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.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊陵 712100; 2.西北農林科技大學 資源環境學院，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.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊陵 712100; 2.西北農林科技大學 資源環境學院，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，黑山鎮的則無明顯規律；土體的無側限抗壓強度與其最終穩定時的膨脹率成指數變化關系。

陜南地區土坎梯田垮坎現象極為嚴重，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的黑山鎮(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

根據國家標準《膨脹土地區建筑技術規范》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《土工試驗規程》(SL 237—1999)規定的方法進行，采用人工操作的方法讀取數據。

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，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，并記錄數據；當試樣破壞，即試驗記錄數據出現拐點后，視試樣破壞情況繼續進行試驗；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，膨脹率基本保持不變，膨脹變形達到穩定。這是由于此階段土體試樣已經吸水飽和，試樣中的土顆粒已經膨脹完全，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試樣，這是因為洋縣的土質為弱或中等膨脹土，而黑山鎮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土樣。洋縣試樣膨脹率隨土層深度的增加而增大，膨脹穩定后的膨脹率為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%)。而黑山鎮試樣膨脹率隨土層深度的變化無明顯規律，膨脹穩定后的膨脹率為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，曲線呈現凹形，此時試樣土體由疏松狀態轉向密實狀態，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生微小裂縫，土體的整體聯結程度下降，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，很容易發生滑塌。因此，整體來說洋縣田坎滑塌現象較嚴重。

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。用指數函數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為0.863 7，黑山鎮試樣為0.832 8，可以看出無側限抗壓強度隨土樣穩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，故出現無側限抗壓強度隨土樣穩定時的膨脹率的增加而增大的現象。

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，而黑山鎮的膨脹率隨土層深度無明顯規律；土體的無側限抗壓強度與其最終穩定時的膨脹率成指數變化關系。

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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