膨潤土改性黃土的水力- 力學特性試驗

官翰欣，劉小保，楊秀娟

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

0 前言

澇池是關中地區常見的小型水利設施，其地基變形失穩導致水體滲漏是目前澇池建設中的常見問題。黃土濕陷性強且易發生沖蝕、潛蝕和管涌等滲透破壞[1]。改善滲漏問題，是黃土地區農村水利設施建設的關鍵。黃土的濕陷性是黃土的顯著特點，國內外學者對黃土進行了各種試驗研究。膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產，具有較好的離子交換性。張鵬等[2]以次生黃土為研究對象，以飽和度、壓實度、膨潤土摻量、含砂率為因素，研究了膨潤土改性次生黃土的強度和壓縮性，分析了各因素的作用規律及顯著性。張虎元等[3]用柔性壁滲透儀對膨潤土改性黃土進行變水頭滲透實驗，發現膨潤土通過充填、提高干密度和吸水膨脹使黃土的孔隙性減小，有效降低了黃土的滲透性。邢義川等[4]在對黃土和膨潤土增濕過程中研究了其變形特性的異同點。孔令偉等[5]采用常水頭滲透試驗方法研究膨脹土裂隙滲透特性，發現土樣初始滲透系數最大，隨后隨著時間的延續，滲透系數逐漸降低并趨于穩定。郄玥穎等[6]設計正交試驗方案建立了黏聚力的多元非線性關系模型表明膨潤土不會對黃土強度產生明顯的不利影響。

本文基于膨潤土吸水膨脹的特性，采用膨潤土改性濕陷性黃土，通過添加不同質量分數的膨潤土，測試改性后黃土的水力- 力學特性。

1 試驗材料與方法

本試驗用土取自楊凌某邊坡開挖斷面，呈深黃褐色，土質相對松散，埋置深度為地表以下3 m 左右，土樣風干碾碎后過2 mm 篩備用。其基本物理指標見表1。試驗所需的膨潤土為試驗專用納基膨潤土，顏色為灰白色，粘度為32 mPa·s，其基本性質見表2。

表1 黃土的基本性質

表2 膨潤土基本性質

本文采用常規土工試驗、抗拉試驗、滲透試驗和崩解試驗等試驗方法，用干密度、含水率、抗拉系數、水穩定性等指標對純黃土和膨潤土改良后的黃土進行研究。分別對楊凌黃土和膨潤土改性楊凌黃土（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%共五組不同摻量）進行土樣制備。本試驗土樣含水率為19%，干密度為1.47 g/cm3，均勻拌合。制備好的土樣須用塑料薄膜包裹兩到三層，放置陰涼處。分別按照試驗要求制備土樣，并進行試驗。

常規土工試驗依據《土工試驗規程》（SL 237-1999）的要求進行操作。滲透試驗按照SL 237-062-1999 的要求進行常規變水頭試驗測試土樣的滲透系數。抗拉試驗，利用西北農林科技大學自制的單軸拉伸儀[7]制備土樣并進行抗拉試驗，測試土樣的拉應變和拉應力。崩解試驗，將土樣按照含水率19%和干密度1.47 g/cm3壓制成環刀樣，從中削制成1 cm×1 cm×1 cm 的立方體小塊，用鑷子輕輕地放入盛有100 mL 去離子水的燒杯中，觀察其崩解現象和崩解時間，測試土樣的水穩定性[8]。

2 試驗結果與分析

2.1 滲透試驗結果

分別對加入五組不同摻量的膨潤土的改性黃土及素土進行滲透試驗，試驗結果見圖1。從圖1 可知，在相同的含水率下，滲透系數隨膨潤土摻量的增加而減小，剛開始下降速度較快，而后趨于穩定。這是由于膨潤土進入黃土后，它通過充填、提高干密度和吸水膨脹使黃土的孔隙性減小，有效降低了黃土的滲透性，但超過1%的含量后，趨勢顯著減緩，這是由于黃土間大部分顆粒已被填充，且膨潤土膨脹吸水效果達到臨界值，故可根據經濟情況酌情使用膨潤土改性黃土。

圖1 土樣滲透系數變化情況

2.2 抗拉試驗結果

黃土在不同膨潤土摻量條件下的拉伸應力- 應變曲線見圖2。從圖2 可以看出，不同膨潤土摻量黃土試樣在拉力作用下，在抗拉強度達到峰值前，應力值均隨應變增大而增大，在抗拉強度達到峰值后，外荷載繼續作用，應力急劇降低，試樣抗拉強度幾乎全部喪失，喪失抵抗能力，此時試樣發生突然斷裂，破壞過程短暫，裂隙發展迅速，沒有征兆，表現出明顯的脆性破壞。從圖3 可以看出抗拉強度峰值有上升趨勢，說明膨潤土能夠有效改善抗拉性能，且增強效果大致在10%～20%這個區間。

圖2 不同膨潤土摻量黃土的應力- 應變關系曲線

圖3 抗拉強度峰值趨勢圖

2.3 崩解試驗結果

根據表3 可知，在19%含水率下，素土（膨潤土摻量為0）經過50 s 后完全崩解，膨潤土摻量為2%～3%時，其崩解時間基本與素土相同，為50 s 左右。崩解過程中前期產生氣泡，隨著氣泡的增多，開始崩解，崩解完成后土樣形成圓錐型堆積物。在膨潤土摻量為1%或1.5%時，膨潤土對改性黃土的崩解情況有一定改善效果，具體體現在崩解過程氣泡產生速度慢及崩解劇烈程度小，改善效果較明顯。其崩解時間超出50 s 較多，崩解速度明顯較其余膨潤土摻量慢。

3 結論

本文以膨潤土改性黃土黃土為研究對象，分別測試最優含水率下素土與改性土的水力- 力學性能，得出以下結論：

（1）黃土滲透系數隨膨潤土摻量的增加而減小，并趨于穩定，類似反函數曲線，說明膨潤土能有效增加黃土的抗滲性能。

（2）膨潤土對黃土的抗拉強度有一定增強，增幅強度在10%～20%區間。

（3）膨潤土能使黃土的崩解時間明顯減緩，1.0%～1.5%含量適用性最強。