付延凱，劉經強，*，榮云杰，李明雷，李海燕

1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安271018

2.山東農業(yè)大學勘察設計研究院，山東泰安271018

土凝巖的摻量和齡期對穩(wěn)定土滲透系數的影響

付延凱1，劉經強1，2*，榮云杰1，李明雷2，李海燕2

1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安271018

2.山東農業(yè)大學勘察設計研究院，山東泰安271018

土凝巖是利用粉煤灰、煤矸石等工業(yè)廢棄物研制出的一種材料，公路工程中應用較為廣泛，水利工程應用于截滲墻和軟弱地基置換等。本文通過變水頭試驗，探討了土凝巖摻量和齡期（飽和累計時間）兩個因素對穩(wěn)定土滲透系數的影響規(guī)律并提出較為可行的摻量方案。試驗結果表明：土凝巖摻量為15%的土，前期滲透系數下降較快，后期滲透系數可達到2.10E-8 cm/s，符合《水利工程施工規(guī)范》要求，較適合在截滲墻工程中推廣應用。

土凝巖；摻量；齡期；滲透系數

土凝巖材料是利用粉煤灰、赤泥、煤矸石、等工業(yè)廢棄物，基于地質成巖原理，研制出的可以替代水泥、石灰等應用于公路等基礎建設工程的材料。資料數據表明，如果用土凝巖代替10000 t水泥，將減少約5200 t CO2氣體的排放，節(jié)省煤炭約2400 t，減少優(yōu)質石灰石資源開采10000 t左右，從而節(jié)約資源，保護環(huán)境［1］。

在水利工程建設領域，土凝巖的應用主要有地基加固（軟弱地基置換）和建筑物防滲處理（截滲墻），截滲墻對滲透系數要求較高［2-8］。論文采用變水頭試驗的方法，探討了土凝巖摻量和齡期（飽和累計時間）兩個因素對穩(wěn)定土滲透系數的影響規(guī)律，并根據對結果的分析比較，提出較為可行的摻量方案。

1　試驗設計

1.1試驗方案設計

截滲樁墻施工中，采用建筑施工手冊推薦的型鋼水泥土攪拌墻工程施工工藝方法較好，與這次試驗有關的核心工藝流程為：拌制水泥漿→鉆機鉆進噴漿、攪拌下沉、提升→成樁，其中滲透系數的影響因素主要為摻量［9］。密實度主要依靠攪拌和噴漿的時間長短、上提噴漿管的速度和噴漿量的均勻程度來控制。通過試驗數據分析后發(fā)現，齡期也是重要影響因素。

滲透試驗方法采用變水頭試驗。壓實度指標用環(huán)刀內干土質量相等的方法控制，并用最優(yōu)含水率17%控制含水率，容重采用原有土工試驗結果。每份土樣0.4 kg，土凝巖摻量范圍為0%～20%，共分0%、4%、6%、8%、10%、12%、15%、20%八個不同摻入比。

1.2試驗步驟設計

1.2.1制備試樣過篩→烘干→稱量→制備土樣→含水率試驗→放置一晝夜→進行試驗

原土樣取土地點為山東省平邑縣夫子山水庫土壩，基本物理指標見表1，原土樣顆粒百分比見表2，土樣顆分曲線圖見圖1。

表1　原土樣基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of original soil sample

1.2.2含水率試驗制備試樣時，利用剩下的混合土測定其含水率。按照土工試驗規(guī)范（DL T 5355-2006）含水率試驗的要求進行操作。

1.2.3滲透性試驗按照土工試驗規(guī)范（DLT 5355-2006）變水頭滲透試驗的要求進行操作即可，操作過程應注意以下幾點：

（1）試樣應測量含水率和總土重。

（2）不易透水的試樣應用抽氣飽和裝置加速試樣飽和，加快試驗進度。

（3）起始和終止的水頭應從變水頭管的液面到土樣上表面。

（4）試驗以當不同開始水頭下測定的滲透系數在允許差值范圍內為結束的標志，記錄完幾組數據以后立即計算滲透系數，若誤差太大應多重復幾次。變水頭滲透系數應按下式計算：

式中：A—變水頭管的斷面積（cm2）；

2.3—ln和log的變換因數；

L—滲徑，即試樣高度（cm）；

t1，t2—分別為測讀水頭的起始和終止時間（s）；

H1，H2—起始和終止水頭。

2　試驗結果分析與討論

2.1含水率試驗結果與分析

從表3中可以看出，相同土樣含水率差別較小，在誤差范圍之內。但是當時考慮蒸發(fā)因素按照18.5%計量水，實際含水率大約在15.5%左右，與預期的17%差別較大，并且差別3%左右，誤差較大，說明考慮因素不足，經驗欠缺。分析原因應該是當時天氣炎熱加空調風大，使水分蒸發(fā)較快，含水率偏低。以后的制備土樣應以實際情況考慮額外添加的水量，并且多動手以增加試驗經驗。

表3　穩(wěn)定土含水率計算表Table 3 Percentage of moisture content in stabilized soil

2.2不同摻量試驗結果與分析

不同摻量下滲透系數試驗結果見表4。根據試驗作出散點圖見圖2。從圖中能得出以下幾點結論：

（1）摻入土凝巖放置一晝夜的情況下，摻入土凝巖以后土樣的滲透系數都有所降低，由2.23E-05（cm/s）下降到0.5～1.5 E-05（cm/s），降低為原來的22%～67%。

（2）摻入量與滲透系數的關系并不是簡單的反比例關系，摻量大于8%以后，近似是隨著摻量增加滲透系數降低，但是摻量小于8%時，滲透系數反而與摻量成正相關的關系，這是沒有想到的。摻量為20%時，滲透系數又有增大的趨勢。

（3）滲透系數與摻量并不是簡單地負相關的關系，有可能在摻量較少的范圍內反而成正相關，增大到一定值以后，才開始成負相關的關系，隨著摻量繼續(xù)增加，滲透系數不降反增。

（4）得出的結論說明，土凝巖摻量只能說是影響滲透系數的一個因素之一，穩(wěn)定土的滲透系數還受很多其他因素影響［10］。

2.3養(yǎng)護24 h后試驗結果與分析

由養(yǎng)護24 h后滲透系數與剛飽和時的滲透系數對比表5可以得出如下結論：

在養(yǎng)護了24 h以后，可以看出摻量為12%～15%的穩(wěn)定土滲透系數降低率最大，達到94%。說明摻量太多或太少，都不利于滲透系數的降低。滲透系數在前期降低較快，對工程是有益的，可以加快工程進度。

由散點圖3中我們能得到以下結論：

（1）摻量為12%和15%的穩(wěn)定土在24 h后達到了4.68E-07 cm/s和3.58E-07 cm/s的滲透系數，是所有穩(wěn)定土中滲透系數最小的兩個，能達到E-07數量級的滲透系數，說明防滲效果極好。

（2）24 h后的和剛開始的滲透系數與摻量的關系相比較，總體的規(guī)律沒有變化，在摻量較小的范圍內，滲透系數與摻量成正相關，之后成負相關，摻量的繼續(xù)增大反而有上升的趨勢。

（3）從工程的角度分析，摻入12%～15%的土凝巖是比較合適的，滲透系數最小，并且比較經濟，這個結論與水泥摻量經驗值15%是相一致的。

表5　不同摻量下剛飽和與24 h后滲透系數對比表Table 5 Comparison of permeability coefficients between the just saturation and after 24 h in different dosages

圖3　不同摻量下剛飽和與24 h后滲透系數對比圖Fig.3 Comparison of permeability coefficients between the just saturation and after 24 h in different dosages

2.4滲透系數與飽和累計時間（齡期）之間的關系試驗結果與分析

為了更好地研究滲透系數與飽和累計時間（齡期）之間的關系，根據試驗數據，研究了累計時間（以分鐘為單位）與滲透系數之間的關系，見圖4和圖5。限于篇幅，以1-6和1-7土樣為例，剩余土樣的規(guī)律相同。

從擬合的線性回歸曲線可以得到以下結論：

（1）隨著時間的延長，滲透系數是逐漸下降的，摻量15%的土樣，剛飽和時滲透系數8.30E-6 cm/s，24 h達到3.86 E-6 cm/s，6 d下降到7.33E-8 cm/s，10 d下降至2.10E-8 cm/s，土凝巖摻入后對土滲透系數的降低有積極地促進作用，并且最終達到2.10E-8 cm/s，符合水利工程施工規(guī)范要求。

（2）在測量的每一時間段內，滲透系數與時間近似線性關系，線性回歸系數都在0.95以上，說明擬合較好，分段線性擬合是合適的。

（3）通過觀察同一土樣不同時間擬合函數的系數，發(fā)現隨著時間延長，系數逐漸減小，每次模擬系數比上次減小兩個數量級左右。這符合預計結果，即隨著時間的延長，滲透系數的變化率越來越小，最終趨于穩(wěn)定。

（4）摻量為15%的土樣1-7，24 h以后模擬曲線斜率達到-1E-10，14000 min即10 d左右，斜率降低到-9E-12，其物理意義是每分鐘滲透系數下降-9E-12 cm/s，每天滲透系數下降1.3E-8 cm/s。

圖4　土樣1～6飽和累計時間（齡期）與滲透系數線性關系回歸Fig.4 The linear regression of the cumulative saturation time and permeability coefficients in sample 1-6

圖5　土樣1～7飽和累計時間（齡期）與滲透系數線性關系回歸Fig.5 The linear regression of the cumulative saturation time and permeability coefficients in sample 1-7

3　結論

（1）試驗從工程實際應用出發(fā)，尋找可能影響實際施工效果的因素，在實際試驗的過程中通過前期結果分析，對影響因素的考慮逐步全面，分別研究了土凝巖的摻入量和飽和累計時間（齡期）對穩(wěn)定土滲透系數的影響。在試驗過程中也發(fā)現了實際操作中的一些可能影響試驗精度的因素，提出來并應該在以后的設計中多考慮，操作中盡量避免。

（2）以15%的摻入量摻入土凝巖時，滲透系數最小，24 h后達到3.58E-07 cm/s，10 d下降至2.10E-8 cm/s，并且24 h內滲透系數降低幅度最大，達到94%，是比較適合實際工程施工要求的。

（3）滲透系數隨著齡期增加不斷降低，降低的速率也是逐漸變緩的，摻量15%左右10 d后每分鐘滲透系數降低9E-12 cm/s左右，基本是穩(wěn)定的。

（4）土凝巖應用到截滲樁墻等對滲透性要求較高的工程，從滲透系數這一方面考慮，是可行的，經濟并且效果較好的摻入比推薦為15%。

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The effect of Dosage and Age on Permeability Coefficient of Stabilized Soil Mixing with Soil Condensate Rock

FU Yan-kai1，LIU Jing-qiang1，2*，RONG Yun-jie1，LI Ming-lei2，LI Hai-yan2
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agriculture University，Taian 271018，China
2.Survey and Design Institute of Shandong Agricultural University，Taian 271018，China

Soil condensate rock is a martial with fly ash，coal gangue and other industrial wastes to be widely used in highway construction and water conservancy applications such as cutoff wall and replacement of weak foundation.This paper explored the effect law of different dosage and saturation cumulative time（age）on the stabilized soil's permeability coefficient through the variable head permeability test and put forward a feasible plan.The results showed that the permeability coefficient of stabilized soil with 15%soil condensate rock decreased rapidly in earlier stage and then it went up to 2.10 E-8 cm/s，which could satisfied with water conservancy engineering construction standard's requirements and was suitable for application to a cutoff wall.

Soil condensate rock；dosage；age；permeability coefficient

TV42+3

A

1000-2324（2016）02-0292-04

2015-08-25

2015-10-28

付延凱（1991-），男，在讀碩士研究生，研究方向為水利工程.E-mail：eyd163yx@163.com

Author for correspondence.E-mail：13705489158@163.com