陕南土坎梯田田坎膨胀率与力学性质的试验研究

2015-02-28李光录李柏桥刘利年

中国水土保持 2015年5期

关键词：田坎洋县侧限

杨娟，李光录,，魏舟，张腾，李柏桥，付玉，刘利年

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨陵 712100; 2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵 712100; 3.陕西省水土保持局，陕西西安 710004)

陕南土坎梯田田坎膨胀率与力学性质的试验研究

杨娟1，李光录1,2，魏舟2，张腾2，李柏桥1，付玉1，刘利年3

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨陵 712100; 2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵 712100; 3.陕西省水土保持局，陕西西安 710004)

梯田田坎；无荷载膨胀率；无侧限抗压强度；试验；陕南

以陕南土坎梯田田坎土体为对象，通过室内无荷载膨胀率和无侧限抗压强度试验，分别研究了无荷载膨胀率随时间的变化情况和土体的应力—应变关系，并对最终稳定的无荷载膨胀率和无侧限抗压强度进行相关性分析。结果表明，洋县的梯田田坎土层越深，其最终的膨胀变形量越大，无侧限抗压强度越大，黑山镇的则无明显规律；土体的无侧限抗压强度与其最终稳定时的膨胀率成指数变化关系。

陕南地区土坎梯田垮坎现象极为严重，群众中流传有“一年修，二年跨，三年变成平铺塌”的说法。有关调查[1]显示，一般当年修的梯地，在翌年雨季中就有30%～40%的田坎发生崩塌或滑塌，严重者甚至高达80%。朱建强等[2-3]研究认为，梯田田坎的稳定性在很大程度上取决于筑坎土料的性质，因此探索田坎的膨胀特性、力学性质与田坎垮坎之间的关系具有实际意义。

目前对无荷载膨胀率和无侧限抗压强度的研究多数集中在改良后的黄土或者膨胀土，如石灰改良土[4-5]、水泥改良土[6-7]、固化剂改良土[8]等，而对土自身的无荷载膨胀率和无侧限抗压强度研究得较少[9]。陕南地区的土坎梯田特点是抗风化能力差，遇水强度衰减幅度大，风干后遇水崩解速度快，随着含水率的增加土壤发生软化，强度明显降低，从而导致土坎垮塌。本试验以陕南土坎梯田田坎土体为对象，通过对试验地土壤基本物理性质的测定，确定供试土样是否是膨胀性土；对无荷载膨胀率和无侧限抗压强度进行室内试验，分析土壤的应力—应变关系和无荷载膨胀率随时间的变化情况，拟合土体膨胀稳定时的膨胀率与无侧限抗压强度之间的关系，并探索这些规律与田坎垮坎之间的关系。

1 试验材料与方法

1.1 试验土壤

试验用土取自陕西省西南部的汉中洋县(汉江流域)和陕西省东南部商州区的黑山镇(丹江流域)，在两个试验地分别选取坎高1.4、1.6 m左右的梯田田坎，在距地表30、60、90、120、150 cm处取土样。经风干、研磨，过2 mm筛后，试验测定土样基本物理性指标，见表1。

表1 两试验地土壤基本物理性指标

根据国家标准《膨胀土地区建筑技术规范》中以自由膨胀率δef划分膨胀土的膨胀潜势方法，40%≤δef<65%为弱膨胀土，65%≤δef<90%为中膨胀土，δef≥90%为强膨胀土[10]，初步判断洋县土样为弱膨胀土或中等膨胀土，而黑山镇土样则为无膨胀性或者膨胀性很弱。膨胀土是有别于普通黏土的一类特殊性黏土，具有吸水膨胀强度锐减、失水收缩变硬并伴随收缩裂隙的高塑性，主要由亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成，抗风化能力差，遇水易崩解。膨胀土分布区土坎梯地坎坡变形破坏的类型及其特点均与膨胀土的性质有关，膨胀土的不良土质特性是导致土坎梯地边坡失稳的根源所在。

1.2 试样制备和试验过程

按照每层土的天然含水率和干密度(表2)制成相应的试验用土，重塑土试样均采用压实方法制成。试样的制备和操作步骤按照《土工试验规程》(SL 237—1999)规定的方法进行，采用人工操作的方法读取数据。

表2 两试验地田坎不同深度土层天然含水率和干密度

采用普通膨胀仪测定无荷载膨胀率。环刀直径61.8 mm，高20 mm。将制好的试样置于膨胀仪中，安装好百分表后向膨胀仪中注入纯水，保持水面高出试样5 mm，记录注水开始时间，按0、5、10、20、30、60、120、180、360、420、480 min测记百分表读数，分析试样无荷载膨胀率的时程特性，当6 h内膨胀变形不超过0.01 mm时即认为变形达到稳定。绘制膨胀率与时间的关系曲线。

采用应变式无侧限压缩仪测定无侧限抗压强度。试样直径与高度分别为39.1 mm与80.0 mm。具体试验过程如下：在应变式无侧限压缩仪的上、下传压板上均匀涂抹少量凡士林，将养护24 h的试样迅速放入仪器，调整仪器，在匀应变速率下进行单轴无侧限抗压强度试验，并记录数据；当试样破坏，即试验记录数据出现拐点后，视试样破坏情况继续进行试验；试样破坏达到一定程度后停止试验，计算出试样的应力、应变值，并绘制应力—应变曲线。

2 结果与分析

2.1 无荷载膨胀率试验

以两块试验地坎高1.6 m梯田田坎各深度土层试样为例，无荷载膨胀率与时间的关系曲线见图1。膨胀率能够有效地反映土体浸水饱和过程中整体的膨胀潜势，因此土壤膨胀率研究对于小边坡处理措施方案的选择具有重要意义。

从图1可以看出，两试验地田坎各土层试样均在6 h内膨胀完全，无荷载膨胀率随时间的变化大致分为3个阶段：①加速膨胀阶段，0～1 h，此阶段膨胀变形速率很快，持续时间较短，膨胀量占最终膨胀量的72%～95%。这是由于开始阶段膨胀土吸水较多，结合水膜增厚“楔开”土颗粒，固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀，土体抵抗侵蚀强度快速降低[11]，膨胀变形速率很快。②减速膨胀阶段，60～180 min，此阶段土体变形继续增大，但其增大速率不断减小，膨胀量占最终膨胀量的6%～16%。这是由于此阶段水分逐渐充满土样孔隙，使其吸水速率变慢，膨胀变形速率变小。③稳定阶段，3 h以后，此阶段膨胀变形与时间关系曲线基本呈水平状态，膨胀率基本保持不变，膨胀变形达到稳定。这是由于此阶段土体试样已经吸水饱和，试样中的土颗粒已经膨胀完全，所以膨胀率基本保持不变。

图1 无荷载膨胀率与时间的关系曲线

从图1还可以看出，洋县试样的膨胀率要远高于黑山镇试样，这是因为洋县的土质为弱或中等膨胀土，而黑山镇的土质为无膨胀性或膨胀性很小，洋县土样浸水饱和过程中整体的膨胀潜势大于黑山镇土样。洋县试样膨胀率随土层深度的增加而增大，膨胀稳定后的膨胀率为30 cm土层(1.82%)<60 cm土层(2.05%)<90 cm土层(3.51%)<120 cm土层(4.01%)<150cm土层(4.57%)。而黑山镇试样膨胀率随土层深度的变化无明显规律，膨胀稳定后的膨胀率为90 cm土层(0.36%)<120 cm土层(0.66%)<150 cm土层(0.81%)<30 cm土层(1.00%)<60 cm土层(1.12%)，这主要与其多为石渣性土且沙砾含量多有关，而90 cm土层的膨胀率最小，主要是因为在采样时该层土里面沙砾含量比其他土层多。

2.2 无侧限抗压强度试验

试样的应力—应变曲线反映了土样的变形破坏过程。以洋县试验地田坎90 cm深土层为例，无侧限抗压强度试验条件下试样的应力—应变关系见图2。两试验地田坎不同深度土层试样的无侧限抗压强度值见表3。

图2 洋县90 cm深土层试样应力—应变关系曲线

表3 两试验地田坎不同深度土层无侧限抗压强度 kPa

一般来说，土体的应力—应变关系经历弹性、屈服、应变强化等3个阶段，如图2所示。在AB阶段，曲线呈现凹形，此时试样土体由疏松状态转向密实状态，孔隙变小，应力随应变快速变化；BC阶段基本呈直线形式，试样土体处于弹性变形阶段，弹性模量E的数值等于该段直线的斜率；CD阶段曲线呈凸形，试样土体屈服，开始产生裂纹；D点为整个曲线的最高点，是试样的无侧限抗压强度值；DE阶段曲线下降，试样产生大裂缝，试样破坏。

由表2、3可知，洋县试样无侧限抗压强度值明显高于黑山镇试样，且含水率和干密度对无侧限抗压强度均有较大影响，整体上无侧限抗压强度值随含水率的增加而减小、随干密度的增大而增大，这与大量试验研究结果相一致[9，12]。膨胀土初次失水干缩产生微小裂缝，土体的整体联结程度下降，在降雨作用下，水分沿微小裂缝进入土体，与无裂缝状态相比入渗深度增加，再次失水干缩开裂，开裂深度、宽度、长度增加，如此反复，达到一定的开裂深度，土体被分割成许多小块，很容易发生滑塌。因此，整体来说洋县田坎滑塌现象较严重。

2.3 膨胀率与无侧限抗压强度的相关关系分析

将两试验地高140、160 cm田坎各深度土层试样进行比较，对膨胀率与无侧限抗压强度进行相关性分析，结果见图3。用指数函数拟合无侧限抗压强度与最终膨胀率之间的关系，洋县试样拟合曲线的相关系数为0.863 7，黑山镇试样为0.832 8，可以看出无侧限抗压强度随土样稳定时的膨胀率的增加而增大。分析其原因可能是在无荷载膨胀率的试验过程中，水分不断进入到试样内部与膨胀性矿物结合而产生膨胀变形，膨胀率增大，使得土体强度降低。特别是在降雨条件下，水分沿初次失水干缩后产生的小裂缝不断进入土体，内部颗粒之间的黏聚力降低，抵抗侵蚀的强度也随之降低，从而影响梯田田坎的稳定性。而无侧限抗压强度的试验过程基本不受水分的影响或者影响很小，故出现无侧限抗压强度随土样稳定时的膨胀率的增加而增大的现象。

图3 无侧限抗压强度与最终膨胀率的关系

3 结论

通过对陕南地区两试验地梯田田坎不同深度土层的无荷载膨胀率和强度特性的研究，得出以下结论：不同深度土层试样的膨胀率随时间变化情况和应力—应变关系都有3个阶段；洋县的梯田田坎土层越深，其最终的膨胀率就越大，无侧限抗压强度也越大，而黑山镇的膨胀率随土层深度无明显规律；土体的无侧限抗压强度与其最终稳定时的膨胀率成指数变化关系。

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