土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗研究

梅丹兵　杜延軍　劉松玉　范日東　楊玉玲

(東南大學巖土工程研究所,南京210096)

土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗研究

梅丹兵杜延軍劉松玉范日東楊玉玲

(東南大學巖土工程研究所,南京210096)

摘要:為研究滿足各類場地條件下土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性要求的主要施工參數(shù),對鈣基膨潤土漿液和鈉基膨潤土漿液進行馬氏漏斗黏度試驗、API濾失試驗和密度測定,并針對砂-膨潤土、黏性土-膨潤土、砂-黏性土-膨潤土3類土-膨潤土系豎向隔離墻材料進行坍落度試驗．試驗結果表明,鈣基膨潤土漿液和鈉基膨潤土漿液的合理膨潤土摻量分別為10%和3%．3類土-膨潤土系豎向隔離墻材料的坍落度與含水率均呈良好的線性正相關性．采用標準坍落筒和迷你錐坍落筒所測定的坍落度結果之間存在統(tǒng)一的經(jīng)驗關系．采用迷你錐坍落筒代替標準坍落筒進行土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗時,滿足坍落度要求的含水率范圍為其液限的1.0～1.6倍,所對應坍落度范圍為22～48 mm．

關鍵詞:膨潤土;隔離墻;施工和易性;坍落度

土-膨潤土系豎向隔離墻應用于阻滯地下水及工業(yè)污染場地重金屬運移已有40多年的歷史,鑒于其低滲透性、低暴露風險和低工程造價等優(yōu)點而被歐美國家廣泛納入污染場地的修復、再造計劃中[1-2]．

采用開挖-回填法施工土-膨潤土系豎向隔離墻的過程主要包括開挖溝槽、膨潤土漿液護壁、混合料拌和、混合料回填4個部分．漿液護壁時需要控制漿液的流動性、黏度和密度,以保證形成的濾餅能滿足防滲要求,且漿液所形成的靜水壓力也能保持開挖溝槽的穩(wěn)定性[3];回填料拌和前需要通過坍落度試驗控制其初始含水率,一般要求拌和料的坍落度為100～150 mm,使回填料同時兼具流動性和黏滯性,從而保證墻體的整體均一性[4-5]．

土-膨潤土系豎向隔離墻材料的施工和易性試驗(坍落度試驗)主要采用美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標準C143標準坍落筒(高300 mm,上底和下底直徑分別為100和200 mm),其缺陷在于試驗中耗材量大,拌和均勻性較差,對于實驗室研究來說極不方便．Schowalter等[6-7]認為彈性材料的坍落度取決于材料的屈服應力和密度,對于同種材料,其坍落度大小與坍落筒尺寸存在一定的相關性．基于此坍落度理論,Malusis等[4]采用高150 mm、上底和下底直徑分別為75和100 mm的迷你錐坍落筒進行砂性土-鈉基膨潤土豎向隔離墻材料施工和易性試驗,發(fā)現(xiàn)試驗結果與標準坍落筒的試驗結果之間存在良好的線性正相關關系．

鈣基膨潤土在我國廣泛存在,具有巨大的應用前景,但就筆者所見，目前尚無針對采用鈣基膨潤土的土-膨潤土系豎向隔離材料進行膨潤土漿液施工和易性試驗及回填料施工和易性試驗的相關研究．本文采用鈣基膨潤土與鈉基膨潤土系豎向隔離墻材料進行膨潤土漿液的相關試驗和回填料的坍落度試驗,探究滿足施工和易性要求的漿液中膨潤土摻量與回填料含水率,為工程實踐提供經(jīng)驗參考值．

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

膨潤土采用江蘇鎮(zhèn)江產商用鈣基膨潤土(CB)和美國懷俄明天然鈉基膨潤土(AB)．文獻[8-9]指出,南京地區(qū)土層結構主要包括黏土、砂-黏性土互層結構及砂土單層結構3種形式．本文選取了3種典型的土-膨潤土系豎向隔離墻材料,分別為砂-膨潤土、砂-黏性土-膨潤土和黏性土-膨潤土．砂土取自南京地區(qū),過1.0 mm篩,測得其不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為5.2和1.42,屬級配良好的土體;黏性土取自南京龍?zhí)陡鄣貐^(qū),同一取土處不同深度的黏性土工程性質差異較大,包括黏土和粉質黏土,過0.45 mm篩．砂-黏性土-膨潤土隔離墻材料中的黏性土由黏土與粉質黏土按干質量比1∶1混合而成;黏性土-膨潤土隔離墻材料中的黏性土采用粉質黏土．參照文獻[10],測得試驗材料的基本指標見表1．

表1　試驗材料的基本物理性質指標

膨潤土漿液施工和易性試驗中,鈣基膨潤土摻量(即膨潤土干土占漿液的質量百分數(shù))取5%,8%,9%,10%,11%,12%;鈉基膨潤土摻量取2%,3%,4%．參考文獻[1,11],坍落度試驗中,砂-膨潤土豎向隔離墻材料的鈣基膨潤土摻量取12%,18%,24%,鈉基膨潤土摻量取6%;黏性土-膨潤土豎向隔離工墻材料的鈣基膨潤土摻量取5%,10%,15%;砂-黏性土-膨潤土豎向隔離墻材料的鈣基膨潤土摻量取12%和18%,砂與黏性土質量比取4∶1和3∶1．回填料配比方案如表2所示．

表2　坍落度試驗回填料中膨潤土和黏性土摻量

1.2試驗過程

將自來水與風干膨潤土充分混合,于高速膠體剪切器中攪拌5～10 min,靜置水化24～48 h,得到膨潤土漿液．充分水化后的膨潤土漿液按照美國石油學會標準(API)進行馬氏漏斗黏度試驗、濾失試驗和密度測定[12]．坍落度試驗方法參考文獻[4],采用標準坍落筒和迷你錐坍落筒的坍落度試驗同時進行,以測定相同含水率下2種坍落筒的試驗結果;填筑回填料前,在坍落筒的筒壁均勻涂抹少許潤滑油,以減少回填料與筒壁間的摩擦,避免土體黏著于筒壁．采用標準坍落筒進行試驗時,回填料分3層填筑;采用迷你錐坍落筒時,則分2層填筑．試驗由低含水率坍落度(90～110 mm)開始,并逐步添加適量膨潤土漿液改變回填料的含水率,從而調節(jié)其坍落度,直至坍落度為150 mm為止．

2試驗結果與分析

2.1膨潤土漿液試驗

膨潤土漿液的馬氏漏斗黏度v、API濾失量V以及密度ρ隨膨潤土摻量wCB的變化曲線如圖1所示．由圖可知,膨潤土漿液的馬氏漏斗黏度和密度均隨膨潤土摻量的增加而增大;API濾失量則隨膨潤土摻量的增加而減?。治銎湓蛟谟?漿液中黏粒含量隨膨潤土摻量的增加而增加,黏度也相應增大;同時,膨潤土的高膨脹性使濾失試驗得到的膨潤土濾餅滲透系數(shù)降低,濾失量減?。墨I[13]指出,膨潤土漿液施工參數(shù)控制要求中,v=40～50 s,V<25 mL,ρ>1.03 g/cm3．鈉基膨潤土漿液的膨潤土摻量達到3%時,馬氏漏斗黏度與API濾失量均滿足施工和易性要求,但此時的密度略低于施工要求;而滿足密度要求時的鈉基膨潤土摻量為5%～6%,膨潤土漿液流動性顯著降低,難以拌和．基于上述因素,并結合文獻[4]試驗研究結果,將鈉基膨潤土漿液中膨潤土摻量取為3%．

(a) 密度

(b) API濾失量

(c) 馬氏漏斗黏度

鈣基膨潤土漿液的膨潤土摻量達到10%時,膨潤土漿液的馬氏漏斗黏度、API濾失量和密度均能滿足施工和易性要求．考慮到實際施工中的成本控制,本試驗中鈉基膨潤土漿液中膨潤土摻量取3%,鈣基膨潤土漿液中膨潤土摻量取10%．

2.2坍落度試驗

2.2.1坍落度與含水率的關系

采用標準坍落筒和迷你錐坍落筒對3類土-膨潤土系豎向隔離墻材料進行了坍落度試驗,所得的坍落度與含水率的關系見圖2．圖中,SS,SM分別為標準坍落度和迷你錐坍落度,w為含水率．由圖可知,3類土-膨潤土系豎向隔離墻材料的坍落度與含水率間均呈良好的線性正相關性,線性擬合結果的決定系數(shù)R2達到0.93～0.99．坍落度理論表明,材料的坍落度只與其密度與屈服應力值有關,即材料的含水率直接影響其密度和屈服強度[7]．坍落度S的計算公式為

(1)

式中,τy為材料的屈服應力;γ為材料的重度;H為坍落筒高度;R0為坍落筒頂部半徑;RH為坍落筒底部半徑;h0為錐體未變形部分高度．

結合本文與已有試驗研究結果[2, 14],得到含水率與液限的比值w/wL隨回填料液限wL的變化關系如圖3所示．由圖可知,各類土-膨潤土系豎向隔離墻材料的含水率達到液限的1.0～1.6倍,滿足施工和易性要求(SS=100～ 150 mm)．究其原因在于,含水率達到液限時, 土體既具有一定的抗剪強度,又兼具較好的均勻流動性,能夠保證在自身重力作用下順利發(fā)生坍落．

(a) 標準坍落度

(b) 迷你錐坍落度

圖3　拌和料含水率與液限的比值隨液限變化關系

此外,結合本文試驗結果與文獻[2,14]中的結果,總結了滿足施工和易性要求的坍落度范圍所對應的含水率與液限的關系圖(見圖4)．將標準坍落度為100,125,150 mm所對應的回填料含水率與液限分別進行線性擬合,得出在一定的液限(25%～50%)下,標準坍落度為100,125,150 mm時回填料含水率與液限之間均呈良好的線性關系,即

圖4　回填料含水率與液限關系

(2)

wB,125=1.76wL-14.7R2=0.88

(3)

wB,150=1.73wL-12.0R2=0.84

(4)

式中,wB,100,wB,125,wB,150分別表示標準坍落度為100,125,150 mm時回填料的含水率．

式(2)～(4)的斜率和截距在數(shù)值上相差較小,說明擬合曲線較相近．文獻[2,14]中均采用標準坍落度為125 mm時所對應的回填料含水率作為土-膨潤土系豎向隔離墻材料的設計含水率.因此,結合圖3與圖4中的試驗結果,在實際工程中可通過式(3)初步給定滿足土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性要求的回填料含水率．

2.2.2標準坍落度與迷你錐坍落度的關系

3種土-膨潤土系豎向隔離墻材料在同一含水率下分別采用標準坍落筒與迷你錐坍落筒進行坍落度試驗,得到標準坍落度SS與迷你錐坍落度SM關系(見圖5)．由圖可知,標準坍落度SS與迷你錐坍落度SM間存在唯一的線性經(jīng)驗關系,即

SS=59+1.9SMR2=0.96

(5)

圖5　標準坍落度與迷你錐坍落度關系

式(5)所示的經(jīng)驗關系與根據(jù)坍落度理論[7]計算所確定的數(shù)值關系(SS=64+1.8SM)以及Malusis等[4]針對砂-鈉基膨潤土豎向隔離墻材料的坍落度試驗結果(SS=60+1.8SM)基本一致．由式(1)可知,材料的坍落度只與其密度和屈服應力值有關,在含水率不變的條件下坍落筒的尺寸變化會引起坍落度的線性變化,故本文結果具有合理性．根據(jù)式(5)可知,采用迷你錐坍落筒進行土-膨潤土系豎向隔離墻材料坍落度試驗時,滿足施工和易性要求的含水率范圍所對應的迷你錐坍落度為22～ 48 mm．

圖6為采用迷你錐坍落筒進行坍落度試驗的結果,其中迷你錐坍落度分別為8,19,40 mm．由圖可知,采用迷你錐坍落筒進行土-膨潤土系豎向隔離墻材料的坍落度試驗時,回填料的坍落效果與含水率呈正相關關系．當含水率較低(小于液限)時,回填料攪拌難達到均勻,內部存在不均勻孔隙,在坍落過程中出現(xiàn)偏心現(xiàn)象,導致試樣表面產生不規(guī)則裂縫(見圖6(a));當含水率接近施工要求的界限含水率時,坍落過程順利完成(見圖6(b))．因此,在滿足施工要求的坍落度范圍內,迷你錐坍落筒試驗具有良好的可操作性,并能夠準確地代替標準坍落筒進行施工和易性試驗研究．特別是針對實驗室研究時,采用該方法取材少、操作方便,所得的坍落度能較為精確地轉化為傳統(tǒng)的標準坍落度,便于為設計方提供施工參數(shù)．

(a) SM=8 mm

(b) SM=19 mm

(c) SM=40 mm

3結論

1) 采用開挖-回填法施工土-膨潤土系豎向隔離墻時,鈣基膨潤土制備膨潤土漿液的膨潤土摻量取為10%;采用鈉基膨潤土時,膨潤土摻量為3%．

2) 對于砂-膨潤土、黏性土-膨潤土、砂-黏性土-膨潤土3類典型的土-膨潤土系豎向隔離墻材料,滿足施工和易性要求的含水率范圍略高于液限,在1.0～1.6倍液限之間,并在實際施工中可通過液限初步確定回填料的含水率與控制各回填料的配比．

3) 進一步拓寬了迷你錐坍落筒在各類場地土層條件下采用各類膨潤土材料進行土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗的適用范圍．給出了標準坍落度與迷你錐坍落度之間的經(jīng)驗關系式,得出滿足施工要求的迷你錐坍落度范圍為22 ～48 mm．

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Experimental study on workability of soil-bentonite backfills for vertical slurry cutoff walls

Mei DanbingDu YanjunLiu SongyuFan RidongYang Yuling

(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract:In order to investigate the main construction parameters that meet the workability of soil-bentonite backfills for vertical slurry cutoff walls under various types of site conditions, the marsh funnel test, API(American Petroleum Institute) filtrate loss test and density measurement for sodium bentonite-water slurries and calcium bentonite-water slurries were carried out. The slump tests of three soil-bentonite backfills, including sandy soil-bentonite, clayey soil-bentonite sandy and soil-clayey soil-bentonite backfills, were measured. The experimental results show that the suitable contents of bentonite for calcium bentonite-water slurries and sodium bentonite-water slurries are 10% and 3%, respectively. The slumps of three soil-bentonite backfills and the water content exhibit a good linear positive correlation. And there exists a uniform correlation between the results based on the standard slump cone and those based on the miniature slump cones. When the standard slump cone is replaced by the miniature slump cone, the water content meeting the requirements of the slump is approximately 1.0 to 1.6 times higher than the liquid limit, and the corresponding slump is 22 to 48 mm.

Key words:bentonite; cutoff wall; workability; slump

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.027

收稿日期:2015-07-21.

作者簡介:梅丹兵(1991—)，男，碩士生；杜延軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，duyanjun@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金重點資助項目(41330641)、國家自然科學基金資助項目(41472258，51278100)、江蘇省自然科學基金杰出青年基金資助項目(BK2012022).

中圖分類號:TU 443

文獻標志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)02-0400-06

引用本文: 梅丹兵,杜延軍,劉松玉,等.土-膨潤土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(2):400-405. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.027.