土凝巖的摻量和齡期對(duì)穩(wěn)定土滲透系數(shù)的影響

付延凱，劉經(jīng)強(qiáng)，*，榮云杰，李明雷，李海燕

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院，山東泰安271018

土凝巖的摻量和齡期對(duì)穩(wěn)定土滲透系數(shù)的影響

付延凱1，劉經(jīng)強(qiáng)1，2*，榮云杰1，李明雷2，李海燕2

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院，山東泰安271018

土凝巖是利用粉煤灰、煤矸石等工業(yè)廢棄物研制出的一種材料，公路工程中應(yīng)用較為廣泛，水利工程應(yīng)用于截滲墻和軟弱地基置換等。本文通過變水頭試驗(yàn)，探討了土凝巖摻量和齡期（飽和累計(jì)時(shí)間）兩個(gè)因素對(duì)穩(wěn)定土滲透系數(shù)的影響規(guī)律并提出較為可行的摻量方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：土凝巖摻量為15%的土，前期滲透系數(shù)下降較快，后期滲透系數(shù)可達(dá)到2.10E-8 cm/s，符合《水利工程施工規(guī)范》要求，較適合在截滲墻工程中推廣應(yīng)用。

土凝巖；摻量；齡期；滲透系數(shù)

土凝巖材料是利用粉煤灰、赤泥、煤矸石、等工業(yè)廢棄物，基于地質(zhì)成巖原理，研制出的可以替代水泥、石灰等應(yīng)用于公路等基礎(chǔ)建設(shè)工程的材料。資料數(shù)據(jù)表明，如果用土凝巖代替10000 t水泥，將減少約5200 t CO2氣體的排放，節(jié)省煤炭約2400 t，減少優(yōu)質(zhì)石灰石資源開采10000 t左右，從而節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境［1］。

在水利工程建設(shè)領(lǐng)域，土凝巖的應(yīng)用主要有地基加固（軟弱地基置換）和建筑物防滲處理（截滲墻），截滲墻對(duì)滲透系數(shù)要求較高［2-8］。論文采用變水頭試驗(yàn)的方法，探討了土凝巖摻量和齡期（飽和累計(jì)時(shí)間）兩個(gè)因素對(duì)穩(wěn)定土滲透系數(shù)的影響規(guī)律，并根據(jù)對(duì)結(jié)果的分析比較，提出較為可行的摻量方案。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

截滲樁墻施工中，采用建筑施工手冊(cè)推薦的型鋼水泥土攪拌墻工程施工工藝方法較好，與這次試驗(yàn)有關(guān)的核心工藝流程為：拌制水泥漿→鉆機(jī)鉆進(jìn)噴漿、攪拌下沉、提升→成樁，其中滲透系數(shù)的影響因素主要為摻量［9］。密實(shí)度主要依靠攪拌和噴漿的時(shí)間長(zhǎng)短、上提噴漿管的速度和噴漿量的均勻程度來控制。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，齡期也是重要影響因素。

滲透試驗(yàn)方法采用變水頭試驗(yàn)。壓實(shí)度指標(biāo)用環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量相等的方法控制，并用最優(yōu)含水率17%控制含水率，容重采用原有土工試驗(yàn)結(jié)果。每份土樣0.4 kg，土凝巖摻量范圍為0%～20%，共分0%、4%、6%、8%、10%、12%、15%、20%八個(gè)不同摻入比。

1.2試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

1.2.1制備試樣過篩→烘干→稱量→制備土樣→含水率試驗(yàn)→放置一晝夜→進(jìn)行試驗(yàn)

原土樣取土地點(diǎn)為山東省平邑縣夫子山水庫土壩，基本物理指標(biāo)見表1，原土樣顆粒百分比見表2，土樣顆分曲線圖見圖1。

表1　原土樣基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of original soil sample

1.2.2含水率試驗(yàn)制備試樣時(shí)，利用剩下的混合土測(cè)定其含水率。按照土工試驗(yàn)規(guī)范（DL T 5355-2006）含水率試驗(yàn)的要求進(jìn)行操作。

1.2.3滲透性試驗(yàn)按照土工試驗(yàn)規(guī)范（DLT 5355-2006）變水頭滲透試驗(yàn)的要求進(jìn)行操作即可，操作過程應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）試樣應(yīng)測(cè)量含水率和總土重。

（2）不易透水的試樣應(yīng)用抽氣飽和裝置加速試樣飽和，加快試驗(yàn)進(jìn)度。

（3）起始和終止的水頭應(yīng)從變水頭管的液面到土樣上表面。

（4）試驗(yàn)以當(dāng)不同開始水頭下測(cè)定的滲透系數(shù)在允許差值范圍內(nèi)為結(jié)束的標(biāo)志，記錄完幾組數(shù)據(jù)以后立即計(jì)算滲透系數(shù)，若誤差太大應(yīng)多重復(fù)幾次。變水頭滲透系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：A—變水頭管的斷面積（cm2）；

2.3—ln和log的變換因數(shù)；

L—滲徑，即試樣高度（cm）；

t1，t2—分別為測(cè)讀水頭的起始和終止時(shí)間（s）；

H1，H2—起始和終止水頭。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1含水率試驗(yàn)結(jié)果與分析

從表3中可以看出，相同土樣含水率差別較小，在誤差范圍之內(nèi)。但是當(dāng)時(shí)考慮蒸發(fā)因素按照18.5%計(jì)量水，實(shí)際含水率大約在15.5%左右，與預(yù)期的17%差別較大，并且差別3%左右，誤差較大，說明考慮因素不足，經(jīng)驗(yàn)欠缺。分析原因應(yīng)該是當(dāng)時(shí)天氣炎熱加空調(diào)風(fēng)大，使水分蒸發(fā)較快，含水率偏低。以后的制備土樣應(yīng)以實(shí)際情況考慮額外添加的水量，并且多動(dòng)手以增加試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

表3　穩(wěn)定土含水率計(jì)算表Table 3 Percentage of moisture content in stabilized soil

2.2不同摻量試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同摻量下滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表4。根據(jù)試驗(yàn)作出散點(diǎn)圖見圖2。從圖中能得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）摻入土凝巖放置一晝夜的情況下，摻入土凝巖以后土樣的滲透系數(shù)都有所降低，由2.23E-05（cm/s）下降到0.5～1.5 E-05（cm/s），降低為原來的22%～67%。

（2）摻入量與滲透系數(shù)的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的反比例關(guān)系，摻量大于8%以后，近似是隨著摻量增加滲透系數(shù)降低，但是摻量小于8%時(shí)，滲透系數(shù)反而與摻量成正相關(guān)的關(guān)系，這是沒有想到的。摻量為20%時(shí)，滲透系數(shù)又有增大的趨勢(shì)。

（3）滲透系數(shù)與摻量并不是簡(jiǎn)單地負(fù)相關(guān)的關(guān)系，有可能在摻量較少的范圍內(nèi)反而成正相關(guān)，增大到一定值以后，才開始成負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著摻量繼續(xù)增加，滲透系數(shù)不降反增。

（4）得出的結(jié)論說明，土凝巖摻量只能說是影響滲透系數(shù)的一個(gè)因素之一，穩(wěn)定土的滲透系數(shù)還受很多其他因素影響［10］。

2.3養(yǎng)護(hù)24 h后試驗(yàn)結(jié)果與分析

由養(yǎng)護(hù)24 h后滲透系數(shù)與剛飽和時(shí)的滲透系數(shù)對(duì)比表5可以得出如下結(jié)論：

在養(yǎng)護(hù)了24 h以后，可以看出摻量為12%～15%的穩(wěn)定土滲透系數(shù)降低率最大，達(dá)到94%。說明摻量太多或太少，都不利于滲透系數(shù)的降低。滲透系數(shù)在前期降低較快，對(duì)工程是有益的，可以加快工程進(jìn)度。

由散點(diǎn)圖3中我們能得到以下結(jié)論：

（1）摻量為12%和15%的穩(wěn)定土在24 h后達(dá)到了4.68E-07 cm/s和3.58E-07 cm/s的滲透系數(shù)，是所有穩(wěn)定土中滲透系數(shù)最小的兩個(gè)，能達(dá)到E-07數(shù)量級(jí)的滲透系數(shù)，說明防滲效果極好。

（2）24 h后的和剛開始的滲透系數(shù)與摻量的關(guān)系相比較，總體的規(guī)律沒有變化，在摻量較小的范圍內(nèi)，滲透系數(shù)與摻量成正相關(guān)，之后成負(fù)相關(guān)，摻量的繼續(xù)增大反而有上升的趨勢(shì)。

（3）從工程的角度分析，摻入12%～15%的土凝巖是比較合適的，滲透系數(shù)最小，并且比較經(jīng)濟(jì)，這個(gè)結(jié)論與水泥摻量經(jīng)驗(yàn)值15%是相一致的。

表5　不同摻量下剛飽和與24 h后滲透系數(shù)對(duì)比表Table 5 Comparison of permeability coefficients between the just saturation and after 24 h in different dosages

圖3　不同摻量下剛飽和與24 h后滲透系數(shù)對(duì)比圖Fig.3 Comparison of permeability coefficients between the just saturation and after 24 h in different dosages

2.4滲透系數(shù)與飽和累計(jì)時(shí)間（齡期）之間的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了更好地研究滲透系數(shù)與飽和累計(jì)時(shí)間（齡期）之間的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了累計(jì)時(shí)間（以分鐘為單位）與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，見圖4和圖5。限于篇幅，以1-6和1-7土樣為例，剩余土樣的規(guī)律相同。

從擬合的線性回歸曲線可以得到以下結(jié)論：

（1）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透系數(shù)是逐漸下降的，摻量15%的土樣，剛飽和時(shí)滲透系數(shù)8.30E-6 cm/s，24 h達(dá)到3.86 E-6 cm/s，6 d下降到7.33E-8 cm/s，10 d下降至2.10E-8 cm/s，土凝巖摻入后對(duì)土滲透系數(shù)的降低有積極地促進(jìn)作用，并且最終達(dá)到2.10E-8 cm/s，符合水利工程施工規(guī)范要求。

（2）在測(cè)量的每一時(shí)間段內(nèi)，滲透系數(shù)與時(shí)間近似線性關(guān)系，線性回歸系數(shù)都在0.95以上，說明擬合較好，分段線性擬合是合適的。

（3）通過觀察同一土樣不同時(shí)間擬合函數(shù)的系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間延長(zhǎng)，系數(shù)逐漸減小，每次模擬系數(shù)比上次減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。這符合預(yù)計(jì)結(jié)果，即隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透系數(shù)的變化率越來越小，最終趨于穩(wěn)定。

（4）摻量為15%的土樣1-7，24 h以后模擬曲線斜率達(dá)到-1E-10，14000 min即10 d左右，斜率降低到-9E-12，其物理意義是每分鐘滲透系數(shù)下降-9E-12 cm/s，每天滲透系數(shù)下降1.3E-8 cm/s。

圖4　土樣1～6飽和累計(jì)時(shí)間（齡期）與滲透系數(shù)線性關(guān)系回歸Fig.4 The linear regression of the cumulative saturation time and permeability coefficients in sample 1-6

圖5　土樣1～7飽和累計(jì)時(shí)間（齡期）與滲透系數(shù)線性關(guān)系回歸Fig.5 The linear regression of the cumulative saturation time and permeability coefficients in sample 1-7

3　結(jié)論

（1）試驗(yàn)從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，尋找可能影響實(shí)際施工效果的因素，在實(shí)際試驗(yàn)的過程中通過前期結(jié)果分析，對(duì)影響因素的考慮逐步全面，分別研究了土凝巖的摻入量和飽和累計(jì)時(shí)間（齡期）對(duì)穩(wěn)定土滲透系數(shù)的影響。在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了實(shí)際操作中的一些可能影響試驗(yàn)精度的因素，提出來并應(yīng)該在以后的設(shè)計(jì)中多考慮，操作中盡量避免。

（2）以15%的摻入量摻入土凝巖時(shí)，滲透系數(shù)最小，24 h后達(dá)到3.58E-07 cm/s，10 d下降至2.10E-8 cm/s，并且24 h內(nèi)滲透系數(shù)降低幅度最大，達(dá)到94%，是比較適合實(shí)際工程施工要求的。

（3）滲透系數(shù)隨著齡期增加不斷降低，降低的速率也是逐漸變緩的，摻量15%左右10 d后每分鐘滲透系數(shù)降低9E-12 cm/s左右，基本是穩(wěn)定的。

（4）土凝巖應(yīng)用到截滲樁墻等對(duì)滲透性要求較高的工程，從滲透系數(shù)這一方面考慮，是可行的，經(jīng)濟(jì)并且效果較好的摻入比推薦為15%。

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The effect of Dosage and Age on Permeability Coefficient of Stabilized Soil Mixing with Soil Condensate Rock

FU Yan-kai1，LIU Jing-qiang1，2*，RONG Yun-jie1，LI Ming-lei2，LI Hai-yan2
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agriculture University，Taian 271018，China
2.Survey and Design Institute of Shandong Agricultural University，Taian 271018，China

Soil condensate rock is a martial with fly ash，coal gangue and other industrial wastes to be widely used in highway construction and water conservancy applications such as cutoff wall and replacement of weak foundation.This paper explored the effect law of different dosage and saturation cumulative time（age）on the stabilized soil's permeability coefficient through the variable head permeability test and put forward a feasible plan.The results showed that the permeability coefficient of stabilized soil with 15%soil condensate rock decreased rapidly in earlier stage and then it went up to 2.10 E-8 cm/s，which could satisfied with water conservancy engineering construction standard's requirements and was suitable for application to a cutoff wall.

Soil condensate rock；dosage；age；permeability coefficient

TV42+3

A

1000-2324（2016）02-0292-04

2015-08-25

2015-10-28

付延凱（1991-），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ?E-mail：eyd163yx@163.com

Author for correspondence.E-mail：13705489158@163.com