改良土壤的滲透性能

馬瑞藝 周圓兀 林志南 王家全 胡鋒 吳炳輝

摘? 要：為了研究改良土壤作為濕地公園湖底防滲材料的可行性，開展外加劑改良柳州市北部生態(tài)新區(qū)某濕地公園各類土樣的室內(nèi)擊實試驗和滲透試驗.研究表明：①阻隔劑最優(yōu)改良后雜填土，以及經(jīng)石灰、粉煤灰最優(yōu)改良后耕植土滲透系數(shù)最低仍達10-6數(shù)量級，因而，施工中雜填土、耕植土不能作為防滲墊層襯里材料;②阻隔劑改良風化頁巖中，隨著水玻璃與CaCl2比值增大至47%，滲透系數(shù)曲線呈拋物線，存在一個臨界比值為27%，在該比值下其滲透系數(shù)最小;③黃粘土改良中，阻隔劑改良黃粘土最優(yōu)摻量為10%;二灰改良建議采用10%粉煤灰與8.5%石灰進行組合，該組合下，防滲效果最理想;膨潤土改良中，從經(jīng)濟與防滲效果綜合考慮，推薦選用8%膨潤土摻量.研究結(jié)果可為柳州市北部生態(tài)新區(qū)某濕地公園中湖底防滲工程提供數(shù)據(jù)參考.

關(guān)鍵詞：改良土壤;擊實特性;滲透性能;防滲材料

中圖分類號：TV443? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.014

0? ? 引言

近年來，“綠水青山就是金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展理念受到人們的高度重視.在興建濕地公園等一系列綠化工程時，采用傳統(tǒng)的混凝土防滲、復(fù)合土工膜、化學(xué)灌漿防滲等方法，具有二次污染、造價高、適用性不強、對工作人員的身體健康造成危害等不足.本項目基于柳州市北部生態(tài)新區(qū)某濕地公園建設(shè)工程，開展改良雜填土、風化頁巖、黃粘土、耕植土的防滲機理研究.該工程位于柳州市北部生態(tài)新區(qū)，面積約5.84×106 m2，地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)場地屬巖溶盆地地貌[1]，主要土層為碳酸鹽巖經(jīng)紅土化作用后形成的粘土，下伏基巖為中石炭統(tǒng)大埔組灰質(zhì)白云巖及下石炭統(tǒng)大塘階頁巖.從經(jīng)濟性、適用性，以及環(huán)保的角度出發(fā)考慮對場地土壤進行改良，達到防滲的要求.

通過查閱已有研究資料，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)湖底防滲墊層具有二次污染、完全阻隔生態(tài)交換、造價高、適用性不強、對工作人員的身體健康造成危害等不足.粘土墊層是近十幾年我國發(fā)展起來的一種新型防滲材料，粘性土主要含蒙脫石這一粘土礦物[2]，并具有“上硬下軟”的反剖面特性[3].國外研究[4-5]也表明粘土具有良好的防滲效果，將其作為工程防滲墊層材料具有可行性和現(xiàn)實意義，因此，工程界將改良粘土廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場[6]、果園[7-8]、人工湖[9]、水渠、景觀河的防滲墊層.郭浩磊[10]通過對比馬蘭黃土、紅粘土以及二者混合的復(fù)合粘土的擊實試驗和滲透試驗，對其作為馬蘭垃圾填埋場墊層的可行性進行研究.結(jié)果表明：壓實馬蘭黃土防滲性能差，壓實粘土、壓實復(fù)合粘土滲透系數(shù)小，從經(jīng)濟環(huán)保的角度考慮最終選用復(fù)合粘土作為馬蘭垃圾填埋場墊層，推薦復(fù)合粘土的摻量為21%.劉志龍[11]利用粘土對深圳市福田河進行湖底防滲，粘土防滲不僅凈化水質(zhì)，還能實現(xiàn)生物與微生物的生態(tài)交換過程以及湖水與地下水的雙向調(diào)節(jié).常用于改良土壤的外加劑有：高分子羧甲基纖維素鈉[12]、水泥[13]、二灰（粉煤灰+石灰）[14]、膨潤土[15]、固化劑[16].然而對于改良粘土作為防滲墊層的認識存在一些不足：①大多數(shù)學(xué)者對于粘土作為防滲墊層材料只基于室內(nèi)試驗研究和理論分析，未結(jié)合實際工程項目，以致得到的參數(shù)或重要結(jié)論無法與工程實際相互驗證;②學(xué)者們對改良后粘土研究內(nèi)容主要集中在：抗剪強度、擊實特性、加州承載比（CBR）、無側(cè)限抗壓強度指標方面，對其改良后的滲透性能研究較少，且大多數(shù)研究多集中在將紅粘土作為垃圾填埋場進行可行性分析，而作為人工湖湖底防滲墊層的適用性研究相對較少;③由于粘土的地域性明顯，學(xué)者們推薦改良粘土防滲效果較好的外加劑和摻量也不相同，對柳州地區(qū)粘土防滲效果較好的外加劑和摻量的研究還處于空白.

鑒于此，從造價、適用性、環(huán)保方面考慮，本課題開展某濕地公園庫區(qū)生態(tài)抗?jié)B阻隔技術(shù)研究，對現(xiàn)場土壤進行改良，改變土顆粒結(jié)構(gòu)，使土顆粒內(nèi)部原始內(nèi)聚力重新組合，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的凝聚，并填充土體孔隙，形成抗?jié)B阻隔層，取代了防滲土工膜，達到有效防滲、提高土體強度、易操作、降低造價的目的;并配合鋪設(shè)礫石砂層加強水體過濾，以及種植水生植物以凈化水質(zhì)，真正達到建設(shè)生態(tài)湖底的效果.具體包括：阻隔劑改良雜填土，水玻璃、膨潤土改良風化頁巖，阻隔劑改良風化頁巖和黃粘土，二灰改良黃粘土，膨潤土改良黃粘土，二灰改良耕植土.利用改良土體在可控范圍內(nèi)的滲透率，不完全隔絕生態(tài)交換過程，避免了死水的形成，令人工湖達到一個自然的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，使景觀水質(zhì)不易惡化，保持良好的觀賞性.相較傳統(tǒng)的復(fù)合土工膜防滲、混凝土防滲、化學(xué)灌漿防滲、生物防滲等，該防滲阻隔劑具有就地取材、節(jié)約成本、施工過程中無污染、綠色環(huán)保、適用性更強的優(yōu)勢.因此，本研究對工程實踐中土壤改良的防滲處理具有重要工程價值.由于這種方法在防滲效果和生態(tài)環(huán)保二者需求之間有較好的協(xié)調(diào)性，因此前景廣闊.

1? ? 試驗過程及方法

1.1? ?材料選取

試驗選用的土樣取自柳州市北部生態(tài)新區(qū)某濕地公園，依據(jù)《土工試驗方法標準》（GB /T 50123—1999）和《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007），求得各類土樣的密度、天然含水率、風干含水率，如表1所示.

從表1中可知，土的密度在1.41～2.12 g·cm-3，紫粘土、紅粘土、黃粘土、湖底淤泥的天然含水率分別為30.85%、37.34%、29.75%、27.05%，比雜填土和耕植土的含水率大，說明在自然狀態(tài)下，這幾類土的持水性能即水穩(wěn)定性較好.

水玻璃具有成本低、無毒、適用性強、粘結(jié)能力好的特點，硅酸凝膠能堵塞土顆粒間的孔隙并在顆粒表面形成連續(xù)封閉膜，因而具有很好的抗?jié)B性.水玻璃和氯化鈣通過物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的硅酸凝膠，在水的介質(zhì)下，在土粒間和表面形成膠凝膜，膠結(jié)土體并充滿土中的孔隙，從而提高土體的強度，因此，被廣泛應(yīng)用于紅粘土的改良中.膨潤土主要礦物為蒙脫石，具有吸水膨脹、失水收縮的特性，其膨脹后體積高達干土體積的30倍，因此，被廣泛應(yīng)用于紅粘土的改良中.石灰、粉煤灰是工業(yè)廢渣，其礦物成分是SiO2、Fe2O3、MgO、CaO等，二灰中這些具有活性的礦物成分能與紅粘土中的粘粒發(fā)生反應(yīng)，從而改善紅粘土的物理性質(zhì).

1.2? ?擊實試驗

為了使改性劑在土中均勻分布，試驗的所有試樣均采用一邊通過噴霧噴入干后經(jīng)碾細的土樣，一邊充分拌和的方式.悶料24 h后，按照《土工試驗方法標準》（ GB /T 50123—1999） 采用分層擊實法進行擊實試驗，求得最優(yōu)含水率，進而針對最大干密度的土樣取環(huán)刀樣進行滲透試驗，獲得該土樣的滲透系數(shù).擊實后獲得的圓柱體土樣如圖1所示.通過公式（1）求干密度：

其中：ω為含水量，%;ρ為濕密度，g·cm-3;ρd為干密度，g·cm-3.各類土的最大干密度和最優(yōu)含水率如表2所示.

土體處于最優(yōu)含水率時，擊實土的干密度最大，孔隙比最小，土顆粒鑲嵌得最密實，加之膠凝材料水化產(chǎn)物對土顆粒的包裹作用以及對空隙的填充作用，使得試件的整體性較強，所以CBR值也較高.從表2中可以看出，紅粘土、黃粘土能在最大干密度與最優(yōu)含水率之間保持較好的平衡，而雜填土、風化頁巖則不能在最大干密度與最優(yōu)含水率之間保持較好的平衡.試驗所得的最優(yōu)含水率為施工中碾壓含水率提供數(shù)據(jù)參考.

1.3? ?變水頭滲透試驗

由于粘性土滲透系數(shù)較小，經(jīng)過壓實后透水性較弱，常水頭試驗不易準確測定，須采用變水頭試驗.試驗按照《土工試驗規(guī)程（SL237—2019）》中的要求進行制備.試驗儀器為TST-55型滲透儀.根據(jù)式（2）計算滲透系數(shù)：

2? ? 結(jié)果與分析

對柳州市北部生態(tài)新區(qū)某濕地公園所取的各類土壤開展一系列外加劑改良下的室內(nèi)滲透試驗，各個因素對滲透性能的影響分析如下.

2.1? ?阻隔劑改良雜填土

如圖2所示，水玻璃與CaCl2比值為30%，相比于25%滲透系數(shù)減小了79.36%;水玻璃與CaCl2比值從30%增大到35%時，其滲透系數(shù)反而增大，存在一個臨界值為30%，此時土體防滲性能最好.該現(xiàn)象歸結(jié)為：水玻璃和CaCl2比值從25%增大到30%過程中，雜填土中硅酸鈉與CaCl2反應(yīng)生成的硅酸鈣沉淀含量不斷提高，填充土顆粒之間的空隙，令土體更加緊密，水穩(wěn)性能提高;同時，硅酸鈉經(jīng)過物理作用生成硅酸凝膠使土樣更加密實.但隨著水玻璃和CaCl2比值從30%增大到35%過程中，水玻璃中原本有一定的含水率，故雜填土中含水率不斷提高，導(dǎo)致相同擊實功下土體壓實度下降，因而滲透系數(shù)提高.

綜上，在阻隔劑改良雜填土中，最優(yōu)配比下，土體滲透系數(shù)最低仍達10-6數(shù)量級，因而阻隔劑改良雜填土不能滿足防滲墊層襯里的要求.

2.2? ?水玻璃、膨潤土改良風化頁巖

水玻璃、膨潤土共同改良風化頁巖試驗中，先將膨潤土與風化頁巖均勻拌和，在擊實試驗制備土柱添土至最后一層時均勻噴灑水玻璃溶液，再按規(guī)范擊實達到一定擊數(shù).30%水玻璃濃度下，膨潤土含量為15%時的滲透系數(shù)僅有膨潤土含量為5%的4%.究其原因為：加入水玻璃、膨潤土后，土體相互聯(lián)結(jié)，顆粒膠結(jié)性增強，膠結(jié)作用使得形成土體致密性結(jié)構(gòu)，因而大大削弱風化頁巖滲透系數(shù)，如表3所示.

[土體種類 膨潤土含量/% 滲透系數(shù)/ （cm·s-1） 風化頁巖 0 1.82E-06 5 5.95E-08 15 2.33E-09 ]

2.3? ?阻隔劑改良風化頁巖

如圖3所示：阻隔劑改良風化頁巖試驗中，逐漸增大水玻璃與CaCl2比值至27%的過程中滲透系數(shù)逐漸降低，但當水玻璃與CaCl2比值超過27%時，其滲透系數(shù)反而升高，因此，存在一個臨界比值為27%，在該比值下其滲透系數(shù)最小.究其原因：硅酸鈉溶液和CaCl2反應(yīng)生成硅酸鈣以及膠結(jié)作用生成硅酸凝膠.硅酸凝膠是一種致密性的膠體，包裹土顆粒，填充土樣，堵塞土體孔隙，令土體密實.但當水玻璃與CaCl2比值從27%增大至40%過程中，水玻璃中原本有一定的含水率，令雜填土中含水率不斷提高，導(dǎo)致相同擊實功下土體壓實度下降，因而滲透系數(shù)提高.

綜上，風化頁巖在水玻璃與CaCl2改良下的防滲效果優(yōu)于水玻璃與膨潤土，建議北部生態(tài)新區(qū)風化頁巖地層的外加劑選用比值為0.27的水玻璃與CaCl2組合，該組合下改良效果最優(yōu).

2.4? ?阻隔劑改良黃粘土

如圖4所示，阻隔劑改良黃粘土試驗中，水玻璃與CaCl2比值在10%、15%、25%變化，水玻璃與CaCl2比值增大到10%過程中其滲透系數(shù)逐漸減小.但當水玻璃與CaCl2比值從10%到25%時，其滲透系數(shù)又有所提高，存在一個臨界比值為10%，在該比值下滲透系數(shù)最小.因而，在使用阻隔劑改良黃粘土時，應(yīng)嚴格控制水玻璃與CaCl2的比值，其最優(yōu)比值為10%.

2.5? ?粉煤灰、二灰改良黃粘土

如圖5所示，粉煤灰改良黃粘土時，在一定范圍內(nèi)增大粉煤灰含量到15%時其滲透系數(shù)降低.該過程中黃粘土與粉煤灰主要發(fā)生離子交換作用和硬凝反應(yīng)，離子交換作用令土顆粒迅速凝結(jié)，硬凝反應(yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠體、水化鋁酸鈣凝膠體填充黃粘土孔隙結(jié)構(gòu)，形成致密性土體.但當粉煤灰含量從15%增大到30%時其滲透系數(shù)反而升高，15%粉煤灰摻量的滲透系數(shù)僅為30%粉煤灰摻量滲透系數(shù)的87.4%.粉煤灰存在一個臨界摻量為15%.但粉煤灰對土體可塑性具有降低作用[17]，因而粉煤灰摻量不宜過高.

如圖6所示，二灰改良黃粘土時，粉煤灰含量為10%，逐漸增大石灰摻量至8.5%過程中，滲透也隨之降低.其原因是：在該過程中，通過石灰與粘土中的粘粒發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，石灰與粘粒反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)填充孔隙，石灰、粉煤灰與粘粒反應(yīng)生成物質(zhì)的“化學(xué)填充”作用以及膠結(jié)作用使土粒間的聯(lián)結(jié)力更強，粉煤灰硬凝反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化硅酸鋁凝膠體，填充紅粘土孔隙結(jié)構(gòu)，從而增強土體的抗?jié)B性能.然而，當石灰摻量從8.5%增大至10.0%時滲透系數(shù)反而提高，石灰含量存在一個臨界值8.5%，換言之，當粉煤灰摻量為10.0%，石灰摻量為8.5%時土體的改良效果最好.其原因是石灰摻量小于8.5%時，石灰主要起穩(wěn)定作用，粉煤灰削弱了土體的可塑性、膨脹性、吸水量，使土體的密實度提高，從而改善水理性;但超過8.5%這一臨界值后，土體不易壓實，因而防滲效果較差.

綜上，在施工中粉煤灰改良黃粘土時，推薦粉煤灰摻量為15%;二灰改良黃粘土中，建議采用10.0%的粉煤灰與8.5%石灰組合，該組合下防滲效果最理想.

2.6? ?膨潤土改良黃粘土

如圖7所示，膨潤土改良黃粘土試驗中，當含水率一定，膨潤土逐漸增大至15%時，其滲透系數(shù)逐漸降低.該過程的機理為：利用膨潤土細度大以及吸水膨脹（膨脹倍數(shù)可達10～30倍）的特性，物理填充黃粘土的孔隙結(jié)構(gòu)，加入納米膨潤土后，相互聯(lián)結(jié)增多，結(jié)構(gòu)致密性增強，從而削弱滲透率.膨潤土含量越高，其防滲效果越好，但是，在實際施工中，過高的膨潤土摻量會導(dǎo)致改良方案不經(jīng)濟.

如圖8所示，膨潤土含量為15%時，當含水率逐漸增大至25%時，其滲透系數(shù)逐漸減弱，但當含水率從25%增大至55%過程中，其滲透率反而提高.該現(xiàn)象的原因在于：隨著含水率增大，土體顆粒間自由水增多，土顆粒被自由水包圍分散，同時將土顆粒包圍形成結(jié)合水膜，提高了孔隙水壓力，削弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力，導(dǎo)致土體防滲性能減弱，含水率過高，因而形成的骨架不夠密實，導(dǎo)致滲透系數(shù)提高.

綜上，用阻隔劑、粉煤灰、二灰、膨潤土分別改良黃粘土，其最優(yōu)改良后的滲透效果均達10-7數(shù)量級，滿足防滲層襯里的要求，從施工難度、可操作性、經(jīng)濟、環(huán)保角度考慮，推薦黃粘土地層選用8%膨潤土，大約25%含水率壓實，改良效果最理想.

2.7? ?石灰、粉煤灰改良耕植土

從表4中可以看出，粉煤灰改良耕植土試驗中，粉煤灰含量為20%時的滲透系數(shù)約為粉煤灰含量為10%時滲透系數(shù)的48%，究其原因為耕植土與粉煤灰之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，“物理填充”作用改善了土的水穩(wěn)定性.但是，在實際工程中，粉煤灰含量不宜過大，含量過大會導(dǎo)致強度下降，且過剩的粉煤灰殘留在土體表面，容易導(dǎo)致?lián)P塵污染空氣.粉煤灰改良耕植土中，在改良效果最優(yōu)的狀態(tài)下滲透系數(shù)最低仍達10-6數(shù)量級，不滿足防滲層襯里的要求.

如圖9所示，石灰改良耕植土中，當石灰含量逐漸增大至16%時，其滲透系數(shù)是減小的，原因是該過程中石灰與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成凝膠物質(zhì)填充孔隙;石灰的膠結(jié)作用使土粒間的連接更為緊密，因而提高土體的抗沖蝕性能.但當石灰含量從16%增大至30%時，其滲透系數(shù)反而增高，存在一個臨界值，該臨界值下耕植土滲透系數(shù)最小但仍達10-6數(shù)量級.其原因是：石灰是一種無機的膠結(jié)材料，石灰含量從10%增大至16%過程中，石灰主要起穩(wěn)定作用，削弱了土體可塑性、吸水能力，從而改善土體的密實度、水理性，但超過16%這一臨界值后，土體不易壓實，因而，防滲效果較差.

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，提高石灰、粉煤灰含量會降低耕植土的滲透系數(shù)，提高其抗?jié)B性能.但是，耕植土在石灰或粉煤灰改良效果最佳的情況下滲透系數(shù)最低仍達10-6數(shù)量級，因而改良耕植土不滿足防滲墊層襯里要求.

3? ? 結(jié)論與建議

通過對柳州市北部生態(tài)新區(qū)某在建濕地公園現(xiàn)場所取各類土樣改良后進行一系列室內(nèi)滲透試驗，得到如下結(jié)論：

1）在阻隔劑改良雜填土中，最優(yōu)配比下，土體滲透系數(shù)最低仍達10-6數(shù)量級，因而阻隔劑改良雜填土不能滿足防滲墊層襯里的要求.

2）阻隔劑改良風化頁巖中，逐漸增大水玻璃與CaCl2比值至27%的過程中，滲透系數(shù)逐漸降低，但當水玻璃與CaCl2比值超過27%時，其滲透系數(shù)反而升高，存在一個臨界比值為27%，在該比值下其滲透系數(shù)最小，達到防滲要求，推薦施工中選用27%最優(yōu)比值對風化頁巖改良.

3）阻隔劑改良黃粘土中，隨著水玻璃與CaCl2比值的提高，滲透曲線呈拋物線，存在一個臨界值為10%.因而，工程中推薦選用水玻璃與CaCl2比值為10%改良黃粘土.

4）黃粘土改良中，二灰改良建議采用10%粉煤灰與8.5%石灰進行組合，該組合下，防滲效果最理想.膨潤土改良中，膨潤土含量越高，其防滲效果越好，但從經(jīng)濟與防滲效果綜合考慮，推薦選用8%膨潤土摻量.

5） 經(jīng)石灰、粉煤灰改良效果最好后耕植土的滲透系數(shù)最低達10-6數(shù)量級，不滿足防滲層襯里的要求.施工中不宜選用改良耕植土作為防滲材料.

6） 外加劑改良后的各類土壤的防滲性能研究中，阻隔劑最優(yōu)改良風化頁巖以及阻隔劑、粉煤灰、二灰、膨潤土分別改良黃粘土后的滲透系數(shù)均達10-7數(shù)量級，滿足防滲層襯里的要求，從施工難度、可操作性、經(jīng)濟、環(huán)保角度考慮，推薦選用摻8%膨潤土的紅粘土壓實作為柳州市北部生態(tài)新區(qū)某濕地公園襯墊.

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