黄土工程地质问题的防范措施（外加剂对重塑黄土渗透特性影响的试验研究）
黄土工程地质问题的防范措施（外加剂对重塑黄土渗透特性影响的试验研究）近年来，许多学者通过向黄土中加入两种或者两种以上的外加剂，作为复合改良剂，来进一步提高其抗渗性。如马文杰等分别对HEC(High Strength and Water Stability Earth Consolidator)固化剂、水泥及HEC和水泥组合改良黄土进行对比渗透试验，发现组合改良黄土的抗渗性优于单一外加剂；张豫川等人研究了重塑黄土、石灰土和二灰土(石灰与粉煤灰组合)在长龄期条件下的渗透性能，发现龄期在90 d时1∶2∶7(石灰：粉煤灰：黄土体积比)二灰土的防渗效果优于石灰土。另外，一些学者自主研发的高分子化学外加剂也能在一定程度上降低黄土的渗透性，但成本较高。甘肃省庆阳市在2016年被列为国家第二批海绵城市试点市。庆阳市地处陕甘宁盆地南部，位于黄土高塬-董志塬西部，黄土层厚达150～200 m 质地均一，垂直节理发育。黄土是一种多孔介质且具有水敏感性的特殊土，在遇水浸润或者
摘 要：
海绵城市建设中，地表土体的渗透特性是关键性指标，影响下垫面的入渗及产汇流情况。为了研究红黏土能否进一步提高石灰改良黄土的抗渗性，以庆阳马兰黄土为研究对象，对其石灰改良黄土与石灰-红黏土组合改良黄土进行变水头饱和渗透试验，分析土体干密度、外加剂掺量与饱和渗透系数间的关系。试验结果表明：重塑黄土与改良黄土的饱和渗透系数均随干密度增大而减小，二者间的关系可用指数函数拟合表达；在3%掺灰比改良黄土的基础上添加红黏土，可以进一步有效降低渗透系数；红黏土掺量从0%增加至3%过程中黄土渗透系数降低幅度非常明显，但红黏土掺量超过3%后渗透系数降低幅度显著减小。在庆阳海绵城市建设实践中，推荐采用3%石灰 3%红黏土组合改良的方式来提高地表黄土的抗渗性。
关键词：海绵城市;石灰-红黏土组合改良;改良黄土;饱和渗透系数;抗渗性;
作者简介：杨雪强(1966—) 男，教授，博士，主要从事土体本构关系及边坡稳定等研究。E-mail:xqyfls@126.com;*刘攀(1991—) 男，博士，主要从事特殊土力学性质与本构模型等研究。E-mail:panliu2013@126.com;
基金：国家自然科学基金项目(51978177);
引用：杨雪强，张雪娇，刘攀，等． 外加剂对重塑黄土渗透特性影响的试验研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 8) : 141-148. YANG Xueqiang，ZHANG Xuejiao，LIU Pan，et al． Experimental study on the permeability characteristics of re-compacted loess with the effect of admixture［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 141-148.
0 引 言
“海绵城市”是近年来我国政府大力出资建设并极力推广的一种新型城市雨洪管理建设模式，是指城市能够像海绵一样，在降雨时能有效地、选择性地存贮一定量的水分，在降雨过后需要用水时又能将蓄存的水释放并加以利用。在海绵城市的建设中，城市下垫面的降雨入渗系数(降雨入渗值与降雨量间的比值)是一个关键性的指标，与地表土体的渗透特性相关，在绿化带、草地等处常常需要较高的入渗系数来保证有足够多的雨水渗入土壤，而在集水、输水等构筑物处则需要较低的入渗系数以致产生尽可能多的地表径流用以存贮。然而，原状、未经处理的地表土体难以满足海绵城市建设中的各种要求，这种情况下土体改良成为一种必要手段，改良后土体的渗透特性与外加剂含量以及土体密度间的关系是一个值得深入研究的科学问题。
甘肃省庆阳市在2016年被列为国家第二批海绵城市试点市。庆阳市地处陕甘宁盆地南部，位于黄土高塬-董志塬西部，黄土层厚达150～200 m 质地均一，垂直节理发育。黄土是一种多孔介质且具有水敏感性的特殊土，在遇水浸润或者增湿条件下呈现强度急剧下降与变形迅速增加的力学特性 若只是单纯地击实重塑黄土将难以满足海绵城市建设中集水、输水等处低渗透性的要求。因此，工程上通常会在击实前向重塑黄土中添加水泥、粉煤灰、石灰等外加剂 利用黄土与外加剂之间发生物理化学反应所产生的胶结物来改良其力学特性与渗透特性。严耿升等在西北地区两种典型黄土(一种砂粒含量较高，另一种黏粒含量较高)中分别添加水泥、石灰与粉煤灰作为改良材料，来研究土体级配与外加剂掺量对其渗透性的影响，结果表明随着水泥、石灰与粉煤灰水化反应的进行，改良土体渗透性逐渐降低；另外，土体粒径级配会影响改良土体的渗透特性，采用相同外加剂对不同地区的黄土进行改良后其渗透特性也不同。周建基等研究了石灰掺量对黄土的压缩性、渗透性与湿陷性的影响，指出当石灰掺量为7%时改良黄土的渗透系数最低，超过7%的渗透系数略微有所增大。隋军等研究了不同石灰掺量以及干密度对改良黄土渗透特性的影响，结果表明同一干密度下石灰掺量越大，土体渗透性越小，石灰掺量从0增加到3%时，渗透系数降低幅度最大，石灰掺量为9%与15%的改良黄土渗透性接近；石灰掺量相同的条件下，土体密度越大，渗透性越小。传统的单一无机外加剂能够降低黄土的渗透性，对于特定的土体与外加剂类型，存在一最优掺量，即满足抗渗要求的同时最为经济。
近年来，许多学者通过向黄土中加入两种或者两种以上的外加剂，作为复合改良剂，来进一步提高其抗渗性。如马文杰等分别对HEC(High Strength and Water Stability Earth Consolidator)固化剂、水泥及HEC和水泥组合改良黄土进行对比渗透试验，发现组合改良黄土的抗渗性优于单一外加剂；张豫川等人研究了重塑黄土、石灰土和二灰土(石灰与粉煤灰组合)在长龄期条件下的渗透性能，发现龄期在90 d时1∶2∶7(石灰：粉煤灰：黄土体积比)二灰土的防渗效果优于石灰土。另外，一些学者自主研发的高分子化学外加剂也能在一定程度上降低黄土的渗透性，但成本较高。
综上所述，可以看出目前改良黄土外加剂的选择主要停留在化学固化剂(无机材料)或化学固化剂与高分子固化剂的组合上，结合当地防渗材料进行化学与物理组合改良处理的方式比较少见。庆阳地区民间常利用一种当地的红黏土作为水窖的防渗层，为探索添加这种红黏土能否进一步提高石灰改良黄土的抗渗性，本文以庆阳黄土为研究对象，对其石灰改良黄土以及石灰-红黏土组合改良黄土进行室内渗透试验，研究干密度、外加剂掺量与饱和渗透系数间的关系，研究成果对庆阳海绵城市建设有指导意义。
1 试验材料1.1 黄 土本次试验所用黄土来自甘肃庆阳市，取土深度自地表以下4.5 m 属典型第四系上更新统Q3马兰黄土，具有结构疏松，大孔隙，含少量钙质结核等特点。天然湿度下，压缩性较低，强度较高且具有强湿陷性。土样主要呈现黄褐色并伴随少量浅棕色，如图1所示。根据《土工试验规程》(SL237-1999) 对所取土样分别进行比重、颗粒分析等一系列室内土工试验，获得土体的基本物理性质指标，如表1所列。平均粒径D50为0.024 mm 特征粒径D60=0.031 mm D30=0.014 mm D10=0.006 mm 不均匀系数Cu=5.2>5 Cc=1.1>1且<3 土体级配良好，颗粒粒径分布均匀，颗分曲线如图2所示。根据Gibbs和Holland(1960)提出的黄土分类标准，庆阳黄土为粉质黄土(silty loess)。
表1 黄土基本物理性质指标
Table 1 Basic physical property index of loess
|
不同粒径(mm)颗粒含量/% |
天然密度 |
天然含水 |
最大干密度 |
最优含水 |
颗粒 |
液限 |
塑限 |
塑性 | ||
|
|
0.075～0.005 |
<0.005 | ||||||||
|
3.8 |
90.49 |
5.71 |
1.65 |
17.04 |
1.88 |
15.38 |
2.70 |
34 |
22 |
12 |
本文所用红黏土取自甘肃庆阳本地，属新近系上新统N2砖红色黏土，如图3所示。经复杂的红土化地质作用而形成，表现出高液限、高天然含水率、高塑性指数及高孔隙比、低压实性等特点，且具有独特的游离氧化铁胶结结构。红黏土的基本物理性质指标如表2所列，颗分曲线如图4所示，为了对比，黄土颗分曲线也一同绘制在图中。
由图4可见：红黏土<0.075 mm的细颗粒含量为99.79% 其中<0.005 mm的黏粒含量为45.0% 平均粒径D50为0.006 mm 特征粒径D60=0.008 mm D30=0.003 mm D10=0.001 mm 不均匀系数Cu=8>5 Cc=1.1>1且<3。由此可见红黏土的颗粒级配良好，曲线连续。红黏土与黄土相比，红黏土含有更多的黏粒。
表2 红黏土基本物理性质指标
Table 2 Basic physical property index of red clay
|
不同粒径颗粒含量/% |
天然密度 |
天然含水 |
天然干密度 |
颗粒 |
天然孔 |
液限 |
塑限 |
塑性 | ||
|
>0.075 mm |
0.075～0.005 mm |
<0.005 mm | ||||||||
|
0.21 |
54.79 |
45 |
1.61 |
39.9 |
1.16 |
2.76 |
0.714 |
60 |
41 |
19 |
采用型号为岛津XRF1800 X射线荧光光谱仪和Empyrean锐影X射线衍射仪分别对试验所用黄土和红黏土进行化学成分分析和矿物成分分析，两种土样主要化学成分如表3所列，矿物分析如图5、图6所示。
表3 黄土与红黏土主要化学成分
Table 3 Main chemical constituents of loess and red clay
|
化学成分 |
黄土/% |
红黏土/% |
|
Fe2O3 |
27.4 |
7.2 |
|
Al2O3 |
4.8 |
14.5 |
|
SiO2 |
30.4 |
47.7 |
|
CaO |
27.3 |
22.5 |
|
K2O |
5.9 |
3.0 |
结合表3和图5、图6可以看出，黄土主要矿物为石英、长石、方解石、蒙脱石和磁铁矿；红黏土主要矿物为石英、高岭石、伊利石和蒙脱石。两种土样的主要化学成分为SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、K2O 其中黄土的SiO2来源于石英，CaO主要来源于方解石和蒙脱石，Fe2O3来源于磁铁矿；红黏土的SiO2来源于高岭石和石英，CaO主要来源于蒙脱石，Al2O3来源于伊利石和一定量的游离氧化铝，Fe2O3是红黏土带红色的主要原因。
2 变水头渗透试验方法与试验方案为探究掺入红黏土能否进一步降低石灰改良黄土的渗透性，以及红黏土含量、土体密度与渗透系数间的关系，首先对不同密度的重塑黄土与石灰改良黄土进行室内变水头渗透试验，然后再对不同红黏土掺量、不同土体密度下的石灰-红黏土组合改良黄土进行渗透试验，最后对试验结果进行分析研究。渗透环刀样直径为61.8 mm 高度为40 mm 分5层击实，层间用土工刀刮毛。重塑黄土环刀样制备完成后进行抽气饱和，随后进行渗透试验；石灰改良黄土试样以及石灰-红黏土改良黄土试样在制备完成后被放置在养护箱中28 d 养护温度为20 ℃ 相对湿度为90% 龄期到达后进行抽气饱和与变水头渗透试验。这里所用石灰为化学制剂Ca(OH)2 (分析纯)。试验仪器采用TST-55型渗透仪，选取蒸馏水为渗流液，具体操作步骤详见《土工试验规程》(SL237-1999)。重塑黄土与石灰改良黄土试验方案如表4所列。有研究表明，对于石灰改良黄土而言，当石灰掺量从0%增加至3%时，改良黄土的渗透性显著降低，当石灰掺量超过3%后，其渗透性的变化并不明显。所以在这里我们直接采用石灰掺量为3%的改良黄土作为对比，着重考虑不同红黏土掺量对其渗透性的影响，石灰-红黏土改良黄土的试验方案如表5所列。
表4 重塑黄土与石灰改良黄土渗透试验方案与结果汇总
Table 4 Infiltration test scheme and results of remoldedloess and lime-treated loess
|
试样编号 |
石灰含量/%③ |
干密度/g·cm-3 |
饱和渗透系数/m·s-1 |
|
PL-01① |
0 |
1.50 |
6.47×10-6 |
|
PL-02 |
0 |
1.55 |
2.02×10-6 |
|
PL-03 |
0 |
1.60 |
1.00×10-6 |
|
PL-04 |
0 |
1.65 |
7.72×10-7 |
|
PL-05 |
0 |
1.70 |
3.09×10-7 |
|
PL-06 |
0 |
1.75 |
1.79×10-7 |
|
PL-07 |
0 |
1.80 |
4.41×10-8 |
|
LTL-3-08② |
3 |
1.50 |
2.48×10-6 |
|
LTL-3-09 |
3 |
1.55 |
9.63×10-7 |
|
LTL-3-10 |
3 |
1.60 |
5.11×10-7 |
|
LTL-3-11 |
3 |
1.65 |
2.61×10-7 |
|
LTL-3-12 |
3 |
1.70 |
8.96×10-8 |
|
LTL-3-13 |
3 |
1.75 |
8.79×10-9 |
注：①PL表示素黄土(pure loess);②LTL-3表示3%石灰含量的改良黄土(lime-treated loess);③质量百分比
表5 石灰-红黏土改良黄土渗透试验方案与结果汇总
Table 5 Infiltration test scheme and results of lime-lateritic-treated loess
|
试样编号 |
石灰含 |
红黏土 |
干密度 |
饱和渗透系 |
|
LLTL-1-01① |
3 |
1 |
1.50 |
1.01×10-6 |
|
LLTL-1-02 |
3 |
1 |
1.55 |
1.41×10-7 |
|
LLTL-1-03 |
3 |
1 |
1.60 |
8.31×10-8 |
|
LLTL-1-04 |
3 |
1 |
1.65 |
3.40×10-8 |
|
LLTL-1-05 |
3 |
1 |
1.70 |
1.14×10-8 |
|
LLTL-1-06 |
3 |
1 |
1.75 |
1.45×10-8 |
|
LLTL-3-07 |
3 |
3 |
1.5 |
2.95×10-7 |
|
LLTL-3-08 |
3 |
3 |
1.55 |
1.09×10-7 |
|
LLTL-3-09 |
3 |
3 |
1.60 |
2.73×10-8 |
|
LLTL-3-10 |
3 |
3 |
1.65 |
8.66×10-9 |
|
LLTL-3-11 |
3 |
3 |
1.70 |
6.40×10-9 |
|
LLTL-3-12 |
3 |
3 |
1.75 |
4.20×10-9 |
|
LLTL-5-13 |
3 |
5 |
1.5 |
1.29×10-7 |
|
LLTL-5-14 |
3 |
5 |
1.55 |
5.71×10-8 |
|
LLTL-5-15 |
3 |
5 |
1.60 |
1.32×10-8 |
|
LLTL-5-16 |
3 |
5 |
1.65 |
1.47×10-8 |
|
LLTL-5-17 |
3 |
5 |
1.70 |
1.12×10-8 |
|
LLTL-5-18 |
3 |
5 |
1.75 |
3.28×10-9 |
|
LLTL-7-19 |
3 |
7 |
1.5 |
1.59×10-7 |
|
LLTL-7-20 |
3 |
7 |
1.55 |
5.98×10-8 |
|
LLTL-7-21 |
3 |
7 |
1.60 |
2.13×10-8 |
|
LLTL-7-22 |
3 |
7 |
1.65 |
1.23×10-8 |
|
LLTL-7-23 |
3 |
7 |
1.70 |
1.41×10-8 |
|
LLTL-9-24 |
3 |
9 |
1.50 |
1.18×10-7 |
|
LLTL-9-25 |
3 |
9 |
1.55 |
3.12×10-8 |
|
LLTL-9-26 |
3 |
9 |
1.6 |
9.36×10-9 |
|
LLTL-9-27 |
3 |
9 |
1.65 |
1.44×10-8 |
|
LLTL-9-28 |
3 |
9 |
1.70 |
4.29×10-9 |
注：①LLTL-1表示1%石灰-红黏土含量的改良黄土(lime-lateritic-treated loess);②质量百分比
3 试验结果与分析3.1 重塑黄土与石灰改良黄土不同密度下重塑黄土与3%石灰改良黄土的试验结果如图7所示，图中纵坐标为饱和渗透系数，横坐标为干密度。采用指数函数对结果数据点进行二次拟合，图中黑色虚线为拟合曲线。
对重塑黄土而言，饱和渗透系数ksat与干密度ρd的拟合曲线可表示为
可以看出，对不同干密度下的重塑黄土与石灰改良黄土试验结果采用指数函数拟合效果良好，相关性系数R2均在0.98以上。饱和渗透系数与干密度之间表现出负指数关系，即饱和渗透系数均随着干密度的增大而减小。与重塑黄土相比，同一干密度下的石灰改良黄土饱和渗透系数更小。这是由于石灰加入黄土后，Ca(OH)2会离解产生Ca2 离子，与土颗粒表面吸附的阳离子发生离子交换，使得原有的双电子层膜变薄，土粒间距变小，诱发细小颗粒和黏土胶状物质絮凝，包裹原有的土颗粒形成较大的团聚体，不断地充填于大中孔隙。同时，黄土与石灰的反应由表及里，Ca(OH)2会与空气中的水和CO2发生碳酸化反应生成CaCO3结晶，对土颗粒起到胶结作用，从而限制了土中自由水的流动，降低了渗透性。
3.2 石灰-红黏土组合改良黄土图8为不同红黏土掺量下改良黄土饱和渗透系数与干密度间的关系，为了对比，0%红黏土掺量的石灰改良黄土(即上节中的3%掺灰比改良黄土)试验结果也一同绘制。各掺量下的拟合曲线汇总如表6所列，由于红黏土掺量为5%、7%和9%的数据较为接近，所以在这里用一条拟合曲线表示。可以看出，与未加入红黏土的石灰改良黄土相比，掺入了红黏土的改良黄土渗透系数更小，说明掺入适量红黏土可以进一步提高改良黄土的抗渗透性能；并且在同一干密度情况下，随着红黏土掺量的增加，饱和渗透系数随之减小。究其原因，首先红黏土以黏粒占主导，黏粒会以分散质点形式存在于粒间孔隙结构中，随着黏粒含量增加，储存在骨架结构周边的黏粒开始聚集或者做定向排列运动，形成连续的黏粒薄膜附着于颗粒表面，黏粒薄膜的存在会堵塞渗流孔隙通道，大大削弱水流经土体的能力；其次红黏土中的黏土矿物主要是以高岭石、蒙脱石和伊利石为主，其中蒙脱石和伊利石不仅具有强亲水性，附着于颗粒骨架之间，还具有胀缩性。在渗透过程中，蒙脱石和伊利石遇水膨胀，引发晶体絮凝，形成团聚体，充填镶嵌于大中孔隙之间，相当于将大中孔隙分割成一个个细小空间，封闭了有效渗透孔隙通道。从根本上说，黄土渗透系数的降低是由于黏土矿物的水化膨胀作用和微粒空间运移导致的。另外，当红黏土掺量超过3%时，继续增加红黏土的掺量，改良黄土的渗透系数变化很小，改良效果并不显著，主要是因为石灰与黄土反应生成晶体胶结物逐渐充填孔隙与联结土颗粒的同时，红黏土的黏土矿物吸水膨胀也会充填孔隙，若再继续增加红黏土掺量，粒间孔隙早已被充填完毕，故此时对防渗效果并无大影响。因此，在实际工程中，合理地选择掺量至关重要，对于庆阳黄土而言，推荐采用3%石灰 3%红黏土的掺量来进行改良。
表6 石灰-红黏土组合改良黄土饱和渗透系数与干密度拟合结果
Table 6 Fitting results of saturated hydraulic conductvity and dry density of lime-lateritic treated loess
|
石灰 |
红黏土掺量 |
拟合方程 |
相关性 |
|
|
0% |
Ksat=6.61×107exp(-19.98ρd) |
0.996 |
|
1% |
Ksat=2.99×1017exp(-36.03ρd) |
0.994 | |
|
3% |
Ksat=1.94×107exp(-21.21ρd) |
0.998 | |
|
5% 7% 9% |
Ksat=1.47×107exp(-21.54ρd) |
0.947 |
此外，由图8还可以发现，在同一红黏土掺量下，饱和渗透系数随干密度增大而逐渐减小，但这种减小趋势随着干密度增大而逐渐削弱。这是由于土体孔隙主要是由大中孔隙和微细孔隙构成，随着击实作用的进一步加强，干密度逐渐增大导致土体内部集粒被压缩，颗粒重新排列，土体中的大中孔隙所占的比例逐渐减小，而渗透主要是通过大中孔隙实现的。因此，此时再增大干密度，减小孔隙比，饱和渗透系数也不会明显降低。
4 结论与展望本文以庆阳地区黄土为研究对象，首先对不同干密度下的重塑黄土与石灰改良黄土进行了变水头渗透试验，随后在3%掺灰比的基础上添加不同掺量的红黏土，研究不同石灰-红黏土掺量与干密度下组合改良黄土的渗透特性。可得如下结论：
(1)重塑黄土与石灰改良黄土的饱和渗透系数均随干密度的增大而减小，二者之间的关系可用指数函数拟合表达。与重塑黄土相比，石灰改良黄土的抗渗性能更佳。
(2)在3%石灰改良黄土的基础上，掺入适量的红黏土，可以进一步降低改良黄土的渗透系数。在同一干密度情况下，改良黄土的饱和渗透系数随红黏土掺量增加而减小，当红黏土掺量超过3%后，渗透系数降低幅度显著减小。故在实际工程中建议采用3%石灰 3%红黏土组合，改良效果最佳。
(3)在同一红黏土掺量下，改良黄土饱和渗透系数随干密度增大而逐渐减少，由于击实作用导致集粒压缩，土体中的大中孔隙所占的比例逐渐减小，同时逐渐减小的大中孔隙又被石灰-红黏土堵塞，因此再增大干密度，减小孔隙比，饱和渗透系数也不会明显降低。
(4)同一干密度下，石灰-红黏土改良黄土的防渗效果优于石灰改良黄土，这是由于石灰、红黏土与黄土发生的物理化学反应共同耦合作用的结果。石灰加入黄土中，发生碳酸化反应产生晶体胶结物，增强颗粒联结的同时，红黏土中具有胀缩性的黏土矿物吸水膨胀，引发晶体絮凝，形成团聚体，充填镶嵌于大中孔隙之间，改变土体颗粒组分和空间结构，内部孔隙空间重新分割，封闭了有效渗透孔隙通道，从而增强了黄土的防渗效果。
相比于单纯的石灰改良而言，石灰-红黏土组合改良能更进一步地减小黄土的渗透性，同时红黏土也是一种当地材料，具有经济环保的优点；但当地红黏土分布区域有限，大面积推广石灰-红黏土组合改良黄土还需找到能满足工程需求的红黏土料场。有关电镜扫描的微观结构分析是下一步研究的重点。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
