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user: 3. 试验结果 3.1. 重塑盐渍土试样抗剪强度变化特征 重塑盐渍土试样直剪试验结果表明，在50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa垂直压力作用下，试样抗剪强度随含盐量增长表现出先减小后增加的变化特征，如图1所示。如对于粒径介于0.1~0.25 mm的试样，当含盐量由0.0%增加至3.0%时，在50 kPa垂直压力作用，抗剪强度由34.0 kPa减小至25.91 kPa，当含盐量由3%增加至12%时，抗剪强度则由25.91 kPa增至67.83 kPa，由该结果可知，当重塑盐渍土试样中含盐量为3%时，其抗剪强度达到最小值。张飞等(2014) [ 18 ]、陈炜韬等(2006) [ 16 ]、付江涛等(2016) [ 17 ]、赵海艳等(2005) [ 28 ] 亦得到类似的结果，但需说明的是上述学者所获得的结果中，其含盐量分别为6.0%、1.3%、3.0%和10.0%；另外，在上述研究中，前两者采用的盐渍土为硫酸盐渍土和亚硫酸盐渍土，后两者的盐渍土则为氯盐渍土。 图1. 不同级配条件下重塑盐渍土试样抗剪强度与垂直压力关系 3.1.1. 重塑盐渍土试样黏聚力与含盐量关系 图2所示为不同颗粒级配条件下，重塑盐渍土试样黏聚力与含盐量关系，由该图可知相同级配下，随含盐量增加，重塑盐渍土试样黏聚力均呈先减小后增加的变化规律。在此以颗粒小于0.1 mm的土体为例说明，当含盐量分别为0.0%、0.5%、1%和3%时，重塑盐渍土试样相应黏聚力分别为14.90 kPa、14.09 kPa、13.66 kPa和12.04 kPa，即试样黏聚力随含盐量增加表现出逐渐减小的变化特征，而当含盐量由3%增至6%、9%和12%时，相应的黏聚力则由12.04 kPa增至32.06 kPa、40.32 kPa和53.33 kPa，由该结果可知，在含盐量为3%时重塑盐渍土试样黏聚力达到最小值，即12.04 kPa。 对上述结果进一步分析可知，含盐量对重塑盐渍土试样黏聚力存在含盐量阈值，即当含由盐量由0%增至3%时，重塑盐渍土试样相应黏聚力表现出减小的特征，而当含盐量由3%增至12%时，其相应的黏聚力则表现出增加的变化特征，在含盐量持续增长阶段，黏聚力达到最小值时所对应的含盐量值即为含盐量阈值。相类似地，对于粒径为0.1~0.25 mm试样，其含盐量阈值为1.0%，其相应的黏聚力为9.35 kPa，对于粒径为0.25~0.5 mm试样，其含盐量阈值为1.0%，其相应的黏聚力为10.48 kPa，对于粒径为0.5~1.0 mm试样，其含盐量阈值为1.0%，其相应的黏聚力为10.43 kPa，对于粒径为1.0~2.0 mm试样，其含盐量阈值为3.0%，其相应的黏聚力为3.39 kPa，如图2所示。 图2. 不同级配条件下重塑盐渍土试样黏聚力与含盐量关系 3.1.2. 重塑盐渍土试样内摩擦角与含盐量关系 图3所示为不同颗粒级配条件下，重塑盐渍土试样内摩擦角与含盐量关系。由该图可知，相同颗粒级配条件下，随含盐量增长，试样内摩擦角总体上呈先减小后增加的变化规律。为说明上述规律，以粒径小于0.1 mm的试样为例加以阐述，即当含盐量由0%减至1.0%时，试样内摩擦角则由18.51˚减至13.51˚，而当含盐量由1.0%增至12.0%时，其相应的内摩擦角由13.51˚单调递增至20.20˚，由此可见，含盐量为1.0%时，重塑盐渍土试样的内摩擦角为最小值，即13.51˚。此外，其余4种粒径条件下内摩擦角最小值分别为15.91˚、16.61˚、17.19˚和16.82˚，其相应的含盐量阈值分别为0.5%、1.0%、0.5%和6.0%。 综上所述，在含盐量增加的初始阶段，即含盐量小于含盐量阈值时，重塑盐渍土试样抗剪强度指标均随含盐量的增加而减少，而当含盐量大于该阈值时，试样内摩擦角随含盐量增长呈显著增加趋势。这主要归因于在一定粒径条件下，重塑盐渍土试样中的含盐量低于含盐量阈值时，适量盐分可增大土粒的间距 [ 15 ]，从而造成试样黏聚力和内摩擦角减小，且含盐量愈接近含盐量阈值时，试样黏聚力和内摩擦角愈小，而当试样含盐量超过含盐量阈值时，盐分起到胶结作用或盐分开始结晶，这种晶体填充于土体颗粒孔隙中从而起到骨架作用，且含盐量愈高，该胶结作用或骨架作用愈显著，故重塑盐渍土试样黏聚力和内摩擦角愈大，因此重塑盐渍土试样抗剪强度愈高 [ 15 ]。 此外，需说明的是本研究中，在相同粒径条件下，含盐量阈值并非始终表现为一一对应关系，如当土体粒径小于0.1 mm时，其黏聚力对应的含盐量阈值为3.0%，而内摩擦角对应的含盐量阈值为1.0%，与本研究结论相类似的研究亦可见张飞等(2014) [ 7 ]、Fu et al. (2019) [ 17 ]，但以上学者并未讨论不同级配条件下，盐渍土抗剪强度指标与含盐量关系。 图3. 不同颗粒级配条件下重塑盐渍土试样内摩擦角与含盐量关系 3.2. 颗粒级配对盐渍土抗剪强度影响 3.2.1. 颗粒级配对盐渍土黏聚力影响 本研究中随粒径逐渐增加，盐渍土黏聚力表现出两种不同的变化特征，即当含盐量小于等于6.0%时，随粒径逐渐增加，土体黏聚力呈线性降低的变化特征，如含盐量为3.0%时，粒径由细至粗的5种不同颗粒级配土体，其黏聚力分别为12.04 kPa、11.94 kPa、10.92 kPa、10.69 kPa和3.39 kPa；当含盐量大于6.0%时，黏聚力随粒径增大表现出增加的变化特征，如含盐量为9.0%的土体，当粒径由小于0.1 mm增至1.0~2.0 mm，其相应的黏聚力由40.32 kPa增加至49.04 kPa，如图4所示。 图4. 不同含盐量下重塑盐渍土试样黏聚力与粒径关系 3.2.2. 颗粒级配对盐渍土内摩擦角值影响 本研究中，7种含盐量盐渍土在5种不同颗粒级配条件下，其内摩擦角表现为2种变化特征，即当含盐量为0.0%~3.0%时，土体内摩擦角随粒径增加表现出增加的变化特征，如含盐量为3.0%时，土体粒径由小于0.1 mm增至1.0~2.0 mm，其相应的内摩擦角则由13.7˚增至22.24˚，当含盐量为6.0%、9.0%和12.0%时，其内摩擦角则随粒径增加呈先增加后减小的变化特征，如含盐量为12.0%时，随粒径由小于0.1 mm增至0.25~0.50 mm，其内摩擦角由20.2˚增至31.7˚，但当粒径由0.25~0.50 mm增至1.00~2.00 mm时，其内摩擦角则降低至23.70˚，如图5所示。 图5. 不同含盐量下重塑盐渍土试样内摩擦角与粒径关系 3.3. 盐渍土试样剪应力与应变关系特征 本研究中随着含盐量逐渐增加，盐渍土的剪应力–应变关系表现出2种不同的变化特征，其中，含盐量低于6.0%的盐渍土应力–应变关系为同一类型，即非结构类型，高于6.0%的盐渍土应力–应变关系为另一类型，即结构类型，这反映出盐渍土材料属性由弹塑性逐渐过渡至脆性的特点。为阐明上述观点，以粒径为0.25~0.50 mm盐渍土为例进行说明，如图6所示。由该图a和b可知，当含盐量为0.0%和0.5%时，随着剪应力逐渐增加，剪应变亦表现出增加的变化特征，但在不同垂直压力下，其增加趋势表现出不同的变化特征，在垂直压力为50 kPa (P1)和100 kPa (P2)条件下，其应力–应变曲线类似于“理想弹–塑性模型”或“弱硬化塑性破坏模型” [ 29 ] [ 30 ]，当垂直压力为200 kPa (P3)和300 kPa (P4)时，其剪应力–应变关系类似与“线性强化弹塑性模型”或“强硬化塑性模型” [ 30 ]。综上表明，低含盐量土体并不具备结构性或结构性较弱的特性。当含盐量超过6.0%时，盐渍土试样在外界荷载作用下，其应力–应变曲线表现出脆性材料所具有应力–应变关系，如图c和d所示。由该图可知，在垂直压力为50 kPa和100 kPa时，含盐量为9.0%和12.0%的盐渍土剪应力–应变关系表现出“弱软化脆性破坏”特性 [ 30 ]；而在垂直压力为200 kPa和300 kPa时，其剪应力–应变关系则表现出“强硬化塑性破坏”特性 [ 30 ]，上述现象表明盐渍土应力–应变关系表现出较强的结构性，这说明当土体含盐量较高时，相对过量的硫酸钠盐会以结晶盐的形式析出，起到胶结和骨架的作用，并填充于土中孔隙，从而导致盐渍土剪应力–应变关系表现出结构性土体所具有的“弱软化脆性破坏”特征或“强硬化塑性破坏型”特性 [ 29 ] [ 30 ]。 图6. 研究区土体粒径为0.25~0.50 mm的盐渍土剪应力与应变关系曲线 3.4. 盐渍土试样变形破坏特征 本研究中含盐量和土粒级配均会对盐渍土试样变形和破坏特征产生影响，其中，对于细粒盐(<0.5 mm)渍土，当含盐量高于6.0%时，盐渍土变形破坏以弹性–脆性为主，含盐量低于6.0%时以弹性–塑性为主，对于粗粒盐渍土(>0.5 mm)，土体破坏以脆性破坏为主。为此，本研究选取粒径小于0.1 mm盐渍土和粒径为0.5~1.0 mm试样为例进行说明。其中，含盐量分别为0.0%、0.5%、1.0%、3.0%和6.0%在剪切作用后，试样基本上保持原状，尤其是含盐量较小时试样完整性更好，这说明含低盐量情况下，细粒盐渍土在剪切作用下变形以弹塑性变形为主，这反应了低含盐量条件下，试样并未产生显著的结构性或结构性并不明显；而剩余2组试样(含盐量为9.0%和12.0%)几乎在剪切面处均发生沿剪切面的破坏，该现象说明当含盐量较高时，土体产生了较强的结构性，其原因在于土体中Na 2 SO 4 的再结晶作用会生成Na 2 SO 4 ·10H 2 O，这会消耗土体中一定量水分，从而导致土体实际含水率降低，使盐渍土试样由弹塑状态过渡至脆性状态，同时再结晶的Na 2 SO 4 ·10H 2 O会填充于土体空隙中产生胶结力和形成骨架，这种胶结作用和骨架便形成了土体的结构，当施加于盐渍土试样的剪应力大于胶结力时，盐渍土试样结构发生破坏，从而导致盐渍土试样产生脆性破坏。此外，粒径为0.5~1.0 mm盐渍土试样在剪切作用下，几乎全部发生脆性破坏而形成碎块，试样破坏主要发生在剪切面位置处，其剪切面的破坏亦为脆性破坏(b)。这种造成细粒和粒径相对较大盐渍土试样，在剪切作用下产生不同变形破坏特征的主要原因可能在于土体粒径相对较大的试样，其土体颗粒之间分子相互吸引作用和化学键相对较弱，在剪切应力作用下易发生变形破坏，而粒径相对较小的土体颗粒之间的范德华力、静电引力和化学键等作用相对较强，故不利于试样发生脆性破坏 [ 31 ]。 3.5. 讨论 3.5.1. 含盐量对土体抗剪强度影响 研究结果表明，含盐量对土体抗剪强度影响存在一阈值，即当土体试样含盐量低于该阈值时，随含盐量增加，土体黏聚力和内摩擦角呈降低的特征；当含盐量高于该阈值时，随含盐量增加，土体黏聚力和内摩擦角均表现出逐渐增加的特征 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]。陈炜韬等(2006) [ 16 ] 研究了由CaCl 2 配制而成的氯盐渍土抗剪强度指标与土体CaCl 2 含量关系，发现随CaCl 2 含量增加，土体黏聚力和内摩擦角均呈先减小后增加的变化特征，且在含盐量为10.36%条件下，土体黏聚力达到最小值，该规律与本研究所得到的结论基本一致。张飞和任志军(2014) [ 7 ] 亦得出了相类的研究结论。此外，需指出的是本研究中，当重塑盐渍土含水率为12%时，5种不同粒径的盐渍土含盐阈值为1.0~3.0%，而上述学者 [ 7 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] 研究所得到的含盐量阈值分别为1.6%、10.38%和1%，与本研究结果不一致，产生二者结论不一致的原因可能与含盐量类型、含水率和土体级配程度等方面的差异有关，例如Fu et al. (2016) [ 14 ]、张飞和任志军(2014) [ 7 ] 发现硫酸盐渍土抗剪强度对应的含盐量阈值随土体含水率增加呈增加的变化特征。 本研究对5种不同颗粒级配的7个含盐量梯度的盐渍土试样抗剪强度指标与其相应含盐量关系进行了拟合，如表1所示。由该表可知，试样抗剪强度指标与其含盐量关系均可由二项式y = ax 2 + bx + c表示，但需说明的是当土颗粒级配为1.0~2.0 mm时，黏聚力与含盐量关系亦可用三项式进行表示，即y = ax 3 + bx 2 + cx + d，该关系式表示黏聚力存在2个含盐量阈值，即黏聚力随含盐量增加呈先减少后增加再减少的变化特征。该现象并未出现在其他粒径的盐渍土中，其原因可能与土体粒径大小具有密切关系，即当粗粒硫酸盐渍土含盐量较小时，可溶解的Na 2 SO 4 尚未达到饱和，Na 2 SO 4 可溶解于水，从而使溶解的Na 2 SO 4 以水化离子的形式存在，Na + 会增加粗土粒间的距离，从而强化对土体的润滑作用，使得土颗粒间引力被削弱，该过程会导致Na 2 SO 4 含量较小的土体在剪应力作用下表现出内摩擦角减小、黏聚力减小的变化特征。随Na 2 SO 4 含量增加，超过第1含盐量阈值时，过量的Na 2 SO 4 则以结晶盐的形式析出，结晶盐作为固体颗粒的一部分起到胶结作用，且填充于土体中孔隙，从而增大了土体颗粒间的摩擦力；同时饱和结晶盐构成了盐渍土的一部分骨架，即从而使试样呈内摩擦角和黏聚力均增大的特征；当含盐量超过第2含盐量阈值时，硫酸盐会发生盐胀作用，由于粗粒土粒径较大，土体颗粒间的粘结作用减弱，盐胀作用一定程度上削弱了粗颗粒土间的粘结力，使得黏聚力和内摩擦角随含盐量的增加呈再次减小的变化规律 [ 15 ]。 Table 1 Fitting equation of cohesion with salt content of salinized soi 粒径(mm) 黏聚力拟合方程 内摩擦角拟合方程 <0.1 y = 1.8551x 2 − 8.1927x + 21.44， R² = 0.9538 y = 0.5313x 2 − 3.3158x + 20.441， R² = 0.5337 0.10~0.25 y = 1.5795x 2 − 6.4026x + 17.29， R² = 0.8492 y = 0.5657x 2 − 2.8007x + 20.613， R² = 0.7984 0.25~0.50 y = 1.6637x 2 − 6.427x + 17.1， R² = 0.8177 y = 0.9357x 2 − 5.5793x + 25.02， R² = 0.9327 0.50~1.00 y = 1.6195x 2 − 6.3069x + 17.5， R² = 0.8533 y = 0.5585x 2 −3.1265x + 22.029， R² = 0.7985 1.00~2.00 y = 3.3933x 2 − 17.692x + 28.42， R² = 0.9652 y = 0.282x 2 − 2.1915x + 23.959， R² = 0.2485 表1. 研究区盐渍土试样黏聚力与土体含盐量拟合方程 注：表中R 2 表示拟合优度。 3.5.2. 粒径对土体抗剪强度影响 本研究中，在相同含盐量条件下，随土体粒径增加，土体黏聚力和内摩擦角值分别表现出2种不同的变化特征，其原因可能在于以下几个方面： 1) 关于黏聚力，对于粒径较小的土体，当含盐量低于含盐量阈值时，土体黏聚力主要来自于土粒间的相互吸附作用，如范德华力、静电引力、表观黏聚力、颗粒间接触点的化合价键等 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]，且土粒愈小，这种相互作用愈显著，故在宏观上表现为低含盐量细粒盐渍土的黏聚力大于粗粒盐渍土；当土体含盐量高于含盐量阈值时，粗粒盐渍土黏聚力远大于细粒盐渍土，其原因可能在于多余的盐分重结晶，并在土颗粒间胶结形成骨架，故土体黏聚力随粒径增加呈增加的特征，且含盐量愈高时，这种由盐分造成的胶结作用和骨架作用则愈为显著；此外，当含盐量一定时，对于粒径较小的土体，单位体积内的含盐量相对较低，故盐分的胶结和骨架作用亦相对较小，而对于粒径较粗的土体，单位体积内的含盐量则相对较高，故盐分的胶结作用和骨架作用则相对较强，故盐渍土含盐量大于阈值时，粗粒盐渍黏聚力远大于细粒盐渍土。 2) 关于内摩擦角，本研究中，不同粒径盐渍土内摩擦角随含盐量增加表现出两种不同的变化规律，即当含盐量为0.0%~3.0%时，土体内摩擦角随粒径增加表现出增加的变化特征，当含盐量为6.0%~12.0%时，其内摩擦角则随粒径增加呈先增加后减小的变化特征，导致土体内摩擦角产生上述两种变化特征的原因可能在于：首先，当土体含盐量较小时，以离子形式存在于土体中的Na + 对土颗粒产生较强的润滑作用，且土颗粒愈细小，这种润滑作用愈为显著 [ 15 ]，当土颗粒较大时，Na + 对土颗粒的润滑作用则相对较弱，故低含盐量的细粒径土内摩擦角小于粗粒径土；其次，当土体含盐量较高时，随土体粒径增加，土体内摩擦角呈先增加后减小的变化特征，该现象产生的原因可能与土颗粒自身强度有关，即本研究中不同级配的土颗粒是采用筛分法获得的，粒径较大颗粒很大程度上是由细小颗粒土体粘聚在一起形成的，在土体含盐量较高的条件下，细颗粒土(该粒径难以再次发生破碎)受到胶结作用和盐分再结晶作用较强，故在剪切作用下，其破坏的形式主要表现为盐分骨架的破坏，故其黏聚力较大而内摩擦角相对较小；对于大粒径土，因其粒径较大，单位体积内，土体含盐量高于小粒径土，故盐分对大粒径组成的土体的胶结和再结晶作用相对高于较小粒径组成的土体，故在宏观上，大粒径土体在剪切应力作用下发生的破坏主要以大粒径土体破碎和盐分产生的胶结作用及骨架破坏为主，大粒径土体破坏后产生的小粒径为其它土颗粒相对位移提供了润滑作用，故导致高含盐量的大粒径土体具有较高黏聚力和较低内摩擦角的结果。