含水率對親水-斥水復合土壓縮特性的研究

柴林春

(國能青海黃河瑪爾擋水電開發(fā)有限公司,青海 瑪沁 814099)

近年來，隨著云南在建項目的擴增，以紅黏土作為填筑材料的工程也隨之增多，同時，紅黏土作為一種黏性土，具有高強度、低壓縮性的良好力學性能，反之也對應著高孔隙比、高塑性、高天然含水率等不良物理性能[1]。一般工程應用中主要是基于純砂或純黏土的試驗結果，但純砂或純黏土在一定程度上不能完全滿足路基工程對填料的要求，進而需對工程性質進行人工改善。目前，這種人工改善工程性質主要表現在將不同混合土壤類型進行組合并深入研究從而得到一定的力學特性，Nagaraj[2]通過砂土、膨潤土、高嶺土和兩種天然土壤的黏土-砂混合物進行了無側限壓縮試驗。研究發(fā)現，無論黏土類型如何，在含砂量為40%～60%時，混合料的無側限抗壓強度最高。Shafiee et al.[3]對壓實砂黏土混合物進行了試驗研究，研究發(fā)現抗壓強度和抗剪強度隨含砂量的增加而增大。Vallejo et al.[4]通過對不同黏土含量的高嶺石黏土-砂復合土的抗剪強度和孔隙率進行研究發(fā)現復合土的抗剪強度會受黏土含量多少控制，當含黏土量低于25%時會由砂粒控制，而含黏土量高于60%時由黏土控制。吳麗君等[5]通過分析非飽和粉質黏土水-土特征曲線變化規(guī)律以及非飽和土固結變形機理，最終得出非飽和土的最終沉降量僅與土骨架的壓縮模量有關，張國棟等[6]對不同初始含水率下紅黏土的脹縮和崩解做了相關研究，發(fā)現膨脹總率與含水率成分段函數關系，含水率越低其崩解時間越早且速度越快，崩解裂隙度隨浸水時間具有快速增長、緩慢增長、趨于穩(wěn)定的規(guī)律。除此之外，低含水率下較分散的凝聚體單元和較高含量的微孔隙是導致宏觀結構破裂的主要原因，孔隙分形維數與含水率成二次函數正相關關系。相關學者也有過這方面的研究，談云志等[7]選取壓實紅黏土為研究對象，對4種初始干密度的試樣經風干后進行自由收縮試驗研究，發(fā)現大孔隙體積峰值半徑隨著含水率的降低而減小，小孔徑的孔隙體積則增多；石崇喜等[8]在紅黏土中摻加不同比例的砂土后進行無側限抗壓強度、直剪強度等對比研究，發(fā)現摻入不同比例的砂會改變其基本物理性質，如降低其液塑限、最優(yōu)含水率等，同時還會因摻入不同比例的砂不同程度地降低其無側限抗壓強度及直剪強度，也會因最佳含水量的降低增大其干密度。

然而，關于初始含水量對土壤壓縮特性的影響[9-11]還缺乏資料。本次研究基于室內最常用的側限壓縮試驗(也稱壓縮固結試驗)來測定土得壓縮特性，此次研究對不同初始含水量的重塑親-斥水復合土(親-斥水復合土即親水紅黏土、斥水紅黏土、親水紅黏土摻入30%親水砂土以及斥水紅黏土摻入30%斥水砂土)進行了側限壓縮試驗。此外，這種親-斥水復合土的力學行為也比較模糊，故只有深刻認識這種復合土的基本力學特性才能更深層次地掌握親-斥水復合土隨含水率的變形規(guī)律。本次試驗的目的是量化這些變量對親-斥水復合土壓縮曲線特征的影響，并檢驗土的類型以及壓縮特性的差異。從長期來看，這些數據有望為一些在紅黏土地區(qū)修建的高填方和路基工程評估土壤類型的壓實風險提供一定的依據。

1 試驗材料和方案

1.1 材料制備

本次研究以紅黏土和砂土為基本材料并通過這兩種材料重塑此次試驗所需樣品親水-斥水復合土。親水-斥水復合土包括親水紅黏土(Q0)、親水紅黏土摻入30%親水砂土(Q1)、斥水紅黏土(C0)以及斥水紅黏土摻入30%斥水砂土(C1)，斥水紅黏土中加入了1%的十八胺；斥水砂中加入了0.03%～0.04%的十八胺；紅黏土是取自云南農業(yè)大學后山；砂土是取自云南農業(yè)大學試驗室。所有樣品均于實驗室中風干并過2mm的篩子，制樣完成后將樣品放于試驗室內進行基本物理性質指標測定[12]。

1.2 試驗方案

將重塑土樣編號為Q0(親水紅黏土)、Q1(親水紅黏土摻入30%親水砂土)、C0(斥水紅黏土)以及C1(斥水紅黏土摻入30%斥水砂土)進行對比試驗。試驗主要研究了Q0在含水率為18.19%、27.13%、27.98%、31.06%下對壓縮變形的影響；Q1在含水率為13.96%、23.77%、24.82%、29.75%下對壓縮變形的影響；C0在含水率為16.89%、22.12%、23.85%、25.70%下對壓縮變形的影響；C1在含水率為19.41%、19.64%、24.14%、29.85%下對壓縮變形的影響。通過室內側限壓縮試驗對四種類型重塑土的抗壓性能和變形特性進行討論與研究。對重塑土樣進行分級加壓，壓力分別為25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、800kPa，每級荷載加載時長為12h,并記錄試樣的變形量直至試樣變形穩(wěn)定。在試驗過程中用很輕薄的一層保鮮膜輕輕包裹試樣防止水分的蒸發(fā)對試驗結果造成影響。

2 基本物理指標的測定

通過擊實試驗獲取重塑親-斥水復合土的擊實曲線，見圖1。根據親-斥水復合土的塑限預估其最優(yōu)含水率，然后選取至少5個含水率的親-斥水復合土樣，其中大于塑限的取2個，小于塑限的取2個，接近塑限的取1個，然后根據《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)完成擊實試驗。重塑土的基本物理參數見表1。

圖1 親-斥水復合土擊實曲線

表1 重塑土的基本物理參數

3 試驗結果與分析

3.1 壓縮變形量與試樣含水率的關系

圖2為各級壓力下的變形量與試樣高度的關系，從圖中可以發(fā)現，在較低壓力下，不同含水率試樣的變形量隨試樣含水率的增大而逐漸線性增加，而在相對較大壓力下，試樣的變形量隨含水率的增大呈非線性增加，在壓力p=400kPa時，圖2(a)和圖2(b)分別對應試樣Q0和試樣Q1,它們的主要區(qū)別在于加了砂土和沒加砂土，圖中反映出的比較明顯的一點是在含水率相差不大的情況下Q0的變形量為0.535mm,而Q1的變形量為1.460mm,這就意味著加了砂土的試樣變形量明顯大于沒加砂土的變形量。同理，圖2(c)和圖2(d)在含水率為29.75%和29.85%大致一樣情況下，加了砂土的試樣變形量明顯大于沒加砂土的變形量。除此之外，同樣在壓力p=400kPa時，圖2(a)和圖2(c)也在含水率為31%和32%兩者相差不大的情況下Q0的變形量為0.535mm,而試樣C0的變形量為0.990mm，而它們的區(qū)別在于紅黏土是否加了斥水劑十八胺，Q0是沒加斥水劑的土壤樣品，Q1是加了斥水劑的土壤樣品。

由圖2可知，在紅黏土中摻一定比例的砂土在一定程度上削弱了紅黏土顆粒之間的聯結力，致使Q1和C1的變形量遠小于未曾摻過砂土的土樣Q0和C0。而Q0、Q1、C0和C1中,后兩種是加了斥水劑的土壤樣品，加了斥水劑的樣品變形量的變化并不明顯，但加入斥水劑后對土壤樣品的基本物理特性有一定的影響，見圖1和表1，C0較Q0干密度由1.40g/cm3降為1.34g/cm3，Q1較C1干密度由1.51g/cm3降為1.44g/cm3。

3.2 空隙變化規(guī)律

試樣初始孔隙比：

式中：e0為試驗初始孔隙比；ω0為試樣含水率；Gs為比重；ρ0為試樣的初始密度(g/cm3)。

各級壓力下試樣固結穩(wěn)定后的孔隙比：

式中：ei為各級壓力下試樣穩(wěn)定后的孔隙比；e0為試樣的初始孔隙比；h0為試樣的初始高度(20mm)；Δhi為某級壓力下試樣穩(wěn)定后的高度，mm。

圖3主要描述了不同軸向壓力下含水率與孔隙比的關系。圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)的區(qū)別主要在于圖3(a)和圖3(c)是沒加砂土的試樣，而圖3(b)和圖3(d)是加了30%砂土的試樣。從圖中明顯可以看出沒加砂土的孔隙比要大于加了砂土的孔隙比，因為黏土的空隙要大于砂土的空隙。當壓力增加至200kPa時，孔隙比隨壓力的增加而變得較為平緩。另外，不論是加了砂土的試樣還是沒加砂土的試樣它們的孔隙比與含水率是正相關的。由此來看，不管是孔隙比還是壓縮量，它們的變化與含水率之間存在著一個一一對應的關系。

圖3 不同含水率下不同試樣e-p曲線

3.3 垂直壓力下改性土壤的壓縮指標

從表1、圖1中不難發(fā)現，加了斥水劑十八胺的土壤樣品C0和C1的比重、最優(yōu)含水率均有所下降，但下降程度并不明顯。除此之外，加了30%砂土的土壤樣品Q1和C1液塑限明顯有所降低，由此可見，摻砂土一定程度上會改變紅黏土的含水特性及其可塑性。與素土Q0相比，摻了30%砂土的復合土Q1液限降低至45.6%，塑限降低至28.7%，塑性指數降低至16.9%，這說明紅黏土摻了一定比例的砂土后，其含水能力會顯著降低，對可塑性會有一定的影響，即可塑能力明顯減弱。

4 結 論

在本研究中，采用云南當地紅黏土及砂土將其重塑成四種土樣，研究了含水率對重塑土樣的影響，在研究過程中發(fā)現：

a.在相同壓力下重塑土樣會隨含水量的變化而變化，當含水率變大時重塑土樣的初始變形較明顯。

b.當重塑土樣的含水率接近最優(yōu)含水率時，重塑土樣的初始壓縮變形量和最終壓縮變性量的變化程度會有所減小，這就意味著重塑土樣的含水量越接近最優(yōu)含水率其越容易被壓實。

c.另外加了砂土的土壤樣品其物理特性也會發(fā)生改變，即含水能力下降，可塑性降低。

d.摻了斥水劑十八胺的土壤樣品不會對側限壓縮產生影響，但會影響其含水能力，改變了紅黏土的最佳擊實特性，摻斥水劑十八胺后，紅黏土的最優(yōu)含水率會降低。