土壤固化劑對濕陷性黃土物理特性的影響

母冰潔， 王康宏

(韓城市水土保持工作站， 陜西 韓城 715400)

我國青海東部地區(qū)分布有較為廣泛的濕陷性黃土。濕陷性黃土是一種與其他土質(zhì)類型不同的非飽和土質(zhì)，含有大量以粗粉粒為骨架的多孔隙架構(gòu)，當未被水浸潤時，壓縮性較小，強度較高。黃土被水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)在外部附加應(yīng)力或附加應(yīng)力和自重應(yīng)力共同作用下極易遭受破壞，造成較大的濕陷變形，并引起土體強度顯著降低。該地區(qū)黃土濕陷系數(shù)為0.03～0.09，濕陷性特征明顯，對工程建設(shè)存在較大的危害性，成為制約城市建設(shè)的重要問題[1]，需采取相應(yīng)的地基解決方法，以保證其濕陷變形、承載力滿足設(shè)計及建筑物長久使用要求。

濕陷性黃土穩(wěn)定性控制常用處理方法有灰土素土墊層法、灰土擠密樁法、樁基礎(chǔ)法與樁柱攪拌法、沖擊碾壓法和孔內(nèi)深層強夯法等[2-3]，而傳統(tǒng)方法只能消除基底下1～15 m深度的黃土濕陷性，當濕陷性黃土層大于15 m時，一般采用樁基穿透法進行處理，但成本較高[4-5]。有研究表明，添加固化劑可提高黃土強度。劉月梅等[6]研究表明，添加EN-1離子固化劑可降低土壤的持水力，但對土壤有效水含量影響不顯著。卜思敏等[7]利用納米硅溶液加固黃土得出，固化黃土的無側(cè)限抗壓強度有較大提升，且納米二氧化硅顆粒粒徑越小，加固效果越好。陳瑞鋒等[8]研究發(fā)現(xiàn)，利用赤泥可顯著增加黃土最大動彈性模量、抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度。張偉峰等[9]研究表明，在黃土中添加HEC固化劑可有效改善黃土的強度、抗崩解性、滲透性及濕陷性。含水率增大可破壞黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是造成黃土強度降低的直接原因。關(guān)于EFS土壤固化劑含量對不同含水率濕陷性黃土強度影響的研究報道較少。為此，采用室內(nèi)模擬試驗方法，研究不同含量EFS土壤固化劑對濕陷性黃土水分特征曲線、比水容量、強度和持水性等物理特性的變化特征，以期為濕陷性黃土中EFS土壤固化劑適宜用量的確定以及生態(tài)環(huán)境防護提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試土壤為馬蘭黃土，取自青海東部黃河上游谷地(35°20′～36°25′N，100°55′～102°50′E)，該地區(qū)位于黃土高原和青藏高原的過渡地帶，典型土壤馬蘭黃土，其具有粉質(zhì)、富鈣、孔隙較大、垂直節(jié)理發(fā)育等特征[1,10]，是典型的濕陷性土壤。試驗黃土的物理性質(zhì)：干密度1.63 g/cm3，含水率5.51%，孔隙比87.4%，飽和度57.8%，液限25.1%，塑限7.6%，濕陷系數(shù)0.03～0.09，凝聚力32.1 kPa。

1.1.2固化劑EFS土壤固化劑，營口歐亞環(huán)保材料有限公司。EFS土壤固化劑是一種主要成分為表面活性劑、硼酸或硼酸鹽的組成離子型化合物新型固化材料，能夠破壞土壤顆粒間的結(jié)構(gòu)，在顆粒間形成不透水網(wǎng)膜，依靠土壤黏性提高土壤的穩(wěn)定、承載力及防止水滲透等。

1.2方法

1.2.1試驗設(shè)計在土壤含水率分別為5.51%、10.00%、15.00%、20.00%和25.00%條件下，試驗采用完全隨機分組方法，根據(jù)固化劑不同含量共設(shè)6個處理：對照(CK)，不用固化劑(即用量為0)；G1，固化劑用量為0.05%；G2，固化劑用量為0.10%；G3，固化劑用量為0.15%；G4，固化劑用量為0.20%；G5，固化劑用量為0.30%；3次重復(fù)。

1.2.2指標測定

1) 土壤強度。由于濕陷性黃土強度受含水率影響較大，因此考慮含水率的影響，取同一地點黃土土樣，分別制備不同含水率和添加固化劑的原狀土、重塑土試樣，將原狀黃土的抗壓強度與不同含水率和添加固化劑黃土的抗壓強度進行對比，反映固化劑和含水率對黃土強度的影響[11]。將不同含水率和含水率飽和的原狀土試樣、不同含水率和不同固化劑含量的重塑土試樣裝入單軸抗壓試驗儀，過程中控制試樣的變形速率，最終測出試樣軸向變形峰值強度，即測試黃土強度，主要以內(nèi)摩擦角和黏聚力體現(xiàn)。

2) 土壤水分特征曲線。土壤水分特征曲線可反映土壤持水力和土壤水分的基本特征。其吸水曲線和脫水曲線表示土壤的吸水過程和失水過程。研究采用脫水曲線評價濕陷性土壤的持水性[12]。因為Gardner的冪函數(shù)方程具有較其他模型待定參數(shù)較少的優(yōu)點，在實際應(yīng)用中更為方便，所以選擇Gardner模型擬合土壤水分特征曲線[13-14]。對添加固化劑后的黃土試樣養(yǎng)護10 d后，利用環(huán)刀測定試樣含水率，然后繪制土壤水分特征曲線。

θ=AS-B

式中，θ為體積含水率(%)；S為土壤水吸力(kPa)；A、B為非線性回歸系數(shù)。

3) 比水容量。比水容量(Cθ，單位：cm3/cm3KPa)是指單位基質(zhì)勢變化引起的土壤含水率的變化，表示單位吸力變化時單位質(zhì)量土壤可釋放或儲存的水量，是評價土壤持水性強弱的重要參數(shù)[6,15-17]。

Cθ=-dθ/dS=ABS-(B+1)

式中，A、B為土壤持水曲線擬合參數(shù)，A值大小表示曲線的高低，當A值越大時，土壤持水力越強；B值大小表示曲線走向，即土壤水勢降低的快慢，B+1表示土壤含水率隨土壤吸力變化快慢程度，B+1越大，土壤水分變化越快，即脫水曲線中土壤失水越快。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010繪制土壤水分特征曲線，運用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，土壤持水性與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性利用Pearson進行分析[18]。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對黃土強度的影響

從圖1看出，不同含水率下各固化劑含量黃土內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化。內(nèi)摩擦角：CK，不同含水率黃土內(nèi)摩擦角為23°～38°，依次為15.00%>20.00%>25.00%>10.00%>5.51%；G1、G2、G3、G4和G5，不同含水率黃土內(nèi)摩擦角分別為33°～42°、37°～45°、38°～46°、33°～42°和28°～37°，均依次為15.00%>20.00%>10.00%>25.00%>5.51%。黏聚力：CK，不同含水率的黏聚力基本沒有變化，為27～31 kPa，依次為15.00%>20.00%>25.00%>10.00%>5.51%；G1、G2、G3、G4和G5，不同含水率黃土內(nèi)摩擦角分別為45～56 kPa、59～73 kPa、64～80 kPa、56～74 kPa和52～66 kPa，均依次為15.00%>20.00%>10.00%>25.00%>5.51%。

總體看，不同含水率下，黃土內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨著固化劑含量的增加呈先升后降趨勢。當固化劑含量為0.15%時，濕陷性黃土抗壓強度最大，固化劑含量>0.15%后，黃土抗壓強度隨固化劑含量增加呈下降趨勢，固化劑含量過高會降低黃土抗壓強度，導致固化劑的有效利用率降低；同時含水率也是影響濕陷性黃土抗壓強度的重要因素，含水率在10.00%～15.00%時，黃土強度隨含水率增大而增大，當含水率在15.00%～25.00%時，含水率增加導致黃土強度降低。當含水率為15.00%，固化劑含量為0.15%時，黃土強度最大。

2.2不同處理對黃土持水性的影響

2.2.1土壤持水力從表1看出，濕陷性黃土中是否添加固化劑，土壤水吸力與土壤含水率關(guān)系均符合Gardner方程(相關(guān)系數(shù)均>0.99)，說明濕陷性黃土中添加固化劑并不會對土壤性質(zhì)造成過大影響，其失水特征仍然符合土壤原有特征。

不同處理擬合方程中A值均低于CK，隨著固化劑含量增加，CK的A值呈先減小后增大再減小的變化趨勢；G1～G3，10.00%～15.00%的土壤含水率隨著固化劑含量增加擬合方程中A值逐漸降低。G2～G5，15.00%～25.00%的土壤含水率隨著固化劑含量增加擬合方程中A值逐漸增大，說明隨固化劑含量的增加黃土持水力先增大后減小。濕陷性黃土添加固化劑后，特征曲線斜率(B)絕對值均較CK小，即添加固化劑后濕陷性黃土的水分釋放力增強，且G1和G2對土壤持水性影響相對較大，對濕陷性黃土強度的影響也較大。土壤供水能力受A×B和B+1大小的綜合影響，隨著含水率的增大，A×B和B+1呈先增大后減小趨勢，當土壤含水率為10.00%～15.00%時，A×B和B+1隨含水率的增大逐漸增大，當含水率大于15.00%時，A×B(G2除外)和B+1隨含水率的增大逐漸減小。當土壤含水率為15.00%時，隨固化劑增加，A×B和B+1呈先減小后增大趨勢，以G3的A×B和B+1最小。可見，添加固化劑后濕陷性黃土的持水力減弱，且隨固化劑含量的增加呈先增強后減弱趨勢，土

表1 不同固化劑含量下土壤水分特征曲線擬合方程

壤供水能力隨固化劑含量的增加呈先減弱后增強趨勢，當含水率為15.00%時，G3的土壤持水力達最大，供水力最小。

2.2.2比水容量土壤比水容量是反映土壤可釋放水量多少的指標，一般土壤水吸力為100 kPa時，比水容量可以較好地表征土壤失水能力[19]。從2表看出，含水率為5.51%、10.00%、15.00%、20.00%和25.00%時，不同固化劑含量黃土比水容量分別為0.921～1.126 cm3/cm3KPa、0.096～1.151 cm3/cm3KPa、1.129～1.167 cm3/cm3KPa、1.119～1.156 cm3/cm3KPa和1.108～1.141 cm3/cm3KPa，土壤含水率相同時，濕陷性黃土比水容量隨固化劑含量的增加呈逐漸減小趨勢，不同處理間均差異顯著。當土壤含水率為15.00%時，比水容量達最大，G1、G2、G3、G4和G5較CK分別下降0.68%、0.94%、2.10%、2.74%和3.26%。固化劑含量相同時，黃土比水容量隨含水率的增大呈先增大后減小趨勢，不同含水率黃土比水容量之間差異顯著。表明，濕陷性黃土中添加固化劑可降低土壤的失水力，與土壤水分特征曲線Gardner模型參數(shù)B的變化情況基本一致。

表2 不同固化劑含量下各含水率黃土的比水容量

3小結(jié)

研究結(jié)果表明，當固化劑含量為0.15%時，濕陷性黃土的抗壓強度最大，當固化劑含量>0.15%后，黃土抗壓強度隨固化劑含量增加呈下降趨勢，從而降低固化劑的有效利用率。土壤含水率過高可導致黃土強度降低，當含水率為15.00%，固化劑含量為0.15%時，黃土強度最大。由土壤水分特征曲線方程可知，添加固化劑濕陷性黃土的持水力減弱，且隨固化劑含量的增加呈先增強后減弱趨勢，土壤供水能力隨固化劑含量的增加呈先減弱后增強趨勢，當含水率為15.00%和固化劑含量為0.15%時，土壤持水力達最大，供水力最小，即黃土強度最大。相同含水率時濕陷性黃土比水容量隨固化劑含量的增加呈逐漸減小趨勢，不同處理間均差異顯著，當含水率為15.00%時，比水容量達最大，且0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的固化劑含量較對照分別下降0.68%、0.94%、2.10%、2.74%和3.26%。