HEC对湿陷性黄土强度及持水性的影响

2019-05-28王银涛王开拓张立新马忠诚李新换

水力发电 2019年12期

王银涛，王开拓，张立新，2，马忠诚，李新换

(1.青海民族大学建筑工程学院，青海西宁 810007；2.北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021)

0 引言

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，含水率较低时，压缩性低，强度较高；但当其受水浸湿后，在土体自重应力或自重应力与外部附加应力共同作用下强度降低。当土体中残余的强度不足以抵抗土体的结构应力时，土体结构迅速破坏，并发生显著的沉陷[1-3]。随着社会的发展，黄土湿陷性成为黄土高原地区制约城市扩大化首要问题。

青海东部地区属于黄土高原西部，自重湿陷性黄土分布较广，浸水湿陷性特征明显，湿陷性黄土厚度一般大于10 m，湿陷系数约为0.03～0.09，对工程建设存在较大的危害性。近年来，随着国家西部大开发战略和“一带一路”倡议实施推向纵深，青海省基础建设迎来了高速发展机遇，但尚未对黄土的分布和湿陷性开展系统研究，公路市政建设等往往参考其他地区的建设经验进行，是否适应于青海当地情况尚不得而知。

目前，较常用的黄土湿陷性处理方法有挤密法、换填灰土垫层法、冲击碾压法、强夯法以及孔内深层强夯法。以上方法一般只能消除基底下10～15 m地基土的湿陷性，基底下的湿陷性黄土层大于15 m时，往往采用桩基穿透湿陷性黄土层予以处理，但费用较高[4-5]。近年来，通过添加固化剂来提高黄土在含水率增加时的强度有了一定的研究。刘月梅等[6]利用EN-1离子固化剂对黄土性土壤持水、供水等水分特征的影响进行的研究表明，无论土壤中是否加入固化剂，随土壤容重的增加，土壤的饱和导水率降低。但是，黄土强度降低的直接原因在于含水率增加，破坏了其内部的结构。因此，研究不同含水率条件下固化剂掺量对黄土强度的影响规律是十分有必要的。

本文采用室内模拟试验，以青海东部地区典型土壤马兰黄土为研究对象，通过添加剂与黄土混掺以提高湿陷性黄土强度为目标，选取4个不同的土壤含水率和5种不同土壤固化剂(High Strength and Water Stability Earth Consolidator，HEC)掺量，系统研究含水率和添加剂掺量对土壤的比水容重、强度和持水性的影响规律，可为HEC应用于湿陷性黄土生态防护提供理论依据。

表1 黄土物理力学性质

1 材料与方法

1.1 试验材料

HEC是一种可以提高土壤强度和抗渗能力的固化剂，以工业废渣为主要原料，与核心原料和其他组分复合磨细混匀而成的无熟料胶结材料，高强、耐水、适应性强，可应用于各种骨料或填充料。HEC作为土壤固化剂，加入土中后自身既能水化复合产生超叠加效应，使土颗粒表面紧密接触，又能激发土粒中硅铝酸盐矿物的潜在活性，使土颗粒表面形成牢固的多晶粘粒聚集体，从而提高了土体的强度。由于HEC较强烈的固化作用，可使固化后的土体抗渗强度相应提高。HEC可在常温条件下与其他材料主体直接胶结，对工程材料和工程环境没有严格要求。因此，在HEC施工技术要求中，对骨料和其他掺合料选择较为广泛，对拌合用水的水质也基本没有特殊要求，就地拌合后有较大的强度和抗渗能力。试验用黄土物理性质见表1。

1.2 试验设计与试验方法

试验采用完全随机区组设计。设3个不同含水率和1个对照试验，即HEC掺量为5.46%(对照含水率)、10.0%、15.0%、20.0%，均为质量含水率，分别记作θ0、θ1、θ2、θ3；4个添加剂掺量和1个对照试验，即HEC掺量为0、0.10%、0.15%、0.20%、0.30%，以干土质量计，分别记作CK、K1、K2、K3、K4。测定不同含水率条件下，HEC掺量对黄土强度和持水性的影响规律。

1.2.1土壤强度的测定

单轴抗压试验是一种简单、有效测试土强度的方法。对湿陷性黄土而言，不同的含水率也可以改变土的强度。为考虑含水率对黄土强度的影响，可将原状黄土的单轴抗压强度与不同含水率和添加剂黄土的单轴抗压强度进行比较，反映浸水和HEC对黄土强度的影响。将不同含水率原状土试样、不同含水率和不同HEC掺量重塑土试样和饱和原状土试样装入单轴抗压试验仪，施加竖向应力，控制加载过程试样的变形速率，随着试样轴向变形的发展，可测出峰值强度。

1.2.2土壤特征曲线的测定

土壤水分特征曲线是土壤水吸力随含水率变化的关系曲线，反映了土壤的持水能力和土壤水分的基本特征。土壤吸水过程和失水过程中所得到的土壤水分特征曲线，即为土壤水分特征曲线的吸水曲线和脱水曲线[7]。本研究采用脱水曲线来讨论土壤持水性问题。利用Gardner模型拟合土壤水分特征曲线。Gardner模型表示水分特征曲线的表达式如下

θ=aS-b

(1)

式中，θ为质量含水率；S为土壤水吸力；a和b为非线性回归系数。

1.2.3比水容量的测定

比水容量C(S)亦称作土壤的容水度，是指单位基质势变化引起的土壤含水率的变化，在数值上等于土壤水分特征曲线斜率的负值，表示单位吸力变化时单位质量土壤可释放或储存的水量，是评价土壤持水性强弱的关键参数[8-11]。比水容量的获取公式为

C(S)=-dθ/dS

(2)

对土壤特征水分曲线的斜率求导可得

C(S)=a×b×S-(b+1)

(3)

2 结果与分析

2.1 无侧限抗压试验

取同一场地土样，分别制备不同含水率和添加HEC的原状土、重塑土，并通过单轴压缩试验确定不同含水率下的单轴抗压强度，可得到黄土的强度变化规律。图1为不同含水率条件下，不同HEC掺量对黄土强度的影响。从图1中可以看出，黄土强度随着HEC掺量的增多逐渐增强，随着含水率的增加逐渐下降，增湿或减湿作用是影响黄土强度的重要因素之一。因此，含水率的增加导致了黄土结构强度的降低，HEC可以提高黄土强度。

图1 HEC掺量对黄土强度的影响

2.2 持水特征评价

2.2.1水分特征曲线

水分特征曲线高低通常代表土壤持水能力的大小。利用Microsoft Excel绘制土壤水分特征曲线，运用SPSS软件对数据进行统计分析，采用Pearson相关分析法分析土壤持水性与土壤物理性质的相关性。HEC处理后的黄土养护10 d后，环刀取样进行土壤水分特征曲线测定，结果用经验方程θ=aS-b进行拟合，拟合方程及参数见表2。

从表2可知，无论黄土中是否掺入HEC，在不同的含水率条件下，土壤水吸力与土壤含水率的关系均符合Gardner方程，其相关系数均高于0.99，说明添加HEC并不会对土壤的本身性质造成过大影响，其失水特征仍旧符合原有的土壤特征。有研究表明[12-13]，在土壤水分特征曲线方程θ=aS-b中，a值反映曲线的高低，即a值越大，持水能力相对越强。而参数b则表征水分特征曲线的走向。不同含水率条件下，回归方程中a值均低于对照试验(CK)。含水率为5.46%时，随着HEC掺量的增加，a值逐渐降低；含水率为10.0%～15.0%时，HEC掺量在0.1%～0.15%范围内，随着HEC掺量的增大，a值逐渐降低。综上，HEC降低了土壤的持水能力，持水能力的降低与HEC掺量成正比。从水分特征曲线斜率的变化可以看出，经HEC处理过的土壤，曲线斜率绝对值都比对照组小，说明添加HEC后土壤释放水分的能力有所提高，土壤中掺入一定比例的HEC并经短期处理后，对土壤持水能力产生一定的影响。分析不同含水率条件下黄土含水率θ与水吸力S的数学模型参数a可知，土壤含水率随着HEC掺量的增加而降低，HEC掺量在0.1%～0.30%范围内，采用高掺量HEC处理土壤时对土壤持水性影响相对较大。相同吸力下，含水率越高的黄土吸持水分的饱和度较大，曲线坡度越平缓，说明随着土壤容重的加大，水分特征曲线越陡峭。

表2 土壤的水分特征曲线的拟合方程及拟合参数

注：R2为土壤水吸力与土壤含水率的相关系数。

2.2.2HEC对黄土比水容量的影响

为准确评价土壤持水能力，通常以水分特征曲线为依据，寻找合理参数来全面反映水分随土壤吸力变化的动态过程。比水容量是反映土壤可释出水量多少的指标，一般认为，土壤水吸力为100 kPa时，比水容量值可以很好地表征土壤失水能力[14]。表3为不同HEC掺量处理水吸力为100 kPa的土壤时的比水容量值。从表3可以看出，总体来说，相同含水率条件下，随着HEC掺量的增加，黄土比水容量逐渐减小，CK与其他处理间存在显著差异；相同HEC掺量时，随着含水率的增大，黄土比水容量逐渐增大，不同含水率之间黄土比水容量存在显著差异，随着含水率的增大，显著性减小。不同含水率条件下，不同HEC掺量土壤供水能力与失水速度变化趋势基本一致，但不同HEC掺量间差异较显著，说明土壤中加入HEC后均降低了土壤的失水能力，这与土壤水分特征曲线Gardner模型参数b所反映的结论基本一致。不同HEC掺量，CK比水容量值差异较小，而其他不同含水率比水容量存在较明显的差异，且总体显现出随含水率的增加而增加的趋势。可以得出，相同含水率条件下，随着HEC掺量的增加，黄土失水能力越强；不同含水率条件下，随着含水率的升高失水能力增大。

表3 不同HEC掺量处理水吸力为100 kPa土壤的比水容量 kPa-1

注：显著水平为0.05。

2.3 HEC对黄土强度与比水容重的影响

根据式(3)得到水吸力为100 kPa时的土壤的比水容量和土壤强度之间的函数关系式，结合土壤水分特征曲线，拟合得到土壤水分特征曲线参数a和b，由式(1)、(2)、(3)的转换关系，求得表2的不同HEC掺量条件下比水容量参数a与b的值，得出不同HEC掺量的黄土强度与比水容量曲线，以土壤强度为纵坐标、比水容量为横坐标，关系曲线见图2。

图2 黄土强度与比水容量的关系

从图2可以看出，随着比水容量的增加，黄土强度逐渐下降，黄土强度与比水容量之间呈现线性关系。CK与其他处理相比，随着HEC掺量的增加，黄土强度逐渐上升。因此，在同一含水率条件下，随着比水容重的增加，黄土强度逐渐降低，随着HEC掺量的增加，黄土强度逐渐增强。HEC在一定程度上可提高黄土强度，黄土强度与比水容量之间呈负相关。