项伟  崔德山  刘莉

中国地质大学工程学院,湖北武汉430074

摘要：研究开发快速经济和行之有效的滑坡治理方法与理论,一直是各国滑坡防治研究工作的重点.本试验研究使用一种经济适用的离子土固化剂(Ionic Soil Stabilizer,简称ISS)对提高滑带土的抗剪强度进行了探索.滑带土首先通过ISS不同 配比水溶液的处理,然后进行阿太堡试验、剪切试验、固结试验和自由膨胀率试验.试验结果表明:滑坡滑带土在加入离子土固化剂后,土的塑性指数降低,粘聚力提高,孔隙比和自由膨胀率减小.其机理为:在以粘性土为主的滑带土中加入离子土固化剂,通过物理化学原理,它能取代吸附在粘土表面的可交换性阳离子,改变粘土颗粒表面的双电层结构,减小结合水膜厚度,将滑带土的亲水性改为憎水性,从而提高滑带土的抗剪强度.

关键词：离子土固化剂;滑带土;塑性指数;剪切强度;结合水.

中图分类号：P642　文章编号:1000-2383(2007)03-0397-06　收稿日期:2007-03-19

0　引言

我国是地质灾害多发的国家,为了保护人民生 命财产安全,国家每年都要投入巨资治理滑坡,现在通常采用的多为抗滑桩、挡土墙和预应力锚索等工程措施,工程投资较大,一个滑坡的治理动辄几百万乃至几千万元.因此研究开发新的滑坡治理方法与理论,建立滑坡监测系统(唐辉明等,2002)一直是滑坡防治研究工作的重点,对中国这样一个地质灾害严重的发展中国家则显得更为重要,也是目前我国地质灾害防治工作中最为迫切的任务之一.

斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象,称为滑坡.滑坡的机制是某一滑移面或滑动带(简称滑带)上的剪应力超过了该面的抗剪强度所致.滑坡的特征通常是较深层的破坏,滑移面深入到坡体内部;质点位移矢量水平方向大于铅直方向;有依附面(即滑移面或滑带)存在;滑移速度往往较慢, 且具有“整体性”.因此滑带土的岩土工程性质常控制滑坡体的稳定性,其抗剪强度的高低直接影响到滑坡治理的规模和投资.

对于因滑动带土质不良而引起的滑动,除了工 程措施外,长期以来采用的主要有电渗排水、焙烧、 灌浆等改良土质的办法,也可以采用疏干工程来减 少水的作用(张登良,1990).电渗排水方法是利用电 场作用而把地下水排除,达到稳定滑坡的一种方法. 这种方法最适用于粒径0.05~0.005 mm的粉质土 的排水,因为粉土中所含的粘土颗粒在脱水情况下 就会变硬,由于需要额外的能源向滑坡体充电,该方 法并不经济.焙烧法是利用导洞焙烧滑坡脚部的滑 带上,使之形成地下“挡墙”而稳定滑坡的一种措施. 用煤焙烧粘土时,当土达到一定温度后,粘土会变成 象砖块一样,具有相当高的抗剪强度和防水性,同时 地下水也可从焙烧形成的土裂缝中流入坑道而排 出,但是焙烧的深度、温度和焙烧的程度不宜控制. 化学灌浆采用石灰、磷酸铵、氧化铝、氧化钙及其他 三价金属阳离子溶液,将其灌入饱和粘性土滑带中, 交换出土中的阳离子,可使饱和粘性土的抗剪强度 提高;但是对饱和粘性土滑带而言,由于粘土颗粒的 结合水膜较厚,土渗透系数低,所以如何将浆液灌入滑坡体是一大难题.

本试验研究对物理化学方法加固滑坡进行了新 的探索,采用一种经济适用的离子土固化剂来加固 滑坡滑带土,增加滑带土的抗剪强度,从而提高滑坡 的稳定性.

离子土固化剂是一种由多个强离子组合而成的 水溶性化学物质,适用于粘土粒组含量在25%以上 的各种土类(Donget al.,2004).把它加入土中,与 土相互作用,通过物理化学原理,将粘土矿物的结合 水去除,使土由亲水性变成憎水性,减小粘土结合水 膜的厚度,能有效地改进土的工程性质,包括增加土 的压实度和抗剪强度,减小土的孔隙比和水敏性等. 采用离子土壤强化剂(ISS)强固粘土,不仅施工周期 短、费用低而且保护环境,对人、牲畜、植物和大自然 无损害(陈彦生和董建军,1999).离子土固化剂加固 技术提供了一种低成本、施工简便、就地取材的土木 工程建设方法,被广泛应用于道路和水利工程中加 固土体,但用离子土固化剂加固滑坡滑带土,目前国内外尚未见报道.

1　试验材料

1.1　试验用土

本试验研究以湖北省清江水布垭水电站的大岩 淌滑坡的滑带土为例.大岩淌滑坡位于水布垭坝址 左岸,距坝址0.2 km,为顺层—微切层基岩滑坡.滑 坡边界清楚,西侧为大崖陡壁,东侧以榨房沟为界. 后缘高程为430 m,“圈椅”状地形明显,前缘向南弧 形突出,滑体剪出口高程约200~210 m,呈南北向 狭长的扁形,南北向长度870 m,东西向120 ~ 370 m,面积0.196 km2,滑坡厚度为25~40 m,体积 约5 80万m3(周欣华和饶锡保,2000).

大岩淌滑坡滑带主要分布于滑体与基岩之间, 厚0.10~9.15 m,呈带状.物质成分为灰黄、浅黄色 粘土夹碎石碎屑,局部见有明显的挤压碾磨特征,并 可见擦痕.

试验用土来自大岩淌滑坡滑带土的原状土样, 土样中的碎石和碎屑被剔除,实验主要针对细颗粒 部分.

试验所用滑带土的粒度成分如表1所示,基本 物理力学性质指标如表2所示.

1.2　离子土固化剂

两种不同离子含量的离子土固化剂,分别称为 ISS1和ISS2,都具粘滞性,ISS1呈黄褐色液体,ISS2 呈灰黑色液体.分子量在(5~20)×104,阳离子交换 容量5~6 mg/100 g,碳当量差50~56 mg/100 g.根 据需要稀释成不同浓度的水溶液.

2　ISS加固滑带土的试验研究

2.1　ISS加固滑带土的配合比设计

在道路工程中,ISS加固土的配合比设计是以 无侧限抗压强度为评价指标来进行的.但是笔者认 为ISS加固滑坡滑带土的本质是减小粘土中结合水 膜的厚度,故应该从加入ISS后滑带土的塑性指数 的降低来确定ISS加固土的最佳配合比.

塑性指数是反映土颗粒与水相互作用的灵敏指 标之一,在一定程度上反映了土的亲水性能.它与土 的颗粒组成、粘土矿物成分、阳离子交换性能、土的 结合水膜厚度和比表面积、以及水溶液的性质等有 着十分密切的关系,塑性指数越高,结合水膜越厚 (方云等,2003).

取滑坡滑带土样进行不同配比的阿太堡试验,并 计算液限、塑限和塑性指数,试验结果如表3所示.由 表3可见,对于ISS1和ISS2而言,当其与水的配比 分别为1∶300和1∶200时,即ISS1和ISS2与滑 带土的剂量比分别采用1.13 L/m3和1.95 L/m3 时,能够使滑带土的塑性指数降至最低.与不加IS 的土相比,加入ISS后,这种滑带土的塑性指数可以 控制在20%左右.分别比不加ISS时的塑性指数降 低了18.03%(ISS1)和17.36%(ISS2),而且可以看出,并不是ISS加入越多越好,相反,当ISS浓度较大之后,塑性指数又有所增加.表明不但不能很好地去掉土中的结合水,而且影响土的压实性,并增加了成本.

2.2　ISS对滑带土剪切强度的影响

取液限状态下的试样进行直接剪切试验,分别取ISS1和ISS2与水的体积比为1∶300和1∶200 的水溶液进行对比试验.

滑带土的抗剪强度不仅取决于土的物质组成、土的结构、土的性质和应力历史等,而且还取决于土 当前所受的应力状态.为了模拟滑带土所受的实际 应力状态,本试验采用固结排水快剪法,即土样均在 液限含水量状态下装入剪切盒,在垂直压力下试样 完全排水固结稳定后,快速施加水平剪力.共进行3 组试验,每组4个试样,分别在50、100、200、300 kP 的垂直压力下进行剪切.因滑带土的土质松软,所以 试样需分次施压以防土样挤出.当土样垂直变形在 1 h内小于0.005 mm,认为固结稳定,再施加下一级 垂直荷载.在施加第一级压力后,立即向容器中注满水,避免水分蒸发.试验结果如表4所示.

可以看出,加入ISS后滑带土粘聚力明显增大, 平均增加2倍以上,但内摩擦角却基本不变. 因为粘性土的内摩擦系数不但涉及土颗粒间的 相对移动所引起的滑动摩擦力和咬合摩擦力,而且还 因为粘性土中的粘土矿物的比表面积较大,颗粒表面 存在着吸附水膜,土颗粒间可以在接触点处直接接 触,也可以通过吸附水膜而间接接触,接触点处的颗 粒表面,又由于物理化学作用而产生吸引力,对土的 摩擦强度也有影响,其体系相当复杂.ISS作用后,土 颗粒表层的结合水膜变薄,层状结构的矿物颗粒趋向 于面-面的定向排列,在剪切时,土颗粒之间主要是 面-面的滑动,所以其内摩擦角并未有明显增大. 而粘性土的粘聚力则取决于土颗粒间的各种物 理化学作用,包括库仑力、范德华力和胶结作用等 等,是土颗粒内部连结的宏观反映,可以划分为结合 水连结、胶结连结和毛细水连结.原苏联学者把粘聚 力C分成原始粘聚力和固化粘聚力.原始粘聚力来 源于颗粒间的静电吸引力和范德华力.固化粘聚力 决定于颗粒之间胶结物质的胶结作用(方云等, 2003).

滑带土加入ISS后,吸附在土颗粒表面的结合 水已经被置换掉,从而使土颗粒的扩散层的厚度减小,增大了土颗粒之间的原始粘聚力和固化粘聚力, 并使其密度变大,因而滑带土的粘聚力C值明显增大(图1).

2.3　ISS对土压缩性能的影响

为了模拟滑带土最不利的工况,取液限状态下的 试样进行高压固结试验,分别取ISS1和ISS2与水的 体积比为1∶300和1∶200的水溶液进行对比试验 本试验采用稳定压缩,试验时施加的预压力 1 kPa,依次施加的压力为:1,12.5,25,50,100,200 400,800,1 600,3 200 kPa.每加一级荷载后,在时间 分别为6″,15″,1′,2′15″,4′,6′15″,9′,12′15″,16′ 20′15″,25′,30′15″,36′,49′,64′,100′,200′,400′ 23 h,24 h时记录百分表读数,当土样趋于稳定且百 分表读数不再变化时,测读土样变形量,接着施加下 一级荷载.在施加第一级压力后,立即向容器中注满 水,避免水分蒸发.

试验完成后,计算加入ISS后试样的初始孔隙 比e0,各级压力下变形稳定后的孔隙比ei,压缩系数 av和压缩模量Es,试验结果如表5所示.

在《建筑地基基础设计规范》(DBJ15-31-2003 中规定,以p1=0.1 MPa,p2=0.2 MPa时相应的压 缩系数a1~2作为判断土的压缩性的标准.试验结果 如表6所示.结果表明经过ISS作用后,在同一压力 变化范围内,经过ISS处理后,滑带土的压缩系数和 孔隙比减小得更少,说明土变得更密实,进一步证明 了粘土表面结合水膜厚度减小.

2.4　ISS对滑带土自由膨胀率的影响

自由膨胀率是指松散的烘干土粒在水和空气中 分别自由堆积的体积之差与空气中自由堆积的体积 之比,是反映粘性土膨胀性的指标之一(Saiyou et al.,2004).它与粘土的矿物成分、胶粒含量、化学 成分和粘土颗粒结合水膜厚度等有着密切的关系. 不同粘土矿物成分和不同结合水膜厚度的土粒具有 不同的亲水性能,其膨胀性也有显著差异.

取两组天然状态下的滑带土进行自由膨胀率试 验,然后分别取ISS1和ISS2与水的体积比为 1∶300和1∶200的水溶液进行试验.试验结果如 表7所示.由表可以看出,加入ISS后滑带土的自由 膨胀率明显减小,这进一步证明了滑带土颗粒表面已由亲水性变为憎水性,水敏性降低.

3　ISS加固土的机理

离子土固化剂具有一种复合的化学配方,其中 含有活性成分的磺化油,由植物油或鱼油与硫酸作 用,再经中和而得.磺化油是一种阴离子表面活性 剂,由磺基(—SO3H)和羟基(R-H)的碳原子直接相 连而成.有机化合物(RSO3H)由磺酸的“亲水头”与 由碳及氢的原子组成的“疏水尾”所构成.这样,由于 ISS中的“亲水头”与“疏水尾”的“二元性”,使得其 与粘土等土作用后就能除去其粘土矿物的水分并使 ISS与土的质点之间产生永久的结合固化.这种固 化,主要依靠ISS“亲水头”与粘土质点表面所形成 的化学链.其性质表现为:

(1)SO3的阴离子头与粘土表面上之金属阳离 子之间形成直接化学链,且在金属阳离子与SO3之 氢原子间形成感应链;(2)ISS侵占在粘土表面上空 出的离子位置;(3)ISS的“亲水头”,在很薄层的结合水中溶解,并吸附在粘土矿物的表面,置换出粘土表面的结合水.

由此可见,ISS作用的结果是赶走吸附在土壤 颗粒表面的、非常容易水合的阳离子,取而代之的是 水合度较低、粘结力较强的铝离子及其水化合物(陈 彦生和董建军,1999).

根据Gouy-Chapman模型,溶液中的水分子、 阳离子扩散在粘土颗粒周围的空间里,由于静电吸 引,离粘土颗粒表面愈近,反离子浓度愈大,吸附力 愈大,吸附愈紧;离粘土颗粒愈远,反离子浓度愈小, 吸附力愈小,到距表面很远处(约1~10 nm)过剩的 反离子浓度为零(沈钟等,2004).

离子土固化剂用水稀释后,迅速离子化,溶液离 子浓度高,交换能力强,与土粒表面的离子进行强烈交换,也会改善土粒表面的电荷性质,使土粒与水分 子间的作用由原来的相互吸引变为相互排斥,打开 了土粒与水分子之间的“电化键”,从而释放出束缚 在吸附层和扩散层内的结合水,使粘土表面的电位 势下降.

该反应为一不可逆反应,即当土被ISS处理后, 土粒将不会恢复到原来的离子不平衡状态.这些试剂会牢牢地粘附在土颗粒上,能永久地将土的亲水 性变为疏水性,从而减小粘土矿物表面扩散层滑动 面的距离Δ和ξ电位.当两个相邻的粘土颗粒靠近 (小于2.5 nm)时,双电层重叠,即形成公共结合水膜,阳离子与粘土颗粒表面负电荷共同吸引产生静 电力,使土易于压缩,能有效地提高土的抗剪强度和 密度,减小土的孔隙比,而且ISS加固土的功效随着时间的推移逐渐增强,从根本上将土内部毛细管水 和结合水全部去掉,使土的强度不断增大.

4　结论

(1)离子土固化剂能够降低滑带土的塑性指数, 减小粘土的结合水膜厚度.对ISS1和ISS2,当其与水的配比分别为1∶300和1∶200时,能够使滑带土的塑性指数降至最低.

(2)离子土固化剂可以提高滑带土的抗剪强度,特别是对粘聚力的提高比较大, 而对内摩擦角的影响较小.

(3)离子土固化剂可以提高滑带土的压缩性能,减小粘土的孔隙比;可以降低 滑带土的自由膨胀率,减小水敏性.

对滑坡而言,滑带土是影响滑坡稳定性的重要因素;ISS作为一种新型化学加固材料用来加固滑带土尚处于初步探索阶段.特别是ISS加固滑带土后,土颗粒结合水改变和阳离子交换量的定量化研究;滑带土微结构的变化;离子固化剂水溶液在滑带土中的运移机制;以及现场的灌注方案和工艺等问题均需进一步研究论证.