斥水红黏土最优含水率下的抗剪强度研究
时间：2023-03-03 21:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
王春华，傅蜀燕，胡孟凡，张才溢，欧 斌
（云南农业大学水利学院，昆明 650201）
土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤称为斥水土壤［1］。19世纪就发现了某草原中出现的“蘑菇圈”和“干燥斑”现象［2］。Doerr等［3］在不同的气候条件、土壤类型和植被覆盖下，观察到斥水性土壤。水分很难渗入这些土壤，以至于覆盖在上面的植物难以生长，对种子发芽率也产生不利影响，还会产生地表径流、优先流通道、加速土壤侵蚀、地下水污染等［4-9］不利影响，不仅在农业方面对土壤有深入研究，在土木建筑工程中也常用到［10］。为满足实际工程需要，改善土壤性质，通常对土壤进行处理［11］。将亲水土改为斥水土可以有效减少水分入渗［12］，节省防水材料、降低成本，而常见改性方式主要有物理改性［13-15］、化学改性［16-19］和生物改性［20，21］；
另一方面土壤力学特性也是土木工程领域着重研究的地方［17］。
1978年Fredlund等［22，23］提出双应力变量控制非饱和土抗剪强度公式，并发现基质吸力是影响非饱和土壤抗剪强度的重要因素。李云龙等［24］发现当含水率较高时，非饱和无黏性砂土的抗剪强度随含水率降低，并且随着基质吸力的增大而增大；
当含水率继续下降到某一程度、基质吸力超过相对应的某一阀值时，抗剪强度开始随基质吸力的增大而减小。Escario等［25］认为用直剪仪可以测非饱和土壤的抗剪强度，并对3种土壤强度进行了试验，证明土壤强度与基质吸力关系参数φb为非常数。吴珺华等［26］建立了非饱和土壤基质吸力与抗剪强度的经验模型。许朝阳等［27］利用微生物的代谢产物对土壤进行改性，并对改性土壤进行抗渗试验和无侧限抗压强度试验，结果发现改性后的土壤抗渗性能得到提高，不仅具有斥水性，强度也得到略微提升。而杨松等［28］采用化学改性，在不增湿的情况下，改性后的土壤抗渗性虽升高，但强度却有所降低，且随着正应力的增大斥水土壤抗剪强度降低越明显，说明不同改性方式对土壤强度产生不同影响。但对于大多数土木建筑工程项目来说并不适合微生物生存，限制了生物改性的发展。而相同改性条件下，土壤改性后强度与何种因素有关？并随不同因素变化规律是什么？本研究用十八胺对土壤进行化学改性，用直剪试验测定改性土强度变化规律并与自然土进行对比，以完善改性土强度方面的研究，以期早日运用到实际工程中。
1.1 试验材料
供试土壤取自云南省昆明市盘龙区，取土深度为50 cm，试验前，将土样风干碾碎过2 mm筛，并根据土工试验方法标准（GB/T 50123—1999），得到土样的基本物理指标（表1）。
表1 土样基本物理指标
斥水剂为十八烷基伯胺［CH3（CH2）16CH2NH2］以下简称十八胺，碾碎备用。将自然黏土与砂土过2 mm筛后放入105℃电烘箱烘至恒重。将烘干后的自然黏土分为两部分，一部分自然黏土继续放入烘箱保持干燥，作为对照的亲水土；
另一部分加入1.5%的十八胺，搅拌均匀后放至75℃烘箱，每隔2 h搅拌1次，共放置8 h，作为试验的斥水土。斥水砂土制备在亲水砂中加入0.05%十八胺，其他与斥水土制备方式相同。将斥水土与30%斥水砂混合制备混合土，最后制备出亲水土（Natural soil，NS）、斥水土（Repellent soil，RS）、斥水土+30%斥水砂（Repellent soil and sand，RSS）3种土样。
在相同湿度下将3种烘干的土样放置24 h，NS、RS、RSS 3种土的含水率分别为19.84%、13.19%、17.65%，证明在同一潮湿环境中3种土样的初始含水率并不相同，故选用3种土的最优含水率作为初始含水率配制试样，试样为圆饼状（Φ61.8 mm×H20 mm）。
1.2 试验方法
1.2.1 含水率对斥水度的影响 RS、RSS试样制备好后根据不同烘干时间获得不同含水率的试样，并用毛细管饱和法制备饱和试样，共制得7种含水率不同的试样。采用滴水穿透时间法（Water drop penetration time，WDPT）［29］测定不同含水率试样斥水性，得到含水率与WDPT关系曲线，以获得斥水性较强时的含水率作为直剪试验初始含水率。
1.2.2 垂直压力对斥水土抗剪强度的影响 土样用最优含水率各配制4组，在常规直剪仪上进行强度试验，垂直荷载分为4级，分别是50、150、250、350 kPa，剪切速度为0.8 mm/min，获得垂直应力与剪应力关系曲线。手轮每转2圈即剪切0.4 mm记一次剪应力数，获得水平位移与剪应力曲线。
1.2.3 含水率对斥水土抗剪强度的影响 3种土分别制备5种含水率的试样，法向压力为250 kPa，剪切速度不变进行强度试验，获得250 kPa下含水率与剪应力关系曲线。
2.1 试样初始含水率与斥水度确定
在潮湿的密闭容器中放入烘干后的3种土样，24 h后其含水率NS＞RSS＞RS，说明3种土在相同湿度下其含水率并不相同。为更符合实际工程，3种土试样初始含水率的配制与试验结果相对应，为NS＞RSS＞RS。
改性土斥水度如图1所示，RS与RSS随着含水率增加其WDPT先增后减，即其斥水度随含水率增加先增后减，当含水率过低或过高时斥水性均不理想，这与吴珺华等［30］试验结果一致，故在斥水性较好的范围内选取试样初始含水率。RS含水率为28.2%时其WDPT为2 429 s，RSS含水率为30.74%时其WDPT为1 978 s，均为严重斥水。NS、RS、RSS最优含水率分别为32%、28%、30%，符合试验结果要求，故用最优含水率作为试样初始含水率配制。
图1 含水率与WDPT关系曲线
2.2 改性土抗剪强度参数
随着垂直压力的增大，3种土的抗剪强度均随着逐渐增大（图2），可用摩尔-库仑强度准则进行描述（R2＞0.99，P＜0.01），见式（1）。
图2 垂直压力与剪应力关系曲线
式中，τ为抗剪强度，σ为法向应力，c为黏聚力，φ为内摩擦角。
在最优含水率下，土样RS的黏聚力c最大，主要由于斥水土最优含水率小，导致其基质吸力较大，故黏聚力大。而NS、RS、RSS3种土的内摩擦角φ分别为37.38°、36.31°、26.90°，NS的内摩擦角最大，是因为斥水土壤颗粒被有机物包裹，颗粒间镶嵌作用减小，且亲水土比斥水土密实度大。
2.3 改性土抗剪强度变化
试样剪切过程中剪应力随水平位移的变化关系如图3所示，所有土不因垂直压力不同Δ-τ曲线有明显不同。当剪切位移相同时RS比NS抗剪性能更强，但相比之下亲水土延性更好。但在斥水土中加入斥水砂制成混合土RSS，其延性得到显著提高。在需防水防渗、位移较大、受力较小的工程中，可用RSS混合土，不仅节省防水材料，而且完全能满足工程防渗需要［30］。当剪应力达到最大值后，相同位移下RS剪应力下降速度比NS下降速度快，证明由于有机物的包裹，斥水土颗粒黏性下降。
图3 水平位移与剪应力关系曲线
相同垂直压力下RS试样的抗剪强度最强，而杨松等［28］的NS与RS试样中NS抗剪强度更强，是因为试样含水率不同导致的。图4为在250 kPa垂直压力下含水率与剪应力关系曲线，相同含水率下NS抗剪强度更强。随着含水率的增加试样抗剪强度先增后减，含水率太低时黏粒之间黏聚力太小，但当含水率太高时基质吸力减小导致抗剪强度减小。图4中RSS混合土的ρ-τ折线在最下面，在斥水土中加入斥水砂强度降低，是因为斥水砂抗剪强度低于斥水土导致的。
图4 含水率与剪应力关系曲线
在相同湿度下3种土的含水率NS＞RSS＞RS，且在最优含水率下RS、RSS均达到严重斥水。故本研究用最优含水率配制试样，主要结论如下：
1）土壤斥水度与土壤含水率有关，斥水度随着含水率的增加先增大后减小，当土壤达到最优含水率附近时斥水度最强。
2）相同湿度环境下RS的含水率比NS低，水分难以入渗RS，基质吸力下降不明显，最优含水率下RS抗剪强度最强，RS黏聚力最大。但由于有机物包裹土颗粒，是内部摩擦下降，RS摩擦角φ比NS小。
3）NS变为RS后延性降低，在RS中加入斥水砂后得到的混合土RSS抗剪强度虽比RS小，但延性得到显著提高。
4）土壤的抗剪强度与含水率有关，相同含水率下NS抗剪强度最强，但最优含水率下RS强度最强；
土壤强度随着含水率的增加先增大后减小，含水率前期增加时黏聚力增大幅度比基质吸力减小幅度大，土壤抗剪强度增大；
而含水率过大时基质吸力与黏聚力同时减小，从而导致土壤抗剪强度降低。
