HEC對濕陷性黃土強度及持水性的影響

王銀濤，王開拓，張立新，2，馬忠誠，李新?lián)Q

(1.青海民族大學建筑工程學院，青海 西寧 810007；2.北方民族大學土木工程學院，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，壓縮性低，強度較高；但當其受水浸濕后，在土體自重應(yīng)力或自重應(yīng)力與外部附加應(yīng)力共同作用下強度降低。當土體中殘余的強度不足以抵抗土體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著的沉陷[1-3]。隨著社會的發(fā)展，黃土濕陷性成為黃土高原地區(qū)制約城市擴大化首要問題。

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”倡議實施推向縱深，青海省基礎(chǔ)建設(shè)迎來了高速發(fā)展機遇，但尚未對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)驗進行，是否適應(yīng)于青海當?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、強夯法以及孔內(nèi)深層強夯法。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，往往采用樁基穿透濕陷性黃土層予以處理，但費用較高[4-5]。近年來，通過添加固化劑來提高黃土在含水率增加時的強度有了一定的研究。劉月梅等[6]利用EN-1離子固化劑對黃土性土壤持水、供水等水分特征的影響進行的研究表明，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黃土強度的影響規(guī)律是十分有必要的。

本文采用室內(nèi)模擬試驗，以青海東部地區(qū)典型土壤馬蘭黃土為研究對象，通過添加劑與黃土混摻以提高濕陷性黃土強度為目標，選取4個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土壤的比水容重、強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)防護提供理論依據(jù)。

表1 黃土物理力學性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

HEC是一種可以提高土壤強度和抗?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)合磨細混勻而成的無熟料膠結(jié)材料，高強、耐水、適應(yīng)性強，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度。由于HEC較強烈的固化作用，可使固化后的土體抗?jié)B強度相應(yīng)提高。HEC可在常溫條件下與其他材料主體直接膠結(jié)，對工程材料和工程環(huán)境沒有嚴格要求。因此，在HEC施工技術(shù)要求中，對骨料和其他摻合料選擇較為廣泛，對拌合用水的水質(zhì)也基本沒有特殊要求，就地拌合后有較大的強度和抗?jié)B能力。試驗用黃土物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計與試驗方法

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

1.2.1土壤強度的測定

單軸抗壓試驗是一種簡單、有效測試土強度的方法。對濕陷性黃土而言，不同的含水率也可以改變土的強度。為考慮含水率對黃土強度的影響，可將原狀黃土的單軸抗壓強度與不同含水率和添加劑黃土的單軸抗壓強度進行比較，反映浸水和HEC對黃土強度的影響。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，可測出峰值強度。

1.2.2土壤特征曲線的測定

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比水容量的測定

比水容量C(S)亦稱作土壤的容水度，是指單位基質(zhì)勢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值，表示單位吸力變化時單位質(zhì)量土壤可釋放或儲存的水量，是評價土壤持水性強弱的關(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

取同一場地土樣，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確定不同含水率下的單軸抗壓強度，可得到黃土的強度變化規(guī)律。圖1為不同含水率條件下，不同HEC摻量對黃土強度的影響。從圖1中可以看出，黃土強度隨著HEC摻量的增多逐漸增強，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)強度的降低，HEC可以提高黃土強度。

圖1 HEC摻量對黃土強度的影響

2.2 持水特征評價

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，運用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，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10 d后，環(huán)刀取樣進行土壤水分特征曲線測定，結(jié)果用經(jīng)驗方程θ=aS-b進行擬合，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并不會對土壤的本身性質(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，持水能力相對越強。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值均低于對照試驗(CK)。含水率為5.46%時，隨著HEC摻量的增加，a值逐漸降低；含水率為10.0%～15.0%時，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，曲線斜率絕對值都比對照組小，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處理土壤時對土壤持水性影響相對較大。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對黃土比水容量的影響

為準確評價土壤持水能力，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態(tài)過程。比水容量是反映土壤可釋出水量多少的指標，一般認為，土壤水吸力為100 kPa時，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，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。可以得出，相同含水率條件下，隨著HEC摻量的增加，黃土失水能力越強；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對黃土強度與比水容重的影響

根據(jù)式(3)得到水吸力為100 kPa時的土壤的比水容量和土壤強度之間的函數(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摻量的黃土強度與比水容量曲線，以土壤強度為縱坐標、比水容量為橫坐標，關(guān)系曲線見圖2。

圖2 黃土強度與比水容量的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著比水容量的增加，黃土強度逐漸下降，黃土強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，黃土強度逐漸降低，隨著HEC摻量的增加，黃土強度逐漸增強。HEC在一定程度上可提高黃土強度，黃土強度與比水容量之間呈負相關(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象，在不同含水率與HEC摻量情況下，對土壤的比水容重、強度和持水性的影響進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)利用單軸抗壓試驗，測定了不同含水率條件下，HEC摻量對青海馬蘭黃土強度的影響。結(jié)果表明，相同含水率條件下，濕陷性黃土的強度隨著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，比水容量逐漸減小；黃土強度與比水容量之間呈負相關(guān)關(guān)系，隨著比水容量的增加，黃土的強度逐漸減小；HEC對黃土強度有一定的增強作用。