母冰潔， 王康宏

(韓城市水土保持工作站， 陜西 韓城 715400)

我國青海東部地區(qū)分布有較為廣泛的濕陷性黃土。濕陷性黃土是一種與其他土質(zhì)類型不同的非飽和土質(zhì)，含有大量以粗粉粒為骨架的多孔隙架構(gòu)，當(dāng)未被水浸潤時(shí)，壓縮性較小，強(qiáng)度較高。黃土被水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)在外部附加應(yīng)力或附加應(yīng)力和自重應(yīng)力共同作用下極易遭受破壞，造成較大的濕陷變形，并引起土體強(qiáng)度顯著降低。該地區(qū)黃土濕陷系數(shù)為0.03～0.09，濕陷性特征明顯，對(duì)工程建設(shè)存在較大的危害性，成為制約城市建設(shè)的重要問題[1]，需采取相應(yīng)的地基解決方法，以保證其濕陷變形、承載力滿足設(shè)計(jì)及建筑物長久使用要求。

濕陷性黃土穩(wěn)定性控制常用處理方法有灰土素土墊層法、灰土擠密樁法、樁基礎(chǔ)法與樁柱攪拌法、沖擊碾壓法和孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法等[2-3]，而傳統(tǒng)方法只能消除基底下1～15 m深度的黃土濕陷性，當(dāng)濕陷性黃土層大于15 m時(shí)，一般采用樁基穿透法進(jìn)行處理，但成本較高[4-5]。有研究表明，添加固化劑可提高黃土強(qiáng)度。劉月梅等[6]研究表明，添加EN-1離子固化劑可降低土壤的持水力，但對(duì)土壤有效水含量影響不顯著。卜思敏等[7]利用納米硅溶液加固黃土得出，固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大提升，且納米二氧化硅顆粒粒徑越小，加固效果越好。陳瑞鋒等[8]研究發(fā)現(xiàn)，利用赤泥可顯著增加黃土最大動(dòng)彈性模量、抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。張偉峰等[9]研究表明，在黃土中添加HEC固化劑可有效改善黃土的強(qiáng)度、抗崩解性、滲透性及濕陷性。含水率增大可破壞黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是造成黃土強(qiáng)度降低的直接原因。關(guān)于EFS土壤固化劑含量對(duì)不同含水率濕陷性黃土強(qiáng)度影響的研究報(bào)道較少。為此，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法，研究不同含量EFS土壤固化劑對(duì)濕陷性黃土水分特征曲線、比水容量、強(qiáng)度和持水性等物理特性的變化特征，以期為濕陷性黃土中EFS土壤固化劑適宜用量的確定以及生態(tài)環(huán)境防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試土壤為馬蘭黃土，取自青海東部黃河上游谷地(35°20′～36°25′N，100°55′～102°50′E)，該地區(qū)位于黃土高原和青藏高原的過渡地帶，典型土壤馬蘭黃土，其具有粉質(zhì)、富鈣、孔隙較大、垂直節(jié)理發(fā)育等特征[1,10]，是典型的濕陷性土壤。試驗(yàn)黃土的物理性質(zhì)：干密度1.63 g/cm3，含水率5.51%，孔隙比87.4%，飽和度57.8%，液限25.1%，塑限7.6%，濕陷系數(shù)0.03～0.09，凝聚力32.1 kPa。

1.1.2固化劑EFS土壤固化劑，營口歐亞環(huán)保材料有限公司。EFS土壤固化劑是一種主要成分為表面活性劑、硼酸或硼酸鹽的組成離子型化合物新型固化材料，能夠破壞土壤顆粒間的結(jié)構(gòu)，在顆粒間形成不透水網(wǎng)膜，依靠土壤黏性提高土壤的穩(wěn)定、承載力及防止水滲透等。

1.2方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)在土壤含水率分別為5.51%、10.00%、15.00%、20.00%和25.00%條件下，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)分組方法，根據(jù)固化劑不同含量共設(shè)6個(gè)處理：對(duì)照(CK)，不用固化劑(即用量為0)；G1，固化劑用量為0.05%；G2，固化劑用量為0.10%；G3，固化劑用量為0.15%；G4，固化劑用量為0.20%；G5，固化劑用量為0.30%；3次重復(fù)。

1.2.2指標(biāo)測(cè)定

1) 土壤強(qiáng)度。由于濕陷性黃土強(qiáng)度受含水率影響較大，因此考慮含水率的影響，取同一地點(diǎn)黃土土樣，分別制備不同含水率和添加固化劑的原狀土、重塑土試樣，將原狀黃土的抗壓強(qiáng)度與不同含水率和添加固化劑黃土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，反映固化劑和含水率對(duì)黃土強(qiáng)度的影響[11]。將不同含水率和含水率飽和的原狀土試樣、不同含水率和不同固化劑含量的重塑土試樣裝入單軸抗壓試驗(yàn)儀，過程中控制試樣的變形速率，最終測(cè)出試樣軸向變形峰值強(qiáng)度，即測(cè)試黃土強(qiáng)度，主要以內(nèi)摩擦角和黏聚力體現(xiàn)。

2) 土壤水分特征曲線。土壤水分特征曲線可反映土壤持水力和土壤水分的基本特征。其吸水曲線和脫水曲線表示土壤的吸水過程和失水過程。研究采用脫水曲線評(píng)價(jià)濕陷性土壤的持水性[12]。因?yàn)镚ardner的冪函數(shù)方程具有較其他模型待定參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中更為方便，所以選擇Gardner模型擬合土壤水分特征曲線[13-14]。對(duì)添加固化劑后的黃土試樣養(yǎng)護(hù)10 d后，利用環(huán)刀測(cè)定試樣含水率，然后繪制土壤水分特征曲線。

θ=AS-B

式中，θ為體積含水率(%)；S為土壤水吸力(kPa)；A、B為非線性回歸系數(shù)。

3) 比水容量。比水容量(Cθ，單位：cm3/cm3KPa)是指單位基質(zhì)勢(shì)變化引起的土壤含水率的變化，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)弱的重要參數(shù)[6,15-17]。

Cθ=-dθ/dS=ABS-(B+1)

式中，A、B為土壤持水曲線擬合參數(shù)，A值大小表示曲線的高低，當(dāng)A值越大時(shí)，土壤持水力越強(qiáng)；B值大小表示曲線走向，即土壤水勢(shì)降低的快慢，B+1表示土壤含水率隨土壤吸力變化快慢程度，B+1越大，土壤水分變化越快，即脫水曲線中土壤失水越快。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010繪制土壤水分特征曲線，運(yùn)用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，土壤持水性與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性利用Pearson進(jìn)行分析[18]。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對(duì)黃土強(qiáng)度的影響

從圖1看出，不同含水率下各固化劑含量黃土內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化。內(nèi)摩擦角：CK，不同含水率黃土內(nèi)摩擦角為23°～38°，依次為15.00%>20.00%>25.00%>10.00%>5.51%；G1、G2、G3、G4和G5，不同含水率黃土內(nèi)摩擦角分別為33°～42°、37°～45°、38°～46°、33°～42°和28°～37°，均依次為15.00%>20.00%>10.00%>25.00%>5.51%。黏聚力：CK，不同含水率的黏聚力基本沒有變化，為27～31 kPa，依次為15.00%>20.00%>25.00%>10.00%>5.51%；G1、G2、G3、G4和G5，不同含水率黃土內(nèi)摩擦角分別為45～56 kPa、59～73 kPa、64～80 kPa、56～74 kPa和52～66 kPa，均依次為15.00%>20.00%>10.00%>25.00%>5.51%。

總體看，不同含水率下，黃土內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨著固化劑含量的增加呈先升后降趨勢(shì)。當(dāng)固化劑含量為0.15%時(shí)，濕陷性黃土抗壓強(qiáng)度最大，固化劑含量>0.15%后，黃土抗壓強(qiáng)度隨固化劑含量增加呈下降趨勢(shì)，固化劑含量過高會(huì)降低黃土抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致固化劑的有效利用率降低；同時(shí)含水率也是影響濕陷性黃土抗壓強(qiáng)度的重要因素，含水率在10.00%～15.00%時(shí)，黃土強(qiáng)度隨含水率增大而增大，當(dāng)含水率在15.00%～25.00%時(shí)，含水率增加導(dǎo)致黃土強(qiáng)度降低。當(dāng)含水率為15.00%，固化劑含量為0.15%時(shí)，黃土強(qiáng)度最大。

2.2不同處理對(duì)黃土持水性的影響

2.2.1土壤持水力從表1看出，濕陷性黃土中是否添加固化劑，土壤水吸力與土壤含水率關(guān)系均符合Gardner方程(相關(guān)系數(shù)均>0.99)，說明濕陷性黃土中添加固化劑并不會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)造成過大影響，其失水特征仍然符合土壤原有特征。

不同處理擬合方程中A值均低于CK，隨著固化劑含量增加，CK的A值呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)；G1～G3，10.00%～15.00%的土壤含水率隨著固化劑含量增加擬合方程中A值逐漸降低。G2～G5，15.00%～25.00%的土壤含水率隨著固化劑含量增加擬合方程中A值逐漸增大，說明隨固化劑含量的增加黃土持水力先增大后減小。濕陷性黃土添加固化劑后，特征曲線斜率(B)絕對(duì)值均較CK小，即添加固化劑后濕陷性黃土的水分釋放力增強(qiáng)，且G1和G2對(duì)土壤持水性影響相對(duì)較大，對(duì)濕陷性黃土強(qiáng)度的影響也較大。土壤供水能力受A×B和B+1大小的綜合影響，隨著含水率的增大，A×B和B+1呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)土壤含水率為10.00%～15.00%時(shí)，A×B和B+1隨含水率的增大逐漸增大，當(dāng)含水率大于15.00%時(shí)，A×B(G2除外)和B+1隨含水率的增大逐漸減小。當(dāng)土壤含水率為15.00%時(shí)，隨固化劑增加，A×B和B+1呈先減小后增大趨勢(shì)，以G3的A×B和B+1最小?？梢?，添加固化劑后濕陷性黃土的持水力減弱，且隨固化劑含量的增加呈先增強(qiáng)后減弱趨勢(shì)，土

表1 不同固化劑含量下土壤水分特征曲線擬合方程

壤供水能力隨固化劑含量的增加呈先減弱后增強(qiáng)趨勢(shì)，當(dāng)含水率為15.00%時(shí)，G3的土壤持水力達(dá)最大，供水力最小。

2.2.2比水容量土壤比水容量是反映土壤可釋放水量多少的指標(biāo)，一般土壤水吸力為100 kPa時(shí)，比水容量可以較好地表征土壤失水能力[19]。從2表看出，含水率為5.51%、10.00%、15.00%、20.00%和25.00%時(shí)，不同固化劑含量黃土比水容量分別為0.921～1.126 cm3/cm3KPa、0.096～1.151 cm3/cm3KPa、1.129～1.167 cm3/cm3KPa、1.119～1.156 cm3/cm3KPa和1.108～1.141 cm3/cm3KPa，土壤含水率相同時(shí)，濕陷性黃土比水容量隨固化劑含量的增加呈逐漸減小趨勢(shì)，不同處理間均差異顯著。當(dāng)土壤含水率為15.00%時(shí)，比水容量達(dá)最大，G1、G2、G3、G4和G5較CK分別下降0.68%、0.94%、2.10%、2.74%和3.26%。固化劑含量相同時(shí)，黃土比水容量隨含水率的增大呈先增大后減小趨勢(shì)，不同含水率黃土比水容量之間差異顯著。表明，濕陷性黃土中添加固化劑可降低土壤的失水力，與土壤水分特征曲線Gardner模型參數(shù)B的變化情況基本一致。

表2 不同固化劑含量下各含水率黃土的比水容量

3小結(jié)

研究結(jié)果表明，當(dāng)固化劑含量為0.15%時(shí)，濕陷性黃土的抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)固化劑含量>0.15%后，黃土抗壓強(qiáng)度隨固化劑含量增加呈下降趨勢(shì)，從而降低固化劑的有效利用率。土壤含水率過高可導(dǎo)致黃土強(qiáng)度降低，當(dāng)含水率為15.00%，固化劑含量為0.15%時(shí)，黃土強(qiáng)度最大。由土壤水分特征曲線方程可知，添加固化劑濕陷性黃土的持水力減弱，且隨固化劑含量的增加呈先增強(qiáng)后減弱趨勢(shì)，土壤供水能力隨固化劑含量的增加呈先減弱后增強(qiáng)趨勢(shì)，當(dāng)含水率為15.00%和固化劑含量為0.15%時(shí)，土壤持水力達(dá)最大，供水力最小，即黃土強(qiáng)度最大。相同含水率時(shí)濕陷性黃土比水容量隨固化劑含量的增加呈逐漸減小趨勢(shì)，不同處理間均差異顯著，當(dāng)含水率為15.00%時(shí)，比水容量達(dá)最大，且0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的固化劑含量較對(duì)照分別下降0.68%、0.94%、2.10%、2.74%和3.26%。