膨润土改性黄土的水力- 力学特性试验

官翰欣，刘小保，杨秀娟

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

0 前言

涝池是关中地区常见的小型水利设施，其地基变形失稳导致水体渗漏是目前涝池建设中的常见问题。黄土湿陷性强且易发生冲蚀、潜蚀和管涌等渗透破坏[1]。改善渗漏问题，是黄土地区农村水利设施建设的关键。黄土的湿陷性是黄土的显著特点，国内外学者对黄土进行了各种试验研究。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，具有较好的离子交换性。张鹏等[2]以次生黄土为研究对象，以饱和度、压实度、膨润土掺量、含砂率为因素，研究了膨润土改性次生黄土的强度和压缩性，分析了各因素的作用规律及显著性。张虎元等[3]用柔性壁渗透仪对膨润土改性黄土进行变水头渗透实验，发现膨润土通过充填、提高干密度和吸水膨胀使黄土的孔隙性减小，有效降低了黄土的渗透性。邢义川等[4]在对黄土和膨润土增湿过程中研究了其变形特性的异同点。孔令伟等[5]采用常水头渗透试验方法研究膨胀土裂隙渗透特性，发现土样初始渗透系数最大，随后随着时间的延续，渗透系数逐渐降低并趋于稳定。郄玥颖等[6]设计正交试验方案建立了黏聚力的多元非线性关系模型表明膨润土不会对黄土强度产生明显的不利影响。

本文基于膨润土吸水膨胀的特性，采用膨润土改性湿陷性黄土，通过添加不同质量分数的膨润土，测试改性后黄土的水力- 力学特性。

1 试验材料与方法

本试验用土取自杨凌某边坡开挖断面，呈深黄褐色，土质相对松散，埋置深度为地表以下3 m 左右，土样风干碾碎后过2 mm 筛备用。其基本物理指标见表1。试验所需的膨润土为试验专用纳基膨润土，颜色为灰白色，粘度为32 mPa·s，其基本性质见表2。

表1 黄土的基本性质

表2 膨润土基本性质

本文采用常规土工试验、抗拉试验、渗透试验和崩解试验等试验方法，用干密度、含水率、抗拉系数、水稳定性等指标对纯黄土和膨润土改良后的黄土进行研究。分别对杨凌黄土和膨润土改性杨凌黄土（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%共五组不同掺量）进行土样制备。本试验土样含水率为19%，干密度为1.47 g/cm3，均匀拌合。制备好的土样须用塑料薄膜包裹两到三层，放置阴凉处。分别按照试验要求制备土样，并进行试验。

常规土工试验依据《土工试验规程》（SL 237-1999）的要求进行操作。渗透试验按照SL 237-062-1999 的要求进行常规变水头试验测试土样的渗透系数。抗拉试验，利用西北农林科技大学自制的单轴拉伸仪[7]制备土样并进行抗拉试验，测试土样的拉应变和拉应力。崩解试验，将土样按照含水率19%和干密度1.47 g/cm3压制成环刀样，从中削制成1 cm×1 cm×1 cm 的立方体小块，用镊子轻轻地放入盛有100 mL 去离子水的烧杯中，观察其崩解现象和崩解时间，测试土样的水稳定性[8]。

2 试验结果与分析

2.1 渗透试验结果

分别对加入五组不同掺量的膨润土的改性黄土及素土进行渗透试验，试验结果见图1。从图1 可知，在相同的含水率下，渗透系数随膨润土掺量的增加而减小，刚开始下降速度较快，而后趋于稳定。这是由于膨润土进入黄土后，它通过充填、提高干密度和吸水膨胀使黄土的孔隙性减小，有效降低了黄土的渗透性，但超过1%的含量后，趋势显著减缓，这是由于黄土间大部分颗粒已被填充，且膨润土膨胀吸水效果达到临界值，故可根据经济情况酌情使用膨润土改性黄土。

图1 土样渗透系数变化情况

2.2 抗拉试验结果

黄土在不同膨润土掺量条件下的拉伸应力- 应变曲线见图2。从图2 可以看出，不同膨润土掺量黄土试样在拉力作用下，在抗拉强度达到峰值前，应力值均随应变增大而增大，在抗拉强度达到峰值后，外荷载继续作用，应力急剧降低，试样抗拉强度几乎全部丧失，丧失抵抗能力，此时试样发生突然断裂，破坏过程短暂，裂隙发展迅速，没有征兆，表现出明显的脆性破坏。从图3 可以看出抗拉强度峰值有上升趋势，说明膨润土能够有效改善抗拉性能，且增强效果大致在10%～20%这个区间。

图2 不同膨润土掺量黄土的应力- 应变关系曲线

图3 抗拉强度峰值趋势图

2.3 崩解试验结果

根据表3 可知，在19%含水率下，素土（膨润土掺量为0）经过50 s 后完全崩解，膨润土掺量为2%～3%时，其崩解时间基本与素土相同，为50 s 左右。崩解过程中前期产生气泡，随着气泡的增多，开始崩解，崩解完成后土样形成圆锥型堆积物。在膨润土掺量为1%或1.5%时，膨润土对改性黄土的崩解情况有一定改善效果，具体体现在崩解过程气泡产生速度慢及崩解剧烈程度小，改善效果较明显。其崩解时间超出50 s 较多，崩解速度明显较其余膨润土掺量慢。

3 结论

本文以膨润土改性黄土黄土为研究对象，分别测试最优含水率下素土与改性土的水力- 力学性能，得出以下结论：

（1）黄土渗透系数随膨润土掺量的增加而减小，并趋于稳定，类似反函数曲线，说明膨润土能有效增加黄土的抗渗性能。

（2）膨润土对黄土的抗拉强度有一定增强，增幅强度在10%～20%区间。

（3）膨润土能使黄土的崩解时间明显减缓，1.0%～1.5%含量适用性最强。