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      陜南膨脹土區(qū)夯土筑坎梯田試驗

      2022-01-06 13:16:10張澤瑜孫睿哲趙云龍李澤芳周子皓李光錄
      中國水土保持科學(xué) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:土粒水穩(wěn)性抗沖

      張澤瑜,孫睿哲,趙云龍,李澤芳,安 妮,周子皓,李光錄

      (西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,712100,陜西楊凌)

      膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的黏性土,在世界各地分布廣泛,我國主要分布在西南云貴高原到華北平原之間的平川、盆地、河谷階地及丘陵地帶。陜西省南部膨脹土主要沿漢中盆地、安康盆地,以及漢江、嘉陵江等支流的河谷兩側(cè)及淺山中山地區(qū),呈帶狀分布[1-2]。由于該區(qū)水熱條件好,適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn),當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)了大量坡耕地,但因膨脹土吸水膨脹,梯田垮塌極為嚴(yán)重,嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展。調(diào)查[3]顯示,針對梯田垮塌問題,人們也采取一系列的預(yù)防措施,例如擋板法、土中摻沙法等,但效果不盡人意,垮坎現(xiàn)象依舊嚴(yán)重。

      在工程上,常通過對膨脹土改良來提高膨脹土強度[4-5]。在道路建設(shè)過程中,人們通過添加生石灰、水泥等改良劑,改變膨脹土的特性[6-7]。李東森等[8]研究生石灰、水泥及砂土對膨脹土工程特性改良,結(jié)果表明生石灰、水泥、砂土對膨脹土都有較好的改性效果,且生石灰對膨脹土改良效果最為明顯。劉志彬等[9]利用自動吸附儀對改性膨脹土微觀孔隙定量研究發(fā)現(xiàn),生石灰水泥的摻入都能使膨脹土內(nèi)微孔體積減少,中孔以上孔隙體積增加,并且隨著水泥與生石灰顆粒的填充、堵塞、膠結(jié)降低原狀土的膨脹率與膨脹力。雖然在道路建設(shè)上,采用生石灰、水泥對膨脹土特性改良的研究成果不少,然而,膨脹土區(qū)梯田建設(shè)上的研究報道較少。在膨脹土區(qū)梯田建設(shè)中,生石灰、水泥在梯田田坎的添加數(shù)量、方式,以及其抗壓、抗崩解、抗沖刷等特性均未知,急需開展研究。

      研究以陜南典型膨脹土為試驗對象,采用向梯田田坎中添加一定量的生石灰、水泥的方式,確定膨脹土梯田筑坎技術(shù)中,生石灰、水泥的配比技術(shù)參數(shù),以增加梯田田坎的強度、提高其抗沖和抗蝕性,為膨脹土區(qū)梯田建設(shè)以及其安全運行提供參考。

      1 研究區(qū)概況

      采樣地位于陜西省漢中市洋縣龍亭鎮(zhèn)關(guān)西村八組(E 107°35′55″,N 33°13′30″),海拔484 m,亞熱帶內(nèi)陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.5 ℃,最高氣溫38.7 ℃,最低氣溫-10.1 ℃。年平均降水量839.7 mm,最高為1 376.1 mm,最低為533.2 mm。該地位于漢中盆地東部邊緣,地貌類型為河谷階地。農(nóng)業(yè)資源豐富,主要農(nóng)作物有水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、油茶(Camelliaoleifera),主要木本植物有銀杏(Ginkgobiloba)、鐵杉(Tsugachinensis)、冷杉(Abiesfabri)等[10]。土壤為褐黃色黏質(zhì)土,呈硬塑狀態(tài),其主要物理性質(zhì)與礦物組成見表1。

      表1 土壤物理性質(zhì)與礦物組成(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.1 Soil physical properties and mineral composition (mean value±standard deviation)

      2 材料與方法

      2.1 試驗材料以及樣品制備

      生石灰產(chǎn)地江西新余,氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%~85%,純度>95%;水泥為普通硅酸鹽水泥,標(biāo)號P.O 42.5。

      將土樣過5 mm篩后自然風(fēng)干,與2%、4%、6%、8%的生石灰以及2%、4%、6%、8%的水泥用蒸餾水進(jìn)行拌合,控制其最優(yōu)含水量為22%,然后填滿鐵質(zhì)模具(50 cm×50 cm×40 cm),用方形擊實板對土樣進(jìn)行擊實,控制夯實密度為1.65 g/cm3,用環(huán)刀取樣,樣本在自然條件下,放置時間為7 d。

      2.2 試驗方法

      膨脹土物理特性采用JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[11],測試土體崩解性、抗沖性、液限和塑限,膨脹率,膨脹力等指標(biāo)。

      崩解性采用靜水法,將100 cm3的柱狀土樣放入崩解籠后,籠緩緩沉入崩解桶,使水面剛好沒過土柱上表面,開始計時1 h,每2 min換1次崩解桶,實驗結(jié)束后,通過過濾、烘干,確定崩解量與崩解速率。

      土壤的抗沖性試驗是將制備好的土樣放置在沖刷水槽中,控制流量為2.70 L/min,連續(xù)沖刷30 min,每1 min收集泥沙1次,測定沖刷量。其大小采用下式表示,抗沖性指數(shù)Q的大小與試樣的抗沖性具有正相關(guān)性,隨Q值的增大,抗沖性越強[12-13]:

      (1)

      式中:Q為試樣的抗蝕性,m3/g;m為試件沖刷量,g;Rt為水流流量,m3。

      水穩(wěn)性采用SL419—2007《水土保持試驗規(guī)范》[14]進(jìn)行。從夯實土中選取0.7~1.0 cm直徑的土粒50顆,均勻放置在0.5 cm的金屬網(wǎng)格,置于靜水中,每隔1 min記分散土粒的數(shù)量,連續(xù)記錄10 min。由于土粒分散的時間不同,需進(jìn)行校正。水穩(wěn)性指數(shù)

      (2)

      式中:Pi為第i分鐘分散的土粒數(shù),個;Pj為10 min內(nèi)未分散的土粒數(shù),個;Ki為第i分鐘校正系數(shù);A為供試土粒總數(shù),個。

      上述實驗均重復(fù)3次,取平均值。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 生石灰、水泥對膨脹土膨脹性的影響

      由圖1可知,在原狀土中添加2%以上的生石灰、水泥,能夠使原狀土的膨脹率、膨脹力大幅度下降。當(dāng)添加量超過4%時,生石灰、水泥對原狀土的膨脹力及膨脹率的影響效果變得不顯著[15]。

      圖1 膨脹土膨脹力、膨脹率隨添加劑含量增加的變化規(guī)律Fig.1 Change of expansion force and expansion rate with additive content increase in expansive soil

      添加生石灰、水泥后,土壤液限較原狀土呈下降趨勢,表明添加后的膨脹土對水的吸附能力下降,即膨脹土中的黏粒含量下降(圖2)。膨脹土黏粒含量下降,粉粒的含量上升是影響膨脹土膨脹性的主要原因之一,生石灰的添加導(dǎo)致土壤中黏粒凝聚成大的“團(tuán)聚體”,“團(tuán)聚體”之間的孔隙相對原狀土顆粒之間的孔隙有所增大,這給土粒膨脹預(yù)留空間,起到一定的“緩沖”的作用。水泥、生石灰添加到膨脹土,使其塑性指數(shù)有了明顯的降低,塑性指數(shù)愈大,說明土的顆粒愈細(xì),比表面積愈大,黏粒或者親水礦物的含量較高,而加入生石灰、水泥后,土的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生了改變,使土體的膨脹性降低[16]。

      圖2 生石灰與水泥對膨脹土液塑限含水量的影響Fig.2 Effect on the moisture contents of liquid limit and plasticity limit in expansive soil by adding quicklime and cement

      3.2 生石灰、水泥對膨脹土崩解性的影響

      所有樣件在最開始的2 min崩解速率最快,添加2%生石灰的試樣2 min內(nèi)崩解量最大,2%的水泥的崩解速率也快于原狀土。隨著生石灰,水泥添加量的增加,土體的崩解速度開始減小,抗崩解性逐漸加強。特別是添加4%、6%、8%生石灰和6%、8%水泥時,土樣的抗崩解性都得到明顯的改善,崩解速率的峰值都在10 g/min以下,同時整體形狀沒有太大變化,土體結(jié)構(gòu)沒有受到本質(zhì)性的破壞(圖3)。

      圖3 不同添加劑單位時間崩解量和累計崩解量與崩解時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the amount of disintegration per unit time, cumulative disintegration and disintegration time under different additives contents

      在改良膨脹土的崩解性方面,添加6%、8%的生石灰、8%的水泥表現(xiàn)極好,其次為6%的水泥、4%的生石灰。試樣前2 min崩解最快,這是由于試樣的外層不僅受到自身膨脹力的影響,同時內(nèi)層吸水后膨脹擠壓外層,導(dǎo)致外層迅速崩解。這是由于膨脹土吸水膨脹,使得試樣的整體結(jié)構(gòu)遭到破壞,易被水侵蝕;另外,膨脹土土粒吸水使土粒間空隙變大,土粒之間的相互作用變?nèi)酰饬ψ饔孟乱子诎l(fā)生相互運動,而使試樣崩解。

      3.3 生石灰與水泥對膨脹土抗沖性的影響

      原狀土試樣在水流作用下,試樣底部周邊出現(xiàn)破損,底面積逐漸減少,穩(wěn)定性降低,試樣整體崩塌或崩落,直至被沖毀。當(dāng)添加2%生石灰或2%水泥后,試樣底部發(fā)生一定程度的沖蝕,但沖蝕不會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的崩壞和倒塌;當(dāng)添加量超過4%生石灰或6%水泥后,試樣無明顯沖蝕現(xiàn)象發(fā)生,整體結(jié)構(gòu)完整,風(fēng)干后試樣仍具有很高的強度(圖4)。

      圖4 不同添加劑單位時間沖刷量和累計沖刷量與沖刷時間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the scouring amount per unit time, the cumulative scouring amount and erosion time under different additive contents

      隨著生石灰、水泥添加量的增加,試樣抗沖性逐漸增強。這是由于膨脹土中加入生石灰后會形成粒徑約2~5 mm的團(tuán)聚體骨架結(jié)構(gòu),同時Ca2+發(fā)生的水化反應(yīng)與離子交換反應(yīng),使得團(tuán)聚體之間牢固地膠結(jié)[17]。高建偉等[18]發(fā)現(xiàn),水泥水化反應(yīng)后Ca2+與土粒表面吸附的金屬離子交換,促使大量的土顆粒形成較大的土團(tuán),土團(tuán)之間進(jìn)一步結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。生石灰、水泥添加到膨脹土后,產(chǎn)生水化反應(yīng),有利于土體內(nèi)部形成較多的大粒徑土壤團(tuán)聚體,同時水化反應(yīng)與離子交換反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)增強團(tuán)聚體之間的聯(lián)系,有效地增強土體的抗沖性,隨著添加劑量的增加,土體的抗沖性逐漸增強。

      3.4 生石灰與水泥對膨脹土水穩(wěn)性的影響

      由圖5可知,原狀土試樣遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞,水穩(wěn)性較差,而添加水泥與生石灰的膨脹土,其水穩(wěn)性指數(shù)明顯提高,當(dāng)生石灰添加量超過8%時,其水穩(wěn)性有減小趨勢。研究表明隨著水泥、生石灰添加量的增加,土體的最優(yōu)含水量也在上升,土體的黏聚力會呈現(xiàn)遞增趨勢,但當(dāng)添加量在6%~8%時增長不明顯[19-20]。主要原因是生石灰通過水化反應(yīng)以增強土體結(jié)構(gòu),同時空氣中CO2的侵入與Ca(OH)2反應(yīng)形成CaCO3,提高土體的水穩(wěn)性[21],但是由于生石灰含量增加,最優(yōu)含水量也應(yīng)增加,而制作樣件過程中采用了相同含水量,導(dǎo)致高劑量的石灰樣件含水量不足,土顆粒之間的自由水以及土顆粒的附著水也進(jìn)行了反應(yīng),土粒之間的黏著性下降,出現(xiàn)干裂,裂隙現(xiàn)象,土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞,水穩(wěn)性開始下降。

      圖5 生石灰與水泥添加比例與水穩(wěn)性指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the different addition ratio of quicklime and cement and the water stability index

      4 結(jié)論

      膨脹土添加生石灰、水泥能提高膨脹土的強度,降低土粒與水的吸附性,使其液限、膨脹力、膨脹率下降。生石灰添加膨脹土后,土體干密度降低,土粒粒徑增大;水泥添加膨脹土后,試樣的強度有較大提高,水泥中各物質(zhì)與水發(fā)生化合反應(yīng)生成的硅鋁酸鹽復(fù)合物凝膠,起到膠結(jié)土粒作用,使土粒之間聯(lián)系更加穩(wěn)固。生石灰與水泥增強了土體結(jié)構(gòu),提高了抗崩解、抗沖蝕能力,隨著生石灰與水泥添加比例的提升,相應(yīng)的抗崩解性、抗沖性成正相關(guān)上升。

      生石灰、水泥添加的比例不宜過大,實驗中,添加量超過8%時,在自然風(fēng)干條件下都存在不同程度的干裂現(xiàn)象,超過10%的樣件,土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞。過高比例的生石灰或水泥會劇烈消耗土體水分,土壤顆粒間的自由水、土壤顆粒表面的吸附水也參與反應(yīng),導(dǎo)致土壤顆粒之間的黏著力下降,土體強度反而下降。

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