陜南土坎梯田田坎膨脹率與力學性質的試驗研究

楊 娟，李光錄,，魏 舟，張 騰，李柏橋，付 玉，劉利年

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊陵 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊陵 712100; 3.陜西省水土保持局，陜西 西安 710004)

陜南土坎梯田田坎膨脹率與力學性質的試驗研究

楊 娟1，李光錄1,2，魏 舟2，張 騰2，李柏橋1，付 玉1，劉利年3

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊陵 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊陵 712100; 3.陜西省水土保持局，陜西 西安 710004)

梯田田坎；無荷載膨脹率；無側限抗壓強度；試驗；陜南

以陜南土坎梯田田坎土體為對象，通過室內無荷載膨脹率和無側限抗壓強度試驗，分別研究了無荷載膨脹率隨時間的變化情況和土體的應力—應變關系，并對最終穩(wěn)定的無荷載膨脹率和無側限抗壓強度進行相關性分析。結果表明，洋縣的梯田田坎土層越深，其最終的膨脹變形量越大，無側限抗壓強度越大，黑山鎮(zhèn)的則無明顯規(guī)律；土體的無側限抗壓強度與其最終穩(wěn)定時的膨脹率成指數(shù)變化關系。

陜南地區(qū)土坎梯田垮坎現(xiàn)象極為嚴重，群眾中流傳有“一年修，二年跨，三年變成平鋪塌”的說法。有關調查[1]顯示，一般當年修的梯地，在翌年雨季中就有30%～40%的田坎發(fā)生崩塌或滑塌，嚴重者甚至高達80%。朱建強等[2-3]研究認為，梯田田坎的穩(wěn)定性在很大程度上取決于筑坎土料的性質，因此探索田坎的膨脹特性、力學性質與田坎垮坎之間的關系具有實際意義。

目前對無荷載膨脹率和無側限抗壓強度的研究多數(shù)集中在改良后的黃土或者膨脹土，如石灰改良土[4-5]、水泥改良土[6-7]、固化劑改良土[8]等，而對土自身的無荷載膨脹率和無側限抗壓強度研究得較少[9]。陜南地區(qū)的土坎梯田特點是抗風化能力差，遇水強度衰減幅度大，風干后遇水崩解速度快，隨著含水率的增加土壤發(fā)生軟化，強度明顯降低，從而導致土坎垮塌。本試驗以陜南土坎梯田田坎土體為對象，通過對試驗地土壤基本物理性質的測定，確定供試土樣是否是膨脹性土；對無荷載膨脹率和無側限抗壓強度進行室內試驗，分析土壤的應力—應變關系和無荷載膨脹率隨時間的變化情況，擬合土體膨脹穩(wěn)定時的膨脹率與無側限抗壓強度之間的關系，并探索這些規(guī)律與田坎垮坎之間的關系。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗用土取自陜西省西南部的漢中洋縣(漢江流域)和陜西省東南部商州區(qū)的黑山鎮(zhèn)(丹江流域)，在兩個試驗地分別選取坎高1.4、1.6 m左右的梯田田坎，在距地表30、60、90、120、150 cm處取土樣。經(jīng)風干、研磨，過2 mm篩后，試驗測定土樣基本物理性指標，見表1。

表1 兩試驗地土壤基本物理性指標

根據(jù)國家標準《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》中以自由膨脹率δef劃分膨脹土的膨脹潛勢方法，40%≤δef<65%為弱膨脹土，65%≤δef<90%為中膨脹土，δef≥90%為強膨脹土[10]，初步判斷洋縣土樣為弱膨脹土或中等膨脹土，而黑山鎮(zhèn)土樣則為無膨脹性或者膨脹性很弱。膨脹土是有別于普通黏土的一類特殊性黏土，具有吸水膨脹強度銳減、失水收縮變硬并伴隨收縮裂隙的高塑性，主要由親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，抗風化能力差，遇水易崩解。膨脹土分布區(qū)土坎梯地坎坡變形破壞的類型及其特點均與膨脹土的性質有關，膨脹土的不良土質特性是導致土坎梯地邊坡失穩(wěn)的根源所在。

1.2 試樣制備和試驗過程

按照每層土的天然含水率和干密度(表2)制成相應的試驗用土，重塑土試樣均采用壓實方法制成。試樣的制備和操作步驟按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)規(guī)定的方法進行，采用人工操作的方法讀取數(shù)據(jù)。

表2 兩試驗地田坎不同深度土層天然含水率和干密度

采用普通膨脹儀測定無荷載膨脹率。環(huán)刀直徑61.8 mm，高20 mm。將制好的試樣置于膨脹儀中，安裝好百分表后向膨脹儀中注入純水，保持水面高出試樣5 mm，記錄注水開始時間，按0、5、10、20、30、60、120、180、360、420、480 min測記百分表讀數(shù)，分析試樣無荷載膨脹率的時程特性，當6 h內膨脹變形不超過0.01 mm時即認為變形達到穩(wěn)定。繪制膨脹率與時間的關系曲線。

采用應變式無側限壓縮儀測定無側限抗壓強度。試樣直徑與高度分別為39.1 mm與80.0 mm。具體試驗過程如下：在應變式無側限壓縮儀的上、下傳壓板上均勻涂抹少量凡士林，將養(yǎng)護24 h的試樣迅速放入儀器，調整儀器，在勻應變速率下進行單軸無側限抗壓強度試驗，并記錄數(shù)據(jù)；當試樣破壞，即試驗記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)拐點后，視試樣破壞情況繼續(xù)進行試驗；試樣破壞達到一定程度后停止試驗，計算出試樣的應力、應變值，并繪制應力—應變曲線。

2 結果與分析

2.1 無荷載膨脹率試驗

以兩塊試驗地坎高1.6 m梯田田坎各深度土層試樣為例，無荷載膨脹率與時間的關系曲線見圖1。膨脹率能夠有效地反映土體浸水飽和過程中整體的膨脹潛勢，因此土壤膨脹率研究對于小邊坡處理措施方案的選擇具有重要意義。

從圖1可以看出，兩試驗地田坎各土層試樣均在6 h內膨脹完全，無荷載膨脹率隨時間的變化大致分為3個階段：①加速膨脹階段，0～1 h，此階段膨脹變形速率很快，持續(xù)時間較短，膨脹量占最終膨脹量的72%～95%。這是由于開始階段膨脹土吸水較多，結合水膜增厚“楔開”土顆粒，固體顆粒之間的距離增大，導致土體膨脹，土體抵抗侵蝕強度快速降低[11]，膨脹變形速率很快。②減速膨脹階段，60～180 min，此階段土體變形繼續(xù)增大，但其增大速率不斷減小，膨脹量占最終膨脹量的6%～16%。這是由于此階段水分逐漸充滿土樣孔隙，使其吸水速率變慢，膨脹變形速率變小。③穩(wěn)定階段，3 h以后，此階段膨脹變形與時間關系曲線基本呈水平狀態(tài)，膨脹率基本保持不變，膨脹變形達到穩(wěn)定。這是由于此階段土體試樣已經(jīng)吸水飽和，試樣中的土顆粒已經(jīng)膨脹完全，所以膨脹率基本保持不變。

圖1 無荷載膨脹率與時間的關系曲線

從圖1還可以看出，洋縣試樣的膨脹率要遠高于黑山鎮(zhèn)試樣，這是因為洋縣的土質為弱或中等膨脹土，而黑山鎮(zhèn)的土質為無膨脹性或膨脹性很小，洋縣土樣浸水飽和過程中整體的膨脹潛勢大于黑山鎮(zhèn)土樣。洋縣試樣膨脹率隨土層深度的增加而增大，膨脹穩(wěn)定后的膨脹率為30 cm土層(1.82%)<60 cm土層(2.05%)<90 cm土層(3.51%)<120 cm土層(4.01%)<150cm土層(4.57%)。而黑山鎮(zhèn)試樣膨脹率隨土層深度的變化無明顯規(guī)律，膨脹穩(wěn)定后的膨脹率為90 cm土層(0.36%)<120 cm土層(0.66%)<150 cm土層(0.81%)<30 cm土層(1.00%)<60 cm土層(1.12%)，這主要與其多為石渣性土且沙礫含量多有關，而90 cm土層的膨脹率最小，主要是因為在采樣時該層土里面沙礫含量比其他土層多。

2.2 無側限抗壓強度試驗

試樣的應力—應變曲線反映了土樣的變形破壞過程。以洋縣試驗地田坎90 cm深土層為例，無側限抗壓強度試驗條件下試樣的應力—應變關系見圖2。兩試驗地田坎不同深度土層試樣的無側限抗壓強度值見表3。

圖2 洋縣90 cm深土層試樣應力—應變關系曲線

表3 兩試驗地田坎不同深度土層無側限抗壓強度 kPa

一般來說，土體的應力—應變關系經(jīng)歷彈性、屈服、應變強化等3個階段，如圖2所示。在AB階段，曲線呈現(xiàn)凹形，此時試樣土體由疏松狀態(tài)轉向密實狀態(tài)，孔隙變小，應力隨應變快速變化；BC階段基本呈直線形式，試樣土體處于彈性變形階段，彈性模量E的數(shù)值等于該段直線的斜率；CD階段曲線呈凸形，試樣土體屈服，開始產(chǎn)生裂紋；D點為整個曲線的最高點，是試樣的無側限抗壓強度值；DE階段曲線下降，試樣產(chǎn)生大裂縫，試樣破壞。

由表2、3可知，洋縣試樣無側限抗壓強度值明顯高于黑山鎮(zhèn)試樣，且含水率和干密度對無側限抗壓強度均有較大影響，整體上無側限抗壓強度值隨含水率的增加而減小、隨干密度的增大而增大，這與大量試驗研究結果相一致[9，12]。膨脹土初次失水干縮產(chǎn)生微小裂縫，土體的整體聯(lián)結程度下降，在降雨作用下，水分沿微小裂縫進入土體，與無裂縫狀態(tài)相比入滲深度增加，再次失水干縮開裂，開裂深度、寬度、長度增加，如此反復，達到一定的開裂深度，土體被分割成許多小塊，很容易發(fā)生滑塌。因此，整體來說洋縣田坎滑塌現(xiàn)象較嚴重。

2.3 膨脹率與無側限抗壓強度的相關關系分析

將兩試驗地高140、160 cm田坎各深度土層試樣進行比較，對膨脹率與無側限抗壓強度進行相關性分析，結果見圖3。用指數(shù)函數(shù)擬合無側限抗壓強度與最終膨脹率之間的關系，洋縣試樣擬合曲線的相關系數(shù)為0.863 7，黑山鎮(zhèn)試樣為0.832 8，可以看出無側限抗壓強度隨土樣穩(wěn)定時的膨脹率的增加而增大。分析其原因可能是在無荷載膨脹率的試驗過程中，水分不斷進入到試樣內部與膨脹性礦物結合而產(chǎn)生膨脹變形，膨脹率增大，使得土體強度降低。特別是在降雨條件下，水分沿初次失水干縮后產(chǎn)生的小裂縫不斷進入土體，內部顆粒之間的黏聚力降低，抵抗侵蝕的強度也隨之降低，從而影響梯田田坎的穩(wěn)定性。而無側限抗壓強度的試驗過程基本不受水分的影響或者影響很小，故出現(xiàn)無側限抗壓強度隨土樣穩(wěn)定時的膨脹率的增加而增大的現(xiàn)象。

圖3 無側限抗壓強度與最終膨脹率的關系

3 結 論

通過對陜南地區(qū)兩試驗地梯田田坎不同深度土層的無荷載膨脹率和強度特性的研究，得出以下結論：不同深度土層試樣的膨脹率隨時間變化情況和應力—應變關系都有3個階段；洋縣的梯田田坎土層越深，其最終的膨脹率就越大，無側限抗壓強度也越大，而黑山鎮(zhèn)的膨脹率隨土層深度無明顯規(guī)律；土體的無側限抗壓強度與其最終穩(wěn)定時的膨脹率成指數(shù)變化關系。

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(責任編輯 李楊楊)

水利部科技推廣計劃項目 (TG1308)；陜西省水保局重點科技示范項目(20101003)

S281

A

1000-0941(2015)05-0040-04

楊娟(1990—)，女，河南安陽市人，碩士研究生，主要從事水土保持和荒漠化治理方面的研究工作。

2014-12-30