斥水劑作用下非飽和土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定及其變化規(guī)律

吳珺華，林 輝，周曉宇，鄧一超，楊 松

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斥水劑作用下非飽和土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定及其變化規(guī)律

吳珺華1，林 輝1，周曉宇1，鄧一超1，楊 松2※

（1. 南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330063；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201）

為獲得斥水性土壤抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，采用二甲基二氯硅烷（dimethyldichlorosilane，DMDCS）作為斥水劑，獲得了不同斥水程度的改性砂土。在此基礎(chǔ)上配制了不同斥水劑體質(zhì)比和不同含水率的改性砂土及不同親水黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性混合土，并采用非飽和土直剪儀開展了不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：1）不同DMDCS體質(zhì)比下的5種改性砂土斥水等級(jí)均為極度。改性混合土的斥水等級(jí)受DMDCS和黏土含量的共同影響。相同DMDCS體質(zhì)比下，隨著黏土含量的增加，改性混合土的斥水性能不斷減弱；相同黏土含量下，隨著DMDCS體質(zhì)比的增加，改性混合土的斥水性能不斷增大。2）不同DMDCS體質(zhì)比、含水率及黏土含量下的改性土壤抗剪強(qiáng)度均可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則描述。DMDCS體質(zhì)比從0增至1%時(shí)，黏聚力從19.6陡降至10.4 kPa，隨后緩慢降低，最終趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角則隨著DMDCS體質(zhì)比的增加緩慢減小，從0時(shí)的16.2o降至3%時(shí)的11.8o；隨著含水率的增加，改性砂土黏聚力逐漸減小，而內(nèi)摩擦角呈先升后降形態(tài)；隨著黏土含量的增加，改性混合土黏聚力顯著增大，內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先升后降，變幅不大。純改性砂土的黏聚力僅為9.3 kPa，而摻入5%的黏土?xí)r，其黏聚力驟升至27.2 kPa；當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，混合土黏聚力為55.1 kPa；內(nèi)摩擦角最大值為16.2°（黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%），最小值為9.7°（黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%）。該成果可為深入研究斥水性土壤力學(xué)性能及工程應(yīng)用提供參考。

抗剪強(qiáng)度；含水率；二甲基二氯硅烷；斥水；非飽和土壤；直剪試驗(yàn)

0 引 言

土壤顆粒表面可以被水濕潤(rùn)，宏觀上表現(xiàn)為親水；土顆粒表面難以被水濕潤(rùn)，宏觀上表現(xiàn)為斥水[1]。在土壤學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)天然土壤斥水性的研究始于19世紀(jì)某草原中出現(xiàn)的“蘑菇圈”和“干燥斑”現(xiàn)象[2-3]：在這些土壤表面，水分難以滲入導(dǎo)致上覆植被無法生長(zhǎng)[4]。斥水現(xiàn)象在土壤不同組分、利用方式和多種氣候條件下廣泛存在[5-6]，且具有典型季節(jié)性[7]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤斥水性研究中，主要集中在斥水度測(cè)定手段[8-10]、斥水度影響因素[11-14]、土壤斥水化技術(shù)手段[15-17]及斥水土壤水分運(yùn)移[18-21]等方面，重點(diǎn)研究如何減小和消除天然土壤的斥水性，改善其滲透性能以利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而并未考慮其力學(xué)特性。在土木工程領(lǐng)域，由土壤親水性導(dǎo)致的工程問題十分普遍，土壤親水性是產(chǎn)生滲透破壞[22]、土坡失穩(wěn)[23]、水量損失[24]、海水入侵[25]、水體污染[26]、地基沉降[27]等工程問題的關(guān)鍵因素。除了土壤的滲透性，其力學(xué)特性亦是土木工程領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注問題。Fredlund等[28]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力是影響非飽和土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素，并提出引入?yún)?shù)φ來反映基質(zhì)吸力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)[29]。Escario等[30]認(rèn)為采用直剪儀可測(cè)定非飽和土壤的抗剪強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上吳珺華等[31]結(jié)合濾紙法建立了非飽和土壤抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。部分學(xué)者從實(shí)用化角度出發(fā)，采用含水率來反映其對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響[32-34]。關(guān)于斥水性土壤方面，陳俊英等[35]采用高速離心機(jī)測(cè)定了人工斥水土壤的水分特征曲線，發(fā)現(xiàn)土壤基質(zhì)吸力與含水率、斥水劑含量等密切相關(guān)。楊松等[36]通過測(cè)定人工改性斥水性土壤的接觸角，發(fā)現(xiàn)接觸角增大到一定值時(shí)基質(zhì)吸力會(huì)消失。此外，Harkes等[37-38]采用生物改性法配制并研究了斥水性土壤的力學(xué)性質(zhì)，但大部分工程環(huán)境并不利于微生物的成長(zhǎng)，無法有效保持改性土壤的性能，限制了生物改性的推廣應(yīng)用。化學(xué)改性是目前常用的土壤斥水化改性方法，其對(duì)土顆粒成分和結(jié)構(gòu)沒有影響，因此可用于調(diào)節(jié)重塑土壤的滲透性。若能使土壤人為斥水化，那么水就無法輕易滲入土壤內(nèi)部，滲流也就不易發(fā)生，則可顯著降低滲流問題的帶來的負(fù)面影響。同時(shí)其力學(xué)特性若滿足工程需要，那么人為斥水化土壤可推廣應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。Imeson等[39]利用天然斥水性土壤來阻止水分蒸發(fā)，延緩蒸發(fā)作用以改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。Sérgio等[40]采用人工斥水砂制作了室內(nèi)邊坡模型，獲得了土壤含水率及孔隙水壓力的分布，認(rèn)為其與親水性邊坡的破壞模式完全不同。Zheng等[41]在此基礎(chǔ)上，開展了不同條件下斥水土坡的穩(wěn)定性研究，認(rèn)為其穩(wěn)定性要優(yōu)于親水土坡?？梢钥闯?，目前斥水性土壤的工程應(yīng)用方面還十分有限，且主要集中在滲流特性的研究，而針對(duì)斥水性土壤力學(xué)行為的研究相對(duì)較少。筆者前期采用二氯二甲基硅烷等3種斥水劑對(duì)砂土進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)二氯二甲基硅烷改性砂土具有良好的斥水效果[42]。在此基礎(chǔ)上，本文分別制備了斥水劑體質(zhì)比、含水率及黏性土含量不同的改性砂土，測(cè)定其斥水等級(jí)并開展非飽和直剪試驗(yàn)，研究改性砂土總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與斥水劑體質(zhì)比、含水率、黏性土含量之間的關(guān)系，為斥水性土壤的工程應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用土取自南昌某工程現(xiàn)場(chǎng)，風(fēng)干碾碎過2.36 mm篩后備用。土料基本參數(shù)如下：1）砂土：相對(duì)密度2.66，最大干密度1.65 g/cm3，最小干密度1.35 g/cm3，飽和含水率42.3%，天然孔隙比0.45，其粒徑級(jí)配曲線見圖1；2）黏土：相對(duì)密度2.72，最大干密度1.81 g/cm3，最優(yōu)含水率19.5%，塑限20.8%，液限41.6%，塑性指數(shù)20.8。斥水劑為二甲基二氯硅烷（(CH3)2SiCl2，簡(jiǎn)稱DMDCS）。

圖1 砂土粒徑級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 DMDCS對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響

將砂土風(fēng)干分散過2 mm篩后，用去離子水洗凈雜質(zhì)后烘干，目的是消除有機(jī)物等雜質(zhì)對(duì)斥水性能的影響。將DMDCS（mL）與砂土（g）分別按1%、1.5%、2%、2.5%和3%共5組不同體積質(zhì)量比（簡(jiǎn)稱體質(zhì)比，下同）均勻混合密封至少2 h，獲得不同斥水劑含量的改性砂土，分別開展斥水等級(jí)測(cè)定試驗(yàn)與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。此外，對(duì)天然砂土亦進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)（DMDCS體質(zhì)比為0），以便對(duì)比分析改性前后砂土抗剪強(qiáng)度性能變化規(guī)律。

1.2.2 含水率對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響

實(shí)際工程中的土壤不可避免地會(huì)受到水分侵?jǐn)_，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。據(jù)此針對(duì)DMDCS體質(zhì)比為2%和3%的砂土，分別配制含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為3%、5%、7%、11%和13%共5種改性砂土，混合密封至少2 h，獲得不同斥水劑含量的改性砂土以開展抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得含水率對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律。

1.2.3 黏土含量對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響

對(duì)改性砂土斥水性影響因素的研究集中在含水率、pH值、溫度、土體級(jí)配等方面[43]，而將親水性黏土摻入改性砂土后斥水性能變化的研究相對(duì)較少。此處重點(diǎn)研究黏土含量對(duì)改性砂土抗剪強(qiáng)度的影響，故僅將DMDCS體質(zhì)比為3%的改性砂土（g）與黏土（g）分別按0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%和50%共9種比例，混合配制成3%含水率的改性混合土以開展抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得黏土含量對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律。

1.3 試驗(yàn)儀器與步驟

采用非飽和土直剪儀開展改性土壤的不固結(jié)不排水直剪試驗(yàn)（圖2）。常規(guī)直剪儀無法控制剪切過程中非飽和試樣的水氣運(yùn)移，而該儀器可在試驗(yàn)過程中通過控制排水閥和排氣閥的開關(guān)情況，保證試樣含水率不變。基本參數(shù)如下：水平剪切速率為0.001～4.8 mm/min；最大剪切力5 kN；最大法向壓力3 200 kPa；位移傳感器最大量程10 mm，精度0.01 mm；最大孔隙氣壓力0.6 MPa。試樣為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣（61.8 mm×20 mm）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)采集并保存。試樣干密度為1.5 g/cm3，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999[44]進(jìn)行直剪試驗(yàn)。相同標(biāo)準(zhǔn)試樣制取4個(gè)，其法向壓力分別為100、200、300和400 kPa，剪切速率0.8 mm/min，6 min內(nèi)完成剪切。

1. 壓力室 2. 步進(jìn)電機(jī) 3. 控制臺(tái) 4. 力傳感器 5. 杠桿 6. 氣壓表

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用滴水穿透時(shí)間法（water drop penetration time，WDPT）來測(cè)定改性砂土斥水等級(jí)，分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。采用《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999[44]對(duì)直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理方法對(duì)上述方案相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析，獲得不同條件下改性砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。由于試驗(yàn)是在不固結(jié)不排水條件下進(jìn)行的，因此上述抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

表1 基于滴水穿透時(shí)間法的斥水等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 改性土壤斥水等級(jí)測(cè)定

5種不同DMDCS體質(zhì)比的改性砂土，其滴水穿透時(shí)間均超過3 600 s，其斥水等級(jí)均為極度。圖3隨機(jī)給出DMDCS體質(zhì)比為2%的砂土斥水效果，可以看出改性后的砂土具有顯著斥水性。其余改性砂土亦具有此類現(xiàn)象，在此不贅述。

a. 2% DMDCSb. 無DMDCS b. No DMDCS

1.1角人民幣 2.水滴（未入滲） 3.水漬（已入滲）

1.RMB 10 cents 2.Water droplets (no infiltration) 3.Waterlogging (infiltration)

注：DMDCS為二甲基二氯硅烷。下同。

Note: DMDCS is dimethyldichlorosilance. Same as below.

圖3 改性前后砂土斥水效果

Fig.3 Hydrophobicity results of sandy soils before and after modifying

將5種不同DMDCS體質(zhì)比的改性砂土按9種不同比例摻入黏土制成改性混合土，測(cè)定了其滴水穿透時(shí)間和斥水等級(jí)（圖4）。

圖4 改性混合土斥水等級(jí)

由圖4可知，改性混合土的斥水等級(jí)受DMDCS體質(zhì)比和黏土含量的共同影響。相同DMDCS體質(zhì)比的改性砂土，隨著黏土含量的增加，其滴水穿透時(shí)間均有所縮短；當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定值時(shí)，其斥水等級(jí)迅速降低。當(dāng)DMDCS體質(zhì)比為1%時(shí)，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%的混合土斥水等級(jí)就從極度降至嚴(yán)重；而當(dāng)DMDCS體質(zhì)比為3%時(shí)，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，其斥水等級(jí)才從極度迅速降至中等。這表明黏土含量對(duì)改性砂土的斥水性有顯著影響，隨著黏土含量的增加，其斥水效果逐漸減弱直至消失。

2.2 不同DMDCS體質(zhì)比的改性砂土抗剪強(qiáng)度

圖5為不同法向壓力下，砂土DMDCS體質(zhì)比與抗剪強(qiáng)度關(guān)系。總體上看，隨著DMDCS體質(zhì)比的增大，相同法向壓力下的抗剪強(qiáng)度有所降低，這表明DMDCS對(duì)改性砂土的抗剪性能有較大影響。在試驗(yàn)的法向壓力范圍內(nèi)，不同DMDCS體質(zhì)比下試樣的抗剪強(qiáng)度與法向壓力近似為線性關(guān)系，可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行描述（2>0.9，=0.01），見式（1）。

式中為抗剪強(qiáng)度，kPa；為法向應(yīng)力，kPa；為黏聚力，kPa；為內(nèi)摩擦角，(°)。不同DMDCS體質(zhì)比的改性砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表2。

圖5 改性砂土DMDCS體質(zhì)比與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

表2 不同DMDCS含量的改性砂土抗剪強(qiáng)度

注：**，<0.01，下同。

Note: **,<0.01, Same as below.

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著DMDCS體質(zhì)比的增加，改性砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有不同程度的減小，其中黏聚力從0時(shí)的19.6 kPa降至3%時(shí)的9.3 kPa，降幅達(dá)52.6%；內(nèi)摩擦角從0時(shí)的16.2°降至3%時(shí)的11.8°，降幅為27.2%。DMDCS體質(zhì)比從0增至1%時(shí)，黏聚力呈現(xiàn)陡降形態(tài)，隨后緩慢降低，最終趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角則隨著DMDCS體質(zhì)比的增加緩慢減小。這表明DMDCS對(duì)改性砂土黏聚力的影響遠(yuǎn)大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。普通砂土摻入DMDCS后，其顆粒表面性質(zhì)發(fā)生改變，使土壤顆粒表面接觸角增大，導(dǎo)致其基質(zhì)吸力逐漸減小[36]，最終導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)DMDCS體質(zhì)比超過一定值時(shí)，其對(duì)改性砂土抗剪強(qiáng)度幾乎沒有影響。

2.3 不同含水率的改性砂土抗剪強(qiáng)度

圖6為不同法向壓力下，砂土含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線?？梢钥闯?，隨著含水率的增大，相同法向壓力下的抗剪強(qiáng)度呈先升后降形態(tài)，存在峰值。法向應(yīng)力越大，曲線下降趨勢(shì)越明顯。此外，隨著DMDCS體質(zhì)比的增加，抗剪強(qiáng)度峰值向低含水率方向偏移，即含水率較低時(shí)達(dá)到峰值。這表明含水率對(duì)改性砂土抗剪性能的影響與DMDCS體質(zhì)比密切相關(guān)。結(jié)果表明，在試驗(yàn)的法向壓力范圍內(nèi)，一定含水率范圍內(nèi)試樣的抗剪強(qiáng)度與法向壓力可近似為線性關(guān)系，亦可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行描述。將抗剪強(qiáng)度與法向壓力擬合結(jié)果列于表3。

圖6 改性砂土含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

表3 不同含水率的改性砂土抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率的增加，改性砂土的黏聚力逐漸減小。當(dāng)DMDCS體質(zhì)比分別為2%和3%時(shí)，黏聚力分別從3%含水率時(shí)的15.5 kPa和15 kPa降至13%含水率時(shí)的7.5 kPa和5.2 kPa，降幅達(dá)51.6%和65.3%；改性砂土的內(nèi)摩擦角呈先升后降形態(tài)，當(dāng)DMDCS體質(zhì)比為2%和3%時(shí)，內(nèi)摩擦角先從3%含水率時(shí)的12.7°和11.7°升至15.2°和14.6°，最終降至13%含水率時(shí)的13.9°和11.9°。含水率的增加會(huì)影響砂土顆粒之間水力聯(lián)系，提升顆粒之間潤(rùn)滑性能，引起基質(zhì)吸力降低，最終導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度不斷降低。總體上看，含水率對(duì)改性砂土的抗剪強(qiáng)度影響很大，尤其對(duì)改性砂土黏聚力的削弱作用更為明顯。

2.4 不同黏土含量的改性混合土抗剪強(qiáng)度

圖7為不同法向壓力下，改性砂土中不同黏土含量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線?？梢钥闯?，隨著黏土含量的增加，法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定；法向應(yīng)力為200、300和400 kPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)為先升后降形態(tài)，存在峰值。法向應(yīng)力越大，曲線下降趨勢(shì)越明顯。結(jié)果表明，在試驗(yàn)的法向壓力范圍內(nèi)，不同黏土含量下試樣的抗剪強(qiáng)度與法向壓力亦可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行描述。將抗剪強(qiáng)度與法向壓力擬合結(jié)果列于表4。

注：含水率為3%。

表4 不同黏土含量的改性混合土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

結(jié)果表明，隨著黏土含量的增加，改性混合土的黏聚力逐漸增大：純改性砂土的黏聚力僅為9.3 kPa，而摻入5%的黏土后，其黏聚力增至27.2 kPa；當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)50%時(shí)，其黏聚力可達(dá)55.1 kPa，增幅為492.5%。改性混合土的內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先升后降形態(tài)，最大值為16.2°（黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%），最小值為9.7°（黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%）。由前述分析可知，隨著黏土含量的增加，混合土的斥水性不斷降低，其基質(zhì)吸力呈遞增形態(tài)，導(dǎo)致改性混合土抗剪強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)黏土含量持續(xù)增加時(shí)，改性砂土表面覆蓋的黏土顆粒不斷增多，其對(duì)黏聚力的貢獻(xiàn)越明顯，越接近純黏性土的黏聚力；而黏土的內(nèi)摩擦角通常要小于砂土的內(nèi)摩擦角，導(dǎo)致改性混合土的內(nèi)摩擦角總體上呈下降形態(tài)。黏土含量的增加會(huì)削弱改性砂土的斥水性，但其能有效充填砂土顆粒間的空隙，改善了土壤級(jí)配，進(jìn)而影響到改性砂土的力學(xué)性能?？梢灶A(yù)見，當(dāng)黏土含量達(dá)到一定值時(shí)，改性砂土對(duì)混合土的抗剪強(qiáng)度幾乎沒有影響，主要受黏土的抗剪強(qiáng)度控制。

3 結(jié) 論

1）不同二甲基二氯硅烷（(CH3)2SiCl2，DMDCS）體質(zhì)比下的5種改性砂土斥水等級(jí)均為極度。改性混合土的斥水等級(jí)受DMDCS體質(zhì)比和黏土含量的共同影響。相同DMDCS體質(zhì)比下，隨著黏土含量的增加，改性混合土的斥水性能不斷減弱；相同黏土含量下，隨著DMDCS體質(zhì)比的增加，改性混合土的斥水性能不斷增強(qiáng)。

2）不同DMDCS體質(zhì)比下的改性砂土抗剪強(qiáng)度可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則描述。隨著DMDCS體質(zhì)比的增加，改性砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所減小。DMDCS體質(zhì)比對(duì)改性砂土黏聚力的影響遠(yuǎn)大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。DMDCS使砂土顆粒表面接觸角增大，引起基質(zhì)吸力減小，最終導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。DMDCS體質(zhì)比繼續(xù)增加，對(duì)改性砂土抗剪強(qiáng)度影響不明顯。

3）不同含水率下的改性砂土抗剪強(qiáng)度可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則描述（2>0.9，<0.01），其受含水率與DMDCS體質(zhì)比的共同影響。隨著含水率的增加，改性砂土的黏聚力逐漸減小，而內(nèi)摩擦角呈先升后降形態(tài)。含水率的增加會(huì)引起基質(zhì)吸力降低，最終導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度不斷降低，尤其對(duì)改性砂土黏聚力的削弱作用更為明顯。

4）不同黏土含量下的改性混合土抗剪強(qiáng)度可用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則描述。隨著黏土含量的增加，改性混合土的黏聚力顯著增大。改性混合土的內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先增后減。黏土含量的增加會(huì)導(dǎo)致混合土的斥水性不斷下降，使得改性混合土抗剪強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)黏土含量增大時(shí)，改性砂土表面覆蓋的黏土顆粒不斷增多，其對(duì)黏聚力的貢獻(xiàn)越明顯，越接近純黏性土的黏聚力；黏土的內(nèi)摩擦角通常要小于砂土的內(nèi)摩擦角，導(dǎo)致改性混合土的內(nèi)摩擦角總體上呈下降形態(tài)。

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Measurement of shear strength and its change in unsaturated soils modified by hydrophobic agent

Wu Junhua1, Lin Hui1, Zhou Xiaoyu1, Deng Yichao1, Yang Song2※

(1.,,330063,; 2.,,650201,)

In order to study how shear strength and its change in unsaturated soils modified by hydrophobic agent, sandy soils hydrophobized by dimethyldichlorosilane (DMDCS) were prepared. The hydrophobic soils with different DMDCS volume by soil mass, water content and clay content were obtained respectively. Mixtures of sandy soils (DMDCS volume by soil mass were 2 mL:100 g and 3 mL:100 g, i.e., 2% and 3%, the same below) with 3%, 5%, 7%, 11% and 13% water content were prepared respectively. Meanwhile, the mixtures of clay and sandy soils (3% DMDCS) according to the clay mass fraction of 0, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40% and 50% were prepared respectively. Then the unsaturated direct shear tests were carried out by unsaturated direct shear apparatus. Four samples in each group were prepared under the normal pressure in 100, 200, 300 and 400 kPa, respectively. The horizontal shearing ratio was 0.8 mm/min and the shearing test lasted 6 min. The results showed that: 1) The mixtures of sandy soils and DMDCS presented extreme hydrophobicity. 2) The water repelling of mixtures of clay and sandy soils was affected by both DMDCS and clay content. The water repelling of mixtures was degraded with the increasing of clay content, and improved with the increasing of DMDCS volume by soil mass. 3) The Mohr-Coulomb strength criterion could be adopted to describe the shear strength of hydrophobic sandy soils with different DMDCS and water content. With the increasing of DMDCS volume by soil mass, the shear strength index of the hydrophobic soil was decreased to different extents. The cohesive force showed a steep-drop shape from soil without DMDCS addition to that with 1% DMDCS and a slow decline up to stabilize finally. The effect of DMDCS on the cohesive force of modified sandy soils was much greater than on the internal friction angle. The hydrophobic soils’ cohesion with the increasing of water content was decreased gradually, while the internal friction angle was increased firstly and decreased finally. The water content had a much effect on the shear strength of the hydrophobic sandy soils. The shear strength index were decreased with the increasing of DMDCS volume by soil mass: the cohesion was declined rapidly from 19.6 kPa (no DMDCS) to 10.4 kPa (1% DMDCS) and slowly from 10.4 kPa (1% DMDCS) to 9.3 kPa (3% DMDCS). The internal friction angle was declined slowly from 16.2° (no DMDCS) to 11.8° (3% DMDCS). The cohesion was decreased with the increasing of water content: the cohesion was declined from 15.5 kPa (3% water content) to 7.5 kPa (13% water content) with 2% DMDCS and from 15 kPa (3% water content) to 5.2 kPa (13% water content) with 3% DMDCS respectively; the internal friction angle was increased from 12.7° (3% water content) to 15.2° (11% water content) with 2% DMDCS and from 11.7° (3% water content) to 14.6° (7% water content) with 3% DMDCS, then decreased to 13.9° (13% water content) with 2% DMDCS and 11.9° (13% water content) with 3% DMDCS respectively. 4) The Mohr-Coulomb strength criterion could also be adopted to describe the shear strength of hydrophobic mixed soils with different clay content. The cohesion was increased remarkably with the increasing of clay content. The cohesion of sandy soils without clay was 9.3 kPa, then suddenly increased to 27.2 kPa and 55.1 kPa mixed with 5% and 50% clay mass fraction, respectively. The internal friction angle was increased from 12.1° (5% clay mass fraction) to 16.2° (15% clay mass fraction), and then decreased to 9.7° (50% clay mass fraction). All the analysis could be beneficial to analyze the shear strength of hydrophobized soils and apply in engineering.

shear strength; water content; dimethyldichlorosilane; hydrophobized; unsaturated soil; direct shear test

2018-08-23

2019-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51869013、41867038）；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20181BAB216033）；江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ180530）；南昌航空大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YC2018070）

吳珺華，副教授，博士，主要從事非飽和土基本性質(zhì)研究。 E-mail：wjhnchu0791@126.com

楊松，副教授，博士，主要從事非飽和土基本性質(zhì)研究。 E-mail：yscliff007@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.015

S152.+7

A

1002-6819(2019)-06-0123-07

吳珺華，林 輝，周曉宇，鄧一超，楊 松. 斥水劑作用下非飽和土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定及其變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：123－129. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.015 http://www.tcsae.org

Wu Junhua, Lin Hui, Zhou Xiaoyu, Deng Yichao, Yang Song. Measurement of shear strength and its change in unsaturated soils modified by hydrophobic agent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 123－129. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.015 http://www.tcsae.org