基于濾紙法的水泥土土-水特征曲線試驗(yàn)研究

王 清，陳陽陽，吳小康

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

水泥土是水、水泥、土顆粒均勻攪拌后形成的復(fù)合型建筑材料。水泥土施工方便、價(jià)格低廉、工期較短，力學(xué)性能上相對于原狀土而言具有低滲透性和高強(qiáng)度等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，一般通過深層攪拌水泥土樁，以起到支護(hù)、增加土體強(qiáng)度改善地基的強(qiáng)度和耐久性的作用。但是由于水泥土這種材料本身的局限性，水泥土在工程中的應(yīng)用水平有待提高，這些年較多的學(xué)者深入研究了水泥土的力學(xué)性質(zhì)。白曉紅等[1]探討了在污染環(huán)境下對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響。王軍等[2]基于靜三軸實(shí)驗(yàn)分析了水泥摻量和圍壓對水泥土強(qiáng)度的影響。

水泥土中水分的運(yùn)動(dòng)情況對其強(qiáng)度和滲透性有重要的影響，尤其是地下水、降雨等水力作用會(huì)在一定程度上改變水泥土的強(qiáng)度和滲透性[3]，這也間接表明了水泥土的持水性能有效改善原狀土的力學(xué)和滲透特性。因此，在對水泥土力學(xué)性能研究中，持水性成為了不可忽視的一部分，但當(dāng)前對水泥土的持水性能研究較少。而對于水泥土持水能力的研究，主要是通過研究其土-水特征曲線中反映的基質(zhì)吸力與體積/質(zhì)量含水率的關(guān)系。目前對持水性能的研究主要通過實(shí)驗(yàn)法，涉及壓力板儀試驗(yàn)、濾紙法、飽和鹽溶液蒸汽平衡法等。

濾紙法是一種測量土體基質(zhì)吸力或總吸力的間接方法，操作簡單方便，可靠，價(jià)格低廉，且能測量較大范圍土體的基質(zhì)吸力[3-4]。目前，國外學(xué)者多采用Whatman No.42和Schleicher & Schuell No.589兩種型號(hào)濾紙進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究[5-8]。國內(nèi)多采用“雙圈牌”濾紙[9-12]，白福青[13]等利用Nacl溶液確定了雙圈牌“No.203”濾紙的率定曲線，并獲得南陽中膨脹土的土-水特征曲線。陳東霞等[14]采用雙圈牌“No.203”測得廈門殘積土的土-水特征曲線，并分析干濕循環(huán)等因素對脫濕曲線的影響。

為了進(jìn)一步揭示水泥含量對水泥土持水性能的影響，本文通過土-水特征試驗(yàn)研究水泥土持水性能隨水泥摻量的變化規(guī)律，并基于實(shí)測水泥土土-水特征曲線數(shù)據(jù)，利用VG模型和Gardner模型對其進(jìn)行擬合，比較不同模型的擬合效果，得出擬合效果更好地模型，能夠更好地預(yù)測不同水泥摻量下湖南黏性土土-水特征曲線。相關(guān)研究成果有利于深入認(rèn)識(shí)水泥增強(qiáng)黏性土持水性能的機(jī)理，為水泥土強(qiáng)度和滲透性研究提供更多的依據(jù)，并促進(jìn)相關(guān)工程應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)土樣為湖南黏性土，表1為土樣的基本物理性指標(biāo)。水泥采用某品牌的普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)所用濾紙選取新華造紙廠生產(chǎn)的“雙圈”牌、No.203型，將實(shí)驗(yàn)土樣風(fēng)干碾碎，摻入水泥加水均勻拌合，利用液壓千斤頂進(jìn)行制樣，初始制樣的干密度控制為為1.5 g/cm3，按不同黏性土和水泥的比例制備4種不同水泥含量的水泥黏土混合樣，其水泥摻量分別為8%、12%、15%、20%。

表1 土樣的基本物理指標(biāo)

2 土-水特征曲線實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所需的儀器設(shè)備為：電子天平精度分別為0.01 g和0.001 g；恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱；恒溫箱(20℃)；105±5℃的烘箱；氣密性良好的密封盒；金屬鑷子；絕緣膠帶；保鮮膜，“雙圈”牌No.203型濾紙。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)實(shí)驗(yàn)前，將實(shí)驗(yàn)用土風(fēng)干碾碎過2 mm篩，放入烘箱烘干備用，烘干24 h。

2)根據(jù)4組不同水泥摻量(分別為8%、12%、15%和20%)，計(jì)算出不同摻量所需的干土和水泥，用電子天平(精度為0.01 g)稱取并加水均勻拌合至一定含水率，制備成干密度為1.5 g/cm3，高20 mm的環(huán)刀樣，其中每組制9個(gè)平行試樣，共36個(gè)試樣，將其放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)10 d。

3)將養(yǎng)護(hù)好的試樣抽真空飽和，利用電子天平(精度為0.01 g)稱量其飽和后的質(zhì)量，并從每組飽和后的試樣取3個(gè)放置在烘箱烘干，測得每組試樣的平均干土質(zhì)量ms,進(jìn)而得出飽和質(zhì)量含水率ws。

4)將實(shí)驗(yàn)所用濾紙放入鋁盒內(nèi)，并將鋁盒蓋留有縫隙后，放入烘箱中烘8 h。

5)采用接觸法測量試樣在飽和含水率下的基質(zhì)吸力，每2個(gè)為一測試樣，每組制3個(gè)平行測試樣，取3張烘干后的濾紙(濾紙烘干時(shí)間為8 h)，其中2張略大的為保護(hù)濾紙，另一張為測試濾紙。用電子天平量(精度為0.0001 g)快速稱取測試濾紙質(zhì)量，并將測試濾紙夾在保護(hù)濾紙之間，放置在2試樣之間并緊密貼合，然后用絕緣膠帶密封，為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，此步驟需2人同時(shí)操作，并在短時(shí)間快速完成。

6)將處理好的試樣放置于密封盒中，并在密封盒表面再次包裹一層保鮮膜，放入恒溫箱中，恒溫箱溫度設(shè)置為20 ℃，靜置10 d。

7)待平衡以后，打開密封盒，迅速用鑷子把測試濾紙取出，放到電子天平稱上測其質(zhì)量，這個(gè)過程要在15 s之內(nèi)完成，以減少濾紙中的水分蒸發(fā)流失。

8)測完試樣在飽和含水率下的基質(zhì)吸力后，將試樣放置在恒溫箱中風(fēng)干至一定含水率，用塑料薄膜密封3 d，然后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，依次測量試樣在7種不同含水率下對應(yīng)的基質(zhì)吸力。

圖1 濾紙法實(shí)驗(yàn)步驟

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)所用的濾紙為杭州新華造紙廠的“雙圈”牌No.203型濾紙，該濾紙為直徑70 mm；灰分質(zhì)量為0.000035 g/張，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%；濾速為慢速，其率定方程為：

(1)

其中S為吸力，wf為濾紙含水率。

通過對比濾紙實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量，不同水泥摻量下濾紙含水量具體結(jié)果如表2所示。

表2 不同水泥摻量試樣的濾紙含水率

結(jié)合表2，基于公式(1)計(jì)算出不同含水量對應(yīng)下的基質(zhì)吸力,可獲得不同水泥摻量下的湖南黏性土土-水特征曲線，并將不同摻量下的土-水特征曲線繪制于同一圖內(nèi)，如圖2所示。

圖2 不同水泥摻量下湖南黏性土土-水特征曲線

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，整體上水泥摻量在8%～20%范圍內(nèi)，水泥摻量的增加,使得試樣含水率在減小，水泥摻量越高的試樣脫水速率越小，在同等吸力條件下對應(yīng)的含水率越高，表明水泥摻量在8%～20%范圍內(nèi)，隨著水泥摻量的增加，試樣的持水性能越好。此外，基質(zhì)吸力在10～102kPa范圍內(nèi)，水泥摻量為8%、12%的試樣質(zhì)量含水率變化明顯?；|(zhì)吸力在50～1.2×104kPa范圍內(nèi)，4種不同水泥摻量下試樣整體上脫水速率較小，質(zhì)量含水率ws變化緩慢，不同的是，水泥摻量為8%的試樣基質(zhì)吸力在1.5×103kPa～1.2×104kPa范圍內(nèi)，脫水速率明顯高于水泥摻量為12%、15%和20%的試樣。當(dāng)基質(zhì)吸力大于1.2×104kPa時(shí),不同水泥摻量下試樣質(zhì)量含水率ws均迅速減小。依據(jù)圖2分析可知，隨著水泥含量的增多，水泥凝固，改變了土體原來的結(jié)構(gòu)，水化反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)晶化合物會(huì)不斷占據(jù)水泥土中的孔隙，使得孔隙數(shù)量大大減少，因此在同一個(gè)含水率下，水泥摻量越多的水泥土需要的吸力也就越大，持水性能也就越好。

3 不同SWCC模型擬合

土-水特征曲線擬合工作是非飽和土工程性質(zhì)研究的基礎(chǔ),因此，相繼有許多SWCC模型來描述吸力與含水率的關(guān)系,如 Gardner[15]、van Genuchten[16]等。本文將水泥土質(zhì)量含水率轉(zhuǎn)換為體積含水率，根據(jù)現(xiàn)有模型選取Gardner模型和Van Genuchten模型(VG)對水泥土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，模型對應(yīng)公式為(2)和(3)，擬合結(jié)果如圖3所示。

Gardner(1958)提出了3參數(shù)的土-水特征曲線模型，其表達(dá)式如下：

(2)

式中：λ為與進(jìn)氣值相關(guān)的參數(shù)，n為與脫濕速率相關(guān)的參數(shù)。

Van Genuchten(1980)提出了4參數(shù)的土-水特征曲線模型，其表達(dá)式如下：

(3)

式中：a，m為模型擬合參數(shù)，其中，a與土中進(jìn)氣值有關(guān)，m與土中空隙孔徑分布有關(guān)且p=1-1/m，p為與殘余含水率相關(guān)的參數(shù)。

表3表示不同水泥摻量下模型擬合相關(guān)系數(shù)，從表3可以發(fā)現(xiàn)在同一水泥摻量下，Gardner模型擬合得到的相關(guān)系數(shù)要高于VG模型。圖3表示不同模型下土-水特征曲線擬合圖，從圖3明顯可以看出，對于相同水泥摻量下的湖南黏性土而言，Gardner模型的擬合結(jié)果與實(shí)測值更為接近，擬合的效果要優(yōu)于VG模型。結(jié)合表3可以進(jìn)一步說明，Gardner模型作為描述和預(yù)測不同水泥摻量下湖南黏性土的土-水特征曲線更為合理。

表3 不同水泥摻量下模型擬合相關(guān)系數(shù)

圖3 不同水泥摻量下湖南黏性土土-水特征曲線擬合

4 結(jié)論

本文制成4種不同水泥摻量水泥土，分別進(jìn)行土-水特征曲線試驗(yàn)，研究水泥摻量對水泥土持水性能的影響。在此基礎(chǔ)之上，分析水泥摻量對水泥土持水性能的影響機(jī)制，得出的主要結(jié)論如下：

1)在相同干密度的條件下，湖南黏性土隨著水泥摻量的增加持水性能越好；水泥摻量的增加使得試樣的飽和含水率逐漸降低，脫水速率越小，在同等吸力條件下對應(yīng)的含水率越高。

2)相同含水率時(shí)，水泥含量越多的水泥土孔隙數(shù)量越少，所需吸力越大，持水性能越好，說明孔隙數(shù)量對水泥土的持水性能有重要的作用。

3)對不同水泥摻量下湖南黏性土土-水特征曲線擬合結(jié)果表明：Gardner模型的擬合結(jié)果與實(shí)測值更為接近，擬合的效果要優(yōu)于VG模型，能較為合理的描述和預(yù)測不同摻量下湖南黏性土的土-水特征曲線。