含水率对亲水-斥水复合土压缩特性的研究
柴林春
(国能青海黄河玛尔挡水电开发有限公司,青海 玛沁 814099)
近年来，随着云南在建项目的扩增，以红黏土作为填筑材料的工程也随之增多，同时，红黏土作为一种黏性土，具有高强度、低压缩性的良好力学性能，反之也对应着高孔隙比、高塑性、高天然含水率等不良物理性能[1]。一般工程应用中主要是基于纯砂或纯黏土的试验结果，但纯砂或纯黏土在一定程度上不能完全满足路基工程对填料的要求，进而需对工程性质进行人工改善。目前，这种人工改善工程性质主要表现在将不同混合土壤类型进行组合并深入研究从而得到一定的力学特性，Nagaraj[2]通过砂土、膨润土、高岭土和两种天然土壤的黏土-砂混合物进行了无侧限压缩试验。研究发现，无论黏土类型如何，在含砂量为40%～60%时，混合料的无侧限抗压强度最高。Shafiee et al.[3]对压实砂黏土混合物进行了试验研究，研究发现抗压强度和抗剪强度随含砂量的增加而增大。Vallejo et al.[4]通过对不同黏土含量的高岭石黏土-砂复合土的抗剪强度和孔隙率进行研究发现复合土的抗剪强度会受黏土含量多少控制，当含黏土量低于25%时会由砂粒控制，而含黏土量高于60%时由黏土控制。吴丽君等[5]通过分析非饱和粉质黏土水-土特征曲线变化规律以及非饱和土固结变形机理，最终得出非饱和土的最终沉降量仅与土骨架的压缩模量有关，张国栋等[6]对不同初始含水率下红黏土的胀缩和崩解做了相关研究，发现膨胀总率与含水率成分段函数关系，含水率越低其崩解时间越早且速度越快，崩解裂隙度随浸水时间具有快速增长、缓慢增长、趋于稳定的规律。除此之外，低含水率下较分散的凝聚体单元和较高含量的微孔隙是导致宏观结构破裂的主要原因，孔隙分形维数与含水率成二次函数正相关关系。相关学者也有过这方面的研究，谈云志等[7]选取压实红黏土为研究对象，对4种初始干密度的试样经风干后进行自由收缩试验研究，发现大孔隙体积峰值半径随着含水率的降低而减小，小孔径的孔隙体积则增多；
石崇喜等[8]在红黏土中掺加不同比例的砂土后进行无侧限抗压强度、直剪强度等对比研究，发现掺入不同比例的砂会改变其基本物理性质，如降低其液塑限、最优含水率等，同时还会因掺入不同比例的砂不同程度地降低其无侧限抗压强度及直剪强度，也会因最佳含水量的降低增大其干密度。
然而，关于初始含水量对土壤压缩特性的影响[9-11]还缺乏资料。本次研究基于室内最常用的侧限压缩试验(也称压缩固结试验)来测定土得压缩特性，此次研究对不同初始含水量的重塑亲-斥水复合土(亲-斥水复合土即亲水红黏土、斥水红黏土、亲水红黏土掺入30%亲水砂土以及斥水红黏土掺入30%斥水砂土)进行了侧限压缩试验。此外，这种亲-斥水复合土的力学行为也比较模糊，故只有深刻认识这种复合土的基本力学特性才能更深层次地掌握亲-斥水复合土随含水率的变形规律。本次试验的目的是量化这些变量对亲-斥水复合土压缩曲线特征的影响，并检验土的类型以及压缩特性的差异。从长期来看，这些数据有望为一些在红黏土地区修建的高填方和路基工程评估土壤类型的压实风险提供一定的依据。
1.1 材料制备
本次研究以红黏土和砂土为基本材料并通过这两种材料重塑此次试验所需样品亲水-斥水复合土。亲水-斥水复合土包括亲水红黏土(Q0)、亲水红黏土掺入30%亲水砂土(Q1)、斥水红黏土(C0)以及斥水红黏土掺入30%斥水砂土(C1)，斥水红黏土中加入了1%的十八胺；
斥水砂中加入了0.03%～0.04%的十八胺；
红黏土是取自云南农业大学后山；
砂土是取自云南农业大学试验室。所有样品均于实验室中风干并过2mm的筛子，制样完成后将样品放于试验室内进行基本物理性质指标测定[12]。
1.2 试验方案
将重塑土样编号为Q0(亲水红黏土)、Q1(亲水红黏土掺入30%亲水砂土)、C0(斥水红黏土)以及C1(斥水红黏土掺入30%斥水砂土)进行对比试验。试验主要研究了Q0在含水率为18.19%、27.13%、27.98%、31.06%下对压缩变形的影响；
Q1在含水率为13.96%、23.77%、24.82%、29.75%下对压缩变形的影响；
C0在含水率为16.89%、22.12%、23.85%、25.70%下对压缩变形的影响；
C1在含水率为19.41%、19.64%、24.14%、29.85%下对压缩变形的影响。通过室内侧限压缩试验对四种类型重塑土的抗压性能和变形特性进行讨论与研究。对重塑土样进行分级加压，压力分别为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、800kPa，每级荷载加载时长为12h,并记录试样的变形量直至试样变形稳定。在试验过程中用很轻薄的一层保鲜膜轻轻包裹试样防止水分的蒸发对试验结果造成影响。
通过击实试验获取重塑亲-斥水复合土的击实曲线，见图1。根据亲-斥水复合土的塑限预估其最优含水率，然后选取至少5个含水率的亲-斥水复合土样，其中大于塑限的取2个，小于塑限的取2个，接近塑限的取1个，然后根据《土工试验规程》(SL 237—1999)完成击实试验。重塑土的基本物理参数见表1。
图1 亲-斥水复合土击实曲线
表1 重塑土的基本物理参数
3.1 压缩变形量与试样含水率的关系
图2为各级压力下的变形量与试样高度的关系，从图中可以发现，在较低压力下，不同含水率试样的变形量随试样含水率的增大而逐渐线性增加，而在相对较大压力下，试样的变形量随含水率的增大呈非线性增加，在压力p=400kPa时，图2(a)和图2(b)分别对应试样Q0和试样Q1,它们的主要区别在于加了砂土和没加砂土，图中反映出的比较明显的一点是在含水率相差不大的情况下Q0的变形量为0.535mm,而Q1的变形量为1.460mm,这就意味着加了砂土的试样变形量明显大于没加砂土的变形量。同理，图2(c)和图2(d)在含水率为29.75%和29.85%大致一样情况下，加了砂土的试样变形量明显大于没加砂土的变形量。除此之外，同样在压力p=400kPa时，图2(a)和图2(c)也在含水率为31%和32%两者相差不大的情况下Q0的变形量为0.535mm,而试样C0的变形量为0.990mm，而它们的区别在于红黏土是否加了斥水剂十八胺，Q0是没加斥水剂的土壤样品，Q1是加了斥水剂的土壤样品。
由图2可知，在红黏土中掺一定比例的砂土在一定程度上削弱了红黏土颗粒之间的联结力，致使Q1和C1的变形量远小于未曾掺过砂土的土样Q0和C0。而Q0、Q1、C0和C1中,后两种是加了斥水剂的土壤样品，加了斥水剂的样品变形量的变化并不明显，但加入斥水剂后对土壤样品的基本物理特性有一定的影响，见图1和表1，C0较Q0干密度由1.40g/cm3降为1.34g/cm3，Q1较C1干密度由1.51g/cm3降为1.44g/cm3。
3.2 空隙变化规律
试样初始孔隙比：
式中：e0为试验初始孔隙比；
ω0为试样含水率；
Gs为比重；
ρ0为试样的初始密度(g/cm3)。
各级压力下试样固结稳定后的孔隙比：
式中：ei为各级压力下试样稳定后的孔隙比；
e0为试样的初始孔隙比；
h0为试样的初始高度(20mm)；
Δhi为某级压力下试样稳定后的高度，mm。
图3主要描述了不同轴向压力下含水率与孔隙比的关系。图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)的区别主要在于图3(a)和图3(c)是没加砂土的试样，而图3(b)和图3(d)是加了30%砂土的试样。从图中明显可以看出没加砂土的孔隙比要大于加了砂土的孔隙比，因为黏土的空隙要大于砂土的空隙。当压力增加至200kPa时，孔隙比随压力的增加而变得较为平缓。另外，不论是加了砂土的试样还是没加砂土的试样它们的孔隙比与含水率是正相关的。由此来看，不管是孔隙比还是压缩量，它们的变化与含水率之间存在着一个一一对应的关系。
图3 不同含水率下不同试样e-p曲线
3.3 垂直压力下改性土壤的压缩指标
从表1、图1中不难发现，加了斥水剂十八胺的土壤样品C0和C1的比重、最优含水率均有所下降，但下降程度并不明显。除此之外，加了30%砂土的土壤样品Q1和C1液塑限明显有所降低，由此可见，掺砂土一定程度上会改变红黏土的含水特性及其可塑性。与素土Q0相比，掺了30%砂土的复合土Q1液限降低至45.6%，塑限降低至28.7%，塑性指数降低至16.9%，这说明红黏土掺了一定比例的砂土后，其含水能力会显著降低，对可塑性会有一定的影响，即可塑能力明显减弱。
在本研究中，采用云南当地红黏土及砂土将其重塑成四种土样，研究了含水率对重塑土样的影响，在研究过程中发现：
a.在相同压力下重塑土样会随含水量的变化而变化，当含水率变大时重塑土样的初始变形较明显。
b.当重塑土样的含水率接近最优含水率时，重塑土样的初始压缩变形量和最终压缩变性量的变化程度会有所减小，这就意味着重塑土样的含水量越接近最优含水率其越容易被压实。
c.另外加了砂土的土壤样品其物理特性也会发生改变，即含水能力下降，可塑性降低。
d.掺了斥水剂十八胺的土壤样品不会对侧限压缩产生影响，但会影响其含水能力，改变了红黏土的最佳击实特性，掺斥水剂十八胺后，红黏土的最优含水率会降低。
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