梅丹兵　杜延軍　劉松玉　范日東　楊玉玲

(東南大學(xué)巖土工程研究所,南京210096)

土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗(yàn)研究

梅丹兵杜延軍劉松玉范日東楊玉玲

(東南大學(xué)巖土工程研究所,南京210096)

摘要:為研究滿(mǎn)足各類(lèi)場(chǎng)地條件下土-膨潤(rùn)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(duì)鈣基膨潤(rùn)土漿液和鈉基膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行馬氏漏斗黏度試驗(yàn)、API濾失試驗(yàn)和密度測(cè)定,并針對(duì)砂-膨潤(rùn)土、黏性土-膨潤(rùn)土、砂-黏性土-膨潤(rùn)土3類(lèi)土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料進(jìn)行坍落度試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果表明,鈣基膨潤(rùn)土漿液和鈉基膨潤(rùn)土漿液的合理膨潤(rùn)土摻量分別為10%和3%．3類(lèi)土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料的坍落度與含水率均呈良好的線(xiàn)性正相關(guān)性．采用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒和迷你錐坍落筒所測(cè)定的坍落度結(jié)果之間存在統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系．采用迷你錐坍落筒代替標(biāo)準(zhǔn)坍落筒進(jìn)行土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗(yàn)時(shí),滿(mǎn)足坍落度要求的含水率范圍為其液限的1.0～1.6倍,所對(duì)應(yīng)坍落度范圍為22～48 mm．

關(guān)鍵詞:膨潤(rùn)土;隔離墻;施工和易性;坍落度

土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻應(yīng)用于阻滯地下水及工業(yè)污染場(chǎng)地重金屬運(yùn)移已有40多年的歷史,鑒于其低滲透性、低暴露風(fēng)險(xiǎn)和低工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而被歐美國(guó)家廣泛納入污染場(chǎng)地的修復(fù)、再造計(jì)劃中[1-2]．

采用開(kāi)挖-回填法施工土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻的過(guò)程主要包括開(kāi)挖溝槽、膨潤(rùn)土漿液護(hù)壁、混合料拌和、混合料回填4個(gè)部分．漿液護(hù)壁時(shí)需要控制漿液的流動(dòng)性、黏度和密度,以保證形成的濾餅?zāi)軡M(mǎn)足防滲要求,且漿液所形成的靜水壓力也能保持開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性[3];回填料拌和前需要通過(guò)坍落度試驗(yàn)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(shí)兼具流動(dòng)性和黏滯性,從而保證墻體的整體均一性[4-5]．

土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料的施工和易性試驗(yàn)(坍落度試驗(yàn))主要采用美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)C143標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)中耗材量大,拌和均勻性較差,對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研究來(lái)說(shuō)極不方便．Schowalter等[6-7]認(rèn)為彈性材料的坍落度取決于材料的屈服應(yīng)力和密度,對(duì)于同種材料,其坍落度大小與坍落筒尺寸存在一定的相關(guān)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(jìn)行砂性土-鈉基膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料施工和易性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)坍落筒的試驗(yàn)結(jié)果之間存在良好的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系．

鈣基膨潤(rùn)土在我國(guó)廣泛存在,具有巨大的應(yīng)用前景,但就筆者所見(jiàn)，目前尚無(wú)針對(duì)采用鈣基膨潤(rùn)土的土-膨潤(rùn)土系豎向隔離材料進(jìn)行膨潤(rùn)土漿液施工和易性試驗(yàn)及回填料施工和易性試驗(yàn)的相關(guān)研究．本文采用鈣基膨潤(rùn)土與鈉基膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料進(jìn)行膨潤(rùn)土漿液的相關(guān)試驗(yàn)和回填料的坍落度試驗(yàn),探究滿(mǎn)足施工和易性要求的漿液中膨潤(rùn)土摻量與回填料含水率,為工程實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)參考值．

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

膨潤(rùn)土采用江蘇鎮(zhèn)江產(chǎn)商用鈣基膨潤(rùn)土(CB)和美國(guó)懷俄明天然鈉基膨潤(rùn)土(AB)．文獻(xiàn)[8-9]指出,南京地區(qū)土層結(jié)構(gòu)主要包括黏土、砂-黏性土互層結(jié)構(gòu)及砂土單層結(jié)構(gòu)3種形式．本文選取了3種典型的土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料,分別為砂-膨潤(rùn)土、砂-黏性土-膨潤(rùn)土和黏性土-膨潤(rùn)土．砂土取自南京地區(qū),過(guò)1.0 mm篩,測(cè)得其不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為5.2和1.42,屬級(jí)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(zhì)差異較大,包括黏土和粉質(zhì)黏土,過(guò)0.45 mm篩．砂-黏性土-膨潤(rùn)土隔離墻材料中的黏性土由黏土與粉質(zhì)黏土按干質(zhì)量比1∶1混合而成;黏性土-膨潤(rùn)土隔離墻材料中的黏性土采用粉質(zhì)黏土．參照文獻(xiàn)[10],測(cè)得試驗(yàn)材料的基本指標(biāo)見(jiàn)表1．

表1　試驗(yàn)材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

膨潤(rùn)土漿液施工和易性試驗(yàn)中,鈣基膨潤(rùn)土摻量(即膨潤(rùn)土干土占漿液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))取5%,8%,9%,10%,11%,12%;鈉基膨潤(rùn)土摻量取2%,3%,4%．參考文獻(xiàn)[1,11],坍落度試驗(yàn)中,砂-膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料的鈣基膨潤(rùn)土摻量取12%,18%,24%,鈉基膨潤(rùn)土摻量取6%;黏性土-膨潤(rùn)土豎向隔離工墻材料的鈣基膨潤(rùn)土摻量取5%,10%,15%;砂-黏性土-膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料的鈣基膨潤(rùn)土摻量取12%和18%,砂與黏性土質(zhì)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(yàn)回填料中膨潤(rùn)土和黏性土摻量

1.2試驗(yàn)過(guò)程

將自來(lái)水與風(fēng)干膨潤(rùn)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(rùn)土漿液．充分水化后的膨潤(rùn)土漿液按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(API)進(jìn)行馬氏漏斗黏度試驗(yàn)、濾失試驗(yàn)和密度測(cè)定[12]．坍落度試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[4],采用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒和迷你錐坍落筒的坍落度試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,以測(cè)定相同含水率下2種坍落筒的試驗(yàn)結(jié)果;填筑回填料前,在坍落筒的筒壁均勻涂抹少許潤(rùn)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(biāo)準(zhǔn)坍落筒進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),回填料分3層填筑;采用迷你錐坍落筒時(shí),則分2層填筑．試驗(yàn)由低含水率坍落度(90～110 mm)開(kāi)始,并逐步添加適量膨潤(rùn)土漿液改變回填料的含水率,從而調(diào)節(jié)其坍落度,直至坍落度為150 mm為止．

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1膨潤(rùn)土漿液試驗(yàn)

膨潤(rùn)土漿液的馬氏漏斗黏度v、API濾失量V以及密度ρ隨膨潤(rùn)土摻量wCB的變化曲線(xiàn)如圖1所示．由圖可知,膨潤(rùn)土漿液的馬氏漏斗黏度和密度均隨膨潤(rùn)土摻量的增加而增大;API濾失量則隨膨潤(rùn)土摻量的增加而減?。治銎湓蛟谟?漿液中黏粒含量隨膨潤(rùn)土摻量的增加而增加,黏度也相應(yīng)增大;同時(shí),膨潤(rùn)土的高膨脹性使濾失試驗(yàn)得到的膨潤(rùn)土濾餅滲透系數(shù)降低,濾失量減小．文獻(xiàn)[13]指出,膨潤(rùn)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(rùn)土漿液的膨潤(rùn)土摻量達(dá)到3%時(shí),馬氏漏斗黏度與API濾失量均滿(mǎn)足施工和易性要求,但此時(shí)的密度略低于施工要求;而滿(mǎn)足密度要求時(shí)的鈉基膨潤(rùn)土摻量為5%～6%,膨潤(rùn)土漿液流動(dòng)性顯著降低,難以拌和．基于上述因素,并結(jié)合文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)研究結(jié)果,將鈉基膨潤(rùn)土漿液中膨潤(rùn)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(rùn)土漿液的膨潤(rùn)土摻量達(dá)到10%時(shí),膨潤(rùn)土漿液的馬氏漏斗黏度、API濾失量和密度均能滿(mǎn)足施工和易性要求．考慮到實(shí)際施工中的成本控制,本試驗(yàn)中鈉基膨潤(rùn)土漿液中膨潤(rùn)土摻量取3%,鈣基膨潤(rùn)土漿液中膨潤(rùn)土摻量取10%．

2.2坍落度試驗(yàn)

2.2.1坍落度與含水率的關(guān)系

采用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒和迷你錐坍落筒對(duì)3類(lèi)土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料進(jìn)行了坍落度試驗(yàn),所得的坍落度與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖2．圖中,SS,SM分別為標(biāo)準(zhǔn)坍落度和迷你錐坍落度,w為含水率．由圖可知,3類(lèi)土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料的坍落度與含水率間均呈良好的線(xiàn)性正相關(guān)性,線(xiàn)性擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2達(dá)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(yīng)力值有關(guān),即材料的含水率直接影響其密度和屈服強(qiáng)度[7]．坍落度S的計(jì)算公式為

(1)

式中,τy為材料的屈服應(yīng)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(jié)合本文與已有試驗(yàn)研究結(jié)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(guān)系如圖3所示．由圖可知,各類(lèi)土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料的含水率達(dá)到液限的1.0～1.6倍,滿(mǎn)足施工和易性要求(SS=100～ 150 mm)．究其原因在于,含水率達(dá)到液限時(shí), 土體既具有一定的抗剪強(qiáng)度,又兼具較好的均勻流動(dòng)性,能夠保證在自身重力作用下順利發(fā)生坍落．

(a) 標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系

此外,結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[2,14]中的結(jié)果,總結(jié)了滿(mǎn)足施工和易性要求的坍落度范圍所對(duì)應(yīng)的含水率與液限的關(guān)系圖(見(jiàn)圖4)．將標(biāo)準(zhǔn)坍落度為100,125,150 mm所對(duì)應(yīng)的回填料含水率與液限分別進(jìn)行線(xiàn)性擬合,得出在一定的液限(25%～50%)下,標(biāo)準(zhǔn)坍落度為100,125,150 mm時(shí)回填料含水率與液限之間均呈良好的線(xiàn)性關(guān)系,即

圖4　回填料含水率與液限關(guān)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(biāo)準(zhǔn)坍落度為100,125,150 mm時(shí)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(shuō)明擬合曲線(xiàn)較相近．文獻(xiàn)[2,14]中均采用標(biāo)準(zhǔn)坍落度為125 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的回填料含水率作為土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料的設(shè)計(jì)含水率.因此,結(jié)合圖3與圖4中的試驗(yàn)結(jié)果,在實(shí)際工程中可通過(guò)式(3)初步給定滿(mǎn)足土-膨潤(rùn)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(biāo)準(zhǔn)坍落度與迷你錐坍落度的關(guān)系

3種土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料在同一含水率下分別采用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒與迷你錐坍落筒進(jìn)行坍落度試驗(yàn),得到標(biāo)準(zhǔn)坍落度SS與迷你錐坍落度SM關(guān)系(見(jiàn)圖5)．由圖可知,標(biāo)準(zhǔn)坍落度SS與迷你錐坍落度SM間存在唯一的線(xiàn)性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,即

SS=59+1.9SMR2=0.96

(5)

圖5　標(biāo)準(zhǔn)坍落度與迷你錐坍落度關(guān)系

式(5)所示的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系與根據(jù)坍落度理論[7]計(jì)算所確定的數(shù)值關(guān)系(SS=64+1.8SM)以及Malusis等[4]針對(duì)砂-鈉基膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料的坍落度試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力值有關(guān),在含水率不變的條件下坍落筒的尺寸變化會(huì)引起坍落度的線(xiàn)性變化,故本文結(jié)果具有合理性．根據(jù)式(5)可知,采用迷你錐坍落筒進(jìn)行土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料坍落度試驗(yàn)時(shí),滿(mǎn)足施工和易性要求的含水率范圍所對(duì)應(yīng)的迷你錐坍落度為22～ 48 mm．

圖6為采用迷你錐坍落筒進(jìn)行坍落度試驗(yàn)的結(jié)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(jìn)行土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料的坍落度試驗(yàn)時(shí),回填料的坍落效果與含水率呈正相關(guān)關(guān)系．當(dāng)含水率較低(小于液限)時(shí),回填料攪拌難達(dá)到均勻,內(nèi)部存在不均勻孔隙,在坍落過(guò)程中出現(xiàn)偏心現(xiàn)象,導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生不規(guī)則裂縫(見(jiàn)圖6(a));當(dāng)含水率接近施工要求的界限含水率時(shí),坍落過(guò)程順利完成(見(jiàn)圖6(b))．因此,在滿(mǎn)足施工要求的坍落度范圍內(nèi),迷你錐坍落筒試驗(yàn)具有良好的可操作性,并能夠準(zhǔn)確地代替標(biāo)準(zhǔn)坍落筒進(jìn)行施工和易性試驗(yàn)研究．特別是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究時(shí),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(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)坍落度,便于為設(shè)計(jì)方提供施工參數(shù)．

(a) SM=8 mm

(b) SM=19 mm

(c) SM=40 mm

3結(jié)論

1) 采用開(kāi)挖-回填法施工土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻時(shí),鈣基膨潤(rùn)土制備膨潤(rùn)土漿液的膨潤(rùn)土摻量取為10%;采用鈉基膨潤(rùn)土?xí)r,膨潤(rùn)土摻量為3%．

2) 對(duì)于砂-膨潤(rùn)土、黏性土-膨潤(rùn)土、砂-黏性土-膨潤(rùn)土3類(lèi)典型的土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料,滿(mǎn)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(shí)際施工中可通過(guò)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(jìn)一步拓寬了迷你錐坍落筒在各類(lèi)場(chǎng)地土層條件下采用各類(lèi)膨潤(rùn)土材料進(jìn)行土-膨潤(rùn)土系豎向隔離墻材料施工和易性試驗(yàn)的適用范圍．給出了標(biāo)準(zhǔn)坍落度與迷你錐坍落度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,得出滿(mǎn)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(jiǎn)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(dǎo)師，duyanjun@seu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(41330641)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472258，51278100)、江蘇省自然科學(xué)基金杰出青年基金資助項(xiàng)目(BK2012022).

中圖分類(lèi)號(hào):TU 443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-0505(2016)02-0400-06

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