盐比重对间断级配(gap-graded)土体溶盐后力学行为的影响

《Soils and Foundations》：Effects of salt specific gravity on the post-dissolution mechanical behaviours of gap-graded soils

　　

盐溶解法（salt dissolution method）是模拟土体内部可侵蚀细粒（fines）流失的有效手段，即以等质量可溶性盐替代被侵蚀细粒，从而精确控制细粒流失量并研究其对土体溶盐后力学行为的影响。本研究选用三种不同比重（specific gravity）的盐，通过三轴试验（triaxial test）考察盐比重对砂–盐混合料溶盐过程中变形特征及溶盐后力学行为的影响，并考虑初始密度的作用。溶盐过程中，体积应变（volumetric strain, εv）随细粒流失量增加而增大；使用低比重盐的试件因盐占据体积更大、溶失固体体积更多，该效应更显著，导致土体结构受扰更严重，溶盐后试件较使用高比重盐者更为疏松。在不排水单调加载（undrained monotonic loading）的溶盐后三轴试验中，盐比重对摩擦角（friction angle, φ′）影响甚微，但高比重盐试件表现出略高的强度。内部溶盐使临界状态线（critical state line, CSL）上移，但临界状态线位置与盐比重无关。

论文解读：《Effects of salt specific gravity on the post-dissolution mechanical behaviours of gap-graded soils》发表于《Soils and Foundations》

一、研究背景与目的

内部侵蚀（internal erosion，尤指管涌suffusion——细粒流失）是堤坝及边坡失事的重要诱因。细粒（fines）流失引起颗粒重排及接触变化，显著改变土体组构（fabric）与力学响应。现有研究多采用真实水力侵蚀或盐溶解法（salt dissolution method）以等质量可溶性盐替代细粒模拟流失，但均聚焦于细粒流失量本身的影响，尚未系统考察所用盐的物理属性——特别是盐比重（salt specific gravity, G_salt）——对初始试件组构、溶盐过程体变及溶盐后力学行为的干扰。由于不同G_salt在相同质量下占据不同固体体积，会改变初始孔隙比（void ratio, e）、颗粒接触及力链（force chain）分布，进而影响实验结果。为此，Jiang等（Sheng Jiang, Shilin Jiao, Yu Wan, Xu Li）采用三种不同比重可溶性盐替代间断级配（gap-graded）砂土中25%细粒，制备不同初始相对密度（relative density, D_r）的砂–盐混合料，开展各向同性固结—溶盐—再饱和—不排水单调三轴剪切（undrained monotonic triaxial shearing），系统研究盐比重与初始密度对溶盐过程中体变及溶盐后不排水力学行为、有效应力路径（effective stress path）及临界状态线（critical state line, CSL）的影响，填补盐物理属性对试验结果干扰的认知空白，为盐溶解法实验设计提供指导。

二、主要关键技术方法

研究人员选用长江石英砂（G_soil=2.65）配制间断级配土，以占干土总质量25%的三种盐——硫酸钾（K₂SO₄，G_K=2.66）、氯化钠（NaCl，G_N=2.17）、葡萄糖（C₆H₁₂O₆，G_C=1.68）——等质量替代细粒。按目标相对密度D_r=0.3（松）、0.5（中密）、0.7（密）以湿捣法（moist tamping，5%含水率）分层制样（?61.8 mm×H125 mm）。先施加50 kPa各向等压围压，CO₂饱和后通入脱气水进行受控渗流溶盐并监测出水电导率至接近本底值确认完全溶解，再反压饱和（B≥0.95），各向同性固结后开展轴向应变率0.1%/min的不排水单调三轴试验。溶盐期体变由压力控制器记录，溶盐后孔隙比e_er按考虑固结与溶盐体积变化的公式计算，临界状态（critical state）由Boltzmann函数外推获得。

三、研究结果

3.1 溶盐过程中试件的体积变化（Specimen volume changes during salt dissolution）

相同质量掺盐量下，低比重C-盐占据更大固体体积，溶去后产生更大孔隙增量，故溶盐引起的压缩体变ε_v排序为ε_{v,G（C-盐）}> ε_{v,N（NaCl）}> ε_{v,K（K2SO4）}（高掺盐量7.5%、12.5%时）；低掺盐量（2.5%）时受粒径与骨架接触影响略有差异。初始松散态（L）更易产生溶盐体变。溶盐后孔隙比e_er随盐比重降低显著增大，初始密度对e_er影响不明显。结论：盐比重主导溶盐后孔隙比，低G_salt→更大e_er及更松散组构。

3.2 细粒流失对溶盐后不排水行为的影响（Impact of fines loss on post-dissolution undrained behaviour）

以K-盐松散试件为例：少量细粒流失（2.5%）无明显流动软化；较高流失量（≥7.5%）出现不排水峰值状态（undrained peak state, UPS）与准稳态（quasi-steady state, QSS——剪应力达谷值的最小抗剪状态）。细粒流失量增加使峰值超静孔压（excess pore water pressure, δu_max）略降，软化现象增强，相变（phase transformation, PT）推迟，大应变下极限状态（ultimate state, US）强度显著降低（12.5%流失约降40%）。结论：细粒流失削弱不排水强度与摩擦角，增强剪胀延迟及软化。

3.3 盐比重对溶盐后不排水行为的影响（Impact of salt specific gravity on post-dissolution undrained behaviour）

相同细粒流失量下，δu_max基本不受G_salt影响。小应变UPS强度受G_salt影响小；QSS强度与US强度随G_salt降低而降低（K-盐＞N-盐＞C-盐），低G_salt延迟QSS出现（低掺盐量时）。大应变US强度亦呈K-盐最高、C-盐最低，差异随流失量增大而显著。结论：盐比重对不排水峰值摩擦角影响小，但低G_salt降低QSS与US强度及摩擦角，加剧强度衰减。

3.4 密度对溶盐后不排水行为的影响（Impact of density on post-dissolution undrained behaviour）

密实与中密试件未溶盐时表现硬化或弱流动，溶盐后（尤其12.5%流失）出现UPS与QSS。密实态可抑制QSS出现。同G_salt不同密度态US强度有别，但无论D_r=0.3/0.5/0.7，K-盐混合料US强度＞N-盐＞C-盐。结论：初始密度影响是否出现软化态，但不改变盐比重对最终强度的排序影响。

3.5 有效应力路径与临界状态（Effective stress path and critical state）

所有试件有效应力路径先收缩后沿近似CSL斜率发展。细粒流失降低应力比参数η=q/p′，CSL因流失上移且略变陡（更大e、更低p′）；但同一细粒流失量下，三种G_salt试件CSL重合，即CSL位置与盐比重无关。 mobilized摩擦角随流失量降低，盐比重对峰值摩擦角影响小，但高G_salt试件具稍高US摩擦角（低掺盐时）。结论：初始组构差异在持续剪切中被破坏，残存骨架受本征颗粒属性控制，故CSL不受G_salt影响。

四、讨论与结论总结

研究表明：①盐比重通过改变初始固体体积与组构影响溶盐后孔隙比及小–中应变强度——低G_salt致更大e_er、较低准稳态与极限强度；②尽管G_salt改变初始状态，但溶盐后持续剪切破坏初始组构，所有试件趋于相同临界状态，故临界状态线（CSL）位置独立于盐比重，只受细粒流失量（最终级配）控制；③高G_salt盐因其与真实砂相近的密度增强颗粒接触力与咬合，溶盐后残余骨架具较高不排水强度。该结果提示使用盐溶解法模拟细粒流失时宜选用G_salt接近被替代细粒的盐以减少初始组构偏差。论文主要结论为：(1) 不排水单调加载下，盐比重影响土–盐混合料强度：低比重盐降低准稳态强度，因低比重大体积盐粒干扰砂骨架力链并形成更松散堆积，该规律在中密及密实试件中同样存在；(2) 虽盐比重改变初始孔隙比与强度，但溶盐及持续剪切后初始组构被破坏，所有试件演化为由残留颗粒本征属性与最终级配控制的相同临界状态，故临界状态线与盐比重无关；(3) 试件极限强度随盐比重增大而增大，归因于高比重固体颗粒增大粒间有效接触力与咬合作用，从而提高抗剪强度。