土壤固化剂对湿陷性黄土物理特性的影响

母冰洁， 王康宏

(韩城市水土保持工作站， 陕西 韩城 715400)

我国青海东部地区分布有较为广泛的湿陷性黄土。湿陷性黄土是一种与其他土质类型不同的非饱和土质，含有大量以粗粉粒为骨架的多孔隙架构，当未被水浸润时，压缩性较小，强度较高。黄土被水浸湿后，土体结构在外部附加应力或附加应力和自重应力共同作用下极易遭受破坏，造成较大的湿陷变形，并引起土体强度显著降低。该地区黄土湿陷系数为0.03～0.09，湿陷性特征明显，对工程建设存在较大的危害性，成为制约城市建设的重要问题[1]，需采取相应的地基解决方法，以保证其湿陷变形、承载力满足设计及建筑物长久使用要求。

湿陷性黄土稳定性控制常用处理方法有灰土素土垫层法、灰土挤密桩法、桩基础法与桩柱搅拌法、冲击碾压法和孔内深层强夯法等[2-3]，而传统方法只能消除基底下1～15 m深度的黄土湿陷性，当湿陷性黄土层大于15 m时，一般采用桩基穿透法进行处理，但成本较高[4-5]。有研究表明，添加固化剂可提高黄土强度。刘月梅等[6]研究表明，添加EN-1离子固化剂可降低土壤的持水力，但对土壤有效水含量影响不显著。卜思敏等[7]利用纳米硅溶液加固黄土得出，固化黄土的无侧限抗压强度有较大提升，且纳米二氧化硅颗粒粒径越小，加固效果越好。陈瑞锋等[8]研究发现，利用赤泥可显著增加黄土最大动弹性模量、抗剪强度和无侧限抗压强度。张伟峰等[9]研究表明，在黄土中添加HEC固化剂可有效改善黄土的强度、抗崩解性、渗透性及湿陷性。含水率增大可破坏黄土内部结构，是造成黄土强度降低的直接原因。关于EFS土壤固化剂含量对不同含水率湿陷性黄土强度影响的研究报道较少。为此，采用室内模拟试验方法，研究不同含量EFS土壤固化剂对湿陷性黄土水分特征曲线、比水容量、强度和持水性等物理特性的变化特征，以期为湿陷性黄土中EFS土壤固化剂适宜用量的确定以及生态环境防护提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1供试土壤为马兰黄土，取自青海东部黄河上游谷地(35°20′～36°25′N，100°55′～102°50′E)，该地区位于黄土高原和青藏高原的过渡地带，典型土壤马兰黄土，其具有粉质、富钙、孔隙较大、垂直节理发育等特征[1,10]，是典型的湿陷性土壤。试验黄土的物理性质：干密度1.63 g/cm3，含水率5.51%，孔隙比87.4%，饱和度57.8%，液限25.1%，塑限7.6%，湿陷系数0.03～0.09，凝聚力32.1 kPa。

1.1.2固化剂EFS土壤固化剂，营口欧亚环保材料有限公司。EFS土壤固化剂是一种主要成分为表面活性剂、硼酸或硼酸盐的组成离子型化合物新型固化材料，能够破坏土壤颗粒间的结构，在颗粒间形成不透水网膜，依靠土壤黏性提高土壤的稳定、承载力及防止水渗透等。

1.2方法

1.2.1试验设计在土壤含水率分别为5.51%、10.00%、15.00%、20.00%和25.00%条件下，试验采用完全随机分组方法，根据固化剂不同含量共设6个处理：对照(CK)，不用固化剂(即用量为0)；G1，固化剂用量为0.05%；G2，固化剂用量为0.10%；G3，固化剂用量为0.15%；G4，固化剂用量为0.20%；G5，固化剂用量为0.30%；3次重复。

1.2.2指标测定

1) 土壤强度。由于湿陷性黄土强度受含水率影响较大，因此考虑含水率的影响，取同一地点黄土土样，分别制备不同含水率和添加固化剂的原状土、重塑土试样，将原状黄土的抗压强度与不同含水率和添加固化剂黄土的抗压强度进行对比，反映固化剂和含水率对黄土强度的影响[11]。将不同含水率和含水率饱和的原状土试样、不同含水率和不同固化剂含量的重塑土试样装入单轴抗压试验仪，过程中控制试样的变形速率，最终测出试样轴向变形峰值强度，即测试黄土强度，主要以内摩擦角和黏聚力体现。

2) 土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线可反映土壤持水力和土壤水分的基本特征。其吸水曲线和脱水曲线表示土壤的吸水过程和失水过程。研究采用脱水曲线评价湿陷性土壤的持水性[12]。因为Gardner的幂函数方程具有较其他模型待定参数较少的优点，在实际应用中更为方便，所以选择Gardner模型拟合土壤水分特征曲线[13-14]。对添加固化剂后的黄土试样养护10 d后，利用环刀测定试样含水率，然后绘制土壤水分特征曲线。

θ=AS-B

式中，θ为体积含水率(%)；S为土壤水吸力(kPa)；A、B为非线性回归系数。

3) 比水容量。比水容量(Cθ，单位：cm3/cm3KPa)是指单位基质势变化引起的土壤含水率的变化，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重要参数[6,15-17]。

Cθ=-dθ/dS=ABS-(B+1)

式中，A、B为土壤持水曲线拟合参数，A值大小表示曲线的高低，当A值越大时，土壤持水力越强；B值大小表示曲线走向，即土壤水势降低的快慢，B+1表示土壤含水率随土壤吸力变化快慢程度，B+1越大，土壤水分变化越快，即脱水曲线中土壤失水越快。

1.3数据处理

采用Excel 2010绘制土壤水分特征曲线，运用SPSS 20.0进行数据统计分析，土壤持水性与土壤物理性质的相关性利用Pearson进行分析[18]。

2结果与分析

2.1不同处理对黄土强度的影响

从图1看出，不同含水率下各固化剂含量黄土内摩擦角和黏聚力的变化。内摩擦角：CK，不同含水率黄土内摩擦角为23°～38°，依次为15.00%>20.00%>25.00%>10.00%>5.51%；G1、G2、G3、G4和G5，不同含水率黄土内摩擦角分别为33°～42°、37°～45°、38°～46°、33°～42°和28°～37°，均依次为15.00%>20.00%>10.00%>25.00%>5.51%。黏聚力：CK，不同含水率的黏聚力基本没有变化，为27～31 kPa，依次为15.00%>20.00%>25.00%>10.00%>5.51%；G1、G2、G3、G4和G5，不同含水率黄土内摩擦角分别为45～56 kPa、59～73 kPa、64～80 kPa、56～74 kPa和52～66 kPa，均依次为15.00%>20.00%>10.00%>25.00%>5.51%。

总体看，不同含水率下，黄土内摩擦角和黏聚力均随着固化剂含量的增加呈先升后降趋势。当固化剂含量为0.15%时，湿陷性黄土抗压强度最大，固化剂含量>0.15%后，黄土抗压强度随固化剂含量增加呈下降趋势，固化剂含量过高会降低黄土抗压强度，导致固化剂的有效利用率降低；同时含水率也是影响湿陷性黄土抗压强度的重要因素，含水率在10.00%～15.00%时，黄土强度随含水率增大而增大，当含水率在15.00%～25.00%时，含水率增加导致黄土强度降低。当含水率为15.00%，固化剂含量为0.15%时，黄土强度最大。

2.2不同处理对黄土持水性的影响

2.2.1土壤持水力从表1看出，湿陷性黄土中是否添加固化剂，土壤水吸力与土壤含水率关系均符合Gardner方程(相关系数均>0.99)，说明湿陷性黄土中添加固化剂并不会对土壤性质造成过大影响，其失水特征仍然符合土壤原有特征。

不同处理拟合方程中A值均低于CK，随着固化剂含量增加，CK的A值呈先减小后增大再减小的变化趋势；G1～G3，10.00%～15.00%的土壤含水率随着固化剂含量增加拟合方程中A值逐渐降低。G2～G5，15.00%～25.00%的土壤含水率随着固化剂含量增加拟合方程中A值逐渐增大，说明随固化剂含量的增加黄土持水力先增大后减小。湿陷性黄土添加固化剂后，特征曲线斜率(B)绝对值均较CK小，即添加固化剂后湿陷性黄土的水分释放力增强，且G1和G2对土壤持水性影响相对较大，对湿陷性黄土强度的影响也较大。土壤供水能力受A×B和B+1大小的综合影响，随着含水率的增大，A×B和B+1呈先增大后减小趋势，当土壤含水率为10.00%～15.00%时，A×B和B+1随含水率的增大逐渐增大，当含水率大于15.00%时，A×B(G2除外)和B+1随含水率的增大逐渐减小。当土壤含水率为15.00%时，随固化剂增加，A×B和B+1呈先减小后增大趋势，以G3的A×B和B+1最小。可见，添加固化剂后湿陷性黄土的持水力减弱，且随固化剂含量的增加呈先增强后减弱趋势，土

表1 不同固化剂含量下土壤水分特征曲线拟合方程

壤供水能力随固化剂含量的增加呈先减弱后增强趋势，当含水率为15.00%时，G3的土壤持水力达最大，供水力最小。

2.2.2比水容量土壤比水容量是反映土壤可释放水量多少的指标，一般土壤水吸力为100 kPa时，比水容量可以较好地表征土壤失水能力[19]。从2表看出，含水率为5.51%、10.00%、15.00%、20.00%和25.00%时，不同固化剂含量黄土比水容量分别为0.921～1.126 cm3/cm3KPa、0.096～1.151 cm3/cm3KPa、1.129～1.167 cm3/cm3KPa、1.119～1.156 cm3/cm3KPa和1.108～1.141 cm3/cm3KPa，土壤含水率相同时，湿陷性黄土比水容量随固化剂含量的增加呈逐渐减小趋势，不同处理间均差异显著。当土壤含水率为15.00%时，比水容量达最大，G1、G2、G3、G4和G5较CK分别下降0.68%、0.94%、2.10%、2.74%和3.26%。固化剂含量相同时，黄土比水容量随含水率的增大呈先增大后减小趋势，不同含水率黄土比水容量之间差异显著。表明，湿陷性黄土中添加固化剂可降低土壤的失水力，与土壤水分特征曲线Gardner模型参数B的变化情况基本一致。

表2 不同固化剂含量下各含水率黄土的比水容量

3小结

研究结果表明，当固化剂含量为0.15%时，湿陷性黄土的抗压强度最大，当固化剂含量>0.15%后，黄土抗压强度随固化剂含量增加呈下降趋势，从而降低固化剂的有效利用率。土壤含水率过高可导致黄土强度降低，当含水率为15.00%，固化剂含量为0.15%时，黄土强度最大。由土壤水分特征曲线方程可知，添加固化剂湿陷性黄土的持水力减弱，且随固化剂含量的增加呈先增强后减弱趋势，土壤供水能力随固化剂含量的增加呈先减弱后增强趋势，当含水率为15.00%和固化剂含量为0.15%时，土壤持水力达最大，供水力最小，即黄土强度最大。相同含水率时湿陷性黄土比水容量随固化剂含量的增加呈逐渐减小趋势，不同处理间均差异显著，当含水率为15.00%时，比水容量达最大，且0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的固化剂含量较对照分别下降0.68%、0.94%、2.10%、2.74%和3.26%。