斥水紅黏土最優(yōu)含水率下的抗剪強(qiáng)度研究

王春華，傅蜀燕，胡孟凡，張才溢，歐 斌

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201）

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤(rùn)土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤［1］。19世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)了某草原中出現(xiàn)的“蘑菇圈”和“干燥斑”現(xiàn)象［2］。Doerr等［3］在不同的氣候條件、土壤類型和植被覆蓋下，觀察到斥水性土壤。水分很難滲入這些土壤，以至于覆蓋在上面的植物難以生長(zhǎng)，對(duì)種子發(fā)芽率也產(chǎn)生不利影響，還會(huì)產(chǎn)生地表徑流、優(yōu)先流通道、加速土壤侵蝕、地下水污染等［4-9］不利影響，不僅在農(nóng)業(yè)方面對(duì)土壤有深入研究，在土木建筑工程中也常用到［10］。為滿足實(shí)際工程需要，改善土壤性質(zhì)，通常對(duì)土壤進(jìn)行處理［11］。將親水土改為斥水土可以有效減少水分入滲［12］，節(jié)省防水材料、降低成本，而常見改性方式主要有物理改性［13-15］、化學(xué)改性［16-19］和生物改性［20，21］；另一方面土壤力學(xué)特性也是土木工程領(lǐng)域著重研究的地方［17］。

1978年Fredlund等［22，23］提出雙應(yīng)力變量控制非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，并發(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。李云龍等［24］發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率較高時(shí)，非飽和無黏性砂土的抗剪強(qiáng)度隨含水率降低，并且隨著基質(zhì)吸力的增大而增大；當(dāng)含水率繼續(xù)下降到某一程度、基質(zhì)吸力超過相對(duì)應(yīng)的某一閥值時(shí)，抗剪強(qiáng)度開始隨基質(zhì)吸力的增大而減小。Escario等［25］認(rèn)為用直剪儀可以測(cè)非飽和土壤的抗剪強(qiáng)度，并對(duì)3種土壤強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，證明土壤強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系參數(shù)φb為非常數(shù)。吳珺華等［26］建立了非飽和土壤基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。許朝陽等［27］利用微生物的代謝產(chǎn)物對(duì)土壤進(jìn)行改性，并對(duì)改性土壤進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的土壤抗?jié)B性能得到提高，不僅具有斥水性，強(qiáng)度也得到略微提升。而楊松等［28］采用化學(xué)改性，在不增濕的情況下，改性后的土壤抗?jié)B性雖升高，但強(qiáng)度卻有所降低，且隨著正應(yīng)力的增大斥水土壤抗剪強(qiáng)度降低越明顯，說明不同改性方式對(duì)土壤強(qiáng)度產(chǎn)生不同影響。但對(duì)于大多數(shù)土木建筑工程項(xiàng)目來說并不適合微生物生存，限制了生物改性的發(fā)展。而相同改性條件下，土壤改性后強(qiáng)度與何種因素有關(guān)？并隨不同因素變化規(guī)律是什么？本研究用十八胺對(duì)土壤進(jìn)行化學(xué)改性，用直剪試驗(yàn)測(cè)定改性土強(qiáng)度變化規(guī)律并與自然土進(jìn)行對(duì)比，以完善改性土強(qiáng)度方面的研究，以期早日運(yùn)用到實(shí)際工程中。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自云南省昆明市盤龍區(qū)，取土深度為50 cm，試驗(yàn)前，將土樣風(fēng)干碾碎過2 mm篩，并根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123—1999），得到土樣的基本物理指標(biāo)（表1）。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

斥水劑為十八烷基伯胺［CH3（CH2）16CH2NH2］以下簡(jiǎn)稱十八胺，碾碎備用。將自然黏土與砂土過2 mm篩后放入105℃電烘箱烘至恒重。將烘干后的自然黏土分為兩部分，一部分自然黏土繼續(xù)放入烘箱保持干燥，作為對(duì)照的親水土；另一部分加入1.5%的十八胺，攪拌均勻后放至75℃烘箱，每隔2 h攪拌1次，共放置8 h，作為試驗(yàn)的斥水土。斥水砂土制備在親水砂中加入0.05%十八胺，其他與斥水土制備方式相同。將斥水土與30%斥水砂混合制備混合土，最后制備出親水土（Natural soil，NS）、斥水土（Repellent soil，RS）、斥水土+30%斥水砂（Repellent soil and sand，RSS）3種土樣。

在相同濕度下將3種烘干的土樣放置24 h，NS、RS、RSS 3種土的含水率分別為19.84%、13.19%、17.65%，證明在同一潮濕環(huán)境中3種土樣的初始含水率并不相同，故選用3種土的最優(yōu)含水率作為初始含水率配制試樣，試樣為圓餅狀（Φ61.8 mm×H20 mm）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 含水率對(duì)斥水度的影響 RS、RSS試樣制備好后根據(jù)不同烘干時(shí)間獲得不同含水率的試樣，并用毛細(xì)管飽和法制備飽和試樣，共制得7種含水率不同的試樣。采用滴水穿透時(shí)間法（Water drop penetration time，WDPT）［29］測(cè)定不同含水率試樣斥水性，得到含水率與WDPT關(guān)系曲線，以獲得斥水性較強(qiáng)時(shí)的含水率作為直剪試驗(yàn)初始含水率。

1.2.2 垂直壓力對(duì)斥水土抗剪強(qiáng)度的影響 土樣用最優(yōu)含水率各配制4組，在常規(guī)直剪儀上進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，垂直荷載分為4級(jí)，分別是50、150、250、350 kPa，剪切速度為0.8 mm/min，獲得垂直應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系曲線。手輪每轉(zhuǎn)2圈即剪切0.4 mm記一次剪應(yīng)力數(shù)，獲得水平位移與剪應(yīng)力曲線。

1.2.3 含水率對(duì)斥水土抗剪強(qiáng)度的影響 3種土分別制備5種含水率的試樣，法向壓力為250 kPa，剪切速度不變進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得250 kPa下含水率與剪應(yīng)力關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣初始含水率與斥水度確定

在潮濕的密閉容器中放入烘干后的3種土樣，24 h后其含水率NS＞RSS＞RS，說明3種土在相同濕度下其含水率并不相同。為更符合實(shí)際工程，3種土試樣初始含水率的配制與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，為NS＞RSS＞RS。

改性土斥水度如圖1所示，RS與RSS隨著含水率增加其WDPT先增后減，即其斥水度隨含水率增加先增后減，當(dāng)含水率過低或過高時(shí)斥水性均不理想，這與吳珺華等［30］試驗(yàn)結(jié)果一致，故在斥水性較好的范圍內(nèi)選取試樣初始含水率。RS含水率為28.2%時(shí)其WDPT為2 429 s，RSS含水率為30.74%時(shí)其WDPT為1 978 s，均為嚴(yán)重斥水。NS、RS、RSS最優(yōu)含水率分別為32%、28%、30%，符合試驗(yàn)結(jié)果要求，故用最優(yōu)含水率作為試樣初始含水率配制。

圖1 含水率與WDPT關(guān)系曲線

2.2 改性土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

隨著垂直壓力的增大，3種土的抗剪強(qiáng)度均隨著逐漸增大（圖2），可用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行描述（R2＞0.99，P＜0.01），見式（1）。

圖2 垂直壓力與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

式中，τ為抗剪強(qiáng)度，σ為法向應(yīng)力，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

在最優(yōu)含水率下，土樣RS的黏聚力c最大，主要由于斥水土最優(yōu)含水率小，導(dǎo)致其基質(zhì)吸力較大，故黏聚力大。而NS、RS、RSS3種土的內(nèi)摩擦角φ分別為37.38°、36.31°、26.90°，NS的內(nèi)摩擦角最大，是因?yàn)槌馑寥李w粒被有機(jī)物包裹，顆粒間鑲嵌作用減小，且親水土比斥水土密實(shí)度大。

2.3 改性土抗剪強(qiáng)度變化

試樣剪切過程中剪應(yīng)力隨水平位移的變化關(guān)系如圖3所示，所有土不因垂直壓力不同Δ-τ曲線有明顯不同。當(dāng)剪切位移相同時(shí)RS比NS抗剪性能更強(qiáng)，但相比之下親水土延性更好。但在斥水土中加入斥水砂制成混合土RSS，其延性得到顯著提高。在需防水防滲、位移較大、受力較小的工程中，可用RSS混合土，不僅節(jié)省防水材料，而且完全能滿足工程防滲需要［30］。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到最大值后，相同位移下RS剪應(yīng)力下降速度比NS下降速度快，證明由于有機(jī)物的包裹，斥水土顆粒黏性下降。

圖3 水平位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

相同垂直壓力下RS試樣的抗剪強(qiáng)度最強(qiáng)，而楊松等［28］的NS與RS試樣中NS抗剪強(qiáng)度更強(qiáng)，是因?yàn)樵嚇雍什煌瑢?dǎo)致的。圖4為在250 kPa垂直壓力下含水率與剪應(yīng)力關(guān)系曲線，相同含水率下NS抗剪強(qiáng)度更強(qiáng)。隨著含水率的增加試樣抗剪強(qiáng)度先增后減，含水率太低時(shí)黏粒之間黏聚力太小，但當(dāng)含水率太高時(shí)基質(zhì)吸力減小導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度減小。圖4中RSS混合土的ρ-τ折線在最下面，在斥水土中加入斥水砂強(qiáng)度降低，是因?yàn)槌馑翱辜魪?qiáng)度低于斥水土導(dǎo)致的。

圖4 含水率與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

在相同濕度下3種土的含水率NS＞RSS＞RS，且在最優(yōu)含水率下RS、RSS均達(dá)到嚴(yán)重斥水。故本研究用最優(yōu)含水率配制試樣，主要結(jié)論如下：

1）土壤斥水度與土壤含水率有關(guān)，斥水度隨著含水率的增加先增大后減小，當(dāng)土壤達(dá)到最優(yōu)含水率附近時(shí)斥水度最強(qiáng)。

2）相同濕度環(huán)境下RS的含水率比NS低，水分難以入滲RS，基質(zhì)吸力下降不明顯，最優(yōu)含水率下RS抗剪強(qiáng)度最強(qiáng)，RS黏聚力最大。但由于有機(jī)物包裹土顆粒，是內(nèi)部摩擦下降，RS摩擦角φ比NS小。

3）NS變?yōu)镽S后延性降低，在RS中加入斥水砂后得到的混合土RSS抗剪強(qiáng)度雖比RS小，但延性得到顯著提高。

4）土壤的抗剪強(qiáng)度與含水率有關(guān)，相同含水率下NS抗剪強(qiáng)度最強(qiáng)，但最優(yōu)含水率下RS強(qiáng)度最強(qiáng)；土壤強(qiáng)度隨著含水率的增加先增大后減小，含水率前期增加時(shí)黏聚力增大幅度比基質(zhì)吸力減小幅度大，土壤抗剪強(qiáng)度增大；而含水率過大時(shí)基質(zhì)吸力與黏聚力同時(shí)減小，從而導(dǎo)致土壤抗剪強(qiáng)度降低。