸向荷載。按試驗(yàn)規(guī)范要求，粉質(zhì)黏土為超固結(jié)土，進(jìn)行固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)方法[25]，當(dāng)試樣產(chǎn)生15%應(yīng)變時(shí)終止試驗(yàn)。試樣工況如表2所示，A-F分別表示不同含鹽量w(鹽質(zhì)量/土質(zhì)量)，編號(hào)1～4分別表示不同試驗(yàn)圍壓σ3。

1.2.2 負(fù)溫試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用MTS-810萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)過程由電腦程序自動(dòng)控制，儀器最大軸向位移為100 mm，最大軸向壓力為250 kN，圍壓范圍為0～20 MPa，軸向位移精確到0.001 mm。試驗(yàn)圍壓σ3為1 MPa。試驗(yàn)時(shí)以1.25 mm·min-1應(yīng)變速率施加軸向荷載，為了便于后期數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)試樣產(chǎn)生16%應(yīng)變時(shí)終止試驗(yàn)。試樣工況如表3所示。編號(hào)1～5分別表示不同含鹽量w；G，H，I分別表示試驗(yàn)溫度為-2，-6，-10 ℃。

表3 負(fù)溫三軸剪切試樣工況Tab.3 Samples of triaxial shear test at negative temperature

1.2.3 改良試驗(yàn)

本研究中改良試驗(yàn)材料選用無水Ca(OH)2和木質(zhì)纖維。木質(zhì)纖維為白色粉末狀固體，纖維長(zhǎng)度為0.3～0.5 mm，在水中溶解度較小，堆積密度約為20 g/cm3，對(duì)水泥、砂漿等有很好的黏結(jié)作用，廣泛用于裝飾材料、混凝土加固中。無水Ca(OH)2為白色粉末狀固體，微溶于水(20 ℃時(shí)溶解度為1.65 g/L)，密度為2.24 g/cm3。改良材料如圖1所示。

圖1 改良材料Fig.1 Improved materials

已有研究證實(shí)，當(dāng)摻入1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木質(zhì)纖維或2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ca(OH)2時(shí)，土體的改良效果最佳[17-18]。故本研究選用以上的木質(zhì)纖維及Ca(OH)2含量作為添加劑。常溫、負(fù)溫下試驗(yàn)工況及試樣工況如表4所示。

表4 改良土體三軸剪切試驗(yàn)工況Tab.4 Triaxial shear test condition with improved silty clay

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

在剪切試驗(yàn)前后，試樣的高度、橫截面積、體積等都會(huì)發(fā)生明顯變化。因此在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正。

常溫剪切試驗(yàn)時(shí)，圍壓穩(wěn)定后，應(yīng)使試樣在該圍壓下固結(jié)3 h。固結(jié)后試樣高度、試樣橫截面積、試樣體積[25]如式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

Vc=hcA，

(3)

式中，h0為式樣的初始高度；?V為固結(jié)后式樣的體積變化；V0為試樣的初始體積；Vc為試樣固結(jié)后的體積；Ac為試樣固結(jié)后的橫截面積；hc為試樣固結(jié)后的高度；A為試樣初始的橫截面面積。

主應(yīng)力差(σ1～σ3)和試樣剪切時(shí)的面積如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

式中，Aa為試樣剪切時(shí)的面積；C為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)(N/0.1 mm)；R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)。

針對(duì)粉質(zhì)黏土的應(yīng)變特征，當(dāng)圍壓在小范圍內(nèi)變化時(shí)，可用線性摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算試樣廣義摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度參數(shù)[5]。在發(fā)生剪切破壞時(shí)，軸壓σ1和圍壓σ3之間的關(guān)系由式(6)所示：

fs=σ1-σ3tan2(45°+φ/2)-2ctan(45°+φ/2)=0

(6)

式中，fs為破壞時(shí)臨界狀態(tài)的切應(yīng)力值；c為試樣的廣義黏聚力；φ為試樣的廣義內(nèi)摩擦角。

令：

A=tan2(45°+φ/2)，

(7)

B=2ctan(45°+φ/2)，

(8)

式中A，B均為計(jì)算過程參量。

將式(6)化簡(jiǎn)為：

σ1=Aσ3+B。

(9)

摩爾應(yīng)力圓f如式(10)所示：

(10)

式中τ為剪應(yīng)力。

包絡(luò)線理論微分方程為：

(11)

引入冪指型多項(xiàng)式函數(shù)L(σ1，σ3)來描述軸壓σ1和圍壓σ3的關(guān)系，引入含鹽影響系數(shù)W描述含鹽量對(duì)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土在發(fā)生剪切破壞時(shí)大小主應(yīng)力之間的影響；引入初始影響系數(shù)W0描述硫酸鈉鹽對(duì)土體的加固作用，根據(jù)式(11)對(duì)函數(shù)L(σ1，σ3)進(jìn)行微分計(jì)算，可以得到抗剪強(qiáng)度的表達(dá)式。

2 結(jié)果與分析

2.1 常溫試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

常溫三軸剪切試驗(yàn)試樣的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示，參考已有研究成果[5，7]，將常溫硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為3個(gè)階段進(jìn)行分析研究。

圖2 常溫應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 Curves of stress and axial strain at normal temperature

第1個(gè)階段(圖示Ⅰ區(qū)域)，當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)?1%時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性增大趨勢(shì)，增幅較快。原因是固結(jié)完全的土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊致，在剪切初期處于線彈性階段，應(yīng)力變化幅度明顯。

第2個(gè)階段(圖示Ⅱ區(qū)域)，當(dāng)軸向應(yīng)變1%<ε<10%時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性增大趨勢(shì)，增幅較第1階段逐漸減緩，原因是隨著應(yīng)變的發(fā)展，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由最初的線彈性階段向彈塑性階段過渡，然后進(jìn)入塑性階段，土體內(nèi)部產(chǎn)生塑性形變，土顆粒產(chǎn)生損傷，試樣的抗變形能力開始減弱，試樣破壞前，應(yīng)力保持增加，但增幅減緩。由于試驗(yàn)誤差的存在，個(gè)別試樣的彈性模量變化存在偏差，但基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合考量，各組試樣的彈性模量整體變化規(guī)律相同。

第3個(gè)階段(圖示Ⅲ區(qū)域)，應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)定過渡階段，部分曲線斜率開始出現(xiàn)負(fù)值，應(yīng)力達(dá)到峰值后基本趨于平穩(wěn)，直到試樣破壞。

結(jié)合圖2可以看出，試驗(yàn)范圍內(nèi)，試樣的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線在ε=10%后大致呈現(xiàn)出應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，偏應(yīng)力峰值隨含鹽量、圍壓變化略有不同。相同含鹽量情況下，當(dāng)圍壓從50 kPa增大到200 kPa時(shí)，偏應(yīng)力峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)絹碓叫。嚇拥膹?qiáng)度呈增大趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[8]提出了軟化型土軟化性能的非線性力學(xué)模型的參數(shù)計(jì)算方法，由(12)式計(jì)算得出各組試樣在線彈性階段臨界點(diǎn)ε1=1%時(shí)相應(yīng)的切向模量E的值，如圖3所示。

圖3 切向模量與含鹽量的關(guān)系Fig.3 Relationship between tangential modulus and sodium sulfate content

(12)

從圖3可以看到，當(dāng)含鹽量不超過3%時(shí)，粉質(zhì)黏土的切向模量隨含鹽量的增加顯著增大，并在含鹽量為3%時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)含鹽量超過3%后，切向模量減小圖4(a)為在200 kPa圍壓下不同鹽含量的粉質(zhì)黏土的固結(jié)孔壓變化曲線。從圖4(a)中可以看出，孔壓由初始狀態(tài)下逐漸降低并維持穩(wěn)定，當(dāng)孔壓維持穩(wěn)定2 h后，認(rèn)為試樣固結(jié)完全，開始剪切試驗(yàn)。

圖4 不同鹽含量試樣的試驗(yàn)曲線Fig.4 Test curves of samples with different sodium sulfate contents

從圖4(b)中可以看出，隨含鹽量的增加，粉質(zhì)黏土偏應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，在含鹽量為3%時(shí)，應(yīng)力峰值最大。

當(dāng)硫酸鈉鹽溶解于土體孔隙水后，分解的鈉離子和硫酸根離子增大了土顆粒中離子濃度，土體顆粒周圍水膜的厚度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土樣強(qiáng)度變化。當(dāng)土顆粒之間的溶液逐漸達(dá)到飽和，含鹽量增加至酸鈉鹽完全溶解，部分酸鈉鹽便結(jié)晶出來賦存于土顆粒之間，起到土骨架的作用。此時(shí)，這部分鹽便成為土體固態(tài)的一部分，增大了土體強(qiáng)度。同時(shí)，析出的硫酸鈉鹽結(jié)晶對(duì)土顆粒能起到膠結(jié)的作用，從而增大土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，故土體切向模量增大。當(dāng)繼續(xù)增加鹽含量，土體中的Na2SO4鹽含量過高后，形成過飽和溶液，部分鹽無法結(jié)晶析出，減弱Na2SO4鹽對(duì)土體的增強(qiáng)效果。

通過觀察含鹽粉質(zhì)黏土與不含鹽粉質(zhì)黏土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，可以看到含鹽土與無鹽土的微觀形貌相差甚大，如圖5所示。在常溫條件下，土體結(jié)構(gòu)因硫酸鈉的存在而發(fā)生較大改變。無鹽土的土顆粒呈不規(guī)則形狀，且顆粒大小不一，較大者一般為塊片狀，但更多的則是較小類球狀顆粒，以點(diǎn)-面方式接觸，土粒間孔隙相對(duì)較少。

2.1.2 摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度參數(shù)

當(dāng)圍壓在小范圍內(nèi)變化時(shí)，由式(6)～(9)計(jì)算得出粉質(zhì)黏土的摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度參數(shù)如圖6所示。

圖6 常溫試樣摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度參數(shù)Fig.6 Mole-Coulomb strength parameters of samples at normal temperature

從圖6可以看出，圍壓變化密切影響著硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的摩爾-庫(kù)侖參數(shù)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，廣義黏聚力c隨圍壓的增大而增大，在200 kPa時(shí)達(dá)到峰值。廣義內(nèi)摩擦角φ隨圍壓的增大而減小。這是由于在一定范圍內(nèi)，圍壓持續(xù)增大，黏土內(nèi)部固相作用機(jī)理逐漸破壞，土體發(fā)生軟化，使得內(nèi)摩擦角逐漸減小。

根據(jù)擬合結(jié)果，廣義黏聚力c與廣義內(nèi)摩擦角φ隨圍壓的變化關(guān)系可由式(13)～(14)所示。

(13)

式中，C0=22.17；C1=0.2255；C2=-3.36×10-4；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。

(14)

式中，φ0=22.3；φ1=-0.126；φ2=2.8×10-4。

2.1.3 非線性摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則

在試驗(yàn)過程中，認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，不含鹽粉質(zhì)黏土在發(fā)生剪切破壞時(shí)，軸壓σ1和圍壓σ3之間的關(guān)系擬合結(jié)果如式(15)所示：

(15)

在式(15)的基礎(chǔ)上，引入含鹽影響系數(shù)W、初始影響系數(shù)W0描述含鹽量對(duì)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土強(qiáng)度的影響，表達(dá)如式(16)所示：

(16)

式中，M，σ0，α1，α2為試驗(yàn)擬合參數(shù)；M=-107.578，σ0=266.2，α1=155.28，α2=189.8；W，W0為只與含鹽量有關(guān)的參數(shù)。

基于剪切試驗(yàn)結(jié)果，取剪切破壞應(yīng)變對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力，用式(16)擬合可得到不同含鹽量下的W，W0值，如表5所示。

表5 不同含鹽量下的W，W0取值Tab.5 Values of W and W0 under different sodium sulfate contents

由表5中數(shù)據(jù)擬合得到含鹽量與W，W0之間的關(guān)系如式(17)～(18)所示：

(17)

(18)

式中w為鹽量。

式(16)可變形為關(guān)于σ1和σ3的方程如式(19)所示：

(19)

分別對(duì)式(16)，(19)進(jìn)行微分并代入式(11)得到正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ的表達(dá)式，式(20)～(21)即為硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土非線性準(zhǔn)則的表達(dá)式。

(20)

(21)

在本次三軸剪切試驗(yàn)中，M=-107.578，α1=155.28，α2=189.8。

2.2 負(fù)溫試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

負(fù)溫三軸剪切試驗(yàn)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖7所示。凍結(jié)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常溫試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，仍可分為3個(gè)階段。

圖7 凍結(jié)試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves in freezing test

第1個(gè)階段(圖示Ⅰ區(qū)域)，當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)?1%時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性增大趨勢(shì)，增幅較快。原因是凍結(jié)后土中水分結(jié)冰，土體內(nèi)部變緊致，在一定程度上增大了土體的強(qiáng)度。試樣剪切初期處于線彈性階段，應(yīng)力變化非常明顯。凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)后的試樣在此階段的強(qiáng)度越大。

第2個(gè)階段(圖示Ⅱ區(qū)域)，當(dāng)軸向應(yīng)變1%<ε< 10%時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變的呈非線性增大趨勢(shì)，增幅較第1階段逐漸減緩，原因是隨著應(yīng)變的發(fā)展，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由最初的線彈性階段向彈塑性階段過渡，然后進(jìn)入塑性階段，土體發(fā)生塑性變形，土體內(nèi)部顆粒產(chǎn)生損傷，土中冰骨架也逐漸破碎，試樣抗變形能力開始減弱，但在試樣發(fā)生破壞前，應(yīng)力始終保持增加，但增幅逐漸減緩。

第3個(gè)階段(圖示Ⅲ區(qū)域)，應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力緩慢增加，部分曲線斜率逐漸降低或出現(xiàn)負(fù)值，應(yīng)力基本趨于平穩(wěn)，逐漸達(dá)到峰值，直到試樣破壞。

結(jié)合圖7可以看出，凍結(jié)試樣在3組凍結(jié)溫度梯度范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)出向應(yīng)變硬化過渡的趨勢(shì)。當(dāng)凍結(jié)溫度逐漸降低，試樣的峰值強(qiáng)度逐漸增大，在16%應(yīng)變范圍內(nèi)，試樣的應(yīng)變硬化的趨勢(shì)逐漸明顯。相同凍結(jié)溫度下，含鹽量增加，試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減弱的變化趨勢(shì)。

2.2.2 非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則

本次負(fù)溫三軸剪切試驗(yàn)圍壓恒定為1 MPa，每個(gè)試樣取軸向應(yīng)變?chǔ)?15%時(shí)的軸壓σ1為破壞強(qiáng)度。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，含鹽量、凍結(jié)溫度都影響含鹽粉質(zhì)黏土的破壞強(qiáng)度。以軸向應(yīng)變?chǔ)艦闄M坐標(biāo)，以軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力的比值(ε/σ1-σ3)為縱坐標(biāo)[12]，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，當(dāng)應(yīng)變大于1%時(shí)，ε/σ1-σ3與ε呈標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，用線性方程如式(22)所示：

(22)

式中，a為該直線在縱坐標(biāo)上的截距；b為直線的斜率，二者皆為與土性質(zhì)有關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)。基于試驗(yàn)結(jié)果，參數(shù)a，b擬合結(jié)果如表6所示。

表6 參數(shù)a，b擬合結(jié)果Tab.6 Fitting result of parameters a and b

采用Duncan-Chang土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型，其表達(dá)如式(23)所示：

(23)

式中，Rf為試樣破壞比，等于破壞應(yīng)力差與極限應(yīng)力差的比值；E0為初始切向模量。

引入冪指函數(shù)描述溫度T℃對(duì)參數(shù)a，b的影響，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得式(24)～(25)：

(24)

(25)

聯(lián)立式(24)～(25)推導(dǎo)可得式(26)～(27)：

(-10≤T≤-2)。

(26)

(-10≤T≤-2)。

(27)

根據(jù)含鹽凍土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，利用式(26)～(27)可直接求出硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的初始切向模量值和最大偏主應(yīng)力值。

2.3 粉質(zhì)黏土改良

為提高硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的工程性能與破壞強(qiáng)度，利用化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行改良試驗(yàn)研究。

常溫改良試驗(yàn)前后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖9所示。

圖9 改良前后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.9 Stress-strain relationships before and after improvement

由圖9(a)可以看到，試樣的應(yīng)力強(qiáng)度隨含鹽量增加而提高。木質(zhì)纖維能使不含鹽粉質(zhì)黏土強(qiáng)度提高了12.2%，含鹽粉質(zhì)黏土強(qiáng)度從16.3%提高至18.9%。這是由于木質(zhì)纖維具有較好的黏結(jié)性能，可以充分填充土體內(nèi)的孔隙并具有膠結(jié)作用，使土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊致，強(qiáng)度增大。

當(dāng)摻入Ca(OH)2后，黏土中的Na2SO4會(huì)與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成更難溶的物質(zhì)CaSO4(CaSO4的溶度積小于Ca(OH)2)，化學(xué)反應(yīng)方程如式(28)所示：

Ca(OH)2+Na2SO4=CaSO4↓+2NaOH。

(28)

由圖9(b)可以看到，隨著含鹽量的增加，試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，Ca(OH)2能使不含鹽粉質(zhì)黏土強(qiáng)度提高了14.8%，含鹽粉質(zhì)黏土強(qiáng)度從18.5%提高至20.4%。原因是Ca(OH)2與Na2SO4反應(yīng)生成的CaSO4是一種白色晶狀固體，溶解度較低，具有吸濕性。反應(yīng)后起到作為土體骨架的作用，填充土體內(nèi)的孔隙，并吸收掉土體中的部分水分，使土體的整體強(qiáng)度得到加強(qiáng)。當(dāng)試樣中Ca(OH)2質(zhì)量是Na2SO4的兩倍時(shí)，試樣有最大的應(yīng)力強(qiáng)度，改良效果最好。

凍結(jié)改良試驗(yàn)前后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖10所示。

圖10 凍結(jié)試樣改良前后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Stress-strain relationships of frozen samples before and after improvement

從圖10可以看出，無水Ca(OH)2材料可以使凍結(jié)粉質(zhì)黏土的力學(xué)性質(zhì)得到改善，改良效果較為明顯。隨著含鹽量的增加，改良試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。不含鹽試樣強(qiáng)度提高了22.8%，含鹽試樣強(qiáng)度提高由19.3%下降至 19.2%。這是由于在負(fù)溫環(huán)境下，試樣發(fā)生鹽脹反應(yīng)，土體中的Na2SO4結(jié)晶析出，產(chǎn)生膨脹，體積增大導(dǎo)致土體的結(jié)構(gòu)膨脹，孔隙變大，導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度降低。另一方面析出的Na2SO4無法與摻入的改良材料進(jìn)行充分反應(yīng)，一定程度上抑制了改良效果。

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)常溫、凍結(jié)兩種情況下不同硫酸鈉含量的粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)與改良研究，提出了常溫硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的摩爾-庫(kù)侖參數(shù)計(jì)算公式，明晰了凍結(jié)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土軸向應(yīng)變/偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的有效關(guān)聯(lián)，建立了非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則描述應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律，提出了硫酸鈉鹽漬土改良方法。具體結(jié)論如下：

(1)常溫情況下硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)力逐漸增大后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；當(dāng)圍壓增大時(shí)，試樣的破壞強(qiáng)度增大。切向模量隨含鹽量增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在含鹽量為3%時(shí)達(dá)到峰值。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，廣義黏聚力隨圍壓的增大而增大，廣義內(nèi)摩擦角隨圍壓的增大而減小。提出的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則模型可較好地描述常溫硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土強(qiáng)度隨圍壓和含鹽量變化的非線性。

(2)負(fù)溫情況下硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出向應(yīng)變硬化過渡的現(xiàn)象。當(dāng)凍結(jié)溫度降低，試樣的破壞強(qiáng)度逐漸增大。相同凍結(jié)溫度下，含鹽量增加，試樣的破壞強(qiáng)度逐漸減弱。軸向應(yīng)變與軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力的比值呈標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，提出的公式可計(jì)算凍結(jié)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的切向模量值和最大偏主應(yīng)力值。

(3)無水Ca(OH)2和木質(zhì)纖維對(duì)硫酸鈉鹽粉質(zhì)黏土的改良效果明顯。常溫情況下，無水Ca(OH)2改良效果優(yōu)于木質(zhì)纖維，無水Ca(OH)2使不含鹽試樣強(qiáng)度提高了14.8%、含鹽試樣強(qiáng)度從18.5%提高至20.4%；木質(zhì)纖維使不含鹽試樣強(qiáng)度提高了12.2%、含鹽試樣強(qiáng)度從16.3%提高至18.9%。凍結(jié)情況下，無水Ca(OH)2使不含鹽試樣強(qiáng)度提高了22.8%，相同凍結(jié)溫度下，改良強(qiáng)度隨含鹽量增加從22.8%下降至19.2%。