焦德才, 楊俊杰**, 董猛榮, 米 瑞, 白書(shū)麒, 王 曼

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

水泥土是水泥漿或水泥干粉與原位土充分混合后形成的加固體，一般可采用深層攪拌法、高壓噴射注漿法、旋噴攪拌法等方法施工[1]。水泥土廣泛應(yīng)用于豎向承載的復(fù)合地基、路基或堤基工程中的大體積穩(wěn)定土、抵抗土壓力的支擋結(jié)構(gòu)；同時(shí)，具有良好抗?jié)B性能的水泥土也常常用于基坑工程中的防滲止水帷幕等[2-7]。水在水泥土中的滲透是一個(gè)長(zhǎng)期漫長(zhǎng)的過(guò)程，水泥土的滲透性隨著齡期不斷改變，研究水泥土長(zhǎng)期滲透特性對(duì)水泥土在防滲止水帷幕中的應(yīng)用具有一定的工程意義。

滲透性是防滲止水帷幕工程設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。影響水泥土滲透性的主要因素有原土的性質(zhì)、水泥摻量、外加劑、養(yǎng)護(hù)齡期、試驗(yàn)溫度、水泥土孔隙比等。針對(duì)水泥土的滲透性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，固化后的水泥土滲透系數(shù)大幅度降低，其中粘土的滲透系數(shù)可以降低到幾分之一甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)，淤泥降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，而砂質(zhì)土降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上[8]；水泥土滲透系數(shù)隨水泥摻量的增加而降低[9-12]；在水泥土中添加一定量的外加劑可有效地降低水泥土的滲透系數(shù)，粉煤灰摻量對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響程度大于膨潤(rùn)土摻量對(duì)其的影響程度[13]；滲透試驗(yàn)中的溫度也會(huì)影響水泥土的滲透性，隨試驗(yàn)溫度的升高水泥土滲透系數(shù)逐漸增加，低摻量水泥土滲透系數(shù)隨溫度的變化率大于高摻量水泥土滲透系數(shù)隨溫度的變化率[14]；水泥土的滲透性與水泥土孔隙比呈正相關(guān)，孔隙比越小，滲透系數(shù)越小[15]。

關(guān)于水泥土滲透性與水泥土養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系，朱崇輝等[16]的試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥摻入比、干密度等試驗(yàn)配合比參數(shù)一定的條件下，水泥土的滲透系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加逐漸減小，但是，減小幅度隨齡期逐漸變緩，齡期在14～21 d時(shí)，滲透系數(shù)降低速率較大，可降低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。侯永峰等[9]的試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥加固蕭山黏土的滲透系數(shù)隨齡期的增長(zhǎng)逐漸減小，特別是在28 d以內(nèi)，滲透系數(shù)降低較快。盧亮等[17]的試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于水泥加固粉砂，養(yǎng)護(hù)齡期在28～60 d時(shí)，水泥土的滲透系數(shù)有明顯減小，60 d后水泥土的滲透系數(shù)變化不再明顯。而對(duì)于粉質(zhì)黏土，達(dá)到10%的水泥摻量和28 d的養(yǎng)護(hù)齡期后，水泥土的滲透系數(shù)變化均不再明顯。董邑寧[12]通過(guò)研究水泥加固蕭山黏土在8%、10%、12%和15%四種摻入比下滲透系數(shù)齡期的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入比為12%和15%時(shí),滲透系數(shù)隨齡期增長(zhǎng)降低速率較大。胡漢兵等[18]的試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥土養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，滲透系數(shù)越小，并且對(duì)比28和90 d齡期滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在k90=(0.1～0.3)k28關(guān)系。

上述研究結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，滲透性越小。但是，目前沒(méi)有關(guān)于水泥土長(zhǎng)期滲透性預(yù)測(cè)的研究。本文通過(guò)一系列的水泥土滲透試驗(yàn)，研究了水泥土滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系，并提出了一種不含擬合參數(shù)的水泥土長(zhǎng)期滲透系數(shù)預(yù)測(cè)式。通過(guò)短齡期水泥土滲透系數(shù)預(yù)測(cè)長(zhǎng)齡期滲透系數(shù)，可節(jié)省室內(nèi)滲透試驗(yàn)時(shí)間。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土選粉土和黏土兩種類型。其中粉土選用黃河口粉土，黏土選用商品高嶺土。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]，測(cè)定的土樣物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)用水泥為山東水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。采用海水制備水泥土試樣，滲透試驗(yàn)的滲透介質(zhì)采用相同的海水。海水由海水素與自來(lái)水按照標(biāo)準(zhǔn)海水濃度配置而成。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2所示。其中，為使水泥土易于攪拌、成型，調(diào)整試驗(yàn)用土含水量至液限的1.2倍。

表2 滲透試驗(yàn)試樣制備方案Table 2 The sample preparation of permeability test

1.3 試驗(yàn)方法

采用變水頭試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為南55型滲透儀。

在制備試樣時(shí)，將土樣烘干并碾碎，然后按表2的試樣制備方案，先將烘干后的土樣與水泥混合，再加入海水?dāng)嚢杈鶆?，然后分兩次填入?nèi)壁均勻涂抹有少量玻璃膠的環(huán)刀模具(直徑6.18 cm、高4 cm)中(見(jiàn)圖1)。玻璃膠能夠很好的與環(huán)刀內(nèi)壁和水泥土緊密接觸，可防止側(cè)壁漏水等情況，選用的玻璃膠為中性，不參與水泥土的水化反應(yīng)。最后將制備的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定的齡期后實(shí)施滲透試驗(yàn)。

圖1 制備的試樣 Fig.1 Prepared sample

根據(jù)《水泥土配合比規(guī)程》[20]，當(dāng)?shù)味ü芤好嫦陆捣€(wěn)定后開(kāi)始讀數(shù)并同時(shí)測(cè)量水溫。每30 min讀數(shù)一次，讀4次數(shù)并計(jì)算得到3個(gè)滲透系數(shù)值，取其平均值作為該試樣的滲透系數(shù)。每種試樣共3個(gè)，其中兩個(gè)做滲透試驗(yàn)，一個(gè)測(cè)水泥土養(yǎng)護(hù)前后的質(zhì)量、體積和含水量。

2 水泥土的滲透特性

2.1 灰水比對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響

水泥摻入比是水泥質(zhì)量和原土質(zhì)量(土粒和土中水質(zhì)量)之比，不含水泥漿加固時(shí)水泥漿中的水。而灰水比則是水泥質(zhì)量與原土中的水及水泥漿中的水質(zhì)量之和的比值，包含了所有水的質(zhì)量，因此某種程度上，灰水比是影響水泥土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[21-25]。本文將灰水比作為水泥摻量的指標(biāo)，討論灰水比對(duì)水泥土滲透性的影響。如圖所示，在本文試驗(yàn)條件下，與原土種類無(wú)關(guān)，同一齡期水泥土的滲透系數(shù)隨灰水比的增大線性減小。如果將這一變化趨勢(shì)假定為直線，如圖2中虛線范圍，粉土水泥土的滲透系數(shù)大于相同灰水比、相同齡期高嶺土水泥土的滲透系數(shù)。另一方面，直線斜率因原土種類和齡期而不同，說(shuō)明水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率與原土的種類及齡期有關(guān)(見(jiàn)圖3)。

圖2 水泥土滲透系數(shù)與灰水比關(guān)系Fig.2 The relationship between permeabilitycoefficient of cement soil and cement-water ratio

圖3 水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率與齡期關(guān)系Fig.3 The relationship between the decreasing rate of permeability coefficient of cement soil with cement-water ratio and curing time

如圖3所示，原土為粉土的水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率大于相同齡期高嶺土水泥土的滲透系數(shù)降低速率；原土為粉土的水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率隨齡期增大而減小，而原土為高嶺土的水泥土滲透系數(shù)的降低速率受齡期的影響不明顯。

2.2 水泥土的長(zhǎng)期滲透特性

圖4為水泥加固黃河口粉土和高嶺土的滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系。

圖4 水泥土滲透系數(shù)與齡期關(guān)系Fig.4 The relationship between permeabilitycoefficient of cement soil and curing time

如圖4所示，與原土種類無(wú)關(guān)，水泥土滲透系數(shù)均隨齡期的增加逐漸降低。在齡期小于28 d時(shí)，滲透系數(shù)隨齡期的降低速率較大，但是這一趨勢(shì)因灰水比增大變得不明顯，即，低摻量水泥土滲透系數(shù)在齡期較小時(shí)降低速率較大；當(dāng)齡期超過(guò)28 d后，滲透系數(shù)降低趨于平緩，這一趨勢(shì)受水泥摻量的影響不大。

3 水泥土長(zhǎng)期滲透系數(shù)預(yù)測(cè)

3.1 長(zhǎng)期滲透系數(shù)預(yù)測(cè)式

本文提出一種不含擬合參數(shù)的水泥土長(zhǎng)期滲透系數(shù)預(yù)測(cè)式為：

(1)

式中：k為某條件下齡期時(shí)的水泥土預(yù)測(cè)滲透系數(shù)(cm/s)；kt0表示相同條件下t0齡期時(shí)的滲透系數(shù)(cm/s)；R為水泥土灰水比。

已知某一短齡期的水泥土滲透系數(shù)，可利用式(1)預(yù)測(cè)長(zhǎng)齡期的滲透系數(shù)。設(shè)t0和kt0分別為28 d齡期及相應(yīng)的水泥土滲透系數(shù)，利用式(1)預(yù)測(cè)的60和90 d水泥土滲透系數(shù)及實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果如圖5、6所示。水泥土滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值基本一致(見(jiàn)圖5)，預(yù)測(cè)的滲透系數(shù)隨齡期的變化趨勢(shì)基本反映了試驗(yàn)規(guī)律(見(jiàn)圖6)。

圖5 滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Comparison between predicted andmeasured values of permeability coefficient

圖6 滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值隨齡期的變化趨勢(shì)Fig.6 The predicted values variation of permeability coefficient with curing time

為進(jìn)一步方便使用，將式(1)分別與式(2a)和式(2b)聯(lián)立，從而可利用水泥土常用配合比參數(shù)預(yù)測(cè)長(zhǎng)期滲透系數(shù)。

采用水泥漿固化(濕法)時(shí)[25-26]

(2a)

采用水泥干粉固化(干法)時(shí)[25-26]

(2b)

式中:C為水泥漿水灰比；wn為原土的天然含水量；aw為水泥摻入比。

3.2 滲透系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果與其他學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7為采用式(1)預(yù)測(cè)的水泥土長(zhǎng)期滲透系數(shù)與陳四利、王賢昆、袁偉和侯永峰等的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，其中，設(shè)t0和kt0分別為28 d齡期及相應(yīng)的水泥土滲透系數(shù)。陳四利等[27]的試驗(yàn)用土為沈陽(yáng)市某地的粉質(zhì)黏土，采用清水環(huán)境養(yǎng)護(hù)。王賢昆等[28]的試驗(yàn)用土為廣州珠江新城地區(qū)的粉質(zhì)黏土，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。袁偉[29]的試驗(yàn)用土為青島膠州灣濱海相吹填軟土，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。侯永峰等[9]的試驗(yàn)用土分別為蕭山黏土和采自溝通工程的粉土，脫模后用塑料袋密封置于清水環(huán)境養(yǎng)護(hù)。上述試驗(yàn)所用水泥均為42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。

如圖7所示，對(duì)于水泥固化粉土、粉質(zhì)黏土、黏土及濱海相軟土，本文提出的水泥土長(zhǎng)期滲透系數(shù)預(yù)測(cè)式的預(yù)測(cè)結(jié)果基本反映了水泥土滲透系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律，與上述學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

4 結(jié)論

本文對(duì)水泥加固粉土和黏土形成的水泥土進(jìn)行了一系列滲透試驗(yàn)，研究了灰水比和齡期變化與水泥土滲透系數(shù)的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

(1)水泥土的滲透系數(shù)隨灰水比的增大逐漸降低。粉土水泥土的滲透系數(shù)降低幅度大于高嶺土水泥土的滲透系數(shù)，其中粉土水泥土灰水比為0.431時(shí)的滲透系數(shù)較灰水比為0.216和0.302時(shí)的滲透系數(shù)減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率與原土的種類及齡期有關(guān)，粉土水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率大于相同齡期高嶺土水泥土的滲透系數(shù)降低速率，粉土水泥土滲透系數(shù)隨灰水比的降低速率隨齡期增大而減小，而高嶺土水泥土滲透系數(shù)降低速率受齡期的影響不明顯。

(3)水泥土的滲透系數(shù)隨齡期的增大逐漸降低，初期滲透系數(shù)降低速率較大，在齡期超過(guò)28 d后，滲透系數(shù)隨齡期的降低速率減小。

圖7 預(yù)測(cè)值與學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison between predicted values and test results

(4)提出了水泥土長(zhǎng)期滲透系數(shù)預(yù)測(cè)式，已知灰水比和某一短齡期的水泥土滲透系數(shù)即可預(yù)測(cè)長(zhǎng)期滲透系數(shù)，預(yù)測(cè)結(jié)果較好地反映了水泥土滲透系數(shù)隨齡期的降低規(guī)律。