陜南膨脹土區(qū)夯土筑坎梯田試驗

張澤瑜,孫睿哲,趙云龍,李澤芳,安 妮,周子皓,李光錄

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的黏性土，在世界各地分布廣泛，我國主要分布在西南云貴高原到華北平原之間的平川、盆地、河谷階地及丘陵地帶。陜西省南部膨脹土主要沿漢中盆地、安康盆地，以及漢江、嘉陵江等支流的河谷兩側(cè)及淺山中山地區(qū)，呈帶狀分布[1-2]。由于該區(qū)水熱條件好，適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)了大量坡耕地，但因膨脹土吸水膨脹，梯田垮塌極為嚴(yán)重，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展。調(diào)查[3]顯示，針對梯田垮塌問題，人們也采取一系列的預(yù)防措施，例如擋板法、土中摻沙法等，但效果不盡人意，垮坎現(xiàn)象依舊嚴(yán)重。

在工程上，常通過對膨脹土改良來提高膨脹土強度[4-5]。在道路建設(shè)過程中，人們通過添加生石灰、水泥等改良劑，改變膨脹土的特性[6-7]。李東森等[8]研究生石灰、水泥及砂土對膨脹土工程特性改良，結(jié)果表明生石灰、水泥、砂土對膨脹土都有較好的改性效果，且生石灰對膨脹土改良效果最為明顯。劉志彬等[9]利用自動吸附儀對改性膨脹土微觀孔隙定量研究發(fā)現(xiàn)，生石灰水泥的摻入都能使膨脹土內(nèi)微孔體積減少，中孔以上孔隙體積增加，并且隨著水泥與生石灰顆粒的填充、堵塞、膠結(jié)降低原狀土的膨脹率與膨脹力。雖然在道路建設(shè)上，采用生石灰、水泥對膨脹土特性改良的研究成果不少，然而，膨脹土區(qū)梯田建設(shè)上的研究報道較少。在膨脹土區(qū)梯田建設(shè)中，生石灰、水泥在梯田田坎的添加數(shù)量、方式，以及其抗壓、抗崩解、抗沖刷等特性均未知，急需開展研究。

研究以陜南典型膨脹土為試驗對象，采用向梯田田坎中添加一定量的生石灰、水泥的方式，確定膨脹土梯田筑坎技術(shù)中，生石灰、水泥的配比技術(shù)參數(shù)，以增加梯田田坎的強度、提高其抗沖和抗蝕性，為膨脹土區(qū)梯田建設(shè)以及其安全運行提供參考。

1 研究區(qū)概況

采樣地位于陜西省漢中市洋縣龍亭鎮(zhèn)關(guān)西村八組(E 107°35′55″，N 33°13′30″)，海拔484 m，亞熱帶內(nèi)陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.5 ℃，最高氣溫38.7 ℃，最低氣溫-10.1 ℃。年平均降水量839.7 mm，最高為1 376.1 mm，最低為533.2 mm。該地位于漢中盆地東部邊緣，地貌類型為河谷階地。農(nóng)業(yè)資源豐富，主要農(nóng)作物有水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、油茶(Camelliaoleifera)，主要木本植物有銀杏(Ginkgobiloba)、鐵杉(Tsugachinensis)、冷杉(Abiesfabri)等[10]。土壤為褐黃色黏質(zhì)土，呈硬塑狀態(tài)，其主要物理性質(zhì)與礦物組成見表1。

表1 土壤物理性質(zhì)與礦物組成(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.1 Soil physical properties and mineral composition (mean value±standard deviation)

2 材料與方法

2.1 試驗材料以及樣品制備

生石灰產(chǎn)地江西新余，氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%～85%，純度>95%；水泥為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號P.O 42.5。

將土樣過5 mm篩后自然風(fēng)干，與2%、4%、6%、8%的生石灰以及2%、4%、6%、8%的水泥用蒸餾水進(jìn)行拌合，控制其最優(yōu)含水量為22%，然后填滿鐵質(zhì)模具(50 cm×50 cm×40 cm)，用方形擊實板對土樣進(jìn)行擊實，控制夯實密度為1.65 g/cm3，用環(huán)刀取樣，樣本在自然條件下，放置時間為7 d。

2.2 試驗方法

膨脹土物理特性采用JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[11]，測試土體崩解性、抗沖性、液限和塑限，膨脹率，膨脹力等指標(biāo)。

崩解性采用靜水法，將100 cm3的柱狀土樣放入崩解籠后，籠緩緩沉入崩解桶，使水面剛好沒過土柱上表面，開始計時1 h，每2 min換1次崩解桶，實驗結(jié)束后，通過過濾、烘干，確定崩解量與崩解速率。

土壤的抗沖性試驗是將制備好的土樣放置在沖刷水槽中，控制流量為2.70 L/min，連續(xù)沖刷30 min，每1 min收集泥沙1次，測定沖刷量。其大小采用下式表示，抗沖性指數(shù)Q的大小與試樣的抗沖性具有正相關(guān)性，隨Q值的增大，抗沖性越強[12-13]：

(1)

式中：Q為試樣的抗蝕性，m3/g；m為試件沖刷量，g；Rt為水流流量，m3。

水穩(wěn)性采用SL419—2007《水土保持試驗規(guī)范》[14]進(jìn)行。從夯實土中選取0.7～1.0 cm直徑的土粒50顆，均勻放置在0.5 cm的金屬網(wǎng)格，置于靜水中，每隔1 min記分散土粒的數(shù)量，連續(xù)記錄10 min。由于土粒分散的時間不同，需進(jìn)行校正。水穩(wěn)性指數(shù)

(2)

式中：Pi為第i分鐘分散的土粒數(shù)，個；Pj為10 min內(nèi)未分散的土粒數(shù)，個；Ki為第i分鐘校正系數(shù)；A為供試土粒總數(shù)，個。

上述實驗均重復(fù)3次，取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生石灰、水泥對膨脹土膨脹性的影響

由圖1可知，在原狀土中添加2%以上的生石灰、水泥，能夠使原狀土的膨脹率、膨脹力大幅度下降。當(dāng)添加量超過4%時，生石灰、水泥對原狀土的膨脹力及膨脹率的影響效果變得不顯著[15]。

圖1 膨脹土膨脹力、膨脹率隨添加劑含量增加的變化規(guī)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，土壤液限較原狀土呈下降趨勢，表明添加后的膨脹土對水的吸附能力下降，即膨脹土中的黏粒含量下降(圖2)。膨脹土黏粒含量下降，粉粒的含量上升是影響膨脹土膨脹性的主要原因之一，生石灰的添加導(dǎo)致土壤中黏粒凝聚成大的“團(tuán)聚體”，“團(tuán)聚體”之間的孔隙相對原狀土顆粒之間的孔隙有所增大，這給土粒膨脹預(yù)留空間，起到一定的“緩沖”的作用。水泥、生石灰添加到膨脹土，使其塑性指數(shù)有了明顯的降低，塑性指數(shù)愈大，說明土的顆粒愈細(xì)，比表面積愈大，黏粒或者親水礦物的含量較高，而加入生石灰、水泥后，土的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生了改變，使土體的膨脹性降低[16]。

圖2 生石灰與水泥對膨脹土液塑限含水量的影響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、水泥對膨脹土崩解性的影響

所有樣件在最開始的2 min崩解速率最快，添加2%生石灰的試樣2 min內(nèi)崩解量最大，2%的水泥的崩解速率也快于原狀土。隨著生石灰，水泥添加量的增加，土體的崩解速度開始減小，抗崩解性逐漸加強。特別是添加4%、6%、8%生石灰和6%、8%水泥時，土樣的抗崩解性都得到明顯的改善，崩解速率的峰值都在10 g/min以下，同時整體形狀沒有太大變化，土體結(jié)構(gòu)沒有受到本質(zhì)性的破壞(圖3)。

圖3 不同添加劑單位時間崩解量和累計崩解量與崩解時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the amount of disintegration per unit time， cumulative disintegration and disintegration time under different additives contents

在改良膨脹土的崩解性方面，添加6%、8%的生石灰、8%的水泥表現(xiàn)極好，其次為6%的水泥、4%的生石灰。試樣前2 min崩解最快，這是由于試樣的外層不僅受到自身膨脹力的影響，同時內(nèi)層吸水后膨脹擠壓外層，導(dǎo)致外層迅速崩解。這是由于膨脹土吸水膨脹，使得試樣的整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，易被水侵蝕；另外，膨脹土土粒吸水使土粒間空隙變大，土粒之間的相互作用變?nèi)酰饬ψ饔孟乱子诎l(fā)生相互運動，而使試樣崩解。

3.3 生石灰與水泥對膨脹土抗沖性的影響

原狀土試樣在水流作用下，試樣底部周邊出現(xiàn)破損，底面積逐漸減少，穩(wěn)定性降低，試樣整體崩塌或崩落，直至被沖毀。當(dāng)添加2%生石灰或2%水泥后，試樣底部發(fā)生一定程度的沖蝕，但沖蝕不會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的崩壞和倒塌；當(dāng)添加量超過4%生石灰或6%水泥后，試樣無明顯沖蝕現(xiàn)象發(fā)生，整體結(jié)構(gòu)完整，風(fēng)干后試樣仍具有很高的強度(圖4)。

圖4 不同添加劑單位時間沖刷量和累計沖刷量與沖刷時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the scouring amount per unit time, the cumulative scouring amount and erosion time under different additive contents

隨著生石灰、水泥添加量的增加，試樣抗沖性逐漸增強。這是由于膨脹土中加入生石灰后會形成粒徑約2～5 mm的團(tuán)聚體骨架結(jié)構(gòu)，同時Ca2+發(fā)生的水化反應(yīng)與離子交換反應(yīng)，使得團(tuán)聚體之間牢固地膠結(jié)[17]。高建偉等[18]發(fā)現(xiàn)，水泥水化反應(yīng)后Ca2+與土粒表面吸附的金屬離子交換，促使大量的土顆粒形成較大的土團(tuán)，土團(tuán)之間進(jìn)一步結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。生石灰、水泥添加到膨脹土后，產(chǎn)生水化反應(yīng)，有利于土體內(nèi)部形成較多的大粒徑土壤團(tuán)聚體，同時水化反應(yīng)與離子交換反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)增強團(tuán)聚體之間的聯(lián)系，有效地增強土體的抗沖性，隨著添加劑量的增加，土體的抗沖性逐漸增強。

3.4 生石灰與水泥對膨脹土水穩(wěn)性的影響

由圖5可知，原狀土試樣遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，水穩(wěn)性較差，而添加水泥與生石灰的膨脹土，其水穩(wěn)性指數(shù)明顯提高，當(dāng)生石灰添加量超過8%時，其水穩(wěn)性有減小趨勢。研究表明隨著水泥、生石灰添加量的增加，土體的最優(yōu)含水量也在上升，土體的黏聚力會呈現(xiàn)遞增趨勢，但當(dāng)添加量在6%～8%時增長不明顯[19-20]。主要原因是生石灰通過水化反應(yīng)以增強土體結(jié)構(gòu)，同時空氣中CO2的侵入與Ca(OH)2反應(yīng)形成CaCO3，提高土體的水穩(wěn)性[21]，但是由于生石灰含量增加，最優(yōu)含水量也應(yīng)增加，而制作樣件過程中采用了相同含水量，導(dǎo)致高劑量的石灰樣件含水量不足，土顆粒之間的自由水以及土顆粒的附著水也進(jìn)行了反應(yīng)，土粒之間的黏著性下降，出現(xiàn)干裂，裂隙現(xiàn)象，土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，水穩(wěn)性開始下降。

圖5 生石灰與水泥添加比例與水穩(wěn)性指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the different addition ratio of quicklime and cement and the water stability index

4 結(jié)論

膨脹土添加生石灰、水泥能提高膨脹土的強度，降低土粒與水的吸附性，使其液限、膨脹力、膨脹率下降。生石灰添加膨脹土后，土體干密度降低，土粒粒徑增大；水泥添加膨脹土后，試樣的強度有較大提高，水泥中各物質(zhì)與水發(fā)生化合反應(yīng)生成的硅鋁酸鹽復(fù)合物凝膠，起到膠結(jié)土粒作用，使土粒之間聯(lián)系更加穩(wěn)固。生石灰與水泥增強了土體結(jié)構(gòu)，提高了抗崩解、抗沖蝕能力，隨著生石灰與水泥添加比例的提升，相應(yīng)的抗崩解性、抗沖性成正相關(guān)上升。

生石灰、水泥添加的比例不宜過大，實驗中，添加量超過8%時，在自然風(fēng)干條件下都存在不同程度的干裂現(xiàn)象，超過10%的樣件，土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞。過高比例的生石灰或水泥會劇烈消耗土體水分，土壤顆粒間的自由水、土壤顆粒表面的吸附水也參與反應(yīng)，導(dǎo)致土壤顆粒之間的黏著力下降，土體強度反而下降。