0.   引言

新疆伊犁河谷是中国受大西洋气候影响的地区。该地区河流两侧分布有大规模的风积黄土,属于西风区黄土,明显区别于季风区黄土高原的黄土。伊犁黄土易溶盐含量极高,具有强烈的湿陷性,试验测定的易溶盐含量最大可达19.2 g/kg,场地最大自重湿陷量为3.52 m^[1]。因此,伊犁黄土属于黄土和盐渍土的共同范畴,针对该特定黄土的力学及工程特性需进行专门的研究,但目前对其关注及研究相对较少。

针对黄土的研究已较为完善,但盐渍土研究更多的是针对溶陷特性^[2]、盐分溶滤^[3]及近年来持水特性影响^[4]的探讨,研究方法主要为人工掺盐、洗盐溶滤和盐溶液浸泡3种。

在盐渍土变形、强度特性的研究上,康安栋等^[5]基于硫酸盐渍土固结试验,得出一定含盐量能提高盐渍土在受荷时抵抗变形能力的结论；颜荣涛等^[6]对不同浓度NaCl溶液饱和黏土进行等向压缩试验,分析渗透吸力对等向压缩特性的影响规律；以上对盐渍土压缩性的研究多为饱和试样,并未考虑吸力的影响。徐安花等^[7]通过对掺入NaCl、Na₂SO₄、Na₂CO₃和H₂O的亚黏土盐渍土进行剪切试验,得出对黏聚力的影响依次为Na₂SO₄<NaCl<Na₂CO₃<H₂O；刘威^[8]通过试验表明硫酸盐渍土抵抗变形的能力比氯盐渍土强；蔡正银等^[9]指出在低含水、高含盐时,试件脆性破坏越显著；可见盐分和土质种类都对盐渍土的力学特性影响较大。

这些研究得出了很多有益的规律性结论,但存在含盐试样以重塑样居多,盐分类型单一、含量低、跨度小的问题,且针对新疆伊犁地区特定非饱和原状黄土的变形、屈服特性,特别是含盐量对水量变化特性的影响规律研究鲜有报道。针对以上不足,本文采用非饱和土三轴仪^[10],以新疆伊犁原状非饱和黄土为研究对象,开展不同易溶盐含量下控制吸力的净平均应力增减试验、控制净平均应力的吸力增减试验和控制净围压和吸力的固结剪切试验,旨在揭示易溶盐含量对非饱和原状伊犁黄土的屈服和水量特性的影响规律。

1.   试验材料和试验方法

1.1   试验材料

本研究选用新疆伊犁昭苏特克斯河的Ⅳ级阶地地表以下18.5～22 m的原状土样,该土样为Q₃黄土,呈土黄色。室内试验测得土样的土粒相对密度G_s=2.72,初始含水率为6.18%～6.73%,初始干密度为1.32～1.41 g/cm³,液限w_L=29.2 %,塑限w_P=19.0 %,属于低液限黏土（CL）。试验前将整块原状土样削切为直径3.91 cm×高8 cm的标准三轴试样,用三瓣膜环刀将其密合后备用,削样时及时测得整块土样中部散土的含水率,并将其作为原状土样的初始含水率,同组试样应选取干密度和含水率差值分别小于0.03 g/cm³和2 %的土样,以减小试样误差。

基于同地区伊犁黄土的易溶盐含量最高可达19.2 g/kg^[1],本试验选定配制易溶盐含量分别为5,8,14,20和26 g/kg的试样开展研究,选用土层较深、易溶盐含量较低的原状土样,采用水膜转移法制备不同易溶盐含量的原状土样。

采用水膜转移法滴加盐溶液的具体过程为：①对土样进行天然易溶盐含量测定,深度为21.5～22 m和18.5～19 m的土样初始易溶盐总量分别为5.75 g/kg和3.54 g/kg,离子含量比Na⁺∶SO₄^2-∶Ca²⁺∶Mg²⁺∶Cl^-∶HCO₃^-分别为12.6∶8.7∶3.9∶2.8∶1.9∶1和5.7∶4.3∶0.3∶0.3∶0.7∶1,根据所得各离子浓度及比例确定应加入的易溶盐种类,其中：深度为21.5～22 m的土样应加入MgSO₄、NaHCO₃、CaCl₂、NaOH 4种盐,质量比为：10.3∶2.2∶1.0∶15.4；深度为18.5～19 m的土样应加入MgSO₄、CaCl₂、NaHCO₃、Na₂SO₄、NaCl和NaOH 6种盐,质量比为：6.8∶5.0∶7.3∶25.6∶1.0∶34.5；②为便于盐溶液的滴加,根据需配含盐量差值及各离子浓度比,配制一次加盐能增加试样3 g/kg总易溶盐含量的各类盐溶液；③计算各设计含盐试样所需增加的总易溶盐含量,为防止连续滴加使试样水分过多产生变形,采用胶头滴管多次少量、缓慢均匀、间断分次地对原状试样进行滴加盐溶液,每次滴盐后应自然风干24 h以上方可进行后续加盐,直至达到试样设计含盐量；④通过离心机法测得不同含盐量下的土水特征曲线,试验具体操作参见文献[4],忽略含盐量的影响,在不同含盐量下的均值土水特征曲线上得到基质吸力为0,50,100,150 kPa时含水率对应为37.5%（饱和含水率）,15%,12%和9.5%,试样完成滴加盐溶液后,对含水偏高试样采用自然风干、含水偏低试样采用滴加纯水的方法配至设计含水率,饱和试样采用抽气饱和法；⑤含盐量和含水率均配制完成的试样用保鲜膜包裹后,放置密闭的保湿缸中养护72 h以上,保证水分、盐分充分扩散均匀。需特别注意：滴盐过程中,在水分蒸发作用下盐分会被携带到试样表面,为防止盐分与三瓣膜发生反应,滴盐前在试样周围包裹一层较薄的塑料膜,且试样底部放置半透膜,确保试样中盐分含量不变且便于脱模；饱和试样时,同样采用半透膜将试样包裹密封,以防盐分溶解后丢失。

1.2   试验方法

试验设备采用FSY30型应力应变控制式非饱和土三轴仪,是由陈正汉与江苏溧阳永昌仪器厂联合研制,其中,陶土板进气值为500 kPa,采用双层压力室减小仪器变形,其构造详见文献[10],此处不再赘述。

本文所用符号及公式如下：

式中 p,q,s是应力状态变量,p为净平均应力,q为偏应力,s为基质吸力,文中简称吸力；${\sigma }_1$,${\sigma }_2$,${\sigma }_3$分别为大、中、小主应力；u_a和u_w为孔隙气压力和孔隙水压力。

本文开展了控制吸力的净平均应力增减、控制净平均应力的吸力增减、控制净围压和吸力的固结剪切3种应力路径试验,图1为一组试样的试验应力路径,以一个含盐量为例,试验方案和加荷顺序见表1,所有试验均需完成装样前陶土板饱和及试验前初始吸力测定工作,确保试验的顺利进行和准确性,试验具体过程如下：

图  1  一组试样的试验应力路径

Figure  1.  Stress paths of tests on a group of specimens

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表  1  试验方案及加荷顺序（以一个含盐量为例）

Table  1.  Test schemes and loading sequence (taking a salt content as an example)

试验类型	应力状态	加荷过程/kPa
净平均应力循环	初始吸力	5/ 50/ 100/ 150
	净平均应力	5→100→20→300→100→400
吸力循环	初始吸力	5
	净平均应力	100
	吸力	5→100→25→150
固结剪切	吸力	5/ 50/ 100/ 150
	净围压	100/ 200/ 300
注：净平均应力循环试验中净平均应力小于100 kPa时,荷载变化20 kPa/级；净平均应力大于100 kPa时,荷载变化50 kPa/级；吸力循环试验中荷载变化25 kPa/级。

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控制吸力的净平均应力增减试验（简称净平均应力循环试验）,一个含盐量下分别进行4个试验,吸力分别为5（饱和试样）,50,100和150 kPa；见图1（a）所示,以饱和试样为例,控制净平均应力为5 kPa下增加吸力至5 kPa,以该应力状态为试样初始状态,待本级荷载稳定后,控制吸力恒定,净平均应力通过分级加载至400 kPa,在净平均应力为100和300 kPa时完成两次卸载再加载,即净平均应力循环过程。

控制净平均应力的吸力增减试验（简称吸力循环试验）,一个含盐量下进行1个控制净平均应力为100 kPa的试验；见图1（b）所示,控制吸力为5 kPa下增加净平均应力至100 kPa,以该应力状态为试样初始状态,待本级荷载稳定后,控制净平均应力恒定,采用分级施加吸力至最终吸力为150 kPa,在吸力为100 kPa时完成吸力减小再增加,即吸力循环过程。

控制净围压和吸力的固结剪切试验（简称固结剪切试验）,一个含盐量下进行12个试验,控制吸力分别为5,50,100和150 kPa,每级吸力下控制净围压分别为100,200和300 kPa；见图1（c）所示,以吸力为100 kPa、净围压为300 kPa试样为例,通过单次加载同时控制吸力和净围压至设定值,进行试样的固结过程,完成固结后进行排水剪切试验。

试验过程中打开排水阀,孔隙水压力为零,通过施加孔隙气压力控制吸力的大小,试验中每级荷载下采用的稳定标准为：连续2 h内体变量和排水量分别小于0.006 cm³和0.012 cm³。

非饱和试样的净平均应力循环试验和吸力循环试验历时较长,根据试样控制吸力和含盐量的不同,完成一个试样需约10～30 d；由于非饱和土的渗透性很小,为使得加载过程中保持吸力恒定,各级荷载下试样变形和排水稳定,加载速率要足够小。综上,一个含盐量下共进行17个试样（如表1所示）,本文完成5个易溶盐含量（5,8,14,20,26 g/kg）下的试验,共完成85个试样。

试验结束后将整个试样烘干量测试样含水率,由试样的初始含水率和终止含水率之差得到试样的实际排水量,并据此把试验过程量测的排水量进行历时较正,表2给出了部分试样排水校正对比结果,虽然排水量的量测值和校正值相差不大,但为了提高结果的精度,本文中的排水量均采用校正值。

表  2  试样排水量的量测值与校正值比较

Table  2.  Comparison between measured and corrected values of amount of water discharge from specimens

试验类型	含盐量θ/(g·kg-1)	量测值/cm3	校正值/cm3	差值/cm3	相对误差/%
吸力循环试验(p=100 kPa)	5	33.53	32.5	1.03	3.18
	14	36.57	35.64	0.93	2.61
	26	33.79	32.17	1.62	5.04

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2.   净平均应力循环试验

2.1   变形特性

在净平均应力循环试验中,同一试样下根据各级净平均应力稳定后的体变量,计算出相应的比体积,不同试样控制吸力的净平均应力增加–减小过程,对应于试样的压缩–回弹过程,图2为v–log p平面内不同条件下试样的压缩–回弹曲线,其中,图2（a）为一定含盐量时不同吸力下的压缩–回弹曲线；图2（b）和（c）分别为饱和试样和非饱和试样在不同含盐量下的压缩–回弹曲线,由于篇幅有限,不同吸力和不同含盐量非饱和试样分别以含盐量为8 g/kg和吸力为100 kPa为例。从图2可知：

图  2  净平均应力循环试验的压缩–回弹曲线

Figure  2.  Compression-rebound curves of net mean stress cycle tests

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（1）从图2中任一曲线可见,随净平均应力的增大,比体积逐渐减小,这是由于净平均应力增大,试样内孔隙气体被压缩,孔隙比减小,发生体积收缩,比体积降低；低净平均应力状态下曲线相对平缓,高净平均应力状态下曲线较为陡峭,表明试样具有一定的结构强度,抵抗试样发生变形,压缩曲线相对平缓,当净平均应力大于试样结构强度时,试样结构破坏,试样较易压缩,变形量增加较快,压缩曲线较为陡峭。从图2（a）可见,同一试样的初始比体积和最终比体积差值,即不同吸力试样在相同净平均应力作用下引起的试样体积变化幅度,随吸力的增加而减小,表明吸力增加能提高试样抵抗变形的能力。

（2）从图2（b）和图2（c）可见,饱和试样中,含盐量5 g/kg曲线为压缩曲线的下边界曲线,即压缩变形最大,随含盐量增大压缩性降低。非饱和试样中,含盐量为5 g/kg是压缩曲线的上边界曲线,即压缩变形最小,14 g/kg为压缩曲线的下边界曲线,试样的整体压缩变形随含盐量的增大呈先增大后减小趋势,但压缩性逐渐降低。这主要是由于饱和试样中水量足够将易溶盐全部溶解,含盐越高试样内溶液浓度越大,颗粒间双电层越薄,压缩性降低；非饱和试样中吸力较大时,较少的水分不足以将盐分完全溶解,含盐量超过14 g/kg后,结晶盐占据一部分孔隙的体积,使得孔隙体积变少,试样的压缩性降低。

（3）从图2（b）和图2（c）可见,同吸力不同含盐下,试样在回弹起始压力相同时,回弹–再压缩曲线近似平行,曲线斜率为相应回弹压力下的回弹系数,回弹起始压力为300 kPa时的斜率比100 kPa时的大,即回弹系数随回弹起始压力的增大而增大,表明净平均应力循环试验中不同净平均应力下的回弹斜率并不相等,与“不同应力等向压缩状态下回弹变形斜率κ为常数”这一假定^[11]不相符,这是由于净平均应力增大,试样被逐渐压密,密度增大,回弹模量相应较大。

若忽略吸力的影响,将相同含盐量不同吸力下的回弹系数取均值并列于表3,可见起始回弹压力为300 kPa时,随含盐量的增加回弹系数先增加后减小,在含盐量为14～20 g/kg时试样的回弹系数最大,但当起始回弹压力为100 kPa时,含盐量对试样的回弹系数影响不大；起始回弹压力为300 kPa时的回弹系数明显比起始回弹压力为100 kPa时的大,且前者约为后者的1.5～2.5倍。

表  3  不同含盐量下的系数值

Table  3.  Coefficients under different salt contents

系数	5 g/kg	8 g/kg	14 g/kg	20 g/kg	26 g/kg
κ100均值	0.008	0.009	0.009	0.009	0.009
κ300均值	0.016	0.018	0.019	0.019	0.016
λs/(10-3)	1.3	0.8	0.4	0.7	0.8

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鉴于分析,绘制v–log p曲线上试样屈服后曲线斜率值——压缩性指标$\lambda$与含盐量的关系,见图3所示。从图3可见,吸力一定时,压缩性指标$\lambda$随含盐量的增加而减小；这是由于含盐量越大,盐离子作用越强,双电层厚度越薄,试样的可压缩性越低,压缩性指标$\lambda$越小。压缩性指标$\lambda$随吸力的增大而增大,吸力为150 kPa时最大,这是因为吸力越大,结构性越强,屈服前结构势能越大,屈服后释放能量的速率越快,即压缩变形率越大,压缩性指标$\lambda$越高。低吸力范围内（s≤100 kPa）压缩性指标$\lambda$变化较大,吸力为50 kPa时的压缩性指标$\lambda$约是吸力为0 kPa的1.3倍,吸力从0 kPa到100 kPa的压缩性指标$\lambda$差值占吸力从0 kPa到150 kPa差值的70%以上,表明在低吸力范围内试样的压缩敏感性较强。

图  3  压缩性指标$\lambda$与含盐量的关系

Figure  3.  Curves of compressibility index and salt content

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2.2   应力屈服特性

Alonso等^[11]表明,在p–s平面内,加载或湿化能引起土的屈服,即LC屈服线,吸力增加同样可引起屈服,即SI屈服线,它认为吸力增大到历史上曾经遭受过的最大吸力时土样屈服,两个曲线都是描述非饱和黄土的体积变化屈服,它们与坐标轴共同围成弹性区。图4为不同吸力下净平均应力循环试验的压缩曲线,由于篇幅有限,以含盐量5 g/kg和20 g/kg为例。同一土样的试验点近似位于两个相交的直线段上,两个直线段的交点为应力屈服点。吸力一定时,试样的比体积随净平均应力的增大逐渐减小,且随吸力增大比体积变化幅度减小；当净平均应力小于屈服净平均应力时,不同吸力下压缩曲线的变化不大,当净平均应力大于屈服净平均应力时,随吸力的增大压缩曲线逐渐变陡。这是由于净平均应力增大,试样中的孔隙气被压缩、孔隙水排出,使得试样发生体积收缩,孔隙比减小；吸力越大,试样的结构性越强,孔隙变化越小,比体积降低的越少,变化幅度越小；当净平均应力大于屈服净平均应力时,试样结构破坏,骨架颗粒重组使得比体积变化较大,吸力越大重组越快。

图  4  不同吸力下的压缩曲线

Figure  4.  Compression curves under different suctions

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从图4中确定不同条件下的屈服净平均应力,并绘制出屈服净平均应力p₀与含盐量θ的关系,如图5所示。可见屈服净平均应力随含盐量的增加呈先增大后减小的趋势,增加幅度比减小幅度大,当含盐量在14～20 g/kg范围时,存在最大屈服净平均应力,试样结构性最强；含盐量相同时,屈服净平均应力随吸力的增加而增大,且增加幅度逐渐减小,吸力从0 kPa到50 kPa变化时,屈服净平均应力增加幅度最大。

图  5  屈服净平均应力p₀与含盐量θ的关系

Figure  5.  Curves of yield net mean stress and salt content

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将应力屈服点绘于p–s平面上,连接同一含盐量的应力屈服点,可得不同含盐量下的加载–湿陷屈服轨迹,即LC曲线（如图6所示）。在屈服轨迹以左的应力点,净平均应力增大或吸力减小达到LC曲线,此时试样发生屈服。由图6可知,随含盐量的增加,屈服轨迹呈先外扩后内缩的规律,含盐量为20 g/kg时的屈服轨迹最靠外,含盐量为5 g/kg时的屈服线最靠内。表明在含盐量为20 g/kg时,试样的弹性区域最大,使试样发生屈服所需的净平均应力最大、含水率最高,即试样自身的结构性最强,屈服面最大。这是由于试样中一定盐分的增加会增强颗粒间的胶结作用,提高试样结构性及整体稳定性,屈服净平均应力增大；当盐分达到一定值后,过量的盐分可能将作为试样中的次骨架颗粒,降低试样的整体强度,屈服净平均应力反而降低。

图  6  p–s平面内不同含盐量的屈服轨迹

Figure  6.  Yield loci in p-s plane under different salt contents

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2.3   水量变化特性

为便于后文叙述,采用陈正汉^[12]提出的公式：

式中,${\epsilon }_{\text{w}}$为水相体变,ΔV_w和V₀分别为土样的水相体积变化量和初始体积,w,w₀,e₀和G分别为含水率,初始含水率,初始孔隙比和土粒相对密度。

图7中（a）和（b）分别为净平均应力循环试验的水相体变${\epsilon }_{\text{w}}$、含水率w与净平均应力p的关系,以含盐量5 g/kg为例。相同含盐量下,各吸力下的${\epsilon }_{\text{w}}$–p和w–p关系都是线性的,斜率分别用${\lambda }_{\text{w}}(s)$和$\beta (s)$表示,含盐量一定相同吸力下,随净平均应力的增大,试样水相体变${\epsilon }_{\text{w}}$逐渐增大,含水率w降低；饱和试样的水量变化指标变化最大,曲线最陡；非饱和试样中,吸力对水量变化指标影响不大。

图  7  净平均应力循环试验的水量变化关系（θ=5 g/kg）

Figure  7.  Moisture change under net mean stress cycle tests (θ=5 g/kg)

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${\lambda }_{\text{w}}(s)$与$\beta (s)$的关系可通过式（3）中含水率公式对p微分求得^[12]

式中,负号表示含水率随排水量增加而减小。本试验中黄土孔隙较大,计算可得${\lambda }_{\text{w}}(s)/\beta (s)$的理论值为1.4,且从图7中得到的${\lambda }_{\text{w}}(s)/\beta (s)$值也近似等于理论值。

水相体变指标${\lambda }_{\text{w}}(s)$与含盐量的关系见图8所示,可见,同吸力下,${\lambda }_{\text{w}}(s)$随含盐量的增大呈先增大后减小,在含盐量为14 g/kg下达到峰值,吸力为0 kPa时${\lambda }_{\text{w}}(s)$最大且变化幅度最大。这是由于饱和试样中孔隙完全被水填充,试样中初始含水率较高,且所施加的净平均应力全部用于试样中水分的排出,在固结过程中排水量必定最多；在含盐量小于14 g/kg时,盐分完全被溶解,含盐量越大试样中溶液的浓度越高,浓度差增大加快排水速率,排水引起的体积变化增长较快,含盐量大于14 g/kg时,多余的盐分会减慢盐溶液的扩散和排出,排水相对慢且少,可见在分析试样中水分变化时,含盐量的影响不容忽视。

图  8  水相体变指标${\lambda }_{\text{w}}(s)$与含盐量θ的关系

Figure  8.  Curves of index of moisture volume change and salt content

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3.   吸力循环试验

3.1   变形特性

在吸力循环试验中,吸力的变化等同于作用荷载的大小,在e–lgs平面内,吸力的增大、减小分别对应为试样的脱湿、吸湿过程,产生弹塑性变形、回弹变形,相应直线的斜率为吸力增加的压缩系数λ_s和吸力在弹性域内变化的回弹系数κ_s,绘制出不同含盐量下的增湿–减湿曲线,如图9所示。

图  9  孔隙比与吸力的关系

Figure  9.  Relationship between void ratio and suction

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从图9可见,试样孔隙比随吸力的增加整体逐渐降低,在试样结构屈服前后分别呈缓慢减小和快速减小趋势,表明吸力对试样孔隙比的影响主要表现在试样屈服之后,即土水特征干燥曲线的过渡区,且脱湿过程中体积变化幅度,随含盐量的增加呈先减小后增大。吸力循环试验中不同含盐量的压缩系数λ_s值列于表3,可见,压缩系数${\lambda }_{\text{s}}$随含盐量的增加同样存在一个极值,表明含盐量对增强试样的结构强度存在临界值,当含盐量小于临界值时起到结构增强的作用,大于临界值后反而降低结构强度。

3.2   吸力屈服特性

图10为吸力循环试验的体应变与吸力关系。同一试样的试验点同样近似位于首尾两段相交的直线段上,该交点为吸力屈服点。有趣的是,不同含盐量试样的交点位于同一竖线上,可见本试验中的含盐量对试样屈服吸力没有影响。这是因为土样的屈服吸力主要由土的初始干密度和自身的结构状态所决定^[13],本试验中均为饱和试样,试样中盐分完全溶解,并未影响试样的初始干密度,且均为同深度土层的原状土,因此不同含盐量试样的屈服吸力相等。此外,不同含盐试样的屈服吸力均为40 kPa,并不等于曾受过的最大吸力,这与陈正汉提出的修正吸力增加屈服条件s=s_y相符^[12],相比Alonso模型的屈服条件,此屈服条件扩大了弹性区域。

图  10  体应变与吸力的关系

Figure  10.  Relationship between volume strain and suction

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从图10可知,含盐量一定时,体应变随吸力的增加而增大,表明吸力同样在一定程度上影响土的体积变化；在屈服吸力之前,体应变随吸力的变化斜率受含盐量的影响较小,屈服吸力之后,影响相对较大,即在试样结构屈服后,颗粒间重新排列和胶结时,盐分的作用更明显；试样屈服后的体应变变化幅度随含盐量的增加呈先减小后增大趋势,表明含盐量对体积变化的抑制作用先增强后降低,即相同吸力下5 g/kg含盐量试样的体积变化最大,14 g/kg含盐量试样的体积变化最小,这主要是由于含水率相同时,试样内盐分增多,溶液浓度增高,扩散层变小,水膜厚度降低,流限含水率变小,变形减小,但当盐分增加过量,但当盐分增加过量,变形反而逐渐增大。

3.3   水量变化特性

吸力循环试验的S_r–lgs关系如图11所示,从图11可知,饱和度随吸力的增加不断降低,当吸力小于进气值（即边界效应区）时,含盐量对曲线影响不大；当吸力大于进气值进入过渡区后,不同含盐量的曲线略有差别,表明盐分对水量变化的影响主要发生在低含水率、高吸力阶段。

图  11  吸力循环试验中饱和度S_r与吸力s的曲线

Figure  11.  Curves of degree of saturation and suction in suction cycle tests

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吸力循环试验中,${\epsilon }_{\text{v}}$,${\epsilon }_{\text{w}}$与归一化吸力的对数lg[(s+p_a)/p_a]^[12]关系如图12所示,p_a是大气压,可见${\epsilon }_{\text{v}}$和${\epsilon }_{\text{w}}$都随吸力的增加逐渐增大,与归一化吸力近似呈线性关系,随含盐量的增加斜率呈先减小后增加趋势,且同一试样的水相体变均比体变大,表明试样的排水量比体变量大,这主要是由于吸力增加,孔隙气压力逐渐进入试样中,逐渐占据了原来由水占据的一部分孔隙体积,且孔隙气压的存在阻止了颗粒与颗粒间相互聚集,即排水后的孔隙大部分被孔隙气填充,只有小部分被压缩,所以体变量较小,排水量一般比体变量大。

图  12  吸力循环试验的体应变、水相体变和归一化吸力的关系

Figure  12.  Relationship among volume strain, moisture volume change and normalized suction in suction cycle tests

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4.   固结剪切试验

4.1   剪切屈服特性

关于非饱和土在三轴应力条件下的屈服问题一直是个值得探究的话题。鉴于三轴应力条件下,土的屈服同时受净平均应力和偏应力的影响,通过${\epsilon }_{\text{v}}$–lg(q/p)关系曲线确定屈服点。以含盐量为5 g/kg、吸力为0 kPa和150 kPa的非饱和原状黄土,在不同净围压下剪切过程中的ε_v–lg(q/p)关系曲线为例,如图13所示。从图13中可见：①同吸力下,随净围压的增大,剪切变形曲线逐渐向左上方移动,表明应力比一定时,试样的体应变随净围压的增大而增大；②同净围压下,剪切变形曲线随吸力的增加向右下方移动,即净围压一定时,吸力越大,偏应力增大,体应变减小；以上分析表明净围压和吸力均对体变产生一定影响,增大吸力能提高试样的整体结构强度,增强试样抵抗变形的能力,扩大剪切屈服面。

图  13  不同净围压下剪切体应变与应力比的关系

Figure  13.  Relationship between shear strain and stress ratio under different mean confining pressures

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将图13中的${\epsilon }_{\text{v}}$–lg(q/p)曲线首、尾部分别做直线,两直线交点为剪切屈服点,相应的应力为屈服应力（q_y,p_y）。此外,从图13可见,吸力一定时,随净围压的增加,屈服点向左上方移动,即净围压越大,应力比越小,体应变越大,表明净围压增大,对净平均应力的作用大于偏应力作用,应力比降低,与传统塑性力学中的基本假定相符。

按上述方法,确定不同条件非饱和原状黄土在三轴应力条件下的屈服应力（q_y,p_y）,分别绘于p–q平面内,如图14所示,图中不同含盐量和不同吸力下的p–q关系曲线分别以吸力为100 kPa和含盐量为26 g/kg试样为例。将饱和土的有效内摩擦角${\phi }^{\prime }$代入公式k₀=$1-\sin {\phi }^{\prime }$中,得到不同含盐量下的k₀值均为0.6,并在图14的p–q平面上做出相应的k₀线,与屈服线进行比较。

图  14  p–q平面上的屈服轨迹

Figure  14.  Yield loci in p-q plane

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从图14（a）可知,非饱和试样中,吸力一定时,随含盐量的增加,屈服曲线先右上移后左下移,即屈服应力（q_y,p_y）先增大后减小,这是由于随含盐量增加,试样的胶结强度增强,试样抵抗变形的能力提高,但含盐量超过临界值后,试样中过多的盐分将对试样的结构稳定性起相反的作用,加快试样屈服。从图14（b）可知：①含盐量一定时,非饱和试样的屈服应力（q_y,p_y）均位于k₀线之上,饱和试样的屈服曲线与k₀线相交且位于k₀线之下,表明非饱和试样屈服点的（q/p）值较大,饱和试样的（q/p）值较小；②相同含盐量下,随吸力的增加,屈服应力（q_y,p_y）均增大,屈服曲线向外扩展,这是由于吸力越大,土样含水率越低,结构性越强,且吸力作用能提高土骨架的结构稳定性,使得试样能承受较高的抗压和抗剪能力^[13]。

从图14中任一曲线可知,相同条件下,p–q平面上的屈服线近似为斜率变小的非线性变化,这是因为试样随净平均应力增大原状结构逐渐破坏,消减了试样抵抗剪切的能力,故随净平均应力的增加,偏应力增加幅度逐渐变小。

4.2   水量变化特性

图15为不同条件下非饱和试样在剪切过程中的w–p关系,图中不同含盐量和吸力下的关系分别以吸力100 kPa和含盐量5 g/kg为例。可见,吸力和含盐量一定时,试样的含水率随净平均应力的增大逐渐降低,表明试样在剪切过程中持续排水,同条件的3个净围压试样均落在一条狭窄的带状区域内,采用一条直线来表征该带状区域的整体变化趋势特征,该直线是通过对相同吸力、含盐量下的3个试样在试验过程中的含水率求均值所得。非饱和试样在破坏前,相同净平均应力下由该直线确定的含水率与试验点的实际含水率之差小于0.3%。

图  15  剪切过程中试样的含水率和净平均应力的关系

Figure  15.  Relationship between water content of specimens and net mean stress during shearing

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从图15（a）中可见,吸力一定时,试样含水率随含盐量的增大呈向上移动的趋势,不同含盐量试样近似平行,表明相同吸力下含盐量越高,试样剪切初始含水率越大,即试样在固结过程中的排水量越小,但试样在剪切过程中水量变化幅度基本一致。这是由于固结过程中净围压一定,试样的含盐量越高,渗透吸力越大,总吸力越大,土基体内水分子移动所需的能量越大,所以排水量越小。

从图15（b）中可见,含盐量一定时,随吸力的增加,试样含水率向下方移动,且含水率变化线斜率减小,表明吸力越大,含水率越小,剪切过程中含水率变化越少。因此,试验过程中水量的变化不仅与外荷载有关,还与试样内部的吸力和含盐量相关。

取轴向应变15 %所对应的含水率作为试样剪切完成后的含水率,鉴于前文分析可知,试样剪切完成后的含水率与净围压、吸力和含盐量有关,本文将不同条件下非饱和试样剪切完成后的含水率w与θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$作于同一坐标,见图16所示,图中以净围压100 kPa和含盐量5 g/kg为例。

图  16  剪切完成后试样的含水率和θs/(σ₃-u_a)的关系

Figure  16.  Relationship between water content of specimens and θs/(σ₃-u_a) after shearing

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从图16可见,相同含盐量和净围压下,不同吸力试样剪切完成后的w与θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$近似呈线性关系,w随θs/(σ₃-u_a)的增大逐渐减小。从图16（a）可见,净围压一定时,随着含盐量θ的增大,w-θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$关系曲线呈向右上方移动趋势,且曲线斜率越来越小,表明w和θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$均随着θ的增大而增大,且θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$增加较快,w增加较慢；随含盐量增大,含水率随θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$降低的越慢,这是由于试样中盐分越高,溶质吸力越大,移动水分子所需的能量越大,同应力条件下排水较少。从图16（b）可见,含盐量一定时,随着净围压${\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}$的增大,w-θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$关系曲线呈向左下方移动趋势,表明w和θs/$\text{(}{\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}\text{)}$均随着${\sigma }_{\text{3}}-u_{\text{a}}$的增大而减小。

5.   应力路径的影响

相同含盐量下的3种试验在p–s平面内有4个相同的应力状态交点,同一试样经不同应力路径达到相同应力状态时的体应变${\epsilon }_{\text{v}}$和水相体变${\epsilon }_{\text{w}}$并不一定相同,如表4所示,以含盐量5 g/kg为例,其中,①、②、③分别表示净平均应力循环、吸力循环和固结剪切试验。在试样初始体积一定时,${\epsilon }_{\text{v}}$和${\epsilon }_{\text{w}}$的增减直接反映了试样体变量和排水量的大小。

表  4  应力交点处的${\epsilon }_{\text{v}}$和${\epsilon }_{\text{w}}$

Table  4.  Values of ${\epsilon }_{\text{v}}$ and ${\epsilon }_{\text{w}}$ at intersection of stress

类别	${\epsilon }_{\text{v}}$/%				${\epsilon }_{\text{w}}$/%
s/kPa	0	50	100	150	0	50	100	150
p/kPa	100	100	100	100	100	100	100	100
①	9.7	3.5	2.5	2.4	7.8	1.6	3.0	0.4
②	12.0	17.1	23.5	26.4	0.2	9.4	28.4	34.9
③	13.9	6.0	4.4	5	10.9	0.6	0.2	0.1
注：①、②、③分别表示净平均应力循环、吸力循环和固结剪切试验。

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从表4可见,饱和试样中试验③的${\epsilon }_{\text{v}}$和${\epsilon }_{\text{w}}$变化最大。非饱和试样中${\epsilon }_{\text{v}}$由大到小的试验为②>③>①,而${\epsilon }_{\text{w}}$由大到小的试验为②>①>③,且试验②比试验①、试验③的变化大的多。这是由于试验②中初始试样均为饱和状态,故其体变量和排水量的累积量最大。从有效应力原理分析,非饱和试样中因孔隙气的存在使得孔隙水非连续,加荷后孔隙水压力的分担需要一定的时间,荷载越大所需时间越长。采用一次加载时孔隙水压力承担的较小、消散慢、排水量少,有效应力相对较高,体变较大；相反,采用分级加载时孔隙水压力承担的相对较多,体变较小。所以非饱和试样采用分级加载比一次加载的排水量大、但体变量小。

6.   结论

（1）在净平均应力循环试验中,含盐量增加和吸力减小分别使压缩性指标$\lambda$最大降低14.7%和41.1%；低吸力试样的压缩敏感性和水量变化幅度较大,饱和试样的水相体变是非饱和试样的2～4倍；回弹系数随回弹起始压力的增大而增大,起始回弹压力为300 kPa时的回弹系数是100 kPa时的1.5～2.5倍；含盐量在14～20 g/kg间存在峰值屈服净平均应力、屈服剪应力,屈服面最大。

（2）在吸力循环试验中,脱湿曲线体变量在含盐量为14 g/kg时存在极小值；含盐量对屈服基质吸力影响不大；含盐量对水量的影响主要发生在过渡区。

（3）在固结剪切试验中,在p–q平面内,吸力增大,屈服曲线向外扩大；含盐量越高固结过程中试样排水量越小,试样剪切过程中含水率随净平均应力增大线性降低1%～23%,吸力越大含水率降低的越慢且变化越小。