EN-1固化劑對4種土壤抗剪強(qiáng)度的影響

丁小龍， 張興昌， 王建玉

(1.寧夏回族自治區(qū) 環(huán)境保護(hù)執(zhí)法局， 寧夏 銀川 750011； 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，

水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心， 陜西 楊凌 712100； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

EN-1固化劑對4種土壤抗剪強(qiáng)度的影響

丁小龍1,3， 張興昌2， 王建玉1

(1.寧夏回族自治區(qū) 環(huán)境保護(hù)執(zhí)法局， 寧夏 銀川 750011； 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，

水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心， 陜西 楊凌 712100； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

摘要：[目的] 為了探討離子固化劑路邦EN-1對黃土性土壤的固化性能。[方法] 對土、風(fēng)沙土、黃綿土、黃棕壤4種土在不同固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期的固化進(jìn)行了直剪試驗(yàn)。[結(jié)果] 路邦EN-1固化劑可以有效提高4種土壤的抗剪強(qiáng)度，特別是大幅度提高了和黃棕壤的黏聚力。[結(jié)論] 固化劑的摻量并非越大越好，摻入量過多反而會降低土壤的抗剪強(qiáng)度。摻量為0.01%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)固化效果最佳。路邦EN-1固化劑適用于黏粒含量較大的土壤，不適用于砂粒含量較大的土壤。

關(guān)鍵詞：固化劑； 抗剪強(qiáng)度； 內(nèi)摩擦角； 黏聚力

黃土廣泛分布于中國西北地區(qū)，具有大孔隙性和多洞性，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，呈現(xiàn)架空結(jié)構(gòu)，具有垂直節(jié)理，在天然情況下能經(jīng)常保持垂直邊坡[1]。在各種自然條件的影響下，邊坡表面土體容易出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象，其中，水的沖刷作用尤為明顯，由于水流對邊坡侵蝕、浸潤，使得邊坡土體顆粒之間抗剪能力減小而造成的邊坡表面土體失穩(wěn)現(xiàn)象屢見不鮮[2]。而現(xiàn)在很多黃土地區(qū)都是使用土壤固化劑來加固土壤，改善路基狀況和保護(hù)公路邊坡。20世紀(jì)70年代，美、日等國家由于工程建設(shè)的需要，對土壤固化技術(shù)進(jìn)行了深層次的研發(fā)，加固土壤的材料由原來單一的水泥、石灰、粉煤灰發(fā)展到專門的用來固結(jié)土壤的新材料——土壤固化劑[3]。由于土壤固化劑具有較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于道路路基[4-6]、渠道防滲[7]和水利工程[8-9]等各個(gè)領(lǐng)域[10]。中國20世紀(jì)80 年代開始引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，目前已有近50 家機(jī)構(gòu)和公司在進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，并通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用取得了一些進(jìn)展，獲得了良好的效益。路邦土體固化劑是現(xiàn)在使用較多的土體固化劑，在紅土[11]、無砂石和貧砂石地區(qū)[12]以及黃土地區(qū)[13]都有應(yīng)用，但對于沙土的研究報(bào)道不多。本文采用路邦EN-1作為土體固化劑，土壤樣本分別采自陜西省楊凌區(qū)的土，安康市的黃棕壤，安塞縣的黃綿土和靖邊縣的風(fēng)沙土，依照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123—1999)進(jìn)行試驗(yàn)。首先對所選土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出土的最優(yōu)含水率和最大干密度，依據(jù)每種土的最優(yōu)含水率配制試樣[14-16]，研究了在不同固化劑摻量以及不同培養(yǎng)齡期土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，為離子固化劑路邦EN-1在4種土壤地區(qū)的使用提供參考。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用黃土分別取自陜西楊陵、安康、安塞和靖邊，試驗(yàn)前將土樣混勻風(fēng)干，過5 mm (擊實(shí)實(shí)驗(yàn))和2 mm(直剪實(shí)驗(yàn))備用，其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)選用的路邦EN-1固化劑，是由美國C.S.S技術(shù)公司生產(chǎn)，由溶解能力很強(qiáng)的酸性溶劑、天然分散劑和氧化劑組成的合成物。路邦EN-1固化劑屬于酸基化合物，是一種濃縮狀態(tài)下無揮發(fā)性、有強(qiáng)烈刺激性酸味、不燃燒，有腐蝕性、溶于水的醬黑色液體，一經(jīng)經(jīng)過稀釋，則是無毒、無公害、無污染、不破壞生態(tài)環(huán)境的高分子復(fù)合材料。硫酸含量>1%，表面活性劑含量6%，沸點(diǎn)282 ℃，密度1.709 g/cm3，25 ℃時(shí)比重為1.70，pH值1.05，揮發(fā)率<1%。路邦EN-1土體固化劑用來固化土體，實(shí)際上是固化劑對土體中的成分發(fā)生分解—化合—重新結(jié)晶的化學(xué)反應(yīng)，最終使土體形成強(qiáng)度，改善其工程性質(zhì)。

表1　供試土壤的物理性質(zhì)

注：土質(zhì)劃分根據(jù)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)GBJ145—90》。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)固化劑摻量(0.01%，0.05%，0.10%，1%)和養(yǎng)護(hù)齡期(7，14，21和28 d) 2個(gè)因素；壓實(shí)度為0.95[17]，含水率分別為最優(yōu)含水率。

1.2.2制樣及養(yǎng)護(hù)稱取一定量的風(fēng)干備用土料，測其自然含水率，計(jì)算干土重量，稱取相應(yīng)比例的固化劑，按素土的最優(yōu)含水率加水?dāng)嚢璨⒑屯亮铣浞只旌?，靜置于密閉容器中待含水均勻后測定含水率，按預(yù)定的干密度(0.95)制樣。計(jì)算稱取對應(yīng)制樣環(huán)刀容積的試驗(yàn)土料(環(huán)刀容積為60 cm3) ，用千斤頂靜壓成型。成型試樣用塑料袋封閉放在室內(nèi)自然環(huán)境中靜置養(yǎng)護(hù)。制樣密度、含水率與試驗(yàn)設(shè)計(jì)之差值不超過0.02 g/cm3，以素土(不摻加固化劑) 作為對照。

1.2.3試驗(yàn)指標(biāo)及方法觀測指標(biāo)為素土的最優(yōu)含水率、固化土的內(nèi)摩擦角和黏聚力。試驗(yàn)方法按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)進(jìn)行。含水率采用稱重法測定，每樣3個(gè)平行。擊實(shí)試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)儀，單位體積擊實(shí)功約為592.2 kJ/m3，分3層擊實(shí)，每層土料的質(zhì)量為600~800 g(使擊實(shí)后試樣的高度略高于擊實(shí)筒的1/3),每層25擊，以擊實(shí)后各試樣的含水率為橫坐標(biāo)，干密度為縱坐標(biāo)，繪制含水率—干密度關(guān)系曲線，曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的橫縱坐標(biāo)分別代表土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度。直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，施加垂直壓力分別為100，200，300和400 kPa，剪切速度控制在6 r/min。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

黏性土抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要參數(shù)是黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ。黏聚力包括土粒間分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的膠結(jié)作用形成的固化黏聚力，主要來源于黏土顆粒之間的膠結(jié)作用、靜電引力、電磁引力和毛細(xì)管水壓力等；內(nèi)摩擦角是指巖體在垂直重力作用下發(fā)生剪切破壞時(shí)錯(cuò)動(dòng)面的傾角，與土顆粒的滑動(dòng)、體積變化阻力、顆粒重新排列和顆粒破裂等因素有關(guān)[18]。砂土不存在黏聚力，其抗剪強(qiáng)度由內(nèi)摩擦角φ決定。

2.1　擊實(shí)試驗(yàn)

圖1　4種土壤素土的擊實(shí)試驗(yàn)

2.2　直剪實(shí)驗(yàn)

2.2.1固化劑摻量對4種土壤抗剪強(qiáng)度的影響如圖2所示，以28 d培養(yǎng)期為例，在固化劑摻量為0.01%時(shí)，4種土壤的內(nèi)摩擦角有明顯增加，土固化土的內(nèi)摩擦角增加了8.77°；黃棕壤固化土的內(nèi)摩擦角增加了19.53°。黃綿土的黏粒含量為6.74%，而風(fēng)沙土的黏粒含量僅為1.54%，屬于砂質(zhì)土壤，因此黃綿土與風(fēng)沙土的黏聚力均為0，固化以后的內(nèi)摩擦角分別增加了2.88°和6.48°。

圖2　固化劑摻量對土樣內(nèi)摩擦角的影響(以28 d為例)

如圖3所示，固化劑摻量對土樣黏聚力的影響，可以看出路邦EN-1對黃棕壤和土的固化效果比較明顯，特別是對黃棕壤，與對照相比當(dāng)固化劑摻量為0.01%,0.05%,0.1%和1%時(shí)，其黏聚力分別增加了144.6%,136.21%,121.14%,124.49%。而對黃綿土與風(fēng)沙土影響不顯著，不同固化劑摻量下，它們的黏聚力依然為0。

圖3　固化劑摻量對28 d土樣黏聚力的影響

2.2.2培養(yǎng)齡期對4種土壤抗剪強(qiáng)度的影響圖4表示不同培養(yǎng)齡期下土樣的內(nèi)摩擦角，培養(yǎng)齡期為28 d時(shí)，固化土的固化效果最佳。以固化劑摻量0.01%為例，土固化土培養(yǎng)28 d后，與培養(yǎng)7 d時(shí)相比，內(nèi)摩擦角增加了6.05°，黃棕壤固化土的內(nèi)摩擦角增加了15.66°，黃綿土固化土的內(nèi)摩擦角增加了0.46°，風(fēng)沙土固化土的內(nèi)摩擦角增加了0.4°。

圖4　0.01%固化劑摻量在不同培養(yǎng)齡期對土樣內(nèi)摩擦角的影響

圖5　0.01%固化劑摻量在不同培養(yǎng)齡期對土樣黏聚力的影響

2.3　固化劑對土壤抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，在摻量為0.01%時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度較素土增加最為顯著。之后隨著固化劑摻量的增加，抗剪強(qiáng)度反而下降。因此，固化劑的摻量并非越大越好，摻入量過多反而會降低土壤的抗剪強(qiáng)度，從而降低固化劑的有效利用率。以28 d培養(yǎng)期為例，土固化土的內(nèi)摩擦角增加了8.77°，黏聚力增加了70.1%；黃棕壤固化土的內(nèi)摩擦角增加了19.53°，黏聚力增加了144.6%。黃綿土素土中的黏粒含量為6.74%，而風(fēng)沙土素土的黏粒含量僅為1.54%，屬于砂質(zhì)土壤，因此黃綿土固化土與風(fēng)沙土固化土的黏聚力均為0，固化以后內(nèi)摩擦角分別增加了2.88°和6.48°。

路邦EN-1對土壤進(jìn)行固化時(shí)，對黏性土壤的固化效果比較明顯，對砂質(zhì)土壤的固化效果不明顯，可能是因?yàn)轲ば酝恋目辜魪?qiáng)度主要與連結(jié)有關(guān)，路邦EN-1屬于電離子溶液類固化劑，其固化的機(jī)理主要是經(jīng)水稀釋后，與土壤中的礦物質(zhì)發(fā)生溶解、結(jié)晶、吸收、擴(kuò)散、再結(jié)晶鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)黏土顆粒之間的連結(jié)結(jié)構(gòu)。對砂土而言，由于其黏粒含量很低，原始黏聚力與固化黏聚力低，抗剪強(qiáng)度主要是由顆粒間的摩擦力組成，與粒度、密實(shí)度和含水情況有關(guān)，因此固化劑的化學(xué)作用對抗剪強(qiáng)度的影響不明顯。

2.4　培養(yǎng)齡期對土壤抗剪強(qiáng)度的影響

如表2所示，培養(yǎng)齡期為28 d時(shí)，固化土的固化效果最佳。以固化劑摻量0.01%為例，土固化土培養(yǎng)28 d后，與培養(yǎng)7 d時(shí)相比，內(nèi)摩擦角增加了6.05°，黏聚力增加了62.6%；黃棕壤固化的內(nèi)摩擦角增加了15.66°，黏聚力增加了72.5%；黃綿土固化土的內(nèi)摩擦角增加了0.46°，風(fēng)沙土固化土的內(nèi)摩擦角增加了0.4°。

在土壤固化劑加入比例相同的情況下，對黏土而言，土樣靜置時(shí)間越長，固化劑因其較高的電荷強(qiáng)度，置換出更多土顆粒表面的陽離子，促使土顆粒表面雙電層厚度減薄的越多，土料間的排斥力減小程度越大，土顆粒之間的吸引力增加的更多，促使顆粒間的連結(jié)力增強(qiáng)，土體骨架更堅(jiān)硬，相應(yīng)地使土體承受外荷載的能力增強(qiáng)，抵抗變形和破壞的能力提高，因而凝聚力和內(nèi)摩擦角增大[11]。對砂土而言，影響抗剪強(qiáng)度的因素的粒度、密實(shí)度和含水情況與顆粒間的連結(jié)力無關(guān)，因此，培養(yǎng)齡期的長短對抗剪強(qiáng)度的影響也不顯著。

3結(jié) 論

(2) 建議在使用路邦EN-1固化劑時(shí)摻量以0.01%為宜，養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于28 d。

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Effect of EN-1 Soil Stabilizer on Soil Shear Strength

DING Xiaolong1,3, ZHANG Xingchang2, WANG Jianyu1

(1.EnvironmentalMonitoringCorpsoftheNingxiaHuiAutonomousRegion,Yinchuan,Ningxia

750001,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofScience&MinistryofWater

Resources,ResearchCentreonSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,

China; 3.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：[Objective] To investigate the solidifying capability of soil stabilizer EN-1 on loess soil. [Methods] Direct shear experiments with 4 loessial soils of Lou soil, sand soil, loessal soil and yellow brown soil, with different solidifying agent content and curing age are conducted.[Results] EN-1 can improve the shear strength of the four types of soil, especially the cohesion of soil in Yangling District and Ankang City. [Conclusion] The amount of EN-1 needs to be appropriate, as excessive amount of EN-1 may reduce the shear strength of soil. The optimal amount of EN-1 is 0.01%, and the optimal curing age is 28 d. Soil stabilizer EN-1 is more suitable for soil with high clay content, rather than soil with high sand content.

Keywords:soil stabilizer; shear strength; internal friction angle; cohesion

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0159-04

中圖分類號：S157.1， X522

通信作者：張興昌(1965—)，男(漢族)，陜西省武功縣人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤學(xué)研究。E-mail:zhangxc@ms.iswc.ac.cn。

收稿日期：2013-12-19修回日期：2014-01-10

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土區(qū)典型人工植被演替過程植物—土壤水養(yǎng)過程及耦合”(41471437)

第一作者：丁小龍(1985—)，男(回族)，寧夏吳忠市人，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理與資源清潔利用。E-mail：dinxiaolong@126.com。