雷 过,张卫兵,2,李 晓,刘臻祥,周鑫磊
(1.宁夏大学 土木与水利工程学院,银川 750021; 2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,银川 750021)
工程中,将土中易溶盐含量超过0.3%,并具有盐胀、溶陷、腐蚀等特殊工程特性的土称为盐渍土,分为盐土与碱土。在我国西北地区分布着大量的硫酸盐渍土,其易受外界环境影响发生盐胀与溶陷,对硫酸盐渍土地区的公路、地基安全造成严重的影响。冻融、干湿循环对微观孔隙有较大影响,如孔隙率随冻融次数先增加后减小最后缓慢增加,平均孔径随干湿循环先减小后增加且均小于未干湿的孔径。同时孔隙变化又与强度有紧密的联系。王海涛等[1]得出冻融次数对内摩擦角影响不大而黏聚力随冻融次数增加而减小。而马君泽等[2]得出内摩擦角会随着干湿循环和含盐量的增加而减小。Feng等[3]根据温度场和土壤特性,可以估算硫酸盐渍土公路地基的盐胀敏感深度。刘凯等[4]得出前4次冻融循环产生的盐胀量占80%,且第6次循环时盐胀趋势减缓。应赛等[5]认为硫酸盐渍土在降温过程中盐胀与冻胀相互影响,当盐胀与冻胀程度相同时体积变化最小。Lü等[6]认为使用不同固化剂时含盐量对无侧限抗压强度的影响类似,且随含盐量的增加无侧限抗压强度先增加后减小,强度峰值出现在含盐量为1.8%时。宫经纬等[7]通过全固废材料固化硫酸盐渍土得出含盐量低于2.7%时抗压强度呈先增后减趋势,强度峰值也在含盐量为1.8%时出现。Yu等[8]也得出随含盐量或石灰比例增加,硫酸盐渍土的无侧限抗压强度呈现先增后减的趋势。以上学者从不同角度、不同因素出发对盐渍土宏观方面进行了研究。
而微观方面,吕擎峰等[9]通过核磁共振与无侧限抗压试验得出颗粒间的胶结情况对固化效果的影响大于孔隙特征。且通过石灰粉煤灰和水玻璃固化盐渍土均通过改变孔隙体积来提高抗压强度,而水玻璃、石灰粉煤灰的固化效果对孔隙改变效果一般,但能通过反应所生成的凝胶物质填充孔隙来提高抗压强度且效果较好[10]。张伟等[11]通过CT图像与数据得知粉土质砂硫酸盐渍土在三轴剪切过程中趋于密实和均匀。Zhang等[12]通过电镜扫描得出冻融循环引起硫酸盐渍土冻胀和盐胀过程中,细颗粒含量因土体结构遭到破坏而增加。
Zhang等[13]在结晶动力学基础上研究硫酸钠冻结过程中的结晶生长机理,证明微观结晶动力学理论可以很好地解释宏观结晶现象。王春雷等[14]认为易溶盐析出结晶与土颗粒胶结可使土体抗剪强度提高。色麦尔江等[15]采用改良方式对盐渍土进行微观分析得出固化后的盐渍土颗粒变大,土颗粒的较完整。粉煤灰加石灰比水泥加石灰改良后的内部结构排列紧密,内部结构更加完整。
综上,已有研究成果对变化环境下硫酸盐渍土宏观力学指标或微观结构方面进行了研究,但未能将宏观指标劣化程度与微观结构演变之间建立有机的联系,未能建立二者之间的响应关系模型。为此,本文以宁夏地区硫酸盐渍土为研究对象,通过无侧限抗压强度试验获取冻融-干湿作用下硫酸盐渍土宏观强度劣化宏观参数,借助SEM和压汞试验获取微观结构演变参数,然后基于全局优化法分析宏微观参数间的联系,并试图建立二者之间的定量关系。
2.1 土样分析
本试验用土选自宁夏回族自治区吴忠市红寺堡区。该地区位于中部干旱带,地下水矿化度高,年降雨量少,蒸发量大,导致土壤盐渍化严重,且多为硫酸盐及亚硫酸盐渍土。试验所取原状土的粒径分析如表1,易溶盐离子含量如表2所示。
表1 颗粒粒径含量Table 1 Particle gradation
表2 原状土易溶盐离子含量Table 2 Soluble salt ion content in original soil
2.2 试验方案
2.2.1 试验方案设计
为减少原状土中其他离子对试验的影响,将原状土经洗盐、风干、过2 mm筛后配制重塑土试样。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行击实试验得到土体最大干密度为1.65 g/cm3,最优含水率为17.64%。然后按照不同压实度和含盐量将重塑土制成直径39.1 mm,高为80 mm的圆柱体试样。本试验方案设计中含盐量分别设置为0%、0.5%、1%、2%、4%、6%,含水率均为击实试验所得最优含水率,压实度分别设置为90%、92%、95%、98%。共24个工况,无侧限抗压强度制作两组,压汞试验制作一组共计72个试样。试验工况设计如表3所示。
表3 试验工况设计Table 3 Design of test conditions
2.2.2 试验方法
3.1 冻融-干湿循环下硫酸盐渍土的强度劣化机理分析
劣化机理主要对无侧限抗压强度的规律、微观参数以及孔隙分布的规律进行研究并分析其联系。通过压汞试验得出的歪度与结构优度微观参数如表4所示。冻融-干湿循环作用下硫酸盐渍土无侧限抗压强度与含盐量及压实度的关系曲线分别如图1所示。
图1 无侧限抗压强度与含盐量、压实度的关系Fig.1 Relations of unconfined compressive strength against salt content and compaction
表4 歪度与结构优度微观参数Table 4 Microscopic parameters of skewness and structural merit
由图1(a)可知,随着含盐量增加无侧限抗压强度大致呈现为先增大后减小的变化趋势,当压实度较低(<92%)时强度峰值出现在含盐量为0.5%时。而压实度较高(>95%)时强度峰值接近含盐量为2%。由图1(b)可知,随着压实度的增加无侧限抗压强度总体呈下降趋势,这是由于高压实度下孔隙体积较小,随着冻融-干湿循环下硫酸钠反复的溶解与结晶,越小的孔隙遭受盐胀影响越大,孔隙结构的损坏越严重,因此在宏观情况下反应为强度较低。而92%压实度下,无侧限抗压强度的平均值最高,图1(b)中的强度峰值几乎对应在92%压实度处,因此表明92%压实度的硫酸盐渍土受冻融-干湿循环作用下的强度劣化影响最小。结合表4可知,除90%、92%压实度且不含盐的试样歪度<1,其余孔喉均偏向于粗孔,这是因为硫酸钠的存在土体发生盐胀使得孔喉呈现粗歪度。而结构优度值大多在1～2之间,因结构优度表征平均孔喉半径与分选系数之比,由此可知整体孔喉分布不均,这与盐胀有较紧密的联系。
此外,图1(a)中显示,当压实度为92%和98%时无侧限抗压强度呈现双峰。结合表4压汞试验给出的歪度和孔隙结构优度微观参数来看,92%压实度、0.5%含盐量土体经历冻融-干湿循环作用后土体微观的结构优度为0.217,远小于其它含盐量情况。而在第二峰值2%时,此时结构优度与平均孔喉半径小于其余4组含盐量,整体孔径分布较均匀,因此强度较高。98%压实度时与92%相似,第一强度峰值对应的含盐量为1%,此时结构优度较优,虽然歪度值最高,但由于平均孔喉半径与最大连通半径都较小因而出现峰值。而第二峰值较低,从压汞数据分析可知结构优度虽然较好,但孔喉大小与分布都与2%盐量相接近。90%与95%压实度下仅出现单峰,是因为在峰值对应的盐量时结构优度较小且此时的平均孔喉半径与最大连通孔径都是最小的。而90%未出现第二峰是由于含盐量>0.5%后结构优度持续增加,而95%压实度微观参数差距较小,且此时结构优度的偏差系数也是最小的,故而整体强度波动相较其余压实度要小,再次说明结构优度与强度之间联系更加紧密。从强度值与歪度和结构优度值分析可知,强度值较高的结构优度值较低。
3.2 冻融-干湿循环下硫酸盐渍土的微观孔隙结构分析
通过YG-97A型电容式压汞仪得出的孔隙分布,探究其在冻融-干湿循环后孔隙分布与强度劣化的响应关系。再联系ZEISS电镜扫描仪得出的电镜扫描图像,结合ImageJ2X从表观孔隙结构方面对强度劣化进行分析。孔隙分布规律如图2所示。
图2 孔隙分布Fig.2 Pore distribution
如图2所示,孔径在[1,63]μm的孔隙组成占据主要部分,这一部分占孔隙总量比值的87%以上,因此判定该试验中影响强度变化主要是由于大孔隙[10,63]μm和中孔隙[1,10)μm的转换导致的。当孔隙在[1,10)μm的孔隙占比超过50%时强度将会出现劣化现象,当大孔比值高于50%,中孔比值低于50%时,无侧限抗压强度随着含盐量增加而提高,但随着含盐量的继续增大,盐分对孔隙的破坏作用增强导致大中孔隙遭到破坏且硫酸钠在干燥后优先填充在大孔隙中,因此大孔隙减小,中孔隙增加,此时孔隙结构已经遭到破坏,因此出现强度劣化现象。即在同一样品中大孔占比多于中孔,打破这一平衡时出现强度劣化行为。且中孔差值越大强度劣化程度越高。压实度为90%、92%均在含盐量为0.5%开始劣化,中孔占比差值分别为21.73%、27.42%,强度差值分别为3.5、6.12 kPa,压实度为95%时在含盐量为2%开始劣化,中孔占比差值为24.03%,强度差值为6.95 kPa,压实度为98%时在含盐量为1%开始劣化,中孔占比差值为4.39%,强度差值为2.43 kPa。证明强度劣化和大中孔的孔隙占比有关,且中孔间的占比越大,强度劣化越严重。从孔隙分布分析,强度劣化的主要原因是在冻融-干湿循环过程中硫酸钠反复发生盐胀破坏了孔隙。最终在干燥后硫酸钠粉末填充在大孔隙中,因此当中孔孔隙占比增加时强度会出现劣化。这也是强度劣化且不可恢复的主要原因。
为探究微观孔隙率与宏观强度之间的联系,依据图1(b)选择各压实度下强度最高与最低的试样,借助扫描电子显微镜对各工况试样进行电镜扫描并获取图像,通过ImageJ2X软件分析得出相应工况下的孔隙率,选取同一工况下相同倍数的两张图像进行分析得出孔隙率并取平均值作为最终孔隙率。阈值选择70最佳[17],经分析放大倍数宜选取10 000倍,在此倍数下孔隙结构易观察、颗粒排列较清晰。电镜扫描结果如图3所示,分析所得孔隙率如表5。
图3 电镜扫描图像Fig.3 Scanning electron microscope images
表5 孔隙率Table 5 Porosity
由图3可知,经历6次冻融-干湿循环后,土颗粒上附着的碎屑越多,对应的强度越低,这是由于碎屑为小颗粒或硫酸钠粉末在干燥情况下减小了土体的内摩擦力导致强度降低。还可以看出随着压实度的增加,土体更加密实形成整体。而据表3、图1、表5分析可知,无侧限抗压强度与孔隙率变化大致呈现正相关的趋势。与孔隙占比相同,孔隙率降低时强度出现劣化现象。这是由于在同一压实度下,土体骨架中孔隙相同,但随着含盐量的提高盐分在冻融-干湿循环过程中逐步破坏骨架结构。在干燥后硫酸钠粉末填充在孔隙中降低了孔隙率但并未对骨架进行支撑,因此发生强度劣化现象。
3.3 冻融-干湿循环作用下硫酸盐渍土的宏微观响应分析
将无侧限抗压强度与微观数据进行相关性检验,可得出无侧限抗压强度与歪度、结构优度具有线性联系,从而将宏观强度与微观参数联系起来。通过全局优化法(UGO)分析无侧限抗压强度和歪度、结构优度具有定量关系,建立的线性方程系数见表6。一般表达式如式(1)所示。
表6 宏微观拟合系数Table 6 Macro-and-microscopic fitting coefficients
qu=p1+p2Sk+p3/(1/Cr)2。
(1)
式中:qu为无侧限抗压强度;p1、p2、p3为系数。
由表6可知,歪度、结构优度与无侧限抗压强度间存在强相关性,R2越接近1,表明无侧限抗压强度与歪度、结构优度的响应程度越好。即强度与微观参数间具备明显的线性关系。而从式(1)中得出,歪度与无侧限抗压强度呈现正相关,与结构优度呈现负相关。结构优度的标准偏差随着压实度的增加呈现减小的趋势,表明压实度越高,孔喉平均值与全孔喉分布都更加均匀化。结合图1与表4可知,歪度和结构优度的差值越大强度变化越大。压实度为90%、92%时,强度增量在含盐量为0%至0.5%时歪度变化最大,此时90%、92%压实度的歪度分别由0.921增加至5.473、0.899增加至6.064。压实度为95%、98%时,强度增量在含盐量为0.5%至1%时歪度变化最大,此时95%、98%压实度的歪度分别由1.255增加至6.064、1.073增加至2.125。与歪度相反,结构优度减小时强度增加,压实度为90%、92%,强度增量在含盐量在0%至0.5%时结构优度变化最大,分别由1.495降低至0.237、1.509降低至0.217。压实度为95%、98%时,强度增量在含盐量为0.5%至1%时变化最大,分别由1.510降低至1.199、1.521降低至1.150。且结构优度的变化量比歪度的变化量小,证明结构优度对强度的影响更显著。
实测无侧限抗压强度与全局优化法计算值对比分析,各压实度下的实测强度与计算强度如图4所示。
图4 各压实度下实测与计算强度对比Fig.4 Comparison of strength between measurement and calculation
由图4可知,冻融-干湿循环后的无侧限抗压强度实测值与采用全局优化法拟合的计算值相差较小,R2接近1表明相关程度较高。证明该拟合结果符合实际测试强度。随着压实度的增加,拟合结果中的歪度系数p2逐渐减小,结构优度系数p3逐渐增大。证明压实度越高,结构优度对无侧限抗压强度的影响程度越大。本文通过对无侧限抗压强度与微观特征参数、孔径分布进行定性和定量分析,并拟合建立响应模型。本研究将宏观强度指标与孔隙分布定性分析、与微观参数定量分析,较好地描述了宏观与微观之间的响应关系。该研究对盐渍土宏微观的定性及定量研究提供理论支撑,在量化宏观指标和微观参数间的研究建立数学模型,为进一步对盐渍土科学的理论研究提供了参考。
对冻融-干湿循环的硫酸盐渍土进行无侧限抗压强度试验、压汞试验、电镜扫描试验等,对数据分析后结论如下:
(1)对无侧限抗压强度进行分析,在4组压实度下无侧限抗压强度随含盐量呈现先增大后减小的变化趋势,且压实度较低时强度峰值对应的含盐量越低。随着压实度的增加,冻融-干湿循环作用对强度的劣化影响越显著,相较而言,92%压实度时的强度劣化影响最小。
(2)冻融-干湿循环作用下,硫酸盐渍土发生盐冻胀使得土体微观参数孔喉呈现粗歪度,且结构优度值大多在1～2之间,整体孔喉分布不均。结构优度与强度之间联系较紧密,强度值较高时,结构优度值较低。
(3)压汞试验表明,对经历冻融-干湿循环作用后硫酸盐渍土强度劣化程度影响大小的微观参数依次为结构优度、歪度、分选系数、平均孔喉半径;SEM图像与ImageJ2X分析表明,无侧限抗压强度与孔隙率变化呈现正相关。
(4)孔隙分布可知,中孔占比为强度变化的阈值。当中孔占比低于50%时,强度增强;当中孔占比高于50%时,强度开始出现劣化,且劣化倾向不可逆。
(5)经历冻融-干湿作用后的宏观无侧限抗压强度值与微观参数歪度、结构优度间存在相关性,且无侧限抗压强度与歪度呈现正相关,与结构优度呈现负相关。采用全局优化法拟合出的表达式相关性较强,可较准确地描述宏观强度与微观参数歪度及结构优度间的定量关系。
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