王銀濤，王開拓，張立新，2，馬忠誠，李新?lián)Q

(1.青海民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，青海 西寧 810007；2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，含水率較低時(shí)，壓縮性低，強(qiáng)度較高；但當(dāng)其受水浸濕后，在土體自重應(yīng)力或自重應(yīng)力與外部附加應(yīng)力共同作用下強(qiáng)度降低。當(dāng)土體中殘余的強(qiáng)度不足以抵抗土體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著的沉陷[1-3]。隨著社會(huì)的發(fā)展，黃土濕陷性成為黃土高原地區(qū)制約城市擴(kuò)大化首要問題。

青海東部地區(qū)屬于黃土高原西部，自重濕陷性黃土分布較廣，浸水濕陷性特征明顯，濕陷性黃土厚度一般大于10 m，濕陷系數(shù)約為0.03～0.09，對(duì)工程建設(shè)存在較大的危害性。近年來，隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議實(shí)施推向縱深，青海省基礎(chǔ)建設(shè)迎來了高速發(fā)展機(jī)遇，但尚未對(duì)黃土的分布和濕陷性開展系統(tǒng)研究，公路市政建設(shè)等往往參考其他地區(qū)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，是否適應(yīng)于青海當(dāng)?shù)厍闆r尚不得而知。

目前，較常用的黃土濕陷性處理方法有擠密法、換填灰土墊層法、沖擊碾壓法、強(qiáng)夯法以及孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法。以上方法一般只能消除基底下10～15 m地基土的濕陷性，基底下的濕陷性黃土層大于15 m時(shí)，往往采用樁基穿透濕陷性黃土層予以處理，但費(fèi)用較高[4-5]。近年來，通過添加固化劑來提高黃土在含水率增加時(shí)的強(qiáng)度有了一定的研究。劉月梅等[6]利用EN-1離子固化劑對(duì)黃土性土壤持水、供水等水分特征的影響進(jìn)行的研究表明，無論土壤中是否加入固化劑，隨土壤容重的增加，土壤的飽和導(dǎo)水率降低。但是，黃土強(qiáng)度降低的直接原因在于含水率增加，破壞了其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。因此，研究不同含水率條件下固化劑摻量對(duì)黃土強(qiáng)度的影響規(guī)律是十分有必要的。

本文采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以青海東部地區(qū)典型土壤馬蘭黃土為研究對(duì)象，通過添加劑與黃土混摻以提高濕陷性黃土強(qiáng)度為目標(biāo)，選取4個(gè)不同的土壤含水率和5種不同土壤固化劑(High Strength and Water Stability Earth Consolidator，HEC)摻量，系統(tǒng)研究含水率和添加劑摻量對(duì)土壤的比水容重、強(qiáng)度和持水性的影響規(guī)律，可為HEC應(yīng)用于濕陷性黃土生態(tài)防護(hù)提供理論依據(jù)。

表1 黃土物理力學(xué)性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

HEC是一種可以提高土壤強(qiáng)度和抗?jié)B能力的固化劑，以工業(yè)廢渣為主要原料，與核心原料和其他組分復(fù)合磨細(xì)混勻而成的無熟料膠結(jié)材料，高強(qiáng)、耐水、適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于各種骨料或填充料。HEC作為土壤固化劑，加入土中后自身既能水化復(fù)合產(chǎn)生超疊加效應(yīng)，使土顆粒表面緊密接觸，又能激發(fā)土粒中硅鋁酸鹽礦物的潛在活性，使土顆粒表面形成牢固的多晶粘粒聚集體，從而提高了土體的強(qiáng)度。由于HEC較強(qiáng)烈的固化作用，可使固化后的土體抗?jié)B強(qiáng)度相應(yīng)提高。HEC可在常溫條件下與其他材料主體直接膠結(jié)，對(duì)工程材料和工程環(huán)境沒有嚴(yán)格要求。因此，在HEC施工技術(shù)要求中，對(duì)骨料和其他摻合料選擇較為廣泛，對(duì)拌合用水的水質(zhì)也基本沒有特殊要求，就地拌合后有較大的強(qiáng)度和抗?jié)B能力。試驗(yàn)用黃土物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。設(shè)3個(gè)不同含水率和1個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，即HEC摻量為5.46%(對(duì)照含水率)、10.0%、15.0%、20.0%，均為質(zhì)量含水率，分別記作θ0、θ1、θ2、θ3；4個(gè)添加劑摻量和1個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，即HEC摻量為0、0.10%、0.15%、0.20%、0.30%，以干土質(zhì)量計(jì)，分別記作CK、K1、K2、K3、K4。測(cè)定不同含水率條件下，HEC摻量對(duì)黃土強(qiáng)度和持水性的影響規(guī)律。

1.2.1土壤強(qiáng)度的測(cè)定

單軸抗壓試驗(yàn)是一種簡單、有效測(cè)試土強(qiáng)度的方法。對(duì)濕陷性黃土而言，不同的含水率也可以改變土的強(qiáng)度。為考慮含水率對(duì)黃土強(qiáng)度的影響，可將原狀黃土的單軸抗壓強(qiáng)度與不同含水率和添加劑黃土的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，反映浸水和HEC對(duì)黃土強(qiáng)度的影響。將不同含水率原狀土試樣、不同含水率和不同HEC摻量重塑土試樣和飽和原狀土試樣裝入單軸抗壓試驗(yàn)儀，施加豎向應(yīng)力，控制加載過程試樣的變形速率，隨著試樣軸向變形的發(fā)展，可測(cè)出峰值強(qiáng)度。

1.2.2土壤特征曲線的測(cè)定

土壤水分特征曲線是土壤水吸力隨含水率變化的關(guān)系曲線，反映了土壤的持水能力和土壤水分的基本特征。土壤吸水過程和失水過程中所得到的土壤水分特征曲線，即為土壤水分特征曲線的吸水曲線和脫水曲線[7]。本研究采用脫水曲線來討論土壤持水性問題。利用Gardner模型擬合土壤水分特征曲線。Gardner模型表示水分特征曲線的表達(dá)式如下

θ=aS-b

(1)

式中，θ為質(zhì)量含水率；S為土壤水吸力；a和b為非線性回歸系數(shù)。

1.2.3比水容量的測(cè)定

比水容量C(S)亦稱作土壤的容水度，是指單位基質(zhì)勢(shì)變化引起的土壤含水率的變化，在數(shù)值上等于土壤水分特征曲線斜率的負(fù)值，表示單位吸力變化時(shí)單位質(zhì)量土壤可釋放或儲(chǔ)存的水量，是評(píng)價(jià)土壤持水性強(qiáng)弱的關(guān)鍵參數(shù)[8-11]。比水容量的獲取公式為

C(S)=-dθ/dS

(2)

對(duì)土壤特征水分曲線的斜率求導(dǎo)可得

C(S)=a×b×S-(b+1)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

取同一場(chǎng)地土樣，分別制備不同含水率和添加HEC的原狀土、重塑土，并通過單軸壓縮試驗(yàn)確定不同含水率下的單軸抗壓強(qiáng)度，可得到黃土的強(qiáng)度變化規(guī)律。圖1為不同含水率條件下，不同HEC摻量對(duì)黃土強(qiáng)度的影響。從圖1中可以看出，黃土強(qiáng)度隨著HEC摻量的增多逐漸增強(qiáng)，隨著含水率的增加逐漸下降，增濕或減濕作用是影響黃土強(qiáng)度的重要因素之一。因此，含水率的增加導(dǎo)致了黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，HEC可以提高黃土強(qiáng)度。

圖1 HEC摻量對(duì)黃土強(qiáng)度的影響

2.2 持水特征評(píng)價(jià)

2.2.1水分特征曲線

水分特征曲線高低通常代表土壤持水能力的大小。利用Microsoft Excel繪制土壤水分特征曲線，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤持水性與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性。HEC處理后的黃土養(yǎng)護(hù)10 d后，環(huán)刀取樣進(jìn)行土壤水分特征曲線測(cè)定，結(jié)果用經(jīng)驗(yàn)方程θ=aS-b進(jìn)行擬合，擬合方程及參數(shù)見表2。

從表2可知，無論黃土中是否摻入HEC，在不同的含水率條件下，土壤水吸力與土壤含水率的關(guān)系均符合Gardner方程，其相關(guān)系數(shù)均高于0.99，說明添加HEC并不會(huì)對(duì)土壤的本身性質(zhì)造成過大影響，其失水特征仍舊符合原有的土壤特征。有研究表明[12-13]，在土壤水分特征曲線方程θ=aS-b中，a值反映曲線的高低，即a值越大，持水能力相對(duì)越強(qiáng)。而參數(shù)b則表征水分特征曲線的走向。不同含水率條件下，回歸方程中a值均低于對(duì)照試驗(yàn)(CK)。含水率為5.46%時(shí)，隨著HEC摻量的增加，a值逐漸降低；含水率為10.0%～15.0%時(shí)，HEC摻量在0.1%～0.15%范圍內(nèi)，隨著HEC摻量的增大，a值逐漸降低。綜上，HEC降低了土壤的持水能力，持水能力的降低與HEC摻量成正比。從水分特征曲線斜率的變化可以看出，經(jīng)HEC處理過的土壤，曲線斜率絕對(duì)值都比對(duì)照組小，說明添加HEC后土壤釋放水分的能力有所提高，土壤中摻入一定比例的HEC并經(jīng)短期處理后，對(duì)土壤持水能力產(chǎn)生一定的影響。分析不同含水率條件下黃土含水率θ與水吸力S的數(shù)學(xué)模型參數(shù)a可知，土壤含水率隨著HEC摻量的增加而降低，HEC摻量在0.1%～0.30%范圍內(nèi)，采用高摻量HEC處理土壤時(shí)對(duì)土壤持水性影響相對(duì)較大。相同吸力下，含水率越高的黃土吸持水分的飽和度較大，曲線坡度越平緩，說明隨著土壤容重的加大，水分特征曲線越陡峭。

表2 土壤的水分特征曲線的擬合方程及擬合參數(shù)

注：R2為土壤水吸力與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)。

2.2.2HEC對(duì)黃土比水容量的影響

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土壤持水能力，通常以水分特征曲線為依據(jù)，尋找合理參數(shù)來全面反映水分隨土壤吸力變化的動(dòng)態(tài)過程。比水容量是反映土壤可釋出水量多少的指標(biāo)，一般認(rèn)為，土壤水吸力為100 kPa時(shí)，比水容量值可以很好地表征土壤失水能力[14]。表3為不同HEC摻量處理水吸力為100 kPa的土壤時(shí)的比水容量值。從表3可以看出，總體來說，相同含水率條件下，隨著HEC摻量的增加，黃土比水容量逐漸減小，CK與其他處理間存在顯著差異；相同HEC摻量時(shí)，隨著含水率的增大，黃土比水容量逐漸增大，不同含水率之間黃土比水容量存在顯著差異，隨著含水率的增大，顯著性減小。不同含水率條件下，不同HEC摻量土壤供水能力與失水速度變化趨勢(shì)基本一致，但不同HEC摻量間差異較顯著，說明土壤中加入HEC后均降低了土壤的失水能力，這與土壤水分特征曲線Gardner模型參數(shù)b所反映的結(jié)論基本一致。不同HEC摻量，CK比水容量值差異較小，而其他不同含水率比水容量存在較明顯的差異，且總體顯現(xiàn)出隨含水率的增加而增加的趨勢(shì)?？梢缘贸觯嗤蕳l件下，隨著HEC摻量的增加，黃土失水能力越強(qiáng)；不同含水率條件下，隨著含水率的升高失水能力增大。

表3 不同HEC摻量處理水吸力為100 kPa土壤的比水容量 kPa-1

注：顯著水平為0.05。

2.3 HEC對(duì)黃土強(qiáng)度與比水容重的影響

根據(jù)式(3)得到水吸力為100 kPa時(shí)的土壤的比水容量和土壤強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系式，結(jié)合土壤水分特征曲線，擬合得到土壤水分特征曲線參數(shù)a和b，由式(1)、(2)、(3)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得表2的不同HEC摻量條件下比水容量參數(shù)a與b的值，得出不同HEC摻量的黃土強(qiáng)度與比水容量曲線，以土壤強(qiáng)度為縱坐標(biāo)、比水容量為橫坐標(biāo)，關(guān)系曲線見圖2。

圖2 黃土強(qiáng)度與比水容量的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著比水容量的增加，黃土強(qiáng)度逐漸下降，黃土強(qiáng)度與比水容量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。CK與其他處理相比，隨著HEC摻量的增加，黃土強(qiáng)度逐漸上升。因此，在同一含水率條件下，隨著比水容重的增加，黃土強(qiáng)度逐漸降低，隨著HEC摻量的增加，黃土強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。HEC在一定程度上可提高黃土強(qiáng)度，黃土強(qiáng)度與比水容量之間呈負(fù)相關(guān)。

3 結(jié) 語

本文以青海東部地區(qū)典型土壤馬蘭黃土為研究對(duì)象，在不同含水率與HEC摻量情況下，對(duì)土壤的比水容重、強(qiáng)度和持水性的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)利用單軸抗壓試驗(yàn)，測(cè)定了不同含水率條件下，HEC摻量對(duì)青海馬蘭黃土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，相同含水率條件下，濕陷性黃土的強(qiáng)度隨著HEC摻量的增加而增加；相同HEC摻量條件下，濕陷性黃土強(qiáng)度隨含水率的增大而減小。

(2)采用Gardner模型擬合土壤水分特征曲線，隨著HEC摻量的增加，黃土持水性降低，比水容量逐漸減??；黃土強(qiáng)度與比水容量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著比水容量的增加，黃土的強(qiáng)度逐漸減小；HEC對(duì)黃土強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用。