斥水紅黏土的增濕強度特性研究①

楊 松，吳玉琴，周明凱

斥水紅黏土的增濕強度特性研究①

楊 松，吳玉琴，周明凱

(云南農業(yè)大學水利學院，昆明 650201)

在紅黏土中加入十八胺使其由親水變?yōu)槌馑謩e對親水和斥水土進行不同容重下增濕和不增濕直剪試驗，通過試驗對不增濕條件下紅黏土由親水變?yōu)槌馑蟮目辜魪姸茸兓?guī)律及增濕對親水和斥水紅黏土抗剪強度的影響展開研究。試驗結果表明：不增濕條件下，親水土壤變?yōu)槌馑笃鋸姸葧档停译S著正應力的增大斥水土壤抗剪強度降低越明顯；增濕對親水土壤影響較大，而對斥水土壤的影響則較小。隨著容重的增大，親水與斥水土的抗剪強度都會增大，增濕對兩類土壤的影響隨著容重和正應力會發(fā)生改變，利用土壤的斥水特性來提高土壤增濕條件下的抗剪強度時，需要綜合考慮土壤的容重及所處的應力狀態(tài)。

斥水土；抗剪強度；增濕；容重

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象[1]。當土壤中含有斥水成分或土壤顆粒被有機物包裹時，土壤可能由親水變?yōu)槌馑甗2-3]。斥水性土壤分布很廣，從熱帶到亞北極地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)，并且包括了各種類型的土壤[4]。長期以來人們對斥水土的研究更關注其不利方面，如：斥水性土壤會阻止水分入滲，形成地表徑流；斥水土壤中可能形成優(yōu)先流通道，優(yōu)先流的發(fā)生是由于裂隙的存在，使地表水很快到達土壤深層, 增大了入滲面積，造成地下水污染[5-6]；斥水性土壤還會影響農作物生長等[7]。只有少部分學者關注到斥水性土壤的有利一面，如：增加土壤團聚體的穩(wěn)定性，減少土壤中水分的蒸發(fā)量[8]。事實上，站在不同的角度，斥水性土壤不利之處也可能變成有益之處。斥水土壤阻止雨水入滲一直被認為是不利因素，這對農作物的生長當然是毋庸置疑的，然而，從地質學或巖土力學的角度看，阻止雨水入滲可以使土壤保持非飽和狀態(tài)，土壤的抗剪強度不會因為雨水的進入而減小，有利于斜坡的穩(wěn)定，此時斥水土壤阻止雨水入滲又變成有益的一面。

降雨后雨水滲透到土壤中，土壤中的含水率上升，基質吸力不斷減小[9-11]，當土壤從非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時，基質吸力消失，土壤的抗剪強度在此過程中不斷減小，并可能因此導致滑坡[12-14]。人們對土壤抗剪強度隨基質吸力或含水率變化已經有了較為深刻的認識，并且提出了很多非飽和土抗剪強度公式[15-18]。土的抗剪強度主要是通過直剪試驗和三軸試驗進行測試，并且可以利用軸平移技術或張力計測量土壤剪切破壞時的基質吸力，從而得到非飽和土的有效應力或應用雙應力變量強度理論[19]。但是，如果待測土壤的測試狀況比較復雜，如：測量植物根系對強度的影響或水分突然入滲等，則直接用總應力反映土壤的抗剪強度[20-21]。

除了水分對土壤強度有重要影響外，土壤的容重也是影響其強度的一個重要因素[22-23]。Wei等[24]的試驗結果表明：當土壤容重保持不變時，隨著土壤含水率的增加，土壤的強度減小；而當含水率保持不變，土壤的容重增加，則土壤的強度也會增加。如今，各種重型機械設備用于農業(yè)生產活動，使土壤壓實問題顯得突出[25-26]，土壤壓實后其密度會增加，并可能對農作物生長[27]、植物根系的延伸產生負面影響[28]。對土壤的抗剪強度而言，土壤容重增加是有利因素，而對作物生長則是不利的，當土壤由親水變?yōu)槌馑⑶铱紤]水分入滲后，情況變得更加復雜。具有斥水性的土壤能有效阻止雨水入滲，如果具有一定壓實度的土壤能維持其強度的同時又保持其斥水特性，則可以把其應用于邊坡等一些需要防滲的地方。

本文對不同初始密度親水和斥水土壤增濕過程中的土壤強度特性進行了研究，比較了土壤由親水變?yōu)槌馑蟮膹姸茸兓?guī)律，探討了親水和斥水土壤在剪切過程中水分入滲對其強度的影響。通過本文的研究可以增加人們對土壤斥水性有益方面的認識，并為利用土壤斥水性提高降雨條件下的土坎、土坡穩(wěn)定性提供相應的試驗基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自云南省昆明市，土樣為紅褐色，取土深度為0.5 m，試驗前，將土樣風干、碾碎，過2 mm篩。本文采用土工試驗方法標準(GB/T 50123—1999)對土樣進行基本物理性質的測定，得到土樣的基本物理指標(表1)。

表1 供試土壤基本物理參數(shù)

根據國際制土壤質地分級標準和表1 顆粒分析試驗結果，對該土命名為黏土。所用土樣的最大容重是1.42 g/cm3，把篩好的土樣分為兩部分，一部分用于不同容重親水土樣(natural soil, NS)的制備，另一部分用于不同容重斥水土樣(repellent soil, RS)的制備。制備親水土樣時，為方便試樣擊實，在風干土中加水，使制樣含水量為280 g/kg，根據擊實筒的體積計算出所需土樣的質量后進行制樣，試樣分為4組，每組的容重分別為：1.2、1.3、1.4和1.5 g/cm3，每組8個樣，共32個樣。斥水土的制備采用在風干土中加入十八胺的方法，十八胺的加入量為8 g/kg，為使十八胺在土中分布均勻，在風干土中加入十八胺后，先攪拌均勻，然后把土樣放置到烘箱內烘烤8 h，烘箱溫度控制為70 ℃，每隔2 h把土樣取出攪拌5 min，直到烘烤結束。待散土冷卻后再加水制樣，制樣含水量控制為300 g/kg，因為容重為1.5 g/cm3的斥水土樣在擊實中難成型，所以斥水土樣容重分為3組，分別為：1.2、1.3和1.4 g/cm3，共24個樣。含水量是影響土壤斥水性的一個重要因素，隨著土樣含水量的增大土壤斥水性可能會消失，因此，強度試驗需要控制試樣的初始含水量，把制好的試樣放置在室外進行二次風干，風干時間為48 h，試驗時，親水或斥水試樣的含水量均為(35±5)g/kg。

1.2 土樣斥水性測量

土壤斥水性測量采用滴水穿透時間法(water drop penetration time，WDPT)[29]，用滴管在制好后的風干試樣表面不同位置滴上12滴去離子水，每個水滴的體積大概是30 μl，用秒表記錄每個水滴完全滲入土樣所用的時間，去掉1個最長時間和1個最短時間，取剩余10個時間的算術平均值即為土樣在該狀態(tài)下的WDPT。1.2、1.3和1.4 g/cm3三種試樣的WDPT分別為：1 424、1 610 和1 962 s，均為嚴重斥水。

1.3 增濕條件下的土壤強度試驗

強度試驗在常規(guī)直剪儀上完成，垂直荷載分為4級，分別為100、200、300和400 kPa，剪切速度控制為0.8 mm/min，每個容重又分為不增濕和增濕兩種情況，增濕方案為：當試樣開始剪切時，用注射器吸取10 ml水從剪切盒傳壓板的縫隙向試樣中加水，10 ml水使含水量提升90 ~ 110 g/kg，加水速度盡量緩慢均勻，不宜過快，注水時間控制在3 min以內。增濕過程中試樣含水量分布不均勻且隨時間不斷變化，因此本次試驗中的應力變量采用總應力，不測量基質吸力。

2 結果

2.1 紅土由親水變斥水后的強度變化

圖1為不同容重下親水和斥水試樣的強度包線。從圖中可以看出，當紅土從親水變?yōu)槌馑畷r，強度包線在τ-σ坐標上會往下移，即：試樣容重相同，且正應力≥100 kPa時，親水土樣的強度包線總是位于斥水土樣的上方。隨著試樣垂直荷載的增大，親水土樣與斥水土樣破壞時的剪應力差不斷增大，容重為1.2 g/cm3的試樣(圖1A)，在100 kPa的垂直荷載下親水土樣變?yōu)槌馑翗訒r，抗剪強度從101 kPa下降到88 kPa，抗剪強度相差13 kPa；在400 kPa的垂直荷載下，抗剪強度則從231 kPa下降到183 kPa，抗剪強度相差48 kPa。當試樣容重變?yōu)?.3和1.4 g/cm3時(圖1B、1C)，100 kPa正應力下親水和斥水抗剪強度差均為15 kPa，400 kPa正應力下親水和斥水的抗剪強度差分別為81 kPa和101 kPa。由此可見，當垂直荷載較小時，試樣由親水變?yōu)槌馑笃淇辜魪姸鹊淖兓渴苋葜赜绊戄^小。

兩種土樣的強度包線都呈直線，用直線方程擬合時的2都達到0.98以上，很好地滿足摩爾–庫倫強度方程。試驗設計了容重為1.5 g/cm3的土樣，親水土樣在最優(yōu)含水量下可以比較容易達到此容重，而斥水試樣在增加一倍擊實功的情況下仍然不能把土樣擊實到1.5 g/cm3，這主要是因為：土樣由親水變?yōu)槌馑?，其界限含水量發(fā)生了變化，如表1所示，塑性指數(shù)P從33.2下降到17.1，而塑性指數(shù)是影響?zhàn)ね翐魧嵦匦缘囊粋€重要指標。

2.2 親水與斥水紅土增濕過程中抗剪強度變化

2.2.1 剪應力與水平位移關系 試樣剪切過程中剪應力隨剪切位移的變化關系如圖2所示，所有試樣在剪切過程中剪應力均先增大后減小，即：出現(xiàn)了應變軟化現(xiàn)象。親水和斥水土樣增濕的應力–剪位移關系曲線大部分位于非增濕應力–剪位移關系曲線的下方。當剪切位移相同時，親水土樣增濕和不增濕曲線所對應的剪應力差要明顯大于斥水土樣，這表明增濕導致親水土樣的強度損失要明顯大于斥水土樣。當增濕親水試樣剪應力未達到峰值時，親水土樣的應力–剪位移關系曲線比較靠近，一旦剪應力達到峰值，增濕親水土樣的應力–剪位移關系曲線迅速下降，而不增濕親水土樣的應力–剪位移關系曲線繼續(xù)增大，直到達到峰值后才下降，兩條曲線的距離也因此拉開。斥水土樣的剪應力與剪位移關系曲線在整個剪切過程中都比較靠近，表明增濕對斥水土樣的影響不大。

當試樣容重為1.2 g/cm3時，相同的剪切速率下，增濕親水土樣最先達到峰值強度，斥水次之，增濕和不增濕斥水土樣達到峰值強度所對應的水平剪切位移相差不大，不增濕親水土樣最后達到峰值強度。親水增濕樣的峰值強度值最小，斥水增濕和不增濕試樣的峰值強度明顯比親水增濕樣大，而親水不增濕樣的峰值強度最大。

當容重變?yōu)?.4 g/cm3時，斥水增濕和不增濕試樣達到峰值強度時的水平剪位移與親水增濕樣基本一致。值得注意的是，當正應力為100 kPa時，親水增濕樣達到峰值的水平剪切位移甚至大于斥水的增濕樣和不增濕樣；當正應力≥200 kPa時，親水增濕樣的峰值強度和斥水樣相接近；正應力為400 kPa時，親水增濕樣的峰值強度甚至超過了斥水增濕樣和不增濕樣。由此可見，斥水土壤防止水分入滲帶來的強度優(yōu)勢將隨著土壤容重和正應力的增大而逐漸消失。

2.2.2 增濕引起的抗剪強度損失 土樣增濕造成的強度損失隨正應力的變化關系如圖3所示，隨著正應力的增大，親水土樣增濕后的強度損失線性增大，而斥水土樣增濕后的抗剪強度損失隨著正應力的增大變化不大。親水試樣在容重為1.3 g/cm3、正應力為400 kPa時強度損失達到最大值113 kPa，斥水土樣也在相同的容重和正應力下達到最大值21 kPa。親水樣在容重為1.2 g/cm3、正應力100 kPa時強度損失為最小值35 kPa，斥水試樣則在容重1.4 g/cm3、正應力100 kPa時達到最小值7 kPa。親水樣強度損失的波動范圍達到78 kPa，而斥水樣的波動范圍僅為14 kPa。由上可知，土壤由親水變?yōu)槌馑罂梢院芎玫販p小增濕帶來的強度損失。

2.2.3 抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律 不同容重親水和斥水土樣增濕和不增濕條件下的抗剪強度參數(shù)如表2所示。隨著容重的增大，親水和斥水土樣不論增濕或不增濕，其強度參數(shù)、都不斷增大，親水土樣、增大幅度較明顯，斥水土樣值增大較明顯，而值變化幅度不大。增濕對親水土樣的強度參數(shù)影響較大，土樣增濕后、都出現(xiàn)了明顯的下降，其中當試樣容重為1.3 g/cm3時，增濕使其強度降低最多：黏聚力降低了22.8 kPa，降低了9.1°；而斥水土樣的強度參數(shù)受增濕的影響則相對較小，3種容重試樣值減小值均為6 kPa，而內摩擦角降低最多的為容重1.3 g/cm3時的1.7°。不考慮增濕，當試樣從親水變?yōu)槌馑畷r，內摩擦角值下降，而黏聚力值反而增大。

3 討論

3.1 斥水土壤的強度特性

當土壤由親水變?yōu)槌馑?，最顯著的變化是透水性方面，但由于土壤顆粒的界面發(fā)生了變化，其力學性質也可能因此而變。本研究發(fā)現(xiàn)，當黏土由親水變?yōu)槌馑?，其強度是降低的，這與用玻璃珠模擬無黏性土的試驗結果一致[30]。非飽和土和飽和土的最本質區(qū)別是非飽和土由三相組成，非飽和土間存在由氣-液交界面所引起的基質吸力，基質吸力也會使非飽和土的強度提高。從毛細定律及一些學者的試驗結果都可知，當土壤顆粒與孔隙水的接觸角增大，非飽和土中的基質吸力減小甚至消失，這必然使得土體的強度降低，這也是土壤由親水變?yōu)槌馑髲姸冉档偷囊粋€主要因素。

從強度參數(shù)上看，當土壤由親水變?yōu)槌馑螅鋬饶Σ两菧p小而黏聚力提高，這個現(xiàn)象從親水土壤與斥水土壤的微觀角度分析可以得到解釋。當土壤由親水變?yōu)槌馑?，土壤顆?？赡苡沙馑镔|包裹，本次試驗使用的斥水土是先在親水土壤中加入十八胺，斥水土通過加熱到70 ℃(高于十八胺熔點)攪拌，使十八胺能很好地分散并包裹土壤顆粒，這樣就使得一部分土壤顆粒接觸點處是十八胺，這樣就會導致土壤顆粒間的摩擦強度降低，從而出現(xiàn)斥水土壤的內摩擦角減小的現(xiàn)象。十八胺雖然降低了土壤的內摩擦角，但制樣時十八胺先熔化后凝固，凝固后的十八胺使土壤具有一定的膠結強度，這在一定程度上提高了土壤的值，因此土壤由親水變?yōu)槌馑螅?i>值減小值增大。

表2 親水和斥水土樣的抗剪強度參數(shù)

3.2 增濕對親水、斥水土壤強度的影響

許多不良地質現(xiàn)象，如：邊坡失穩(wěn)、基坑垮塌、水土流失、泥石流等往往發(fā)生在降雨后。當水進入原本較為干燥的土壤后，土壤含水率上升，土中基質吸力減小，甚至消失，土壤強度明顯下降，地質災害就可能因此而發(fā)生。當土壤由親水變?yōu)槌馑螅植灰走M入土壤內部，因此土壤能維持較高的非飽和土強度，從而延遲甚至避免地質災害的發(fā)生。

親水試樣增濕后，土樣的剪切破壞面明顯比不增濕試樣潮濕很多(圖4A1、A2)，這表明增濕條件下，水分入滲到了土樣剪切破壞面，對其強度產生了重要影響。斥水土樣增濕和不增濕條件下試樣的剪切破壞面差別不大，增濕并不會使水分入滲到斥水試樣內部(圖4B1、B2)。因此，增濕對斥水土壤的強度影響不大，但當土壤具有較大的容重，同時處于較高的應力狀態(tài)時，斥水土增濕時的強度可能小于親水土壤增濕時的強度，此時土壤由親水變?yōu)槌馑⒉荒苁菇涤暝斐傻牡刭|問題得到改善。因此，若要利用斥水土壤的斥水性防止降雨帶來的不利影響，只能把斥水土壤置于低應力狀態(tài)，即淺層土壤且外荷載不大的情況。

3.3 容重對親水、斥水強度的影響

土壤容重是影響其抗剪強度的一個重要因素，許多試驗結果都表明隨著土壤容重的增大，土壤的抗剪強度不斷增大，且強度參數(shù)、都隨之增大，當土壤從親水變?yōu)槌馑笠廊环线@個規(guī)律。容重增加還可以減小水對土壤強度的降低作用，當紅黏土的容重為1.4 g/cm3、正應力為400 kPa時，斥水土的增濕和不增濕強度均小于親水土增濕強度，這表明土壤由親水變?yōu)槌馑鸬膹姸葴p小值要大于土壤由于水分入滲所引起的強度減小值。當土壤容重增大時，土壤孔隙率減小，滲透系數(shù)隨之減小，水分難以進入土壤孔隙，因此水對土壤強度的影響也就減小了。

如果土壤容重和所處的應力狀態(tài)都比較大時，沒必要利用土壤由親水變?yōu)槌馑畞頊p小水分對土壤的影響。利用土壤的斥水性進行防滲時，需要綜合考慮土壤的容重和所處的應力狀態(tài)，只有當容重較小且土壤內部所承受的應力不大時，斥水土壤才能保持較理想的強度的同時很好地減小水分入滲所帶來的不利影響。

4 結論

當土壤從親水變?yōu)槌馑螅淇辜魪姸葧档?，其中強度參?shù)內摩擦角值下降，黏聚力值有所增加。增濕會引起親水土壤強度的明顯降低，而對斥水土壤的影響較小。隨著土壤容重的增加，親水和斥水紅黏土試樣的抗剪強度都隨之增大，當試樣容重為1.4 g/cm3、正應力為400 kPa時，斥水土的增濕和不增濕強度均小于親水土增濕強度。因此，利用土壤的斥水性來防止水分入滲從而提高土壤強度時，需要綜合考慮土壤的容重和所處的應力狀態(tài)。

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Study on Wetting Strength Characteristics of Water Repellency Red Clay

YANG Song, WU Yuqin, ZHOU Mingkai

(College of Water Conservancy, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

In this study, octadecylamine was added into red clay to change its state from hydrophilic into repellent. Direct shear tests on hydrophilic and repellent soils with and without wetting were carried out under different dry densities. Moreover, the variation in the shear strength of red clay without wetting during the transition from hydrophilic soil to repellent soil were investigated, and the influences of wetting on the shear strengths of hydrophilic and repellent soils were tested. Results demonstrated that shear strength of repellent soil without wetting was lower compared with that of hydrophilic soil and that such reduction amplitude increased with the increase in normal stress. Wetting considerably influenced the shear strength of hydrophilic soil but only slightly affected that of repellent soil. The shear strengths of both hydrophilic and repellent soils increased with the increase in dry density. The influences of wetting on hydrophilic and repellent soils were related to dry density and normal stress. Thus, comprehensive considerations should be given to the dry density and stress state of soils when improving the shear strength of wetting soils based on the characteristics of repellent soils.

Repellent soil; Shear strength; Wetting; Dry density

S147.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.025

楊松, 吳玉琴, 周明凱. 斥水紅黏土的增濕強度特性研究. 土壤, 2021, 53(1): 183–189.

國家自然科學基金項目(41867038，41662021)資助。

楊松(1982—)，男，云南昆明人，博士，教授，主要從事農業(yè)水土工程方面的研究工作。E-mail: yscliff007@126.com