水泥土的長期滲透特性研究*

焦德才, 楊俊杰**, 董猛榮, 米 瑞, 白書麒, 王 曼

(1. 中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

水泥土是水泥漿或水泥干粉與原位土充分混合后形成的加固體，一般可采用深層攪拌法、高壓噴射注漿法、旋噴攪拌法等方法施工[1]。水泥土廣泛應用于豎向承載的復合地基、路基或堤基工程中的大體積穩(wěn)定土、抵抗土壓力的支擋結(jié)構(gòu)；同時，具有良好抗?jié)B性能的水泥土也常常用于基坑工程中的防滲止水帷幕等[2-7]。水在水泥土中的滲透是一個長期漫長的過程，水泥土的滲透性隨著齡期不斷改變，研究水泥土長期滲透特性對水泥土在防滲止水帷幕中的應用具有一定的工程意義。

滲透性是防滲止水帷幕工程設計的重要指標。影響水泥土滲透性的主要因素有原土的性質(zhì)、水泥摻量、外加劑、養(yǎng)護齡期、試驗溫度、水泥土孔隙比等。針對水泥土的滲透性，國內(nèi)外學者進行了大量室內(nèi)試驗研究。試驗結(jié)果表明，固化后的水泥土滲透系數(shù)大幅度降低，其中粘土的滲透系數(shù)可以降低到幾分之一甚至一個數(shù)量級，淤泥降低一個數(shù)量級以上，而砂質(zhì)土降低兩個數(shù)量級以上[8]；水泥土滲透系數(shù)隨水泥摻量的增加而降低[9-12]；在水泥土中添加一定量的外加劑可有效地降低水泥土的滲透系數(shù)，粉煤灰摻量對水泥土滲透系數(shù)的影響程度大于膨潤土摻量對其的影響程度[13]；滲透試驗中的溫度也會影響水泥土的滲透性，隨試驗溫度的升高水泥土滲透系數(shù)逐漸增加，低摻量水泥土滲透系數(shù)隨溫度的變化率大于高摻量水泥土滲透系數(shù)隨溫度的變化率[14]；水泥土的滲透性與水泥土孔隙比呈正相關(guān)，孔隙比越小，滲透系數(shù)越小[15]。

關(guān)于水泥土滲透性與水泥土養(yǎng)護齡期的關(guān)系，朱崇輝等[16]的試驗結(jié)果表明，水泥摻入比、干密度等試驗配合比參數(shù)一定的條件下，水泥土的滲透系數(shù)隨著養(yǎng)護齡期的增加逐漸減小，但是，減小幅度隨齡期逐漸變緩，齡期在14～21 d時，滲透系數(shù)降低速率較大，可降低2～3個數(shù)量級。侯永峰等[9]的試驗結(jié)果表明，水泥加固蕭山黏土的滲透系數(shù)隨齡期的增長逐漸減小，特別是在28 d以內(nèi)，滲透系數(shù)降低較快。盧亮等[17]的試驗結(jié)果表明，對于水泥加固粉砂，養(yǎng)護齡期在28～60 d時，水泥土的滲透系數(shù)有明顯減小，60 d后水泥土的滲透系數(shù)變化不再明顯。而對于粉質(zhì)黏土，達到10%的水泥摻量和28 d的養(yǎng)護齡期后，水泥土的滲透系數(shù)變化均不再明顯。董邑寧[12]通過研究水泥加固蕭山黏土在8%、10%、12%和15%四種摻入比下滲透系數(shù)齡期的關(guān)系，試驗結(jié)果表明，摻入比為12%和15%時,滲透系數(shù)隨齡期增長降低速率較大。胡漢兵等[18]的試驗結(jié)果表明，水泥土養(yǎng)護齡期越長，滲透系數(shù)越小，并且對比28和90 d齡期滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在k90=(0.1～0.3)k28關(guān)系。

上述研究結(jié)果表明，養(yǎng)護齡期越長，滲透性越小。但是，目前沒有關(guān)于水泥土長期滲透性預測的研究。本文通過一系列的水泥土滲透試驗，研究了水泥土滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系，并提出了一種不含擬合參數(shù)的水泥土長期滲透系數(shù)預測式。通過短齡期水泥土滲透系數(shù)預測長齡期滲透系數(shù)，可節(jié)省室內(nèi)滲透試驗時間。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗用土選粉土和黏土兩種類型。其中粉土選用黃河口粉土，黏土選用商品高嶺土。依據(jù)《土工試驗方法標準》[19]，測定的土樣物理性質(zhì)指標如表1所示。試驗用水泥為山東水泥集團有限公司生產(chǎn)的32.5號普通硅酸鹽水泥。采用海水制備水泥土試樣，滲透試驗的滲透介質(zhì)采用相同的海水。海水由海水素與自來水按照標準海水濃度配置而成。

1.2 試驗方案

試驗方案如表2所示。其中，為使水泥土易于攪拌、成型，調(diào)整試驗用土含水量至液限的1.2倍。

表2 滲透試驗試樣制備方案Table 2 The sample preparation of permeability test

1.3 試驗方法

采用變水頭試驗，試驗儀器為南55型滲透儀。

在制備試樣時，將土樣烘干并碾碎，然后按表2的試樣制備方案，先將烘干后的土樣與水泥混合，再加入海水攪拌均勻，然后分兩次填入內(nèi)壁均勻涂抹有少量玻璃膠的環(huán)刀模具(直徑6.18 cm、高4 cm)中(見圖1)。玻璃膠能夠很好的與環(huán)刀內(nèi)壁和水泥土緊密接觸，可防止側(cè)壁漏水等情況，選用的玻璃膠為中性，不參與水泥土的水化反應。最后將制備的試樣放入標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，至規(guī)定的齡期后實施滲透試驗。

圖1 制備的試樣 Fig.1 Prepared sample

根據(jù)《水泥土配合比規(guī)程》[20]，當?shù)味ü芤好嫦陆捣€(wěn)定后開始讀數(shù)并同時測量水溫。每30 min讀數(shù)一次，讀4次數(shù)并計算得到3個滲透系數(shù)值，取其平均值作為該試樣的滲透系數(shù)。每種試樣共3個，其中兩個做滲透試驗，一個測水泥土養(yǎng)護前后的質(zhì)量、體積和含水量。

2 水泥土的滲透特性

2.1 灰水比對水泥土滲透系數(shù)的影響

水泥摻入比是水泥質(zhì)量和原土質(zhì)量(土粒和土中水質(zhì)量)之比，不含水泥漿加固時水泥漿中的水。而灰水比則是水泥質(zhì)量與原土中的水及水泥漿中的水質(zhì)量之和的比值，包含了所有水的質(zhì)量，因此某種程度上，灰水比是影響水泥土強度的關(guān)鍵因素[21-25]。本文將灰水比作為水泥摻量的指標，討論灰水比對水泥土滲透性的影響。如圖所示，在本文試驗條件下，與原土種類無關(guān)，同一齡期水泥土的滲透系數(shù)隨灰水比的增大線性減小。如果將這一變化趨勢假定為直線，如圖2中虛線范圍，粉土水泥土的滲透系數(shù)大于相同灰水比、相同齡期高嶺土水泥土的滲透系數(shù)。另一方面，直線斜率因原土種類和齡期而不同，說明水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率與原土的種類及齡期有關(guān)(見圖3)。

圖2 水泥土滲透系數(shù)與灰水比關(guān)系Fig.2 The relationship between permeabilitycoefficient of cement soil and cement-water ratio

圖3 水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率與齡期關(guān)系Fig.3 The relationship between the decreasing rate of permeability coefficient of cement soil with cement-water ratio and curing time

如圖3所示，原土為粉土的水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率大于相同齡期高嶺土水泥土的滲透系數(shù)降低速率；原土為粉土的水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率隨齡期增大而減小，而原土為高嶺土的水泥土滲透系數(shù)的降低速率受齡期的影響不明顯。

2.2 水泥土的長期滲透特性

圖4為水泥加固黃河口粉土和高嶺土的滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系。

圖4 水泥土滲透系數(shù)與齡期關(guān)系Fig.4 The relationship between permeabilitycoefficient of cement soil and curing time

如圖4所示，與原土種類無關(guān)，水泥土滲透系數(shù)均隨齡期的增加逐漸降低。在齡期小于28 d時，滲透系數(shù)隨齡期的降低速率較大，但是這一趨勢因灰水比增大變得不明顯，即，低摻量水泥土滲透系數(shù)在齡期較小時降低速率較大；當齡期超過28 d后，滲透系數(shù)降低趨于平緩，這一趨勢受水泥摻量的影響不大。

3 水泥土長期滲透系數(shù)預測

3.1 長期滲透系數(shù)預測式

本文提出一種不含擬合參數(shù)的水泥土長期滲透系數(shù)預測式為：

(1)

式中：k為某條件下齡期時的水泥土預測滲透系數(shù)(cm/s)；kt0表示相同條件下t0齡期時的滲透系數(shù)(cm/s)；R為水泥土灰水比。

已知某一短齡期的水泥土滲透系數(shù)，可利用式(1)預測長齡期的滲透系數(shù)。設t0和kt0分別為28 d齡期及相應的水泥土滲透系數(shù)，利用式(1)預測的60和90 d水泥土滲透系數(shù)及實測值的對比結(jié)果如圖5、6所示。水泥土滲透系數(shù)預測值和實測值基本一致(見圖5)，預測的滲透系數(shù)隨齡期的變化趨勢基本反映了試驗規(guī)律(見圖6)。

圖5 滲透系數(shù)預測值和實測值對比Fig.5 Comparison between predicted andmeasured values of permeability coefficient

圖6 滲透系數(shù)預測值隨齡期的變化趨勢Fig.6 The predicted values variation of permeability coefficient with curing time

為進一步方便使用，將式(1)分別與式(2a)和式(2b)聯(lián)立，從而可利用水泥土常用配合比參數(shù)預測長期滲透系數(shù)。

采用水泥漿固化(濕法)時[25-26]

(2a)

采用水泥干粉固化(干法)時[25-26]

(2b)

式中:C為水泥漿水灰比；wn為原土的天然含水量；aw為水泥摻入比。

3.2 滲透系數(shù)預測結(jié)果與其他學者試驗結(jié)果對比

圖7為采用式(1)預測的水泥土長期滲透系數(shù)與陳四利、王賢昆、袁偉和侯永峰等的試驗結(jié)果的對比情況，其中，設t0和kt0分別為28 d齡期及相應的水泥土滲透系數(shù)。陳四利等[27]的試驗用土為沈陽市某地的粉質(zhì)黏土，采用清水環(huán)境養(yǎng)護。王賢昆等[28]的試驗用土為廣州珠江新城地區(qū)的粉質(zhì)黏土，放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護。袁偉[29]的試驗用土為青島膠州灣濱海相吹填軟土，采用標準養(yǎng)護。侯永峰等[9]的試驗用土分別為蕭山黏土和采自溝通工程的粉土，脫模后用塑料袋密封置于清水環(huán)境養(yǎng)護。上述試驗所用水泥均為42.5號普通硅酸鹽水泥。

如圖7所示，對于水泥固化粉土、粉質(zhì)黏土、黏土及濱海相軟土，本文提出的水泥土長期滲透系數(shù)預測式的預測結(jié)果基本反映了水泥土滲透系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律，與上述學者的試驗結(jié)果具有較好的一致性。

4 結(jié)論

本文對水泥加固粉土和黏土形成的水泥土進行了一系列滲透試驗，研究了灰水比和齡期變化與水泥土滲透系數(shù)的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

(1)水泥土的滲透系數(shù)隨灰水比的增大逐漸降低。粉土水泥土的滲透系數(shù)降低幅度大于高嶺土水泥土的滲透系數(shù)，其中粉土水泥土灰水比為0.431時的滲透系數(shù)較灰水比為0.216和0.302時的滲透系數(shù)減少一個數(shù)量級。

(2)水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率與原土的種類及齡期有關(guān)，粉土水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率大于相同齡期高嶺土水泥土的滲透系數(shù)降低速率，粉土水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率隨齡期增大而減小，而高嶺土水泥土滲透系數(shù)降低速率受齡期的影響不明顯。

(3)水泥土的滲透系數(shù)隨齡期的增大逐漸降低，初期滲透系數(shù)降低速率較大，在齡期超過28 d后，滲透系數(shù)隨齡期的降低速率減小。

圖7 預測值與學者試驗結(jié)果的對比Fig.7 Comparison between predicted values and test results

(4)提出了水泥土長期滲透系數(shù)預測式，已知灰水比和某一短齡期的水泥土滲透系數(shù)即可預測長期滲透系數(shù)，預測結(jié)果較好地反映了水泥土滲透系數(shù)隨齡期的降低規(guī)律。