陳四利， 李 鋒， 侯 芮， 倪春雷

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 青島市建筑工務(wù)發(fā)展中心， 山東 青島 266071)

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對水泥土力學(xué)特性、滲透特性以及化學(xué)腐蝕等方面開展了相應(yīng)的研究.如郝巨濤[3]、Consoli等[4]對水泥土的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究；陳四利和寧寶寬等[5-9]研究了水泥土在凍融、污水以及化學(xué)腐蝕作用下水泥土的力學(xué)性能；在水泥土滲透特性方面，陳四利和楊雨林等[10-12]研究了污水環(huán)境對水泥土滲透性能的影響；龐文臺等[13]研究了復(fù)合水泥土的抗?jié)B性能；張雷等[14]研究了水泥摻量和齡期對水泥土滲透性的影響；袁偉[15]研究了海水環(huán)境對水泥土滲透性和強(qiáng)度的影響及機(jī)理.本文在此基礎(chǔ)上，采用溫度、滲流、應(yīng)力及化學(xué)耦合三軸壓縮試驗系統(tǒng)(T-H-M-C)進(jìn)行水泥土三軸壓縮試驗，分析在海水環(huán)境、清水環(huán)境、不同水泥摻量以及不同溫度下水泥土滲透特性的變化規(guī)律，獲得了有益的結(jié)果.

1 試驗方案及試件制備

1.1 試驗材料和試樣制備

本文試驗中水泥土所使用的土樣性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.水泥采用普通硅酸鹽水泥(強(qiáng)度等級為42.5).

表1 土樣的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Main physical and mechanical performance indexes of soil

采用海水素與自來水1∶3.5的比例配制海水，用于模擬海水環(huán)境，經(jīng)檢測其配制的海水主要離子成分如表2所示，pH值為8.2～8.4.

表2 海水素的主要可溶鹽離子Tab.2 Main soluble salt ions of manmade seawater (g·L-1)

水泥土試件中水泥摻量分別為12%、16%和20%，試驗試件尺寸為φ37×72.5 mm，每組3個試件，共42組，制備126個試件.脫模后的試件分別放入海水和清水環(huán)境中養(yǎng)護(hù)90 d，試件及養(yǎng)護(hù)如圖1所示.

圖1 水泥土試件養(yǎng)護(hù)Fig.1 Curing of cemented soil specimens

1.2 試驗方案

根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJT 233-2011)以及本試驗的設(shè)想，進(jìn)行水泥土試件三軸壓縮滲透試驗.本次試驗采用溫度、滲流、應(yīng)力及化學(xué)耦合三軸壓縮試驗系統(tǒng)(T-H-M-C)，如圖2所示.

圖2 溫度滲流應(yīng)力化學(xué)耦合試驗系統(tǒng)Fig.2 Temperature-transfusion-stress-chemistry coupling test system

在試驗過程中，分別施加了0.4、0.6、0.8 MPa圍壓，對水泥摻量分別為12%、16%、20%的水泥土，將其溫度分別設(shè)為5、10、15、20、25、30、35 ℃進(jìn)行三軸壓縮滲透試驗，并分析溫度、水泥摻量以及海水環(huán)境對水泥土滲透系數(shù)的影響.

1.3 滲透系數(shù)計算

本試驗選用穩(wěn)定滲流方法，具體步驟為：在試樣滲透通道的上方向內(nèi)部注水，下方與大氣相通，并保持閥門處于開啟狀態(tài)，從而水泥土試件上下形成一個穩(wěn)定的水頭壓力差.當(dāng)試樣內(nèi)部的滲流趨于穩(wěn)定且不隨時間變化時，水泥土滲透系數(shù)計算公式為

(1)

式中：kT為水溫T℃時的水泥土滲透系數(shù)；γw為水的重度；V為滲流過程中其時間間隔為t滲出的水量；h為水泥土試件高度；p為滲透壓力；A為水泥土試件的橫截面積；t為時間間隔.

根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)的要求，滲透試驗時應(yīng)以水溫20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，其標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)為

(2)

式中：k20為試驗時標(biāo)準(zhǔn)溫度(水溫為20 ℃)的滲透系數(shù)；η20為水溫20 ℃時水的動力黏滯系數(shù)；ηT為水溫T℃時水的動力黏滯系數(shù).

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 常溫下海水環(huán)境對滲透系數(shù)的影響

圖3 不同水泥摻量下清水和海水環(huán)境對水泥土滲透系數(shù)的影響曲線Fig.3 Influence curves of clean water and seawater environments on permeability coefficient of cemented soil with different cement contents

2.2 清水環(huán)境下溫度變化對滲透系數(shù)的影響

僅考慮圍壓為0.4 MPa的情況，在清水環(huán)境下，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的變化試驗曲線如圖4所示.試驗結(jié)果表明，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的升高而逐步增大.對于5、10、15、20、25、30、35 ℃溫度下，三種水泥摻量的水泥土滲透系數(shù)均呈線性增加，水泥摻量為12%、16%、20%所對應(yīng)的水泥土滲透系數(shù)分別增加了2.35、1.93、1.71倍.滲透系數(shù)變化規(guī)律表明，同一溫度下其水泥摻量越多，水泥土滲透系數(shù)越??；隨著溫度的增加，高水泥摻量的水泥土滲透系數(shù)的變化率明顯低于低水泥摻量的水泥土滲透系數(shù)增加變化率.

圖4 清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.4 Variation of permeability coefficient of cemented soil with temperature in clean water environment

2.3 海水環(huán)境下溫度變化對滲透系數(shù)的影響

對于圍壓為0.4 MPa的情況，在海水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化規(guī)律如圖5所示.試驗結(jié)果表明，水泥土的滲透系數(shù)變化規(guī)律與清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)變化規(guī)律相似，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的增加而逐步增大.即隨著溫度從5 ℃升到35 ℃，水泥摻量為12%、16%、20%的水泥土滲透系數(shù)分別增加2.55、2.24、1.87倍，滲透系數(shù)變化規(guī)律表明，同一溫度水泥摻量越高，其水泥土的滲透系數(shù)越?。辉诤Ｋh(huán)境下，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度增大的變化率大于清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)變化率.這主要是由于海水溶液中腐蝕性離子的作用，導(dǎo)致水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，水泥土抗?jié)B能力降低.

圖5 海水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.5 Variation of permeability coefficient of cemented soil with temperature in seawater environment

2.4 不同環(huán)境下溫度變化對滲透系數(shù)的影響

對于圍壓為0.4 MPa的情況，不同水泥摻量下的水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化規(guī)律如圖6所示.試驗結(jié)果表明，在同一溫度下，由于海水環(huán)境的侵蝕作用，水泥土在海水環(huán)境下的滲透系數(shù)大于清水環(huán)境下的滲透系數(shù).對于5、10、15、20、25、30、35 ℃溫度下，在海水環(huán)境下，水泥摻量分別為12%、16%、20%的水泥土滲透系數(shù)隨溫度增加分別增加了2.55、2.24、1.87倍，而清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)分別增加2.28、1.81、1.56倍.試驗數(shù)據(jù)變化規(guī)律表明，無論是哪種水泥摻量，在海水環(huán)境或清水環(huán)境下，其水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的增加而逐步增加，而且海水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)均大于清水環(huán)境下的滲透系數(shù).

圖6 不同水泥摻量、不同環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.6 Variation of permeability coefficient of cemented soil with temperature at different cement contents and in different environments

2.5 溫度變化對滲透系數(shù)影響的回歸曲線

2.5.1 清水環(huán)境下溫度變化對水泥土滲透系數(shù)影響的回歸曲線

對于圍壓為0.4 MPa的情況，在清水環(huán)境下，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的逐步增加幾乎呈現(xiàn)出線性變化，如圖7所示.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以得到清水環(huán)境下(水泥摻量為12%、16%、20%)水泥土的滲透系數(shù)隨溫度變化的回歸曲線方程，即

圖7 清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化的回歸曲線Fig.7 Regression curves of permeability coefficient of cemented soil at different temperatures in clean water environment

k=0.111x+0.713，R2=0.987

(3)

k=0.056x+0.590，R2=0.965

(4)

k=0.039x+0.364，R2=0.910

(5)

2.5.2 海水環(huán)境下溫度變化對水泥土滲透系數(shù)影響的回歸曲線

對于圍壓為0.4 MPa的情況，在海水環(huán)境下，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的逐步增加幾乎呈現(xiàn)出線性變化，如圖8所示.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以得到海水環(huán)境下(水泥摻量為12%、16%、20%)水泥土的滲透系數(shù)隨溫度變化的回歸曲線方程，即

k=0.157x+1.086，R2=0.953

(6)

k=0.109x+0.186，R2=0.975

(7)

k=0.080x+0.682，R2=0.955

(8)

圖8 海水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨溫度變化的回歸曲線Fig.8 Regression curve of permeability coefficient of cemented soil at different temperatures in seawater environment

3 結(jié) 論

本文通過三軸壓縮滲透試驗，探討了在海水環(huán)境和清水環(huán)境下，不同溫度、不同水泥摻量對水泥土滲透特性的影響，得出了如下結(jié)論：

2) 在海水或清水環(huán)境下，隨著溫度的增加其水泥土滲透系數(shù)逐步增大，表明溫度的變化對水泥土滲透性產(chǎn)生影響；無論哪種水泥摻量，海水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)均大于清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù).

3) 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在海水或清水環(huán)境下，水泥土的滲透系數(shù)隨溫度的逐步增加幾乎呈現(xiàn)出線性變化，得到了水泥土在海水環(huán)境或清水環(huán)境下的滲透系數(shù)隨溫度變化的回歸曲線方程.