固化黃土滲透特性的試驗(yàn)研究

王銀梅，高立成

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

土壤固化劑的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，而不同領(lǐng)域?qū)袒恋男阅芤蟛煌云涔袒阅艿难芯恳簿鸵蚬こ桃蟛煌?。在固化土耐久性能試?yàn)中，研究較多的是固化土的抗?jié)B性能和抗凍性能。在以黃土為填筑料的水工建筑物、道路的路基工程、排水工程、垃圾場工程以及多層建筑的地基穩(wěn)定分析中，滲透性能的研究更具有研究意義。

目前，許多國內(nèi)外學(xué)者已對固化土的滲透變化規(guī)律進(jìn)行了研究。郭鴻等人探求不同壓實(shí)度和黃土摻量下粉煤灰滲透特性的變化［1］；儲(chǔ)誠富等對原狀土、重塑土和改性粉土的壓實(shí)性、滲透性等主要防滲墊層指標(biāo)進(jìn)行了對比評價(jià)。結(jié)果表明，原狀土和壓實(shí)重塑土的滲透性不能達(dá)到1×10-7cm／s，而改性土具有較好的壓實(shí)性和低滲透性；提出了該種粉質(zhì)黏土墊層改性后的最佳摻灰比為12%［2］；楊澤平、顧正維等也進(jìn)行了固化或改良土滲透性研究［3-6］。這些結(jié)果表明，固化土具有較高的抗?jié)B性能。

黃土作為一種區(qū)別于一般黏性土的特殊土，本身及固化后的滲透特性對于黃土地區(qū)工程的防滲十分重要。李志高等對石灰-下蜀黃土、粉煤灰-下蜀黃土的滲透系數(shù)的主要影響因素（摻灰比、含水量)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用雙因素方差分析法分析了摻灰比、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)摻灰比和含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對下蜀黃土的防滲性能均有重要影響［7］。郭婷婷等人對黃土二灰土工程特性進(jìn)行了研究，在黃土中加入石灰、粉煤灰后，減輕了地基的透水性。隨著粉煤灰含量的增加，其干密度減小，二灰土的滲透系數(shù)隨之增大，但其數(shù)值均較小，都屬于低滲透性土［8］。張麗萍等研究了2種離子固化劑改善黃土滲透性，發(fā)現(xiàn)添加CONAID和LUKANG后，對黃土的抗?jié)B性有很好的改善作用［7］。

筆者在閱讀分析大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，考慮到不同地區(qū)黃土性質(zhì)有所差異，選取山西兩種不同性質(zhì)的黃土，開展了重塑黃土和水泥、石灰及SH固化黃土的常規(guī)變水頭滲透試驗(yàn)，并探討固化黃土的滲透特性影響因素及變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

目前，在實(shí)驗(yàn)室中測定滲透系數(shù)k的儀器種類和試驗(yàn)方法很多，但主要的有常水頭法和變水頭法兩種。變水頭試驗(yàn)在試驗(yàn)過程中水頭差一直在隨時(shí)間而變化，可以比較準(zhǔn)確地測定出滲透系數(shù)較小的土的滲透系數(shù)，因此本試驗(yàn)采用變水頭法測定素黃土和固化土樣的滲透系數(shù)，滲透儀器采用ST55-2型改進(jìn)型滲透儀，內(nèi)置環(huán)刃內(nèi)徑61.8mm，高40 mm，透水石內(nèi)徑72mm。滲透試驗(yàn)按照土工實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃土取自山西不同地區(qū)，其基本物理性質(zhì)如表1所示。固化材料分別為水泥、生石灰和高分子材料SH。

水泥為太原市水泥廠生產(chǎn)的P.S.A 32.5礦渣硅酸鹽水泥；生石灰為湖南省衡陽市耒陽益佳石灰廠生產(chǎn)，有效鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，屬Ⅱ級石灰，符合試驗(yàn)要求，試驗(yàn)期間注意生石灰防潮；SH是采用化工廢料制成的新型高分子材料，成本較低，為無色透明的水溶液，固體洛質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，無毒，親水性強(qiáng)，常溫下能固化。

表1 土的基本性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方案

對所采取的黃土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定最優(yōu)含水率和最大干密度。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土1，黃土2的擊實(shí)特性不同，其最大干密度分別為1.73和1.75g／cm3，最優(yōu)含水率分別為17.6%和11.6%。

稱取一定量的風(fēng)干備用黃土，與相應(yīng)比例的固化材料及水（水泥、石灰按最優(yōu)含水率18%設(shè)計(jì)添加，SH不另外加水)充分混合，靜置于容器中，按預(yù)設(shè)的1.6g／cm3的干密度壓實(shí)制成環(huán)刀試樣并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定時(shí)間，取3個(gè)試樣為一組作為平行滲透試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測得，干密度為1.5，1.55，1.6g／cm3的重塑壓實(shí)黃土1和黃土2的滲透系數(shù)分別為11.86×10-6，10.67×10-6，8.788×10-6cm／s和 7.36×10-6，6.15×10-6，4.09×10-6cm／s。可見，兩種黃土經(jīng)重塑壓實(shí)后的滲透系數(shù)均較小，基本能滿足渠道等工程防滲要求。

黃土1滲透性之所以略大于黃土2，可能與黃土2的粒度成分、礦物成分和結(jié)合水膜等綜合因素有關(guān)。對照表1中黃土的顆粒組成可知，試驗(yàn)所用黃土1和黃土2分別屬于粉質(zhì)黏土和粉土，以粉粒和細(xì)砂粒含量居多，前者粒度偏細(xì)，顆粒組成較均勻，后者略粗，不均勻系數(shù)較大。黃土2的液塑限、塑性指數(shù)均低于黃土1，因液限較低，壓縮性可能較小，親水性較弱，工程性質(zhì)比較好。

2.1 滲透系數(shù)與固化材料摻量的關(guān)系

固化黃土的滲透系數(shù)隨著固化材料及用量的變化而變化，如表2和圖1所示。

2.2 滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系

固化黃土試件在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的滲透系數(shù)如表3和圖2所示。

表2 不同摻量的固化材料加固黃土1的滲透系數(shù)（28d齡期)

圖1 滲透系數(shù)與固化材料摻量的關(guān)系

圖2 滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系

由表3和圖2可以看出，黃土1加入石灰、水泥和SH后，無論加入比例多少和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長短，試樣的滲透系數(shù)均明顯減小，但基本在一個(gè)數(shù)量級或降一個(gè)數(shù)量級內(nèi)變化。養(yǎng)護(hù)齡期一定，隨著固化劑摻量的增加，固化土的滲透系數(shù)呈遞減趨勢。摻量一定，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，滲透系數(shù)下降進(jìn)一步加快。

表3 不同齡期的固化材料加固黃土1試樣的滲透系數(shù) 10-6cm／s

在相同的摻量下，石灰固化黃土的滲透系數(shù)比水泥和SH固化黃土的滲透系數(shù)要小。說明通過使用石灰固化黃土的抗?jié)B能力比使用水泥或SH固化黃土要好。

2.3 固化劑組合固化黃土試樣的滲透系數(shù)

采用SH和生石灰兩種固化劑組合處理黃土，測試28d養(yǎng)護(hù)齡期，兩種類型的黃土樣的滲透系數(shù)如表4所示。

SH和生石灰組合加固黃土的滲透系數(shù)較生石灰為大，比SH為小，介于二者之間。8%生石灰組的滲透系數(shù)明顯比8%組的SH溶液組小，也說明生石灰影響較SH大。

表4 固化黃土28d試樣的滲透系數(shù)

2.4 不同類型的黃土固化后的滲透系數(shù)

黃土2經(jīng)石灰和SH固化后的試樣滲透試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6和表7所示。

表5 不同齡期石灰固化黃土試樣的滲透系數(shù) 10-7cm／s

表6 28d齡期的SH固化黃土2的滲透系數(shù)

表7 不同齡期SH固化黃土試樣的滲透系數(shù) 10-7cm／s

對比黃土1和黃土2的滲透試驗(yàn)結(jié)果可以看出，黃土2經(jīng)水泥、石灰和SH固化后滲透系數(shù)明顯較黃土1為小，甚至低至一個(gè)數(shù)量級，說明粗粒黃土的防滲效果比細(xì)顆粒黃土加固效果明顯。這是因?yàn)椋袒牧霞尤牒髮Υ至Ｍ亮ｉg孔隙的充填效果更為有效，混合土的級配變好，更易于壓實(shí)，密度提高及相應(yīng)的滲透系數(shù)降低也會(huì)更明顯［8］。

綜合以上分析可知：黃土類型和性質(zhì)、固化劑類型及摻量和養(yǎng)護(hù)齡期是影響加固黃土滲透性的重要因素。此外制樣的干密度也影響固化土的滲透系數(shù)，隨制樣的干密度增大而減?。?1］。故在濕陷性黃土地基工程治理和應(yīng)用中應(yīng)考慮上述因素變化對滲透系數(shù)的影響，針對不同工程采用不同的取值，以達(dá)到防滲的目的，避免發(fā)生濕陷沉降。

黃土中加入水泥、石灰，SH后，滲透系數(shù)降低，是由于固化材料發(fā)揮了作用。水泥和石灰通過水泥、石灰和黃土間的物理化學(xué)反應(yīng)，水化水解所產(chǎn)生的CSH等水化物的膠結(jié)作用固化黃土；SH為水溶性高分子，其分子鏈上有羧基、羥基等親水基團(tuán)。SH與黃土拌合均勻，并輕微壓實(shí)后，高分子鏈就將土顆粒搭接，同時(shí)高分子鏈間的交聯(lián)，最終使整個(gè)土體成為一空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［12］；由于固化黃土后都可消除黃土的部分空隙，使黃土顆粒之間的連結(jié)力增強(qiáng)，提高土樣的緊密程度；摻量越大，充填膠結(jié)作用發(fā)揮充分，土的強(qiáng)度越大，從而使土樣中滲透路徑減少，滲透系數(shù)降低，抗?jié)B性能得以改善，抗?jié)B能力增強(qiáng)。

3 結(jié)論

用水泥、生石灰、高分子材料SH固化劑及組合進(jìn)行黃土加固處理，通過變水頭滲透試驗(yàn)，測定了素黃土及加固黃土在設(shè)計(jì)干密度下的滲透系數(shù)。通過對比分析認(rèn)為：

1)重塑壓實(shí)素黃土的滲透系數(shù)較小，在10-5～10-6cm／s之間，基本能滿足渠道等工程防滲要求。

2)添加水泥、生石灰、SH后，對黃土的抗?jié)B性有較好的改善作用。幾種固化土的滲透系數(shù)較素土均有較明顯的降低，在相同加固用量的水平下，石灰、SH對黃土抗?jié)B性的改良效果優(yōu)于水泥。

3)影響固化黃土滲透性的因素為黃土的類型和性質(zhì)、固化劑及摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、制樣密度等。同一種黃土加入固化劑固化，隨著固化劑摻量的增加，固化黃土養(yǎng)護(hù)齡期的延長，滲透系數(shù)呈遞減趨勢。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了使固化黃土滿足工程要求，具有良好的抗?jié)B性，應(yīng)該盡可能地延長固化黃土的養(yǎng)護(hù)齡期，還可考慮增加壓實(shí)度或密度。

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