不同改良劑對(duì)紅壤土水特征曲線及吸附強(qiáng)度的影響

劉武江，段青松，楊松，熊壽德，保銳琴，黎李楊，張川,6*

不同改良劑對(duì)紅壤土水特征曲線及吸附強(qiáng)度的影響

劉武江1，段青松2，楊松2，熊壽德3，保銳琴4，黎李楊5，張川2,6*

（1.云南省農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計(jì)院，昆明 650215；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201；3.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650041；4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；5.云南遠(yuǎn)科土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，昆明 650201；6.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 中國(guó)資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展與鄉(xiāng)村振興研究中心，江蘇 徐州 221116）

【目的】向邊坡土壤內(nèi)加入改良劑會(huì)對(duì)土體水分產(chǎn)生較大影響，揭示此過(guò)程中土水特征曲線及吸附強(qiáng)度的變化規(guī)律可為采用改良劑進(jìn)行邊坡治理提供依據(jù)。【方法】通過(guò)測(cè)定不同配比的糯米膠、木纖維、糯米膠/木纖維混施的紅壤土的基質(zhì)吸力和體積含水率v，繪制土水特征曲線并分析典型特征參數(shù)變化；采用直剪試驗(yàn)測(cè)定不同改良劑紅壤飽和狀態(tài)的內(nèi)摩擦角，結(jié)合Fredlund雙應(yīng)力變量抗剪強(qiáng)度理論，分析不同改良劑對(duì)紅壤吸附強(qiáng)度ψ的影響?！窘Y(jié)果】①糯米膠和木纖維能提高土體飽和含水率s，混合改良劑反之；糯米膠和混合改良劑會(huì)降低土水特征曲線的殘余含水率r，木纖維只有在較低或較高摻量時(shí)才會(huì)降低殘余含水率，反之增高；3種改良劑均能提高土水特征曲線的進(jìn)氣值a，混合改良劑>糯米膠>木纖維；糯米膠會(huì)降低土水特征曲線的殘余值r，木纖維反而增加殘余值，混合改良劑介于二者之間且高于素土；糯米膠的土水特征曲線斜率||最大，其次是混合改良劑和木纖維。②不同改良劑紅壤隨v降低，增加，吸附強(qiáng)度ψ增大，抗剪強(qiáng)度隨增加的速率減小。在23.73%～30.76%體積含水率區(qū)間，2.5%纖維和5.0%纖維的吸附強(qiáng)度相對(duì)較大，其次是素土、5.0%混合和2.5%混合，最后是2.5%膠、5.0%膠和0.5%膠?！窘Y(jié)論】①糯米膠主要影響||值，致使土體水分散失速率加快；木纖維對(duì)s、r和r的影響最大，土體保水性好，水分不易流失；混合改良劑以提高a為最優(yōu)，土體初期（邊界效應(yīng)階段）不易失水，中后期受糯米膠成分的影響，持水能力減弱。②不同改良劑增大ψ的效果由強(qiáng)到弱依次為：木纖維>糯米膠>混施。

土壤改良劑；紅壤；基質(zhì)吸力；土水特征曲線；吸附強(qiáng)度

0 引言

紅壤土為云南省主要土壤類型之一，在境內(nèi)廣泛分布。云南的土地主要是山地和丘陵，坡改梯作為農(nóng)用地土地整治常用的技術(shù)手段，形成了大量的田坎坡面?！狙芯恳饬x】田坎坡面大多處于非飽和狀態(tài)，隨著氣候和季節(jié)的變化，其力學(xué)性質(zhì)也在發(fā)生著變化，對(duì)實(shí)際工程的影響巨大。邊坡的強(qiáng)度與穩(wěn)定性在很大程度上與邊坡的濕度有關(guān)，其濕度狀況主要是由基質(zhì)吸力所決定的。而土水特征曲線（Soil-water Characteristic Curve，SWCC）是反映土壤基質(zhì)勢(shì)和含水率的關(guān)系曲線[1]，所以對(duì)邊坡紅壤的土水特征曲線的研究就顯得尤為重要[2]。

【研究進(jìn)展】通過(guò)向邊坡土壤內(nèi)加入改良物質(zhì)來(lái)改善邊坡土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量和增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性是一條可行的路徑[3]。邊坡土壤改良劑中，固化劑類和纖維類運(yùn)用較廣。在固化劑類方面，潘英華等[4]采用聚丙烯酰胺（PAM）和磷石膏做研究時(shí)指出，土壤改良劑能抑制土壤水分蒸發(fā)，使土壤吸持水能力增強(qiáng)，表現(xiàn)為隨著PAM用量增加，土壤飽和含水率增大，土壤吸水速度卻在下降。裴向軍等[5]采用糯米膠改良劑固化黃土，研究發(fā)現(xiàn)糯米膠改良劑能降低黃土的飽和吸水率，改變?cè)械目紫督Y(jié)構(gòu)，增強(qiáng)顆粒間的黏結(jié)，改善黃土的水敏性。吳軍虎等[6-7]采用羥丙基甲基纖維素（HPMC）和羧甲基纖維素（CMC）做改良劑研究時(shí)表明，HPMC具有廣泛的耐酶性和黏結(jié)性，由于羥基和羥丙基的親水性，HPMC與土壤水結(jié)合形成的三維互穿凝膠網(wǎng)絡(luò)一定程度上填充了土壤孔隙，隨HPMC添加量增加，平均孔隙水流速逐漸減小，土壤可動(dòng)水體的含水率比率逐漸減少；采用CMC做研究時(shí)也得出，當(dāng)含水率相同時(shí)，隨CMC添加量增加，土壤水吸力呈增大趨勢(shì)，即土壤基質(zhì)勢(shì)降低。李崇清等[8]采用高分子固化材料（SH）進(jìn)行土壤抗侵蝕研究的結(jié)果與吳軍虎等[6-7]一致。可見(jiàn)，固化劑主要通過(guò)影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而使土壤含水率發(fā)生改變，主要表現(xiàn)在吸水、脫水速率方面。

在纖維類方面，肖興艷等[9]研究發(fā)現(xiàn)，由于秸稈炭化處理后，具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)、巨大的表面積和極強(qiáng)的吸附能力，能夠吸附和保持水分，改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤保水能力；與素土相比，秸稈炭化處理土壤含水率較高，而未碳化的秸稈處理土壤含水率則低于素土，其會(huì)疏散土壤水分，降低土壤持水性能。王珍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈摻入土中，能降低土壤體積質(zhì)量，提高土壤飽和含水率，粉碎秸稈優(yōu)于長(zhǎng)秸稈；且粉碎秸稈在低吸力段對(duì)土壤持水能力的提高作用明顯高于長(zhǎng)秸稈?？梢?jiàn)，纖維受加工處理方式不同，自身結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，會(huì)增強(qiáng)或減弱土壤持水能力。

在固化劑和纖維混合類方面，張燕等[11]研究發(fā)現(xiàn)，以秸稈、建筑垃圾等為主要原料制成的PJG土壤改良劑吸水倍率高，吸水速率提高，失水速率相對(duì)緩慢。馮瑞云等[12]指出以秸稈、聚丙烯酰胺（PAM）等為原料混合制成的土壤改良劑，能夠有效改良土壤，降低土壤體積質(zhì)量；隨著施入土壤時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤大粒級(jí)（1～3 mm、3～5 mm、>5 mm）顆粒粒級(jí)分?jǐn)?shù)均隨施入量增加而逐步增加；田間持水率隨著混合改良劑施入量增多而增加，土壤水分蒸發(fā)量恰好相反。王增麗等[13]研究秸稈經(jīng)過(guò)粉碎、氨化預(yù)處理后與無(wú)機(jī)固化劑（硫酸鈣）混合施用對(duì)黃綿土結(jié)構(gòu)及低吸力段持水特性的影響時(shí)指出，無(wú)論單施秸稈、單施硫酸鈣還是混合施用，相比素土均能提高土壤的持水能力、降低脫水速率?？梢?jiàn)，混合改良劑能提高田間持水率，使土體失水變得遲緩。

綜上所述，不同類別的土壤改良劑通過(guò)自身性質(zhì)或與土體的相互作用來(lái)影響土壤含水率，進(jìn)而使土水特征曲線發(fā)生改變。【切入點(diǎn)】在邊坡治理領(lǐng)域，目前學(xué)者們對(duì)土壤改良劑的研究主要集中于增強(qiáng)邊坡土體抗剪抗壓強(qiáng)度方面[14-18]，未從水力角度研究土水特征曲線進(jìn)氣值、殘余值的變化及對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】系統(tǒng)分析土壤改良劑對(duì)土水特征曲線及吸附強(qiáng)度的影響，為采用改良劑治理邊坡紅壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗(yàn)基地。地理位置為102°44'57'' E、25°7'44'' N，海拔1 930 m；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量900～1 000 mm，年平均氣溫14.2 ℃，年日照時(shí)間2 393 h；土壤為紅壤土，肥力中等。土壤基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

土壤改良劑在固化劑類和纖維類分別選用糯米膠、木纖維。糯米膠是以糯米淀粉、玉米或小麥淀粉等為主要原料制成的環(huán)保膠黏劑，適用范圍廣，黏性長(zhǎng)，黏性系數(shù)（12 000±2 000）mpa.s，黏結(jié)強(qiáng)度0.55 MPa，剝離強(qiáng)度>9 N/25 mm，由天逸墻紙用品有限公司生產(chǎn)。木纖維是一種天然植物纖維，具有不規(guī)則的扇形結(jié)構(gòu)，超強(qiáng)的親水性能，吸濕速度快，吸濕量大，有機(jī)質(zhì)量9%、灰分量8%、pH值為6、纖維長(zhǎng)度3～10 mm、橫截面直徑0.45 mm，平均抗拉強(qiáng)度8.62 MPa，比表面積6.597 cm2/g，由寧國(guó)市東南木纖維科技有限公司生產(chǎn)。

圖1 土壤改良劑

1.2 試樣制備

試驗(yàn)在昆明市盤龍區(qū)云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)制樣步驟參考文獻(xiàn)[19]。將土體風(fēng)干碾碎后，過(guò)2 mm干篩（保證土內(nèi)沒(méi)有石塊和雜質(zhì)，減少后期試驗(yàn)影響），隨機(jī)抽取6份土樣于鋁盒內(nèi)置于烘箱中，算出試驗(yàn)用土的風(fēng)干含水率。設(shè)計(jì)素土、單施糯米膠、單施木纖維、混施糯米膠/木纖維4個(gè)試驗(yàn)組，3個(gè)施用土壤改良劑的試驗(yàn)組再設(shè)置3個(gè)摻量（以干土的質(zhì)量百分比計(jì)），分別為0.5%、2.5%、5.0%，共10個(gè)處理（素土、0.5%膠、2.5%膠、5.0%膠、0.5%纖維、2.5%纖維、5.0%纖維、0.5%混合、2.5%混合、5.0%混合），每個(gè)處理重復(fù)制樣8次，共80個(gè)試樣。其中，每個(gè)處理用于測(cè)試基質(zhì)吸力的土樣為4個(gè)，用于室內(nèi)直剪試驗(yàn)的土樣4個(gè)（制作成飽和狀態(tài)）。稱取一定量的水，將土壤改良劑與紅壤土充分拌勻（木纖維在投入土體前，先手工撕成均勻的細(xì)絲狀，保證木纖維在摻入土體后均勻分布，本試驗(yàn)的木纖維在試驗(yàn)前采用無(wú)刀刃的攪拌器代替手工使木纖維分散均勻），然后再用塑料防水布蓋好密閉24 h使土壤水分分布均勻。

采用輕型擊實(shí)儀（NX.6-04，寧曦土壤儀器有限公司，南京）制作干密度為1.4 g/cm3的圓柱試樣，試樣直徑為102 mm，高40 mm。由制樣前的初步試驗(yàn)結(jié)果可知，拌合料含水率過(guò)低時(shí)，拌合料偏干，試樣不易壓實(shí)，有裂隙；含水率太高則不易控制干密度。反復(fù)測(cè)試后，將拌合料多次攪拌使水和土充分混合，確定拌合料含水率為17%左右，擊實(shí)次數(shù)初步定為12次。在此基礎(chǔ)上，采用環(huán)刀取樣的方法獲得試驗(yàn)所需的試樣，環(huán)刀尺寸為Φ61.8 mm×H20 mm。用螺旋式千斤頂緩慢將環(huán)刀壓入試樣約30 mm，即環(huán)刀頂?shù)酌婢粲?0 mm，以便后期切削時(shí)能最大限度地保證試樣的完整性。壓入速率不宜過(guò)大，不宜超過(guò)0.3 mm/s。將環(huán)刀獲取的試樣表面刮平，然后放入真空缸內(nèi)進(jìn)行抽氣飽和，抽氣時(shí)間為6 h，試樣在真空下的浸泡時(shí)間不少于12 h，以保證試樣充分飽和，使內(nèi)外含水率均勻分布。

將飽和試樣移出置于室內(nèi)恒溫（22 ℃）環(huán)境下，使其在自然狀態(tài)下蒸發(fā)脫濕?？紤]到時(shí)間因素，試驗(yàn)過(guò)程中采用小型電風(fēng)扇吹試樣表面以加速水分蒸發(fā)。轉(zhuǎn)面與試樣表面平行，距離600 mm。試驗(yàn)過(guò)程中定期稱量試樣質(zhì)量，其保持不變時(shí)表明脫濕過(guò)程完成（試樣前后2次質(zhì)量變化不超過(guò)0.5 g）。最后用塑料薄膜將其密封。

1.3 濾紙法測(cè)定土壤基質(zhì)吸力

測(cè)試基質(zhì)吸力采用接觸式濾紙法，如圖2（a）所示。此方法要求接觸濾紙和試驗(yàn)土體緊密接觸，二者水分的遷移以液態(tài)水的方式進(jìn)行。同時(shí)，液態(tài)水在遷移過(guò)程中會(huì)將土體中的溶解鹽帶入到濾紙中，因此，接觸法不體現(xiàn)溶液滲透吸力的影響。

本試驗(yàn)以圖2（a）濾紙法試驗(yàn)裝置原理[20]為準(zhǔn)則，遵循水汽平衡規(guī)律，除了在2個(gè)環(huán)刀土樣中間夾放2張保護(hù)層濾紙和1張接觸式濾紙外，還在2個(gè)環(huán)刀土樣上下處各放2張保護(hù)層濾紙和1張接觸式濾紙（圖2（b）），以得到多次重復(fù)的接觸式濾紙含水率數(shù)據(jù)。提前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)（采用素土處理，重復(fù)制樣6次，每2個(gè)土樣按圖2（b）的裝置制作成1組，共3組。采集每組上、中、下3個(gè)位置處的濾紙含水率，計(jì)算各組上-中、中-下的濾紙含水率分異系數(shù)（）以及不同組別間中部濾紙含水率的分異系數(shù)①密封后的濾紙法土樣水平放置后的上、中、下3張接觸式濾紙的含水率離散度較高，上層和中層、中層和下層的為0.063、0.016；豎立放置后，變?yōu)?.023、0.028。②不用組別間中部濾紙含水率的為0.03。本試驗(yàn)方法相比常規(guī)方法分異系數(shù)更低，該方法具有可行性。

圖2 濾紙法試驗(yàn)裝置

一般而言，計(jì)算接觸濾紙法測(cè)量土體土水特征曲線的平衡時(shí)間至少是7 d[21]。將直接測(cè)得的濾紙質(zhì)量含水率（表3）結(jié)合對(duì)應(yīng)濾紙的率定方程進(jìn)行計(jì)算，求得試驗(yàn)土體的基質(zhì)吸力（表4）。本次試驗(yàn)所選的濾紙為國(guó)產(chǎn)“雙圈”牌No.203型濾紙，計(jì)算基質(zhì)吸力時(shí)選用的為唐棟等[22]提出的率定方程：

式中：為基質(zhì)吸力（kPa）；fp為濾紙質(zhì)量含水率（%）。

1.4 基于土水特征曲線的吸附強(qiáng)度

采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速率為4 r/min。為了得到完整的抗剪強(qiáng)度曲線，每個(gè)處理試樣的4級(jí)垂直壓力取100、200、300、400 kPa。嚴(yán)格按照規(guī)范《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行快剪試驗(yàn)[23]。

采用庫(kù)侖公式進(jìn)行計(jì)算，獲得不同改良劑紅壤飽和狀態(tài)的內(nèi)摩擦角：

式中：為土體抗剪強(qiáng)度（kPa）；為承受的垂直壓力（kPa）；為內(nèi)摩擦角（°）；為黏聚力（kPa）。

Fredlund等[24]基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，提出了以雙應(yīng)力狀態(tài)變量（-a）和基質(zhì)吸力來(lái)描述非飽和土的抗剪強(qiáng)度。具體公式為：

式中：為飽和土的有效黏聚力（kPa）；為有效內(nèi)摩擦角（°）；（-a）為土體破壞時(shí)在破壞面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài)（kPa）；ψ為吸附強(qiáng)度（kPa）；（a-w）為基質(zhì)吸力，也可以用來(lái)表示（kPa）；φ為吸附強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力而增加的速率（°）；tanφ為與基質(zhì)吸力有關(guān)的參數(shù)；v為體積含水率（%）；s為飽和體積含水率（%）；r為殘余體積含水率（%）。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010軟件和SPSS 18.0軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，用單因素方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)間的分析比較，表中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差的形式表達(dá)。圖3采用Microsoft Visio 2007軟件制作，圖4—圖9采用Origin 2018軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對(duì)紅壤-土水特征曲線的影響

以基質(zhì)吸力的對(duì)數(shù)值作為橫坐標(biāo)，結(jié)合試樣的體積含水率（表2）繪制土水特征曲線。如圖3所示，土水特征曲線被分為3個(gè)階段，即：邊界效應(yīng)段、過(guò)渡段與非飽和殘余段[25]，在每個(gè)階段內(nèi)，曲線的形態(tài)特征各不相同。土水特征曲線主要的特征參數(shù)包括飽和含水率s（Saturated moisture content）、殘余含水率r（Residual moisture content）、進(jìn)氣值a（Air entry value）、殘余值r（Residual value）和斜率||（Slope）。各特征參數(shù)具體確定方法為：s取最大的體積含水率值，成立=s常數(shù)函數(shù)；將土水特征曲線過(guò)渡段的數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖4（a）的3～9號(hào)點(diǎn)），擬合=1+1一次函數(shù)，斜率||取1的絕對(duì)值；將土水特征曲線非飽和殘余段的數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖4（a）的9～10號(hào)點(diǎn)），擬合=2+2一次函數(shù)，將=s與=1+1求解得出a；將=1+1與=2+2求解得出r和r不同處理的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖3 土水特征曲線（SWCC）示意圖

表2 不同改良劑紅壤的體積含水率

表3 不同改良劑紅壤的濾紙質(zhì)量含水率

表4 不同改良劑紅壤的基質(zhì)吸力

圖4 試樣土水特征曲線及特征參數(shù)

Fig.4 Soil-water characteristic curves and characteristic parameters of the sample

2.1.1 不同改良劑紅壤飽和含水率

飽和含水率s指當(dāng)土體達(dá)到飽和時(shí)，土體內(nèi)的孔隙全部充滿水，孔隙水是連續(xù)且均勻分布的，此時(shí)土體內(nèi)的基質(zhì)吸力值降到0。飽和含水率是SWCC曲線中邊界效應(yīng)階段對(duì)應(yīng)的最高體積含水率[26]。不同改良劑紅壤的飽和含水率見(jiàn)圖5。

圖5 不同改良劑紅壤的飽和含水率

糯米膠量為0.5%時(shí)的s為36.8%，低于素土的38.02%；而其量為2.5%～5.0%時(shí)的s在38.1%～38.8%之間，均高于素土；且其量為5.0%時(shí)最高。飽和含水率隨其量增加逐漸增高，其量為0.5%時(shí)略低。這是因?yàn)樯倭康哪z性物質(zhì)加入土中，在土體中分布不均勻，會(huì)粘結(jié)膠性物質(zhì)周圍的土粒，使得土體內(nèi)未分布有膠性物質(zhì)的區(qū)域結(jié)構(gòu)受到破壞，土體孔隙擴(kuò)大，持水能力降低。而隨著膠量的增加，膠性物質(zhì)在土體內(nèi)逐漸分布勻稱，膠性物質(zhì)與土粒的接觸面增加，逐漸黏結(jié)或包裹土粒，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[27]。此外，膠性物質(zhì)本就是一種能與水汽發(fā)生液化反應(yīng)的物質(zhì)，具有吸水性，故能提高飽和含水率[28]。

木纖維量為0.5%時(shí)的s為34.27%，遠(yuǎn)低于素土；而其量為2.5%～5.0%時(shí)的s在41%～45.3%之間，均遠(yuǎn)高于素土；其量為2.5%時(shí)最高。木纖維隨其量增加，飽和含水率先低后高，摻量過(guò)高時(shí)反而有下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槟纠w維屬于絲狀纖維物質(zhì)，表面積比較高，與土粒接觸并咬合在一起，由于其量低，在土體的分布也不夠均勻，致使土體裂隙發(fā)育，持水能力下降。而纖維量增加，土體受纖維交叉束縛作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，加之木纖維也具有親水性，土體飽和含水率增高。但纖維量過(guò)高時(shí)，纖維在土體內(nèi)穿插重疊，隔斷了土粒，形成了新的孔隙通道，相對(duì)于土粒形成的孔隙會(huì)更加筆直通暢，利于水分的流通，導(dǎo)致飽和含水率下降[10]。

混合改良劑量為0.5%～5.0%時(shí)的s在36%～38%之間，與素土相比，呈逐漸下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)槟z性物質(zhì)包裹了木纖維和土粒，膠性物質(zhì)吸水膨脹，致使土體內(nèi)的孔隙縮小或被填塞，飽和含水率下降。

總的來(lái)看，糯米膠和木纖維均會(huì)影響土體結(jié)構(gòu)，膠和纖維具有親水性，木纖維會(huì)提高飽和含水率，其次是糯米膠，混合改良劑反而會(huì)降低飽和含水率。

2.1.2 不同改良劑紅壤殘余含水率

殘余含水率r指當(dāng)土體內(nèi)的水分逐漸減少，基質(zhì)吸力不再是影響土體排水的主要因素時(shí)對(duì)應(yīng)的體積含水率。不同改良劑紅壤的殘余含水率見(jiàn)圖6。

圖6 不同改良劑紅壤的殘余含水率

糯米膠量為0.5%～5.0%時(shí)的r在6.7%～10.8%之間，低于素土的17.42%，呈逐漸下降趨勢(shì)。這是因?yàn)橥馏w在脫濕過(guò)程中，膠性物質(zhì)也逐漸失水，慢慢黏結(jié)固化并依附在土粒的表面，使土體孔隙逐漸擴(kuò)大，釋放水流通路，水分逐漸散失[7,29]，相比素土較快。

木纖維量為0.5%、2.5%、5.0%時(shí)的r分別為15.1%、20.22%、16.76%，除其量為2.5%的r高于素土，其余均低于素土，呈先低后高再低的趨勢(shì)。這是因?yàn)槟纠w維量低時(shí)，木纖維導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，大孔隙增多，土體失水加快。而其量在2.5%左右時(shí)，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但由于木纖維具有親水性，不易失去水分，殘余含水率增高。木纖維量增加至5.0%時(shí)，水流通路有曲變直，殘余含水率降低。

混合改良劑量為0.5%～5.0%時(shí)的r在7.5%～13.7%之間。低于素土，介于糯米膠和木纖維之間，整體呈下降趨勢(shì)。這主要是膠性物質(zhì)失水固化，促進(jìn)了孔隙的發(fā)育，由小孔隙形成大孔隙，致使殘余含水率下降。

總的來(lái)看，膠性物質(zhì)對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)的改變較大，進(jìn)而影響殘余含水率發(fā)生改變，纖維只有在較低或較高摻量時(shí)才會(huì)降低殘余含水率，反之增高。

2.1.3 不同改良劑紅壤進(jìn)氣值

進(jìn)氣值a代表著土體產(chǎn)生減飽和所必須達(dá)到的水氣壓力差。當(dāng)基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值后，土體的含水率會(huì)隨著吸力的進(jìn)一步增大而大幅下降，這表明土體開(kāi)始進(jìn)入減飽和過(guò)程。進(jìn)氣值見(jiàn)圖7。

圖7 不同改良劑紅壤的進(jìn)氣值

糯米膠量為0.5%時(shí)的a為9.89 kPa，低于素土的13.19 kPa，而2.5%～5.0%的a為136.37～328.85 kPa之間，高于素土，呈先弱后強(qiáng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)槟z性物質(zhì)摻量較低時(shí)，破壞了土體孔隙結(jié)構(gòu)，大孔隙增多，水氣凹液面平緩，水氣壓力減弱，氣體易進(jìn)入土體。而膠量增加時(shí)，膠性物質(zhì)吸水漲大，孔隙由大變小，水氣凹液面壓縮，水氣壓力增強(qiáng)，氣體不易進(jìn)入土體。

木纖維量為0.5%、2.5%、5.0%時(shí)的a分別為8.43、61.01、48.09 kPa，除0.5%的a低于素土，其余均高于素土，呈先減弱后增強(qiáng)再減弱的趨勢(shì)?；|(zhì)吸力是由非飽和土中水氣界面引起的，水氣交界面也被認(rèn)為是非飽和土中的獨(dú)立第四相[24]。這是因?yàn)槟纠w維量較低時(shí)，土體孔隙結(jié)構(gòu)受到不均勻的拉扯力而破壞，大孔隙甚至裂隙發(fā)育形成，水氣凹液面平緩且薄弱，水氣壓差變小[30]。而摻量增加時(shí)，木纖維填充在土粒間的孔隙內(nèi)，將大孔隙分隔成多個(gè)小孔隙，小孔隙增多促使水氣壓差變大。但摻量過(guò)高時(shí)，木纖維相互重疊，會(huì)減小水氣凹液面的接觸角，水氣壓力減弱[31-32]。

混合改良劑量為0.5%～5.0%時(shí)的a在24.63～716.73 kPa之間，均高于素土，呈逐漸上升的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)槟z和纖維的相互作用，加快了土體小孔隙的發(fā)育形成，小孔隙占比提高，水氣壓力增強(qiáng)，氣體很難進(jìn)入孔隙。

總的來(lái)看，隨摻量增加，3種改良劑均能提高進(jìn)氣值，混合最強(qiáng)，其次是糯米膠，最后是木纖維。木纖維過(guò)多對(duì)進(jìn)氣值存在負(fù)效應(yīng)。

2.1.4 不同改良劑紅壤殘余值

殘余值r是指能夠使水體進(jìn)入土顆粒間的孔隙所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力值[26]。殘余值見(jiàn)圖8。

圖8 不同改良劑紅壤的殘余值

糯米膠量為0.5%～5.0%時(shí)r在1 924.51～10 288.84kPa之間，低于素土的21 064.56 kPa，呈逐級(jí)遞減的趨勢(shì)。這是因?yàn)槟z性物質(zhì)在脫水過(guò)程中，體積逐漸收縮固化，土體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由小變大，水氣凹液面由凹變緩，由厚變薄，水氣壓力差值變小，水分易進(jìn)入土體，排出氣體。

木纖維量為0.5%～5.0%時(shí)r在27 074.80～147 857.90 kPa之間，高于素土，呈逐級(jí)遞增的趨勢(shì)。這是因?yàn)槟纠w維加入土體后，使土體原有的孔隙被分隔，孔隙由大變小、由小變微，微小孔隙的形成促使水氣壓力差值變大。另外，在脫水過(guò)程中，纖維對(duì)土體結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定作用，而素土物質(zhì)單一，結(jié)構(gòu)受到水氣接觸面的張力作用發(fā)生破壞[30]，所以其量為0.5%的殘余值也高于素土。

混合改良劑量為0.5%～5.0%時(shí)r在24 417.27～74 134.60 kPa之間，高于素土，呈逐級(jí)遞增的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诿摑襁^(guò)程中，膠性物質(zhì)在收縮，孔隙本該擴(kuò)大，但由于木纖維的分隔作用，擴(kuò)大的孔隙徑級(jí)受到約束，水氣壓力差值介于糯米膠和木纖維之間。

總的來(lái)看，糯米膠會(huì)降低土體殘余值，木纖維反而增加殘余值，混合改良劑介于二者之間且高于素土。

2.1.5 不同改良劑紅壤斜率

斜率||指SWCC脫濕時(shí)的水分散失速率，即土-水特征曲線下降段的快慢程度，反映了土體的脫水速率和持水性能。土水特征曲線的3個(gè)階段對(duì)應(yīng)有3個(gè)不同的斜率，過(guò)渡段的斜率值一般最大，是土水特征曲線的主要特征參數(shù)之一[2]。斜率見(jiàn)圖9。

圖9 不同改良劑紅壤的斜率

糯米膠量為0.5%～5.0%時(shí)的||在8.63～41.71之間，高于素土的6.43，呈逐漸增大的趨勢(shì)。這說(shuō)明膠量越多，土體失水速率越快。這與膠對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響有關(guān)。

木纖維量為0.5%、2.5%、5.0%時(shí)的||分別為5.47、8.14、6.96，除0.5%外，其余摻量的||值均高于素土。這說(shuō)明木纖維量增多，有利于土體水分流散。

混合改良劑量為0.5%～5.0%時(shí)的||在8.12～14.18之間，高于素土，呈緩慢增大的趨勢(shì)。這說(shuō)明混合改良劑量越多，土體失水速率越快；但其量過(guò)高時(shí)，失水速率變緩。

總的看來(lái)，糯米膠能加快土體水分的散失，混合改良劑次之，最后是木纖維。

2.2 不同改良劑對(duì)紅壤吸附強(qiáng)度的影響

φ與體積含水率的界限值（s、r）有關(guān)。為了使不同改良劑紅壤的吸附強(qiáng)度ψ具有可比性，我們以不同改良劑紅壤的s最小值作為上限、r最大值作為下限，采取平均梯度劃分的方式，劃分為5個(gè)v，選取中間的3個(gè)進(jìn)行計(jì)算與比較分析，詳見(jiàn)表5。

表5 體積含水率選取

有學(xué)者對(duì)黏土、粉土、頁(yè)巖等多種土進(jìn)行土體剪切破壞試驗(yàn)研究φ的變化趨勢(shì)，結(jié)合近年來(lái)一些試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：φ是隨著基質(zhì)吸力增大而逐漸降低[33]；當(dāng)基質(zhì)吸力低于土體進(jìn)氣值時(shí)φ=，但一般情況下φ<。本研究也發(fā)現(xiàn)不同改良劑紅壤的φ隨體積含水率降低而降低。在v為30.76%～23.73%區(qū)間，0.5%纖維、素土、0.5%膠的φ值相對(duì)高于其他處理。這說(shuō)明土體中不同改良劑的摻量越少，φ相對(duì)越大。

不同改良劑紅壤的ψ隨v降低而增加，與ψ的規(guī)律相同，與φ相反，ψ主要受ψ的影響。在v為30.76%～23.73%區(qū)間，2.5%纖維和5.0%纖維的ψ相對(duì)較大，其次是素土、5%混合和2.5%混合，最后是2.5%膠、5.0%膠和0.5%膠（表6）。

表6 不同改良劑紅壤不同體積含水率的吸附強(qiáng)度τψ

總的來(lái)看，不同改良劑紅壤隨體積含水率降低，基質(zhì)吸力增加，φ減小，吸附強(qiáng)度增大。在30.8%～23.7%體積含水率區(qū)間，添加纖維能有效增大吸附強(qiáng)度，而添加糯米膠對(duì)提高吸附強(qiáng)度的作用不大。

3 討論

3.1 不同改良劑對(duì)土水特征曲線的影響

糯米膠具有親水性，加入土體后會(huì)發(fā)生糊化反應(yīng)，糯米淀粉分子間以及分子內(nèi)部氫鍵逐漸斷裂繼而與土體中的水分子重新形成氫鍵，使得淀粉分子逐漸與水分子結(jié)合，糯米膠粒體積增大，分子結(jié)構(gòu)無(wú)序性增強(qiáng)，最終分散成糊狀[34]。這使得在邊界效應(yīng)階段，土體中的糯米膠會(huì)吸水膨脹，土體中的孔隙會(huì)被擠壓，糯米膠量越高，則表現(xiàn)得越明顯。另外糯米膠具有收縮性[35]。范文軍等[36]采用糯米漿進(jìn)行固化遺址土吸水與失水特性研究時(shí)還指出其體積收縮與其失水過(guò)程保持一致，糯米漿會(huì)增大體積收縮率。適量的糯米漿使得土體的孔隙尺寸變小，但過(guò)多的糯米漿反而會(huì)抑制土體其他反應(yīng)而造成土體的孔隙尺寸增大。這使得在過(guò)渡段、非飽和殘余段，糯米膠會(huì)失水收縮，為土體水分運(yùn)移提供了更佳的孔隙通道。孫沛然等[37]研究含水率對(duì)糯米淀粉的結(jié)構(gòu)的影響，其觀點(diǎn)與本研究一致：隨著含水率的提高，糯米淀粉的粒度增大，比表面積增大，孔徑減小。當(dāng)含水率較低時(shí)，淀粉顆粒發(fā)生壓縮塑化，結(jié)晶結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。

木纖維具有不規(guī)則的扇形結(jié)構(gòu)，具備超強(qiáng)的親水性能。王增麗等[13]將麥秸稈纖維粉碎成1 mm和20 mm的2個(gè)水平進(jìn)行黃綿土低吸力段持水性研究時(shí)，表明粉碎秸稈可提高土壤飽和含水率上限。1 mm比20 mm更能提高土壤持水能力。王珍等[10]研究同樣發(fā)現(xiàn)粉碎秸稈在低吸力段對(duì)土壤持水能力的提高作用明顯高于長(zhǎng)秸稈。本研究采用的木纖維長(zhǎng)度為3～10 mm，橫截面直徑0.45 mm，可見(jiàn)木纖維在持水能力上具有一定優(yōu)勢(shì)。木纖維的持水能力亦反映出木纖維改變了土體的基質(zhì)吸力。土體孔隙變化是引起基質(zhì)吸力變化的原因之一。王增麗等[13]指出秸稈施入土壤使土壤孔隙連通性降低。這也說(shuō)明纖維加入土體會(huì)改變?cè)械耐寥揽紫?。王珍等[10]指出≤1 mm的粉碎秸稈及20 mm長(zhǎng)秸稈處理均易造成早期失水過(guò)程中脫水速度過(guò)快，推斷是秸稈本身也可以作為土壤中水分流通的通道。而本研究卻發(fā)現(xiàn)土體加入木纖維后，土水特征曲線的斜率值只是略高于素土，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于糯米膠、混合改良劑。這可能與纖維自身的結(jié)構(gòu)性狀有關(guān)：與秸稈纖維相比，木纖維形狀更加不規(guī)則，表面積巨大，其吸附能力更強(qiáng)。而摻量過(guò)多時(shí)，木纖維的持水能力則會(huì)減弱。肖興艷等[9]將摻入量設(shè)為5.0%時(shí)，也發(fā)現(xiàn)與對(duì)照相比，秸稈處理的土壤含水率則有所降低，其保水效果減弱。

本研究采用的混合改良劑為糯米膠、木纖維，均為有機(jī)材料。在邊界效應(yīng)階段，糯米膠與木纖維均會(huì)吸水膨脹，使土體結(jié)構(gòu)越發(fā)致密，摻入量越多，孔隙越少。馮瑞云等[12]采用有機(jī)（秸稈）+有機(jī)（聚丙烯酰胺）進(jìn)行研究時(shí)，指出改良劑剛開(kāi)始施入土壤時(shí)，沒(méi)有充分吸收水分，保水效應(yīng)未完全發(fā)揮；在一定時(shí)間后，改良劑吸水膨脹，對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生作用，土壤開(kāi)始變的疏松。張燕等[11]采用有機(jī)（秸稈）+無(wú)機(jī)（建筑垃圾）研究時(shí)，指出改良劑會(huì)溶脹，吸水速率高于對(duì)照，失水速率慢于對(duì)照。這與本研究的表觀一致，但結(jié)果有所差別。這是因?yàn)楸狙芯康脑嚇芋w積是固定的，混合改良劑吸水后反而阻塞了土壤孔隙，外部的水分難以進(jìn)入，飽和含水率較低，這也使得水氣交換變得困難，土體進(jìn)氣值遠(yuǎn)高于素土。

3.2 不同改良劑對(duì)土體吸附強(qiáng)度的影響

不同改良物質(zhì)對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理不一。固化劑進(jìn)入土體后主要發(fā)生氣化、液化等化學(xué)反應(yīng)，黏結(jié)作用最為突出[14]；纖維類進(jìn)入土體后主要發(fā)生交織、纏繞等物理反應(yīng)，束縛作用較為普遍[16]。本研究發(fā)現(xiàn)摻有同一摻量的改良劑飽和土體，其內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為：木纖維>糯米膠>混合改良劑，且摻量越高，內(nèi)摩擦角越小。這與熊壽德等[38]采用相同木纖維進(jìn)行抗剪強(qiáng)度研究的結(jié)果一致。推斷是木纖維與土粒的接觸、咬合作用相對(duì)土粒之間要小得多。孫沛然等[37]采用電鏡掃描進(jìn)行糯米淀粉含水率研究時(shí)，得出含水率過(guò)高，淀粉顆粒表面變得光滑。顆粒間的相互作用機(jī)會(huì)減小，顆粒膨脹程度較大，但不互相黏連，顆粒喪失自身的完整性。這與本研究的結(jié)論一致。糯米膠在高含水率時(shí)，其膠黏作用未得到有效發(fā)揮，反而會(huì)軟化土體結(jié)構(gòu)?；旌细牧紕┛赡苁且?yàn)樵诟吆蕰r(shí)糯米膠包裹住了木纖維，間隔土粒，以致失去了咬合作用。這說(shuō)明采用改良劑改善土壤坡面結(jié)構(gòu)時(shí)，特別要注意坡面含水率的控制。

4 結(jié)論

1）糯米膠能提高土體飽和含水率、進(jìn)氣值、斜率，減小殘余含水率、殘余值；木纖維能增加飽和含水率、進(jìn)氣值、殘余值，斜率接近素土，適當(dāng)?shù)膿搅靠梢栽黾託堄嗪剩粗疁p??；混合改良劑能增加進(jìn)氣值、殘余值、斜率，減小飽和含水率、殘余含水率。

2）不同改良劑紅壤隨v降低，增加，ψ增大，φ值減小。木纖維能有效增大吸附強(qiáng)度，糯米膠對(duì)提高吸附強(qiáng)度的作用不大?；焓┡疵啄z和木纖維介于二者之間。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）

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The Effect of Soil Conditioners on Water Characteristic Curves and Adsorption Strength of Red Loam Soil

LIU Wujiang1, DUAN Qingsong2, YANG Song2, XIONG Shoude3, BAO Ruiqin4, LI Liyang5, ZHANG Chuan2,6*

(1. Yunnan Academy of Agricultural Engineering, Kunming 650215, China; 2. College of Hydraulic Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 3. Yunnan Geological Engineering Survey and Design Research Institute Limited Company, Kunming 650041, China; 4. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;5. Yunnan Yuanke Land Consolidation and Rehabilitation and Planning & Design Limited Company, Kunming 650201, China; 6. Research Center for Transition Development and Rural Revitalization of Resource-based Cities in China, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

【Objective】Amending degraded soils with soil conditioners is a technique widely used to improve soil quality. Different conditioners are commercially available but their effect on soil release curve is less understood. The purpose of this paper is to compare change in water characteristic curves of a red loam soils amended using different soil modifiers.【Method】The soil was amended by glutinous rice gum, wood fiber, and their mixture at different ratios. We measured the change in matrix suction () and volumetric soil water content (v) of each soil sample. The internal friction angle () of the soil at saturation was determined using the direct shear test method, from which we calculated the adsorption strength (ψ) of the soil using the Fredlund double stress variable shear strength.【Result】① Glutinous rice gum and wood fiber both increased the saturated soil water content (s), while their mixture reduceds. Glutinous rice gum and its mixture with wood fiber reduced the residual soil water content (r), while the wood fiber working alone only reduced the residual water content when the amendment ratio was low or high. All three modifiers increased the air-entry value (a), with the increase ranked in the order of the mixture > glutinous rice gum > wood fiber. Glutinous rice gum reduced the residual matric potential (r), while the wood fiber increasedr, with the mixture in the between with itsrhigher than that of the non-amended soil. The matric potential decreased fastest as soil water content increased in the glutinous rice gum treatment, followed by the mixture and wood fiber. ②All conditioners increased the adsorption strengthψ, and the shear strength decreased with the increase in. For soil water content in the range of 23.73%～30.76%, amending the soil with 2.5%～5.0% of wood fiber gave the highest adsorption strength, followed by non-amended soil, the amendment by 2.5%～5.0% of mixture, and the amendment by 0.5%～5.0% of glutinous rice gum. 【Conclusion】①Glutinous rice gum mainly reduced the ability of the soil to hold water. Wood fiber influenceds,randrmost and improved the ability of the soil to hold water. The mixture of wood fiber and glutinous rice gum increasedamost, improving the ability of soil to hold water in the wet-end, but reduced water-holding capacity of the soil in the middle range. ②The effect of different modifiers in increasingψis ranked in the order of wood fiber > glutinous rice gum > their mixture.

soil amendments; red loam; matric suction; soil-water characteristic curve; the adsorption strength

1672 - 3317（2023）09 - 0068 - 11

S284

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021408

劉武江, 段青松, 楊松, 等. 不同改良劑對(duì)紅壤土水特征曲線及吸附強(qiáng)度的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 68-78.

LIU Wujiang, DUAN Qingsong, YANG Song, et al. The Effect of Soil Conditioners on Water Characteristic Curves and Adsorption Strength of Red Loam Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 68-78.

2021-08-27

2023-05-29

2023-09-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41867038）；國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201511003-3）；國(guó)土資源部開(kāi)放基金項(xiàng)目（YNTD2018KF05）；云南省水利科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2023BG204001）

劉武江（1993-），男，云南曲靖人。碩士，主要從事土地生態(tài)利用與保護(hù)研究。E-mail: 804310301@qq.com

張川（1982-），男，云南大理人。副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事土地整治工程、農(nóng)業(yè)水土工程研究。E-mail: zhangchuan0569@sina.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開(kāi)放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍