陕南膨胀土区夯土筑坎梯田试验

张泽瑜,孙睿哲,赵云龙,李泽芳,安 妮,周子皓,李光录

(西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩的黏性土，在世界各地分布广泛，我国主要分布在西南云贵高原到华北平原之间的平川、盆地、河谷阶地及丘陵地带。陕西省南部膨胀土主要沿汉中盆地、安康盆地，以及汉江、嘉陵江等支流的河谷两侧及浅山中山地区，呈带状分布[1-2]。由于该区水热条件好，适宜发展农业生产，当地建设了大量坡耕地，但因膨胀土吸水膨胀，梯田垮塌极为严重，严重制约当地的农业生产与发展。调查[3]显示，针对梯田垮塌问题，人们也采取一系列的预防措施，例如挡板法、土中掺沙法等，但效果不尽人意，垮坎现象依旧严重。

在工程上，常通过对膨胀土改良来提高膨胀土强度[4-5]。在道路建设过程中，人们通过添加生石灰、水泥等改良剂，改变膨胀土的特性[6-7]。李东森等[8]研究生石灰、水泥及砂土对膨胀土工程特性改良，结果表明生石灰、水泥、砂土对膨胀土都有较好的改性效果，且生石灰对膨胀土改良效果最为明显。刘志彬等[9]利用自动吸附仪对改性膨胀土微观孔隙定量研究发现，生石灰水泥的掺入都能使膨胀土内微孔体积减少，中孔以上孔隙体积增加，并且随着水泥与生石灰颗粒的填充、堵塞、胶结降低原状土的膨胀率与膨胀力。虽然在道路建设上，采用生石灰、水泥对膨胀土特性改良的研究成果不少，然而，膨胀土区梯田建设上的研究报道较少。在膨胀土区梯田建设中，生石灰、水泥在梯田田坎的添加数量、方式，以及其抗压、抗崩解、抗冲刷等特性均未知，急需开展研究。

研究以陕南典型膨胀土为试验对象，采用向梯田田坎中添加一定量的生石灰、水泥的方式，确定膨胀土梯田筑坎技术中，生石灰、水泥的配比技术参数，以增加梯田田坎的强度、提高其抗冲和抗蚀性，为膨胀土区梯田建设以及其安全运行提供参考。

1 研究区概况

采样地位于陕西省汉中市洋县龙亭镇关西村八组(E 107°35′55″，N 33°13′30″)，海拔484 m，亚热带内陆性季风气候。年平均气温14.5 ℃，最高气温38.7 ℃，最低气温-10.1 ℃。年平均降水量839.7 mm，最高为1 376.1 mm，最低为533.2 mm。该地位于汉中盆地东部边缘，地貌类型为河谷阶地。农业资源丰富，主要农作物有水稻(Oryzasativa)、小麦(Triticumaestivum)、油茶(Camelliaoleifera)，主要木本植物有银杏(Ginkgobiloba)、铁杉(Tsugachinensis)、冷杉(Abiesfabri)等[10]。土壤为褐黄色黏质土，呈硬塑状态，其主要物理性质与矿物组成见表1。

表1 土壤物理性质与矿物组成(平均值±标准差)Tab.1 Soil physical properties and mineral composition (mean value±standard deviation)

2 材料与方法

2.1 试验材料以及样品制备

生石灰产地江西新余，氧化钙质量分数80%～85%，纯度>95%；水泥为普通硅酸盐水泥，标号P.O 42.5。

将土样过5 mm筛后自然风干，与2%、4%、6%、8%的生石灰以及2%、4%、6%、8%的水泥用蒸馏水进行拌合，控制其最优含水量为22%，然后填满铁质模具(50 cm×50 cm×40 cm)，用方形击实板对土样进行击实，控制夯实密度为1.65 g/cm3，用环刀取样，样本在自然条件下，放置时间为7 d。

2.2 试验方法

膨胀土物理特性采用JTG E40—2007《公路土工试验规程》[11]，测试土体崩解性、抗冲性、液限和塑限，膨胀率，膨胀力等指标。

崩解性采用静水法，将100 cm3的柱状土样放入崩解笼后，笼缓缓沉入崩解桶，使水面刚好没过土柱上表面，开始计时1 h，每2 min换1次崩解桶，实验结束后，通过过滤、烘干，确定崩解量与崩解速率。

土壤的抗冲性试验是将制备好的土样放置在冲刷水槽中，控制流量为2.70 L/min，连续冲刷30 min，每1 min收集泥沙1次，测定冲刷量。其大小采用下式表示，抗冲性指数Q的大小与试样的抗冲性具有正相关性，随Q值的增大，抗冲性越强[12-13]：

(1)

式中：Q为试样的抗蚀性，m3/g；m为试件冲刷量，g；Rt为水流流量，m3。

水稳性采用SL419—2007《水土保持试验规范》[14]进行。从夯实土中选取0.7～1.0 cm直径的土粒50颗，均匀放置在0.5 cm的金属网格，置于静水中，每隔1 min记分散土粒的数量，连续记录10 min。由于土粒分散的时间不同，需进行校正。水稳性指数

(2)

式中：Pi为第i分钟分散的土粒数，个；Pj为10 min内未分散的土粒数，个；Ki为第i分钟校正系数；A为供试土粒总数，个。

上述实验均重复3次，取平均值。

3 结果与分析

3.1 生石灰、水泥对膨胀土膨胀性的影响

由图1可知，在原状土中添加2%以上的生石灰、水泥，能够使原状土的膨胀率、膨胀力大幅度下降。当添加量超过4%时，生石灰、水泥对原状土的膨胀力及膨胀率的影响效果变得不显著[15]。

图1 膨胀土膨胀力、膨胀率随添加剂含量增加的变化规律Fig.1 Change of expansion force and expansion rate with additive content increase in expansive soil

添加生石灰、水泥后，土壤液限较原状土呈下降趋势，表明添加后的膨胀土对水的吸附能力下降，即膨胀土中的黏粒含量下降(图2)。膨胀土黏粒含量下降，粉粒的含量上升是影响膨胀土膨胀性的主要原因之一，生石灰的添加导致土壤中黏粒凝聚成大的“团聚体”，“团聚体”之间的孔隙相对原状土颗粒之间的孔隙有所增大，这给土粒膨胀预留空间，起到一定的“缓冲”的作用。水泥、生石灰添加到膨胀土，使其塑性指数有了明显的降低，塑性指数愈大，说明土的颗粒愈细，比表面积愈大，黏粒或者亲水矿物的含量较高，而加入生石灰、水泥后，土的结构和成分发生了改变，使土体的膨胀性降低[16]。

图2 生石灰与水泥对膨胀土液塑限含水量的影响Fig.2 Effect on the moisture contents of liquid limit and plasticity limit in expansive soil by adding quicklime and cement

3.2 生石灰、水泥对膨胀土崩解性的影响

所有样件在最开始的2 min崩解速率最快，添加2%生石灰的试样2 min内崩解量最大，2%的水泥的崩解速率也快于原状土。随着生石灰，水泥添加量的增加，土体的崩解速度开始减小，抗崩解性逐渐加强。特别是添加4%、6%、8%生石灰和6%、8%水泥时，土样的抗崩解性都得到明显的改善，崩解速率的峰值都在10 g/min以下，同时整体形状没有太大变化，土体结构没有受到本质性的破坏(图3)。

图3 不同添加剂单位时间崩解量和累计崩解量与崩解时间的关系Fig.3 Relationship between the amount of disintegration per unit time， cumulative disintegration and disintegration time under different additives contents

在改良膨胀土的崩解性方面，添加6%、8%的生石灰、8%的水泥表现极好，其次为6%的水泥、4%的生石灰。试样前2 min崩解最快，这是由于试样的外层不仅受到自身膨胀力的影响，同时内层吸水后膨胀挤压外层，导致外层迅速崩解。这是由于膨胀土吸水膨胀，使得试样的整体结构遭到破坏，易被水侵蚀；另外，膨胀土土粒吸水使土粒间空隙变大，土粒之间的相互作用变弱，外力作用下易于发生相互运动，而使试样崩解。

3.3 生石灰与水泥对膨胀土抗冲性的影响

原状土试样在水流作用下，试样底部周边出现破损，底面积逐渐减少，稳定性降低，试样整体崩塌或崩落，直至被冲毁。当添加2%生石灰或2%水泥后，试样底部发生一定程度的冲蚀，但冲蚀不会发生整体结构的崩坏和倒塌；当添加量超过4%生石灰或6%水泥后，试样无明显冲蚀现象发生，整体结构完整，风干后试样仍具有很高的强度(图4)。

图4 不同添加剂单位时间冲刷量和累计冲刷量与冲刷时间的关系Fig.4 Relationship between the scouring amount per unit time, the cumulative scouring amount and erosion time under different additive contents

随着生石灰、水泥添加量的增加，试样抗冲性逐渐增强。这是由于膨胀土中加入生石灰后会形成粒径约2～5 mm的团聚体骨架结构，同时Ca2+发生的水化反应与离子交换反应，使得团聚体之间牢固地胶结[17]。高建伟等[18]发现，水泥水化反应后Ca2+与土粒表面吸附的金属离子交换，促使大量的土颗粒形成较大的土团，土团之间进一步结合形成稳定结构。生石灰、水泥添加到膨胀土后，产生水化反应，有利于土体内部形成较多的大粒径土壤团聚体，同时水化反应与离子交换反应产生的胶结物质增强团聚体之间的联系，有效地增强土体的抗冲性，随着添加剂量的增加，土体的抗冲性逐渐增强。

3.4 生石灰与水泥对膨胀土水稳性的影响

由图5可知，原状土试样遇水后结构迅速破坏，水稳性较差，而添加水泥与生石灰的膨胀土，其水稳性指数明显提高，当生石灰添加量超过8%时，其水稳性有减小趋势。研究表明随着水泥、生石灰添加量的增加，土体的最优含水量也在上升，土体的黏聚力会呈现递增趋势，但当添加量在6%～8%时增长不明显[19-20]。主要原因是生石灰通过水化反应以增强土体结构，同时空气中CO2的侵入与Ca(OH)2反应形成CaCO3，提高土体的水稳性[21]，但是由于生石灰含量增加，最优含水量也应增加，而制作样件过程中采用了相同含水量，导致高剂量的石灰样件含水量不足，土颗粒之间的自由水以及土颗粒的附着水也进行了反应，土粒之间的黏着性下降，出现干裂，裂隙现象，土体的结构遭到破坏，水稳性开始下降。

图5 生石灰与水泥添加比例与水稳性指数的关系Fig.5 Relationship between the different addition ratio of quicklime and cement and the water stability index

4 结论

膨胀土添加生石灰、水泥能提高膨胀土的强度，降低土粒与水的吸附性，使其液限、膨胀力、膨胀率下降。生石灰添加膨胀土后，土体干密度降低，土粒粒径增大；水泥添加膨胀土后，试样的强度有较大提高，水泥中各物质与水发生化合反应生成的硅铝酸盐复合物凝胶，起到胶结土粒作用，使土粒之间联系更加稳固。生石灰与水泥增强了土体结构，提高了抗崩解、抗冲蚀能力，随着生石灰与水泥添加比例的提升，相应的抗崩解性、抗冲性成正相关上升。

生石灰、水泥添加的比例不宜过大，实验中，添加量超过8%时，在自然风干条件下都存在不同程度的干裂现象，超过10%的样件，土体结构已经完全破坏。过高比例的生石灰或水泥会剧烈消耗土体水分，土壤颗粒间的自由水、土壤颗粒表面的吸附水也参与反应，导致土壤颗粒之间的黏着力下降，土体强度反而下降。