李善梅，劉之葵，蒙劍坪

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004； 2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004)

1 研究背景

喀斯特地區(qū)土層薄、貯水能力低、巖石滲漏性強、季節(jié)性暴雨明顯，水土易流失而破壞生態(tài)環(huán)境[1]，因此，喀斯特地區(qū)水土流失問題引起廣大研究者關(guān)注。研究結(jié)果表明，水土流失受地形、植被、土壤類型、降雨、土地利用方式[2-3]等外部條件影響，而其發(fā)生的本質(zhì)是水入侵導(dǎo)致土粒間結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)和強度削弱或喪失[4]。換言之，土壤崩解機制與水土流失過程密切相關(guān)[5]。由此可見，土體崩解效應(yīng)對水土流失機理的研究有重要意義。

前人針對砂土[6-7]、粉土[8]、粉質(zhì)黏土[9]、黃土[10-12]、紅土[13-16]等不同類型土的崩解行為研究發(fā)現(xiàn)土體崩解性取決于土體組成(礦物成分、黏粒和有機質(zhì)含量)以及外部條件(含水率、擾動情況、pH值)，由此可見，化學(xué)條件(pH值)影響土體的崩解行為。水土化學(xué)作用是近年研究的熱點，化學(xué)條件對土體工程性質(zhì)的影響已引起關(guān)注和重視，然而考慮化學(xué)效應(yīng)的土體崩解特性及機理研究成果較少。

2 試驗設(shè)計

2.1 試樣基本物理性質(zhì)

試樣取自桂林市南郊，取樣深度為3.5～3.8 m，為深紅色黏土，硬塑態(tài)，稍濕，裂隙不發(fā)育，切面光滑，物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 紅黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of red clay

通過X射線衍射試驗測試本研究采用土樣中的礦物組分。測試結(jié)果表明，試驗土樣的主要礦物成分為高嶺石，占紅黏土中礦物成分的83%，伊利石占總礦物含量的7%，少量蛭石占總礦物含量的3%，以及伊利石、蛭石混層約為總礦物含量的7%；主要金屬氧化物為Fe2O3、Al2O3、SiO2，約為土體中金屬氧化物總質(zhì)量的90%。

2.2 試樣及化學(xué)溶液制備

2.2.1 飽和試樣制備

土樣在室內(nèi)風(fēng)干，風(fēng)干含水率為2.42%，過2 mm篩，稱量90 g風(fēng)干土樣，按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)，采用壓樣法壓制土樣。土樣規(guī)格為：密度1.5 g/cm3，Φ6.18 cm×2 cm。利用疊式飽和器將土樣固定，放入真空飽和缸中，備用。打開抽氣閥門，待缸內(nèi)的氣壓穩(wěn)定之后，打開連通蒸餾水的閥門，使土樣在蒸餾水中靜置8 h，讓土樣充分飽和。

2.2.2 化學(xué)溶液制備

尿素是一種被廣泛使用的氮肥。尿素易溶于水，在脲酶的作用下發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)[22]：

(1)

(NH4)2CO3發(fā)生的主要水解反應(yīng)為：

(NH4)2CO3?2NH4++CO32-；

(2)

(3)

NH4++H2O?NH3↑+H+。

(4)

式(1)表明，尿素在土壤中會先轉(zhuǎn)化為(NH4)2CO3，然后發(fā)生式(2)—式(4)的反應(yīng)，其中一部分被植物作為養(yǎng)分吸收，另一部分以各種形式產(chǎn)生氮流失。由此可見，尿素在土壤中的化學(xué)效應(yīng)為(NH4)2CO3與土壤或植物的作用。由于尿素與空氣接觸后容易吸濕結(jié)塊，影響使用效果以及質(zhì)量控制。為了準(zhǔn)確控制化學(xué)溶液的濃度，本研究采用分析純的(NH4)2CO3顆粒取代尿素。

鑒于農(nóng)田施用尿素濃度為0.5%～2%，即0.08～0.33 mol/L[23]，本研究采用(NH4)2CO3溶液濃度為0.05、0.10、0.20 mol/L。利用蒸餾水機在實驗室自制蒸餾水，蒸餾水制備過程中，空氣中的CO2溶于水中，導(dǎo)致蒸餾水呈弱酸性，pH值約為6.5。取3個玻璃缸，并在每個玻璃缸中注入6 L蒸餾水，分別稱取28.8、57.6、115.2 g分析純的(NH4)2CO3固體，依次添至3個玻璃缸中，利用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，分別配置濃度為0.05、0.10、0.20 mol/L的(NH4)2CO3崩解溶液，其pH值分別為8.52、8.67、8.75，(NH4)2CO3溶液呈弱堿性。

2.3 儀器與試驗步驟

常見的崩解試驗裝置有浮筒法和拉力計法，前者測量精度受崩解過程穩(wěn)定性的影響，誤差大；后者不宜長期測量，并且無法測量小于量程1%的質(zhì)量，導(dǎo)致無法測量質(zhì)量較小的土體崩解過程。鑒于以上不足，本研究采用改裝的崩解儀——高精度靜水天平替代拉力計用于測量速度較快階段的崩解，采用電腦自動計數(shù)，提高了測試精度；用玻璃杯接土烘干的辦法測試速度較慢階段的崩解率，試驗裝置如圖1所示。

圖1 崩解儀Fig.1 Device of disintegration test

飽和樣制好后，按以下步驟進(jìn)行崩解試驗：

(1)將網(wǎng)盤掛至靜水天平底部掛鉤，玻璃杯放置在網(wǎng)盤正下方并保持與網(wǎng)盤一定距離(≥1 cm)，以免土樣的重力作用使網(wǎng)盤變形而與玻璃杯接觸，影響試驗精度。

(2)在玻璃缸中注入已配置好的溶液，水的深度預(yù)計高出土樣表面約1 cm。連接靜水天平與電腦，開機并清零。

(3)將土樣從環(huán)刀中推出，吹掉表面松散土粒，稱量其質(zhì)量，并放置在網(wǎng)盤中央，觀測與描述崩解現(xiàn)象。

(4)當(dāng)土樣崩解較緩慢時，采用玻璃杯盛土法。取一個玻璃杯，使杯底緊貼玻璃缸緩慢放入至缸底，并輕輕推至網(wǎng)盤中心底部以承接崩解土；待土樣較為穩(wěn)定時，取另一只玻璃杯，緩慢放入缸底，替換原來的玻璃杯，并將已盛土的玻璃杯取出，烘干，稱取崩解土樣的干質(zhì)量，同時記錄取樣時間。重復(fù)以上步驟至土體完全崩解或試驗終止。

3 試驗現(xiàn)象及試驗結(jié)果

3.1 試驗現(xiàn)象

飽和紅黏土浸入溶液初期，土樣邊緣有少量土體發(fā)生崩解，崩解物為顆粒狀，同時，有極少量氣泡逸出，如圖2(a)所示；隨后土體相對穩(wěn)定，無明顯崩解；浸泡一定時間后，土樣周邊出現(xiàn)環(huán)狀裂縫，產(chǎn)生鱗片狀崩解物，徑向裂縫開始發(fā)育，土樣出現(xiàn)裂縫的最短時間約為3 h，如圖2(b)所示；飽和土樣的崩解極其緩慢，在水中靜置一段時間后，土體發(fā)育多條貫穿裂隙，并在土樣表層形成交叉裂隙或Y形裂隙，形成塊狀崩解，如圖2(c)所示。盡管在溶液滲透作用下土樣裂隙發(fā)育，但靜置30 d后，仍有大量土樣殘余，未完全崩解。

圖2 崩解過程Fig.2 Disintegration process

3.2 試驗結(jié)果

崩解率是單位時間內(nèi)土壤崩解的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)[24]，累積崩解率則是某個時段內(nèi)土壤總的崩解體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)。本研究中采用質(zhì)量數(shù)作為崩解率的計算指標(biāo)。

根據(jù)測量結(jié)果繪制不同化學(xué)溶液作用下紅黏土的累積崩解率，為保證試驗數(shù)據(jù)的有效性，每組試驗條件下進(jìn)行了2組平行試驗。飽和紅黏土在不同溶液中的累積崩解率-時間曲線如圖3所示。

圖3表明，不同濃度的(NH4)2CO3溶液作用下飽和紅黏土崩解過程相似，均表現(xiàn)為快速上升、穩(wěn)定上升、穩(wěn)定或完成3個過程，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個階段。第Ⅰ階段為快速崩解階段，曲線比較陡，發(fā)生于浸水初期，該過程比較短暫；第Ⅱ階段為穩(wěn)定崩解階段，曲線較I階段緩，但斜率仍然較大，此過程比較長，裂隙發(fā)育相伴發(fā)生，是土體崩解的主體階段；第Ⅲ階段為穩(wěn)定或崩解完成階段，曲線幾乎為平直線。不同土樣崩解過程相似，但各階段的起止時間不相同。圖3表明，(NH4)2CO3溶液的濃度對紅黏土崩解性影響顯著。紅黏土的崩解速率隨(NH4)2CO3溶液濃度增大而增大；累積崩解率與(NH4)2CO3溶液濃度成正相關(guān)關(guān)系。

圖3 飽和紅黏土在(NH4)2CO3溶液中的累積崩解率- 時間曲線Fig.3 Time-history curves of cumulative disintegration rate of saturated red clay in (NH4)2CO3 solution

圖4比較了不同溶液作用下2組平行試驗紅黏土的最大累積崩解率，并計算其平均值。如圖4所示，紅黏土的最大累積崩解率隨(NH4)2CO3溶液濃度增大而增大：蒸餾水作用下，平均最大累積崩解率為16.55%；當(dāng)濃度增大到0.05 mol/L時，平均最大累積崩解率增大到24.83%;當(dāng)濃度增大到0.20 mol/L時，平均最大累積崩解率增大到28.25%。

圖4 不同濃度(NH4)2CO3溶液作用下紅黏土的 最大累積崩解率Fig.4 Maximum cumulative disintegration rate of red clay under different concentrations of (NH4)2CO3 solution

4 討 論

飽和紅黏土崩解過程包含快速崩解、穩(wěn)定崩解、完成3個階段，每個階段的崩解機理不同。由于第Ⅲ階段土體已經(jīng)完成崩解，故本文僅討論Ⅰ、Ⅱ階段的崩解機理。以下將分別討論。

4.1 快速崩解階段

試驗結(jié)果表明，崩解的第Ⅰ階段主要發(fā)生在土樣表面，時間短，一般認(rèn)為不受化學(xué)因素影響。土樣從環(huán)刀推出過程中，表面受擾動而導(dǎo)致土顆粒松散，空氣侵入，在水的入滲作用下，氣泡排出，松散土體迅速脫落。因此，飽和紅黏土崩解第Ⅰ階段主要由土樣擾動引起。

4.2 穩(wěn)定崩解階段

第Ⅱ階段崩解較第Ⅰ階段崩解緩慢，主要現(xiàn)象為裂隙發(fā)育和塊狀崩解，現(xiàn)基于微觀和宏觀機理分別討論紅黏土該階段崩解原因。

4.2.1 微觀機理

本文將基于紅黏土對(NH4)2CO3溶液中離子的吸附作用、pH值的影響以及微形貌的變化研究溶液對紅黏土微觀特性的作用機理。

4.2.1.1 溶液對紅黏土中C和N元素的影響

取100 g紅黏土，分別浸泡在200 mL的(NH4)2CO3溶液中，其濃度分別為0(蒸餾水)、0.05、0.10、0.20 mol/L，充分?jǐn)嚢韬箪o置7 d，取出烘干，研磨過2 mm篩。分別利用碳硫儀和氧氮儀分析不同濃度的(NH4)2CO3溶液作用后紅黏土中的C元素和N元素的含量，其測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 浸泡不同濃度的(NH4)2CO3溶液后紅黏土中C、 N元素含量Fig.5 Contents of elements C and N in red clay after being soaked in different concentrations of (NH4)2CO3 solutions

圖5表明，紅黏土中C元素含量比N元素含量多，約為N元素含量的5倍。(NH4)2CO3溶液作用下，紅黏土中C元素含量無明顯變化，N元素含量增至初始值的2.34倍。由此可見，紅黏土在(NH4)2CO3溶液中以吸附NH4+為主，即負(fù)電荷占主導(dǎo)地位。當(dāng)溶液濃度由0.10 mol/L增加至0.20 mol/L時，紅黏土中吸附的N元素僅增加0.004%，換而言之，200 mL濃度為0.10 mol/L的(NH4)2CO3溶液中的NH4+即可中和100 g紅黏土中的負(fù)電荷而導(dǎo)致紅黏土吸附的NH4+并未隨溶液濃度提高而增大。當(dāng)溶液濃度由0提高到0.10 mol/L時，離子的吸附作用導(dǎo)致土粒表面電荷減少，結(jié)合水膜增厚，粒間引力變小，土粒分散性增強，崩解性提高；當(dāng)溶液濃度繼續(xù)提高至0.20 mol/L時，溶液中NH4+過剩，結(jié)合水膜變薄，粒間引力增大，但土體的崩解性不降反增，顯然，當(dāng)溶液濃度增大到一定值時不能用雙電層理論解釋其崩解原因。

4.2.1.2 浸泡紅黏土后溶液pH值

利用pH值測試儀，測試上述溶液浸泡紅黏土前后的pH值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 比較浸泡紅黏土后(NH4)2CO3溶液的pH值Fig.6 Comparison of pH value of (NH4)2CO3 solution before and after soaking red clay

4.2.1.3 溶液對紅黏土微形貌的作用

取4份100 g紅黏土，分別浸泡在200 mL上述濃度的(NH4)2CO3溶液中，充分?jǐn)嚢韬箪o置7 d，取出土樣風(fēng)干并用手掰開，利用S-4800掃描電鏡分析斷面土樣的微形貌，照片如圖7所示。

圖7 不同濃度的(NH4)2CO3溶液作用下紅黏土微形貌Fig.7 Micromorphology of red clay soaked in different concentrations of (NH4)2CO3 solution

圖7表明，隨著溶液濃度的增加，土粒間的接觸方式改變。蒸餾水作用下，紅黏土以面-面接觸為主，無明顯淋濾孔；隨著濃度增大，邊-面、邊-邊接觸方式增多，且淋濾孔徑增大。由此可見，(NH4)2CO3溶液改變了土粒間的接觸方式并且破壞了部分膠結(jié)物質(zhì)，導(dǎo)致土體的崩解性增強。

4.2.2 抗剪強度及滲透試驗

4.2.2.1 不同溶液作用下紅黏土的抗剪強度

取16份90 g風(fēng)干樣，壓制16個Φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀樣，每4個為一組固定在疊式飽和器上，利用抽真空飽和法制備上述4種濃度下的(NH4)2CO3溶液飽和土樣，并采用直剪試驗測試不同濃度的(NH4)2CO3溶液飽和后紅黏土的抗剪強度，其抗剪強度曲線如圖8所示。

圖8 紅黏土抗剪強度曲線Fig.8 Shear strength curves of red clay

圖8表明，紅黏土的抗剪強度曲線隨飽和溶液濃度的增大而下移，即相同法向荷載作用下，紅黏土的抗剪強度降低。抗剪強度低的土體易發(fā)生崩解。

4.2.2.2 不同溶液作用下紅黏土的滲透性

本研究分別取2份180 g風(fēng)干土樣，壓制2個Φ61.8 mm×40 mm的環(huán)刀樣，疊式飽和器固定，采用抽真空飽和法制備蒸餾水飽和樣。此外，筆者根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)進(jìn)行紅黏土在不同濃度的溶液作用下的變水頭滲透試驗。為了避免土體自身結(jié)構(gòu)差異對滲透性的影響，本研究采用滲透溶液濃度由低到高的順序依次對同一土樣進(jìn)行測試，具體方案如下：先按照規(guī)程安裝并測試土樣在蒸餾水的作用下的滲透系數(shù)，然后替換0.05 mol/L的(NH4)2CO3溶液，打開土樣盒下端的排氣管，充分排氣，待無氣泡溢出時關(guān)閉排氣管，打開土樣盒上端的排水管，監(jiān)測排出水的pH值，直至pH值穩(wěn)定，則認(rèn)為土體中的蒸餾水已完全被0.05 mol/L的(NH4)2CO3溶液所替代，然后進(jìn)行此溶液作用下紅黏土的滲透試驗；并以此類推，依次測試0.10 mol/L和0.20 mol/L的(NH4)2CO3溶液作用下紅黏土的滲透性。同時，進(jìn)行另一組平行試驗。試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 紅黏土滲透系數(shù)Fig.9 Permeability coefficient of red clay

圖9表明，紅黏土的滲透性隨(NH4)2CO3溶液濃度增大而增大。換言之，(NH4)2CO3溶液有利于提高土體中大孔隙的含量和連通性，即有效孔隙比增大。有效孔隙比增大利于土體水的滲入以及氣體排出，提高土體的崩解性。

綜上所述，(NH4)2CO3溶液改變土粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，減小粒間引力而提高土體的崩解性；另一方面，膠結(jié)物的溶解以及溶濾孔的形成導(dǎo)致土體強度降低和滲透性的增大，是引起土體崩解性增大的另一原因。

5 結(jié)論與探討

分析飽和紅黏土在0(蒸餾水)、0.05、0.10、0.20 mol/L的(NH4)2CO3溶液作用下的崩解規(guī)律，并從微觀和宏觀2方面分析其作用機理，得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)崩解速率，紅黏土的崩解過程可分為快速崩解、穩(wěn)定崩解和完成3個階段；崩解速率隨(NH4)2CO3溶液濃度增大而增大；最大累積崩解率受(NH4)2CO3溶液影響顯著。

(2)紅黏土為正、負(fù)電荷共存體系。蒸餾水作用下，凈電荷為正；(NH4)2CO3溶液作用下凈電荷為負(fù)。

(3)土體不同崩解階段的發(fā)生機理不相同：快速崩解主要由土體擾動破壞引起；穩(wěn)定崩解階段(NH4)2CO3溶液提高紅黏土的崩解性則取決于土體的微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀性質(zhì)。微觀方面包括：①土粒表面結(jié)合水膜變厚而減小粒間引力；②土粒間接觸方式由面-面接觸向邊-面、邊-邊接觸方式轉(zhuǎn)變而降低土粒的穩(wěn)定性；③膠結(jié)物的溶蝕降低粒間膠結(jié)程度。宏觀方面則包括：①土體強度降低；②滲透性增大。

降低土體擾動、合理使用尿素是降低淺層土體崩解性的有效途徑，為耕地表層土流失的預(yù)防和治理提供了理論依據(jù)。本文未考慮試樣的尺寸效應(yīng)、酸雨作用、降雨強度、干濕循環(huán)作用等，將在以后的工作中進(jìn)一步探討。