膨潤土改性黃土的水力- 力學(xué)特性試驗(yàn)

官翰欣，劉小保，楊秀娟

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 前言

澇池是關(guān)中地區(qū)常見的小型水利設(shè)施，其地基變形失穩(wěn)導(dǎo)致水體滲漏是目前澇池建設(shè)中的常見問題。黃土濕陷性強(qiáng)且易發(fā)生沖蝕、潛蝕和管涌等滲透破壞[1]。改善滲漏問題，是黃土地區(qū)農(nóng)村水利設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵。黃土的濕陷性是黃土的顯著特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對黃土進(jìn)行了各種試驗(yàn)研究。膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn)，具有較好的離子交換性。張鵬等[2]以次生黃土為研究對象，以飽和度、壓實(shí)度、膨潤土摻量、含砂率為因素，研究了膨潤土改性次生黃土的強(qiáng)度和壓縮性，分析了各因素的作用規(guī)律及顯著性。張虎元等[3]用柔性壁滲透儀對膨潤土改性黃土進(jìn)行變水頭滲透實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨潤土通過充填、提高干密度和吸水膨脹使黃土的孔隙性減小，有效降低了黃土的滲透性。邢義川等[4]在對黃土和膨潤土增濕過程中研究了其變形特性的異同點(diǎn)?？琢顐サ萚5]采用常水頭滲透試驗(yàn)方法研究膨脹土裂隙滲透特性，發(fā)現(xiàn)土樣初始滲透系數(shù)最大，隨后隨著時(shí)間的延續(xù)，滲透系數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。郄玥穎等[6]設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案建立了黏聚力的多元非線性關(guān)系模型表明膨潤土不會對黃土強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的不利影響。

本文基于膨潤土吸水膨脹的特性，采用膨潤土改性濕陷性黃土，通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤土，測試改性后黃土的水力- 力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)用土取自楊凌某邊坡開挖斷面，呈深黃褐色，土質(zhì)相對松散，埋置深度為地表以下3 m 左右，土樣風(fēng)干碾碎后過2 mm 篩備用。其基本物理指標(biāo)見表1。試驗(yàn)所需的膨潤土為試驗(yàn)專用納基膨潤土，顏色為灰白色，粘度為32 mPa·s，其基本性質(zhì)見表2。

表1 黃土的基本性質(zhì)

表2 膨潤土基本性質(zhì)

本文采用常規(guī)土工試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)等試驗(yàn)方法，用干密度、含水率、抗拉系數(shù)、水穩(wěn)定性等指標(biāo)對純黃土和膨潤土改良后的黃土進(jìn)行研究。分別對楊凌黃土和膨潤土改性楊凌黃土（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%共五組不同摻量）進(jìn)行土樣制備。本試驗(yàn)土樣含水率為19%，干密度為1.47 g/cm3，均勻拌合。制備好的土樣須用塑料薄膜包裹兩到三層，放置陰涼處。分別按照試驗(yàn)要求制備土樣，并進(jìn)行試驗(yàn)。

常規(guī)土工試驗(yàn)依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237-1999）的要求進(jìn)行操作。滲透試驗(yàn)按照SL 237-062-1999 的要求進(jìn)行常規(guī)變水頭試驗(yàn)測試土樣的滲透系數(shù)?？估囼?yàn)，利用西北農(nóng)林科技大學(xué)自制的單軸拉伸儀[7]制備土樣并進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，測試土樣的拉應(yīng)變和拉應(yīng)力。崩解試驗(yàn)，將土樣按照含水率19%和干密度1.47 g/cm3壓制成環(huán)刀樣，從中削制成1 cm×1 cm×1 cm 的立方體小塊，用鑷子輕輕地放入盛有100 mL 去離子水的燒杯中，觀察其崩解現(xiàn)象和崩解時(shí)間，測試土樣的水穩(wěn)定性[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲透試驗(yàn)結(jié)果

分別對加入五組不同摻量的膨潤土的改性黃土及素土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖1 可知，在相同的含水率下，滲透系數(shù)隨膨潤土摻量的增加而減小，剛開始下降速度較快，而后趨于穩(wěn)定。這是由于膨潤土進(jìn)入黃土后，它通過充填、提高干密度和吸水膨脹使黃土的孔隙性減小，有效降低了黃土的滲透性，但超過1%的含量后，趨勢顯著減緩，這是由于黃土間大部分顆粒已被填充，且膨潤土膨脹吸水效果達(dá)到臨界值，故可根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況酌情使用膨潤土改性黃土。

圖1 土樣滲透系數(shù)變化情況

2.2 抗拉試驗(yàn)結(jié)果

黃土在不同膨潤土摻量條件下的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線見圖2。從圖2 可以看出，不同膨潤土摻量黃土試樣在拉力作用下，在抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值前，應(yīng)力值均隨應(yīng)變增大而增大，在抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值后，外荷載繼續(xù)作用，應(yīng)力急劇降低，試樣抗拉強(qiáng)度幾乎全部喪失，喪失抵抗能力，此時(shí)試樣發(fā)生突然斷裂，破壞過程短暫，裂隙發(fā)展迅速，沒有征兆，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞。從圖3 可以看出抗拉強(qiáng)度峰值有上升趨勢，說明膨潤土能夠有效改善抗拉性能，且增強(qiáng)效果大致在10%～20%這個(gè)區(qū)間。

圖2 不同膨潤土摻量黃土的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 抗拉強(qiáng)度峰值趨勢圖

2.3 崩解試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3 可知，在19%含水率下，素土（膨潤土摻量為0）經(jīng)過50 s 后完全崩解，膨潤土摻量為2%～3%時(shí)，其崩解時(shí)間基本與素土相同，為50 s 左右。崩解過程中前期產(chǎn)生氣泡，隨著氣泡的增多，開始崩解，崩解完成后土樣形成圓錐型堆積物。在膨潤土摻量為1%或1.5%時(shí)，膨潤土對改性黃土的崩解情況有一定改善效果，具體體現(xiàn)在崩解過程氣泡產(chǎn)生速度慢及崩解劇烈程度小，改善效果較明顯。其崩解時(shí)間超出50 s 較多，崩解速度明顯較其余膨潤土摻量慢。

3 結(jié)論

本文以膨潤土改性黃土黃土為研究對象，分別測試最優(yōu)含水率下素土與改性土的水力- 力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

（1）黃土滲透系數(shù)隨膨潤土摻量的增加而減小，并趨于穩(wěn)定，類似反函數(shù)曲線，說明膨潤土能有效增加黃土的抗?jié)B性能。

（2）膨潤土對黃土的抗拉強(qiáng)度有一定增強(qiáng)，增幅強(qiáng)度在10%～20%區(qū)間。

（3）膨潤土能使黃土的崩解時(shí)間明顯減緩，1.0%～1.5%含量適用性最強(qiáng)。