張炳暉，崔延碩，謝艷華，劉寶臣，劉 磊，熊俊豪

(1.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.珠海交通集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519060)

0 引 言

桂林地區(qū)是典型的紅黏土分布區(qū)與巖溶區(qū)，區(qū)域雨量充沛，有明顯的濕熱季節(jié)，淋濾作用強(qiáng)烈，為紅黏土的形成提供了有利條件[1]，也為紅黏土創(chuàng)造了復(fù)雜多變的水環(huán)境。隨著紅黏土水環(huán)境的變化，其化學(xué)組分也會因此發(fā)生改變，促使其物理、力學(xué)性質(zhì)變化直至強(qiáng)度喪失，引發(fā)紅黏土路基填筑壓實(shí)度[2]、抗剪強(qiáng)度的水敏性[3]及工程性狀的干濕循環(huán)效應(yīng)[4-5]等問題，導(dǎo)致紅黏土路基普遍存在路基沉陷、縱裂、淺層滑塌等病害，造成了巨大的危害和損失[6]。因此，開展紅黏土化學(xué)成分的變化對其物理力學(xué)性質(zhì)影響的研究極為必要。

諸多專家學(xué)者已開展了較多相關(guān)研究，龐春勇等[7]發(fā)現(xiàn)桂林紅黏土所處的地質(zhì)環(huán)境對其礦物組成、化學(xué)成分具有重要作用；吳恒、王軍、Hawkins、劉慶超等[8-11]研究發(fā)現(xiàn)地下水能使土體化學(xué)成分發(fā)生變化，導(dǎo)致顆粒間連接結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響土體強(qiáng)度；湯連生和Graham[12-13]認(rèn)為土體經(jīng)化學(xué)溶液浸泡后物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；張信貴、劉曉紅等[14-15]發(fā)現(xiàn)土體物理力學(xué)性質(zhì)與土中的氧化物有關(guān)；孔令偉、李榮彪、Khalids、Mancini、Luciano等[16-20]采取EDTA二鈉或相似溶液溶解去除土中的陽離效果良好。以上諸多研究都取得了頗多成果，但對紅黏土化學(xué)成分變化對其界限含水率的影響研究相對較少，為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究化學(xué)成分對紅黏土界限含水率的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

鑒于EDTA二鈉為一種安全穩(wěn)定、性質(zhì)優(yōu)良的螯合劑[21-22]，本試驗(yàn)取3組風(fēng)干過2 mm篩后的相同紅黏土土樣，分別使用pH值為4的1 mol/L的EDTA二鈉溶液、pH值約為6的蒸餾水對其中2組紅黏土風(fēng)干土樣浸泡7、14、21、28 d，存留1組紅黏土風(fēng)干土樣作為對照組。

1.1 土樣成分測定試驗(yàn)

將2組浸泡完成后的土樣置于清洗盆中，使用蒸餾水反復(fù)清洗后，風(fēng)干過2 mm土篩，然后采用日本理學(xué)ZSX PrimusⅡX射線熒光光譜儀，對各組風(fēng)干土樣進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。從表1可知：

表1 土樣各成分質(zhì)量百分比 %

(1)經(jīng)浸泡后，紅黏土土樣中MnO含量無變化，浸泡液對P2O5含量影響小。

(2)Z組土樣經(jīng)浸泡后，CaO含量無變化，浸泡液對K2O、MgO、Na2O含量影響很小，而對Al2O3、Fe2O3、SiO2及TiO2含量影響相對較大，但影響程度不一，除SiO2含量變化規(guī)律不明顯外，其余化學(xué)成分含量隨時(shí)間增加都呈先增大后減小趨勢，Al2O3含量在前7 d增加了0.37%，隨后逐漸減少，28 d后含量減少了0.02%；Fe2O3含量在前7 d增加幅度為2.16%，之后降幅逐漸增大，其中8～14 d之間降幅最大為4.55%，28 d后含量減少了0.38%；TiO2含量在前14 d呈增加趨勢，累計(jì)增加幅度達(dá)2.67%，之后逐漸降至浸泡前含量并達(dá)到穩(wěn)定。

(3)隨著浸泡時(shí)間的增長，E組土樣中Al2O3、K2O、TiO2、CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、SiO2含量均有不同變化。其中，Al2O3、K2O、TiO2含量隨浸泡時(shí)間增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，在前7 d分別呈小幅度增加(1.52%、3.64%和1.99%)，隨后大幅度減小，8～14 d減小速率達(dá)到峰值，分別為8.40%、8.77%和5.84%，28 d后含量分別減少至無浸泡風(fēng)干樣含量的85.71%、86.36%和89.33%；CaO含量在前7 d減少0.04%達(dá)到穩(wěn)定；Fe2O3、MgO含量隨浸泡時(shí)間增加都呈減少趨勢，均在8～14 d減小速率最快，分別達(dá)7.41%和6.52%，28 d含量分別減少至無浸泡風(fēng)干樣含量的87.69%和86.96%；但MgO含量在0～7 d內(nèi)保持不變，從第8 d起開始減少，而Fe2O3含量呈連續(xù)減少趨勢；Na2O含量呈倍數(shù)增加，增長倍數(shù)均在2.4倍以上；SiO2含量表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在前7 d減少5.31%，從第8 d開始增加，8～14 d增加速率最快達(dá)6.35%，至28d含量較無浸泡風(fēng)干樣含量增加5.84%。

綜上，對比紅黏土無浸泡風(fēng)干樣中各化學(xué)成分含量，EDTA二鈉浸泡液相比蒸餾水對紅黏土土樣中化學(xué)成分含量影響較大，尤其對Al2O3、Fe2O3、SiO2含量變化影響明顯。

1.2 液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)

將2組浸泡完成后的土樣置于清洗盆中，使用蒸餾水反復(fù)清洗后，風(fēng)干過2 mm土篩，然后采用液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)，測定土樣塑限、液限及塑限指數(shù)，結(jié)果見圖1。從圖1可知：

圖1 塑限、液限及塑限指數(shù)變化

(1)經(jīng)浸泡后，Z組土樣塑限整體呈減小趨勢，液限呈增大趨勢，從而塑性指數(shù)呈增大趨勢；而E組土樣塑限整體呈減小趨勢，液限、塑性指數(shù)呈減小趨勢。

(2)Z組土樣塑限除15～21 d呈增加趨勢外，增加速率為0.94%，其余時(shí)間段土樣均呈減小趨勢，減小速率在4.05%-4.60%之間，28 d后塑限減至30.8%，整體減幅為11.49%。E組土樣塑限除22～28 d呈增加趨勢外，增加速率為2.09%，其余時(shí)間段塑限呈遞減趨勢，隨浸泡時(shí)間增加減小速率逐漸趨于平緩，其中0～7 d減小速率最大為21.26%，28 d后塑限減至24.40%，整體減幅為29.89%，是Z組土樣塑限減幅的2.6倍。

《方案》提出，要堅(jiān)持扶貧開發(fā)與生態(tài)保護(hù)并重，采取超常規(guī)舉措，通過實(shí)施重大生態(tài)工程建設(shè)、加大生態(tài)補(bǔ)償力度、大力發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新生態(tài)扶貧方式等，切實(shí)加大對貧困地區(qū)、貧困人口的支持力度，推動貧困地區(qū)扶貧開發(fā)與生態(tài)保護(hù)相協(xié)調(diào)、脫貧致富與可持續(xù)發(fā)展相促進(jìn)，使貧困人口從生態(tài)保護(hù)與修復(fù)中得到更多實(shí)惠，實(shí)現(xiàn)脫貧攻堅(jiān)與生態(tài)文明建設(shè)“雙贏”。到2020年，貧困人口通過參與生態(tài)保護(hù)、生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)和發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，收入水平明顯提升，生產(chǎn)生活條件明顯改善。

(3)隨浸泡時(shí)間增加，Z組與E組土樣液限變化趨勢相反。其中，Z組土樣液限呈增加趨勢，8～14 d增加速率最大為5.39%，15～21 d增加最慢為2.02%，28 d后增至67.20%；E組土樣液限呈減小趨勢，0～7 d減小速率最大為27.67%，22～28 d減小速率最小為2.37%，28 d后減至32.90%，是Z組土樣液限值的0.49倍。

(4)隨浸泡時(shí)間增加，Z組土樣塑性指數(shù)呈增大趨勢，0～7 d和8～14 d增加速率較大，分別為16.18%和16.79%，15～21 d和22～28 d增加速率較小，分別為3.06%和8.01%，28 d后增至36.4，增幅為51.04%；E組土樣塑性指數(shù)呈減小趨勢，其中0～7 d減小速率最大為36.93%，22～28 d減小速率最小為13.27%，28 d后減至8.5，減幅為64.73%，是Z組土樣塑性指數(shù)的0.23倍。

1.3 比重試驗(yàn)

經(jīng)浸泡液浸泡后的土樣，其化學(xué)成分發(fā)生了變化，從而會引起其相對密度發(fā)生變化，且相對密度ds會隨著浸泡時(shí)間的變化發(fā)生改變，因此，對2種不同浸泡液的各組土樣進(jìn)行比重測定，其相對密度變化見圖2。

圖2 相對密度變化

從圖2可以看出，Z組土樣相對密度隨浸泡時(shí)間增加先減小后增大，其中至第7 d減小0.37%，8～28 d基本呈線性增加，平均每7 d增加0.02%，28 d增至2.75；而E組土樣相對密度隨浸泡時(shí)間增加整體呈增加趨勢，0～7 d和15～21 d增幅較小，分別為0.74%和0.36%，8～14 d和22～28 d相對增幅較大，8～14 d增幅最大為2.57%，28 d后增至2.83，整體增加量是Z組的2.6倍。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

經(jīng)過浸泡，紅黏土土樣各化學(xué)成分、界限含水率、相對密度均發(fā)生了不同程度的變化。有文獻(xiàn)[23-24]表明，土的液限和塑限之間存在著線性關(guān)系。為探究經(jīng)浸泡后紅黏土土樣的Fe2O3、Al2O3、SiO2含量與其界限含水率和相對密度之間以及其界限含水率、相對密度相互之間存在的關(guān)聯(lián)性，采用回歸分析和路徑分析，建立了回歸模型和路徑模型。

2.1 回歸分析

回歸分析組共設(shè)7組。其中，1～4組因變量(被解釋變量)分別為塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度，自變量(解釋變量)分別為Fe2O3、Al2O3、SiO2含量；5～7組因變量分別為塑限、塑性指數(shù)和相對密度，自變量分別為液限、液限和塑限。采用矩陣散點(diǎn)圖考察各變量之間的關(guān)系，并根據(jù)矩陣散點(diǎn)圖選擇回歸分析的方式。

2.1.1 非線性回歸

以1組為例，采用SPSS軟件進(jìn)行分析，選擇因變量塑限和自變量Fe2O3、Al2O3、SiO2，得到矩陣散點(diǎn)圖，見圖3。從圖3可知，塑限和Fe2O3、Al2O3、SiO2之間存在著一定的非線性關(guān)系，此外Fe2O3、Al2O3、SiO2之間也存在相互影響，可設(shè)塑限ωP=a+b×Fe2O3+c×Al2O3+d×SiO2+e×Al2O3×Fe2O3+f×Al2O3×SiO2+g×Fe2O3×SiO2+h×Al2O3×Fe2O3×SiO2，其中a、b、c、d、e、f、g、h為參數(shù)。通過迭代計(jì)算至收斂，確定參數(shù)a、b、c、d、e、f、g、h值，得出ωP=-34 442.369+4 190.828×Fe2O3+1 771.104×Al2O3+565.517×SiO2-215.918×Al2O3×Fe2O3-29.103×Al2O3×SiO2-68.876×Fe2O3×SiO2+3.554×Al2O3×Fe2O3×SiO2，相關(guān)度R2=0.989?？梢?，1組非線性回歸是可靠的。

圖3 1組矩陣散點(diǎn)

通過非線性回歸分析，2～4組回歸分析結(jié)果分別為ωL=-378 687.737+47 777.775×Fe2O3+17 940.898×Al2O3+6 199.014×SiO2-2 290.204×Al2O3×Fe2O3-292.663×Al2O3×SiO2-784.457×Fe2O3×SiO2+37.505×Al2O3×Fe2O3×SiO2，R2=0.971；IP=-344 270.857+43 590.214×Fe2O3+16 170.938×Al2O3+5 633.907×SiO2-2 074.435×Al2O3×Fe2O3-263.578×Al2O3×SiO2-715.634×Fe2O3×SiO2+33.953×Al2O3×Fe2O3×SiO2，R2=0.966；dS=-556.725+71.196×Fe2O3+25.914×Al2O3+9.089×SiO2-3.346×Al2O3×Fe2O3-0.418×Al2O3×SiO2-1.159×Fe2O3×SiO2+0.054×Al2O3×Fe2O3×SiO2，R2=0.997?？梢?，塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度均與Fe2O3、Al2O3、SiO2之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)較高，可以用Fe2O3、Al2O3、SiO2來表述塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度。

2.1.2 線性回歸

建立塑限、液限、塑性指數(shù)、相對密度的矩陣散點(diǎn)圖，見圖4。從圖4可知，塑限與液限、塑性指數(shù)與液限以及相對密度與塑限之間均存在著明顯的線性關(guān)系。假設(shè)5、6、7組線性回歸模型y=a+bx，通過迭代計(jì)算，確定參數(shù)a、b值和相關(guān)度R2，5、6、7組線性回歸結(jié)果分別為ωP=15.751+0.261ωL、IP=-15.751+0.739ωL和dS=3.049-0.01ωP，相關(guān)度R2分別為0.824、0.974和0.781。顯然，塑限、塑性指數(shù)與液限間、相對密度與塑限間均存在較好的相關(guān)性，可以用液限衡量塑限、塑性指數(shù)，用塑限表達(dá)相對密度。

圖4 塑限、液限、塑性指數(shù)及相對密度矩陣散點(diǎn)

2.2 路徑分析

多元回歸分析通常只用于對影響因素進(jìn)行分析，并且只是考慮變量之間的關(guān)系，但實(shí)際上變量之間的關(guān)系往往存在著復(fù)雜的傳遞過程，揭示變量之間的相互作用需采用路徑分析。

將變量進(jìn)行分組，分為初始變量(浸泡時(shí)間、浸泡試劑)、間接變量(Fe2O3、Al2O3、SiO2)、結(jié)果變量(塑限、液限、塑性指數(shù)、相對密度)，不考慮每組變量之間的交互作用，根據(jù)變量分組構(gòu)建簡化路徑模型。通過對各因變量及其自變量進(jìn)行多元線性回歸分析后，可得到自變量對因變量的標(biāo)準(zhǔn)影響系數(shù)，該系數(shù)在路徑分析中作為路徑系數(shù)可反映2個(gè)變量之間影響程度，正號表示為正相關(guān)，負(fù)號表示為負(fù)相關(guān)，其絕對值越大說明影響越大。通過7次線性回歸后，根據(jù)得到的路徑系數(shù)，可完成此路徑模型，見圖5。

圖5 路徑模型

通過圖5路徑模型中路徑系數(shù)，可知初始變量、間接變量對結(jié)果變量的影響程度。以浸泡時(shí)間對塑限的影響效果為例，直接影響：浸泡時(shí)間→塑限：0.137；間接影響1：浸泡時(shí)間→Al2O3→塑限：-0.338×0.245=-0.083；間接影響2：浸泡時(shí)間→Fe2O3→塑限：-0.428×0.569=-0.244；間接影響3：浸泡時(shí)間→SiO2→塑限：0.461×0.204=0.094；總間接影響=-0.083-0.244+0.094=-0.233，總影響=0.137-0.233=-0.096。根據(jù)上述步驟，對其他路徑做相同處理，整理匯總后得到初始變量到結(jié)果變量的總影響，見表3。

通過路徑模型分析發(fā)現(xiàn)，紅黏土中Fe2O3對塑限影響最大，對液限、塑性指數(shù)、相對密度影響最大的是Al2O3，而SiO2對這些指標(biāo)的影響比較均衡。

3 結(jié) 語

本文基于回歸分析和路徑分析法，對桂林地區(qū)紅黏土中化學(xué)成分含量對其界限含水率和相對密度的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

表3 初始變量到結(jié)果變量的總影響

(1)EDTA二鈉對紅黏土中的金屬離子有著良好的配位效果，浸泡28 d后，土樣中Al2O3和Fe2O3含量分別減少至無浸泡風(fēng)干樣含量的85.71%和87.69%，SiO2含量較無浸泡風(fēng)干樣含量增加5.84%；而蒸餾水浸泡可模擬紅黏土長期處于滯水狀態(tài)，在此條件下紅黏土中金屬離子也會出現(xiàn)一定量的浸出，浸泡28 d后，Al2O3、Fe2O3和SiO2含量較無浸泡風(fēng)干樣含量分別減少0.02%、0.38%和1.42%。

(2)經(jīng)EDTA二鈉溶液浸泡28 d后的紅黏土試樣，其塑限、液限和塑性指數(shù)分別減至24.40%、32.90%和8.5；經(jīng)蒸餾水浸泡28 d的紅黏土試樣，其塑限減至30.8%，液限和塑性指數(shù)分別增至67.20%和36.4。紅黏土化學(xué)成分的變化對其界限含水率有較大影響。

(3)回歸分析表明，紅黏土塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度均與Fe2O3、Al2O3、SiO2之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)較高，可以用Fe2O3、Al2O3、SiO2來表述塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度；且塑限、塑性指數(shù)與液限間、相對密度與塑限間也均存在較好的相關(guān)性，可以用液限衡量塑限、塑性指數(shù)，用塑限表達(dá)相對密度。

(4)建立了以浸泡時(shí)間、浸泡試劑為初始變量，F(xiàn)e2O3、Al2O3、SiO2含量為間接變量，塑限、液限、塑性指數(shù)、相對密度為結(jié)果變量的路徑模型，通過路徑模型分析發(fā)現(xiàn)，紅黏土中Fe2O3對塑限影響最大，對液限、塑性指數(shù)、相對密度影響最大的是Al2O3，而SiO2對這些指標(biāo)的影響比較均衡。