斥水紅黏土最優(yōu)含水率下的抗剪強度研究

王春華，傅蜀燕，胡孟凡，張才溢，歐 斌

（云南農(nóng)業(yè)大學水利學院，昆明 650201）

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤［1］。19世紀就發(fā)現(xiàn)了某草原中出現(xiàn)的“蘑菇圈”和“干燥斑”現(xiàn)象［2］。Doerr等［3］在不同的氣候條件、土壤類型和植被覆蓋下，觀察到斥水性土壤。水分很難滲入這些土壤，以至于覆蓋在上面的植物難以生長，對種子發(fā)芽率也產(chǎn)生不利影響，還會產(chǎn)生地表徑流、優(yōu)先流通道、加速土壤侵蝕、地下水污染等［4-9］不利影響，不僅在農(nóng)業(yè)方面對土壤有深入研究，在土木建筑工程中也常用到［10］。為滿足實際工程需要，改善土壤性質(zhì)，通常對土壤進行處理［11］。將親水土改為斥水土可以有效減少水分入滲［12］，節(jié)省防水材料、降低成本，而常見改性方式主要有物理改性［13-15］、化學改性［16-19］和生物改性［20，21］；另一方面土壤力學特性也是土木工程領域著重研究的地方［17］。

1978年Fredlund等［22，23］提出雙應力變量控制非飽和土抗剪強度公式，并發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力是影響非飽和土壤抗剪強度的重要因素。李云龍等［24］發(fā)現(xiàn)當含水率較高時，非飽和無黏性砂土的抗剪強度隨含水率降低，并且隨著基質(zhì)吸力的增大而增大；當含水率繼續(xù)下降到某一程度、基質(zhì)吸力超過相對應的某一閥值時，抗剪強度開始隨基質(zhì)吸力的增大而減小。Escario等［25］認為用直剪儀可以測非飽和土壤的抗剪強度，并對3種土壤強度進行了試驗，證明土壤強度與基質(zhì)吸力關系參數(shù)φb為非常數(shù)。吳珺華等［26］建立了非飽和土壤基質(zhì)吸力與抗剪強度的經(jīng)驗模型。許朝陽等［27］利用微生物的代謝產(chǎn)物對土壤進行改性，并對改性土壤進行抗?jié)B試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，結果發(fā)現(xiàn)改性后的土壤抗?jié)B性能得到提高，不僅具有斥水性，強度也得到略微提升。而楊松等［28］采用化學改性，在不增濕的情況下，改性后的土壤抗?jié)B性雖升高，但強度卻有所降低，且隨著正應力的增大斥水土壤抗剪強度降低越明顯，說明不同改性方式對土壤強度產(chǎn)生不同影響。但對于大多數(shù)土木建筑工程項目來說并不適合微生物生存，限制了生物改性的發(fā)展。而相同改性條件下，土壤改性后強度與何種因素有關？并隨不同因素變化規(guī)律是什么？本研究用十八胺對土壤進行化學改性，用直剪試驗測定改性土強度變化規(guī)律并與自然土進行對比，以完善改性土強度方面的研究，以期早日運用到實際工程中。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自云南省昆明市盤龍區(qū)，取土深度為50 cm，試驗前，將土樣風干碾碎過2 mm篩，并根據(jù)土工試驗方法標準（GB/T 50123—1999），得到土樣的基本物理指標（表1）。

表1 土樣基本物理指標

斥水劑為十八烷基伯胺［CH3（CH2）16CH2NH2］以下簡稱十八胺，碾碎備用。將自然黏土與砂土過2 mm篩后放入105℃電烘箱烘至恒重。將烘干后的自然黏土分為兩部分，一部分自然黏土繼續(xù)放入烘箱保持干燥，作為對照的親水土；另一部分加入1.5%的十八胺，攪拌均勻后放至75℃烘箱，每隔2 h攪拌1次，共放置8 h，作為試驗的斥水土。斥水砂土制備在親水砂中加入0.05%十八胺，其他與斥水土制備方式相同。將斥水土與30%斥水砂混合制備混合土，最后制備出親水土（Natural soil，NS）、斥水土（Repellent soil，RS）、斥水土+30%斥水砂（Repellent soil and sand，RSS）3種土樣。

在相同濕度下將3種烘干的土樣放置24 h，NS、RS、RSS 3種土的含水率分別為19.84%、13.19%、17.65%，證明在同一潮濕環(huán)境中3種土樣的初始含水率并不相同，故選用3種土的最優(yōu)含水率作為初始含水率配制試樣，試樣為圓餅狀（Φ61.8 mm×H20 mm）。

1.2 試驗方法

1.2.1 含水率對斥水度的影響 RS、RSS試樣制備好后根據(jù)不同烘干時間獲得不同含水率的試樣，并用毛細管飽和法制備飽和試樣，共制得7種含水率不同的試樣。采用滴水穿透時間法（Water drop penetration time，WDPT）［29］測定不同含水率試樣斥水性，得到含水率與WDPT關系曲線，以獲得斥水性較強時的含水率作為直剪試驗初始含水率。

1.2.2 垂直壓力對斥水土抗剪強度的影響 土樣用最優(yōu)含水率各配制4組，在常規(guī)直剪儀上進行強度試驗，垂直荷載分為4級，分別是50、150、250、350 kPa，剪切速度為0.8 mm/min，獲得垂直應力與剪應力關系曲線。手輪每轉(zhuǎn)2圈即剪切0.4 mm記一次剪應力數(shù)，獲得水平位移與剪應力曲線。

1.2.3 含水率對斥水土抗剪強度的影響 3種土分別制備5種含水率的試樣，法向壓力為250 kPa，剪切速度不變進行強度試驗，獲得250 kPa下含水率與剪應力關系曲線。

2 結果與分析

2.1 試樣初始含水率與斥水度確定

在潮濕的密閉容器中放入烘干后的3種土樣，24 h后其含水率NS＞RSS＞RS，說明3種土在相同濕度下其含水率并不相同。為更符合實際工程，3種土試樣初始含水率的配制與試驗結果相對應，為NS＞RSS＞RS。

改性土斥水度如圖1所示，RS與RSS隨著含水率增加其WDPT先增后減，即其斥水度隨含水率增加先增后減，當含水率過低或過高時斥水性均不理想，這與吳珺華等［30］試驗結果一致，故在斥水性較好的范圍內(nèi)選取試樣初始含水率。RS含水率為28.2%時其WDPT為2 429 s，RSS含水率為30.74%時其WDPT為1 978 s，均為嚴重斥水。NS、RS、RSS最優(yōu)含水率分別為32%、28%、30%，符合試驗結果要求，故用最優(yōu)含水率作為試樣初始含水率配制。

圖1 含水率與WDPT關系曲線

2.2 改性土抗剪強度參數(shù)

隨著垂直壓力的增大，3種土的抗剪強度均隨著逐漸增大（圖2），可用摩爾-庫侖強度準則進行描述（R2＞0.99，P＜0.01），見式（1）。

圖2 垂直壓力與剪應力關系曲線

式中，τ為抗剪強度，σ為法向應力，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

在最優(yōu)含水率下，土樣RS的黏聚力c最大，主要由于斥水土最優(yōu)含水率小，導致其基質(zhì)吸力較大，故黏聚力大。而NS、RS、RSS3種土的內(nèi)摩擦角φ分別為37.38°、36.31°、26.90°，NS的內(nèi)摩擦角最大，是因為斥水土壤顆粒被有機物包裹，顆粒間鑲嵌作用減小，且親水土比斥水土密實度大。

2.3 改性土抗剪強度變化

試樣剪切過程中剪應力隨水平位移的變化關系如圖3所示，所有土不因垂直壓力不同Δ-τ曲線有明顯不同。當剪切位移相同時RS比NS抗剪性能更強，但相比之下親水土延性更好。但在斥水土中加入斥水砂制成混合土RSS，其延性得到顯著提高。在需防水防滲、位移較大、受力較小的工程中，可用RSS混合土，不僅節(jié)省防水材料，而且完全能滿足工程防滲需要［30］。當剪應力達到最大值后，相同位移下RS剪應力下降速度比NS下降速度快，證明由于有機物的包裹，斥水土顆粒黏性下降。

圖3 水平位移與剪應力關系曲線

相同垂直壓力下RS試樣的抗剪強度最強，而楊松等［28］的NS與RS試樣中NS抗剪強度更強，是因為試樣含水率不同導致的。圖4為在250 kPa垂直壓力下含水率與剪應力關系曲線，相同含水率下NS抗剪強度更強。隨著含水率的增加試樣抗剪強度先增后減，含水率太低時黏粒之間黏聚力太小，但當含水率太高時基質(zhì)吸力減小導致抗剪強度減小。圖4中RSS混合土的ρ-τ折線在最下面，在斥水土中加入斥水砂強度降低，是因為斥水砂抗剪強度低于斥水土導致的。

圖4 含水率與剪應力關系曲線

3 結論

在相同濕度下3種土的含水率NS＞RSS＞RS，且在最優(yōu)含水率下RS、RSS均達到嚴重斥水。故本研究用最優(yōu)含水率配制試樣，主要結論如下：

1）土壤斥水度與土壤含水率有關，斥水度隨著含水率的增加先增大后減小，當土壤達到最優(yōu)含水率附近時斥水度最強。

2）相同濕度環(huán)境下RS的含水率比NS低，水分難以入滲RS，基質(zhì)吸力下降不明顯，最優(yōu)含水率下RS抗剪強度最強，RS黏聚力最大。但由于有機物包裹土顆粒，是內(nèi)部摩擦下降，RS摩擦角φ比NS小。

3）NS變?yōu)镽S后延性降低，在RS中加入斥水砂后得到的混合土RSS抗剪強度雖比RS小，但延性得到顯著提高。

4）土壤的抗剪強度與含水率有關，相同含水率下NS抗剪強度最強，但最優(yōu)含水率下RS強度最強；土壤強度隨著含水率的增加先增大后減小，含水率前期增加時黏聚力增大幅度比基質(zhì)吸力減小幅度大，土壤抗剪強度增大；而含水率過大時基質(zhì)吸力與黏聚力同時減小，從而導致土壤抗剪強度降低。