化學成分對紅黏土界限含水率的影響

張炳暉，崔延碩，謝艷華，劉寶臣，劉 磊，熊俊豪

(1.桂林理工大學，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學院，廣西 桂林 541004；3.珠海交通集團有限公司，廣東 珠海 519060)

0 引 言

桂林地區(qū)是典型的紅黏土分布區(qū)與巖溶區(qū)，區(qū)域雨量充沛，有明顯的濕熱季節(jié)，淋濾作用強烈，為紅黏土的形成提供了有利條件[1]，也為紅黏土創(chuàng)造了復雜多變的水環(huán)境。隨著紅黏土水環(huán)境的變化，其化學組分也會因此發(fā)生改變，促使其物理、力學性質(zhì)變化直至強度喪失，引發(fā)紅黏土路基填筑壓實度[2]、抗剪強度的水敏性[3]及工程性狀的干濕循環(huán)效應(yīng)[4-5]等問題，導致紅黏土路基普遍存在路基沉陷、縱裂、淺層滑塌等病害，造成了巨大的危害和損失[6]。因此，開展紅黏土化學成分的變化對其物理力學性質(zhì)影響的研究極為必要。

諸多專家學者已開展了較多相關(guān)研究，龐春勇等[7]發(fā)現(xiàn)桂林紅黏土所處的地質(zhì)環(huán)境對其礦物組成、化學成分具有重要作用；吳恒、王軍、Hawkins、劉慶超等[8-11]研究發(fā)現(xiàn)地下水能使土體化學成分發(fā)生變化，導致顆粒間連接結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響土體強度；湯連生和Graham[12-13]認為土體經(jīng)化學溶液浸泡后物理力學性質(zhì)發(fā)生變化；張信貴、劉曉紅等[14-15]發(fā)現(xiàn)土體物理力學性質(zhì)與土中的氧化物有關(guān)；孔令偉、李榮彪、Khalids、Mancini、Luciano等[16-20]采取EDTA二鈉或相似溶液溶解去除土中的陽離效果良好。以上諸多研究都取得了頗多成果，但對紅黏土化學成分變化對其界限含水率的影響研究相對較少，為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究化學成分對紅黏土界限含水率的影響。

1 試驗設(shè)計及分析

鑒于EDTA二鈉為一種安全穩(wěn)定、性質(zhì)優(yōu)良的螯合劑[21-22]，本試驗取3組風干過2 mm篩后的相同紅黏土土樣，分別使用pH值為4的1 mol/L的EDTA二鈉溶液、pH值約為6的蒸餾水對其中2組紅黏土風干土樣浸泡7、14、21、28 d，存留1組紅黏土風干土樣作為對照組。

1.1 土樣成分測定試驗

將2組浸泡完成后的土樣置于清洗盆中，使用蒸餾水反復清洗后，風干過2 mm土篩，然后采用日本理學ZSX PrimusⅡX射線熒光光譜儀，對各組風干土樣進行成分分析，結(jié)果見表1。從表1可知：

表1 土樣各成分質(zhì)量百分比 %

(1)經(jīng)浸泡后，紅黏土土樣中MnO含量無變化，浸泡液對P2O5含量影響小。

(2)Z組土樣經(jīng)浸泡后，CaO含量無變化，浸泡液對K2O、MgO、Na2O含量影響很小，而對Al2O3、Fe2O3、SiO2及TiO2含量影響相對較大，但影響程度不一，除SiO2含量變化規(guī)律不明顯外，其余化學成分含量隨時間增加都呈先增大后減小趨勢，Al2O3含量在前7 d增加了0.37%，隨后逐漸減少，28 d后含量減少了0.02%；Fe2O3含量在前7 d增加幅度為2.16%，之后降幅逐漸增大，其中8～14 d之間降幅最大為4.55%，28 d后含量減少了0.38%；TiO2含量在前14 d呈增加趨勢，累計增加幅度達2.67%，之后逐漸降至浸泡前含量并達到穩(wěn)定。

(3)隨著浸泡時間的增長，E組土樣中Al2O3、K2O、TiO2、CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、SiO2含量均有不同變化。其中，Al2O3、K2O、TiO2含量隨浸泡時間增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，在前7 d分別呈小幅度增加(1.52%、3.64%和1.99%)，隨后大幅度減小，8～14 d減小速率達到峰值，分別為8.40%、8.77%和5.84%，28 d后含量分別減少至無浸泡風干樣含量的85.71%、86.36%和89.33%；CaO含量在前7 d減少0.04%達到穩(wěn)定；Fe2O3、MgO含量隨浸泡時間增加都呈減少趨勢，均在8～14 d減小速率最快，分別達7.41%和6.52%，28 d含量分別減少至無浸泡風干樣含量的87.69%和86.96%；但MgO含量在0～7 d內(nèi)保持不變，從第8 d起開始減少，而Fe2O3含量呈連續(xù)減少趨勢；Na2O含量呈倍數(shù)增加，增長倍數(shù)均在2.4倍以上；SiO2含量表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在前7 d減少5.31%，從第8 d開始增加，8～14 d增加速率最快達6.35%，至28d含量較無浸泡風干樣含量增加5.84%。

綜上，對比紅黏土無浸泡風干樣中各化學成分含量，EDTA二鈉浸泡液相比蒸餾水對紅黏土土樣中化學成分含量影響較大，尤其對Al2O3、Fe2O3、SiO2含量變化影響明顯。

1.2 液塑限聯(lián)合測定試驗

將2組浸泡完成后的土樣置于清洗盆中，使用蒸餾水反復清洗后，風干過2 mm土篩，然后采用液塑限聯(lián)合測定試驗，測定土樣塑限、液限及塑限指數(shù)，結(jié)果見圖1。從圖1可知：

圖1 塑限、液限及塑限指數(shù)變化

(1)經(jīng)浸泡后，Z組土樣塑限整體呈減小趨勢，液限呈增大趨勢，從而塑性指數(shù)呈增大趨勢；而E組土樣塑限整體呈減小趨勢，液限、塑性指數(shù)呈減小趨勢。

(2)Z組土樣塑限除15～21 d呈增加趨勢外，增加速率為0.94%，其余時間段土樣均呈減小趨勢，減小速率在4.05%-4.60%之間，28 d后塑限減至30.8%，整體減幅為11.49%。E組土樣塑限除22～28 d呈增加趨勢外，增加速率為2.09%，其余時間段塑限呈遞減趨勢，隨浸泡時間增加減小速率逐漸趨于平緩，其中0～7 d減小速率最大為21.26%，28 d后塑限減至24.40%，整體減幅為29.89%，是Z組土樣塑限減幅的2.6倍。

《方案》提出，要堅持扶貧開發(fā)與生態(tài)保護并重，采取超常規(guī)舉措，通過實施重大生態(tài)工程建設(shè)、加大生態(tài)補償力度、大力發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新生態(tài)扶貧方式等，切實加大對貧困地區(qū)、貧困人口的支持力度，推動貧困地區(qū)扶貧開發(fā)與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)、脫貧致富與可持續(xù)發(fā)展相促進，使貧困人口從生態(tài)保護與修復中得到更多實惠，實現(xiàn)脫貧攻堅與生態(tài)文明建設(shè)“雙贏”。到2020年，貧困人口通過參與生態(tài)保護、生態(tài)修復工程建設(shè)和發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，收入水平明顯提升，生產(chǎn)生活條件明顯改善。

(3)隨浸泡時間增加，Z組與E組土樣液限變化趨勢相反。其中，Z組土樣液限呈增加趨勢，8～14 d增加速率最大為5.39%，15～21 d增加最慢為2.02%，28 d后增至67.20%；E組土樣液限呈減小趨勢，0～7 d減小速率最大為27.67%，22～28 d減小速率最小為2.37%，28 d后減至32.90%，是Z組土樣液限值的0.49倍。

(4)隨浸泡時間增加，Z組土樣塑性指數(shù)呈增大趨勢，0～7 d和8～14 d增加速率較大，分別為16.18%和16.79%，15～21 d和22～28 d增加速率較小，分別為3.06%和8.01%，28 d后增至36.4，增幅為51.04%；E組土樣塑性指數(shù)呈減小趨勢，其中0～7 d減小速率最大為36.93%，22～28 d減小速率最小為13.27%，28 d后減至8.5，減幅為64.73%，是Z組土樣塑性指數(shù)的0.23倍。

1.3 比重試驗

經(jīng)浸泡液浸泡后的土樣，其化學成分發(fā)生了變化，從而會引起其相對密度發(fā)生變化，且相對密度ds會隨著浸泡時間的變化發(fā)生改變，因此，對2種不同浸泡液的各組土樣進行比重測定，其相對密度變化見圖2。

圖2 相對密度變化

從圖2可以看出，Z組土樣相對密度隨浸泡時間增加先減小后增大，其中至第7 d減小0.37%，8～28 d基本呈線性增加，平均每7 d增加0.02%，28 d增至2.75；而E組土樣相對密度隨浸泡時間增加整體呈增加趨勢，0～7 d和15～21 d增幅較小，分別為0.74%和0.36%，8～14 d和22～28 d相對增幅較大，8～14 d增幅最大為2.57%，28 d后增至2.83，整體增加量是Z組的2.6倍。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

經(jīng)過浸泡，紅黏土土樣各化學成分、界限含水率、相對密度均發(fā)生了不同程度的變化。有文獻[23-24]表明，土的液限和塑限之間存在著線性關(guān)系。為探究經(jīng)浸泡后紅黏土土樣的Fe2O3、Al2O3、SiO2含量與其界限含水率和相對密度之間以及其界限含水率、相對密度相互之間存在的關(guān)聯(lián)性，采用回歸分析和路徑分析，建立了回歸模型和路徑模型。

2.1 回歸分析

回歸分析組共設(shè)7組。其中，1～4組因變量(被解釋變量)分別為塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度，自變量(解釋變量)分別為Fe2O3、Al2O3、SiO2含量；5～7組因變量分別為塑限、塑性指數(shù)和相對密度，自變量分別為液限、液限和塑限。采用矩陣散點圖考察各變量之間的關(guān)系，并根據(jù)矩陣散點圖選擇回歸分析的方式。

2.1.1 非線性回歸

以1組為例，采用SPSS軟件進行分析，選擇因變量塑限和自變量Fe2O3、Al2O3、SiO2，得到矩陣散點圖，見圖3。從圖3可知，塑限和Fe2O3、Al2O3、SiO2之間存在著一定的非線性關(guān)系，此外Fe2O3、Al2O3、SiO2之間也存在相互影響，可設(shè)塑限ωP=a+b×Fe2O3+c×Al2O3+d×SiO2+e×Al2O3×Fe2O3+f×Al2O3×SiO2+g×Fe2O3×SiO2+h×Al2O3×Fe2O3×SiO2，其中a、b、c、d、e、f、g、h為參數(shù)。通過迭代計算至收斂，確定參數(shù)a、b、c、d、e、f、g、h值，得出ωP=-34 442.369+4 190.828×Fe2O3+1 771.104×Al2O3+565.517×SiO2-215.918×Al2O3×Fe2O3-29.103×Al2O3×SiO2-68.876×Fe2O3×SiO2+3.554×Al2O3×Fe2O3×SiO2，相關(guān)度R2=0.989。可見，1組非線性回歸是可靠的。

圖3 1組矩陣散點

通過非線性回歸分析，2～4組回歸分析結(jié)果分別為ωL=-378 687.737+47 777.775×Fe2O3+17 940.898×Al2O3+6 199.014×SiO2-2 290.204×Al2O3×Fe2O3-292.663×Al2O3×SiO2-784.457×Fe2O3×SiO2+37.505×Al2O3×Fe2O3×SiO2，R2=0.971；IP=-344 270.857+43 590.214×Fe2O3+16 170.938×Al2O3+5 633.907×SiO2-2 074.435×Al2O3×Fe2O3-263.578×Al2O3×SiO2-715.634×Fe2O3×SiO2+33.953×Al2O3×Fe2O3×SiO2，R2=0.966；dS=-556.725+71.196×Fe2O3+25.914×Al2O3+9.089×SiO2-3.346×Al2O3×Fe2O3-0.418×Al2O3×SiO2-1.159×Fe2O3×SiO2+0.054×Al2O3×Fe2O3×SiO2，R2=0.997?？梢?，塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度均與Fe2O3、Al2O3、SiO2之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)較高，可以用Fe2O3、Al2O3、SiO2來表述塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度。

2.1.2 線性回歸

建立塑限、液限、塑性指數(shù)、相對密度的矩陣散點圖，見圖4。從圖4可知，塑限與液限、塑性指數(shù)與液限以及相對密度與塑限之間均存在著明顯的線性關(guān)系。假設(shè)5、6、7組線性回歸模型y=a+bx，通過迭代計算，確定參數(shù)a、b值和相關(guān)度R2，5、6、7組線性回歸結(jié)果分別為ωP=15.751+0.261ωL、IP=-15.751+0.739ωL和dS=3.049-0.01ωP，相關(guān)度R2分別為0.824、0.974和0.781。顯然，塑限、塑性指數(shù)與液限間、相對密度與塑限間均存在較好的相關(guān)性，可以用液限衡量塑限、塑性指數(shù)，用塑限表達相對密度。

圖4 塑限、液限、塑性指數(shù)及相對密度矩陣散點

2.2 路徑分析

多元回歸分析通常只用于對影響因素進行分析，并且只是考慮變量之間的關(guān)系，但實際上變量之間的關(guān)系往往存在著復雜的傳遞過程，揭示變量之間的相互作用需采用路徑分析。

將變量進行分組，分為初始變量(浸泡時間、浸泡試劑)、間接變量(Fe2O3、Al2O3、SiO2)、結(jié)果變量(塑限、液限、塑性指數(shù)、相對密度)，不考慮每組變量之間的交互作用，根據(jù)變量分組構(gòu)建簡化路徑模型。通過對各因變量及其自變量進行多元線性回歸分析后，可得到自變量對因變量的標準影響系數(shù)，該系數(shù)在路徑分析中作為路徑系數(shù)可反映2個變量之間影響程度，正號表示為正相關(guān)，負號表示為負相關(guān)，其絕對值越大說明影響越大。通過7次線性回歸后，根據(jù)得到的路徑系數(shù)，可完成此路徑模型，見圖5。

圖5 路徑模型

通過圖5路徑模型中路徑系數(shù)，可知初始變量、間接變量對結(jié)果變量的影響程度。以浸泡時間對塑限的影響效果為例，直接影響：浸泡時間→塑限：0.137；間接影響1：浸泡時間→Al2O3→塑限：-0.338×0.245=-0.083；間接影響2：浸泡時間→Fe2O3→塑限：-0.428×0.569=-0.244；間接影響3：浸泡時間→SiO2→塑限：0.461×0.204=0.094；總間接影響=-0.083-0.244+0.094=-0.233，總影響=0.137-0.233=-0.096。根據(jù)上述步驟，對其他路徑做相同處理，整理匯總后得到初始變量到結(jié)果變量的總影響，見表3。

通過路徑模型分析發(fā)現(xiàn)，紅黏土中Fe2O3對塑限影響最大，對液限、塑性指數(shù)、相對密度影響最大的是Al2O3，而SiO2對這些指標的影響比較均衡。

3 結(jié) 語

本文基于回歸分析和路徑分析法，對桂林地區(qū)紅黏土中化學成分含量對其界限含水率和相對密度的影響進行了研究，得出以下結(jié)論：

表3 初始變量到結(jié)果變量的總影響

(1)EDTA二鈉對紅黏土中的金屬離子有著良好的配位效果，浸泡28 d后，土樣中Al2O3和Fe2O3含量分別減少至無浸泡風干樣含量的85.71%和87.69%，SiO2含量較無浸泡風干樣含量增加5.84%；而蒸餾水浸泡可模擬紅黏土長期處于滯水狀態(tài)，在此條件下紅黏土中金屬離子也會出現(xiàn)一定量的浸出，浸泡28 d后，Al2O3、Fe2O3和SiO2含量較無浸泡風干樣含量分別減少0.02%、0.38%和1.42%。

(2)經(jīng)EDTA二鈉溶液浸泡28 d后的紅黏土試樣，其塑限、液限和塑性指數(shù)分別減至24.40%、32.90%和8.5；經(jīng)蒸餾水浸泡28 d的紅黏土試樣，其塑限減至30.8%，液限和塑性指數(shù)分別增至67.20%和36.4。紅黏土化學成分的變化對其界限含水率有較大影響。

(3)回歸分析表明，紅黏土塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度均與Fe2O3、Al2O3、SiO2之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)較高，可以用Fe2O3、Al2O3、SiO2來表述塑限、液限、塑性指數(shù)和相對密度；且塑限、塑性指數(shù)與液限間、相對密度與塑限間也均存在較好的相關(guān)性，可以用液限衡量塑限、塑性指數(shù)，用塑限表達相對密度。

(4)建立了以浸泡時間、浸泡試劑為初始變量，F(xiàn)e2O3、Al2O3、SiO2含量為間接變量，塑限、液限、塑性指數(shù)、相對密度為結(jié)果變量的路徑模型，通過路徑模型分析發(fā)現(xiàn)，紅黏土中Fe2O3對塑限影響最大，對液限、塑性指數(shù)、相對密度影響最大的是Al2O3，而SiO2對這些指標的影響比較均衡。