固化黄土渗透特性的试验研究

2013-10-26王银梅高立成

太原理工大学学报 2013年1期

王银梅，高立成

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

土壤固化剂的应用领域很广，而不同领域对固化土的性能要求不同，所以其固化性能的研究也就因工程要求不同而异。在固化土耐久性能试验中，研究较多的是固化土的抗渗性能和抗冻性能。在以黄土为填筑料的水工建筑物、道路的路基工程、排水工程、垃圾场工程以及多层建筑的地基稳定分析中，渗透性能的研究更具有研究意义。

目前，许多国内外学者已对固化土的渗透变化规律进行了研究。郭鸿等人探求不同压实度和黄土掺量下粉煤灰渗透特性的变化［1］；储诚富等对原状土、重塑土和改性粉土的压实性、渗透性等主要防渗垫层指标进行了对比评价。结果表明，原状土和压实重塑土的渗透性不能达到1×10-7cm／s，而改性土具有较好的压实性和低渗透性；提出了该种粉质黏土垫层改性后的最佳掺灰比为12%［2］；杨泽平、顾正维等也进行了固化或改良土渗透性研究［3-6］。这些结果表明，固化土具有较高的抗渗性能。

黄土作为一种区别于一般黏性土的特殊土，本身及固化后的渗透特性对于黄土地区工程的防渗十分重要。李志高等对石灰-下蜀黄土、粉煤灰-下蜀黄土的渗透系数的主要影响因素（掺灰比、含水量)进行正交试验设计，选用双因素方差分析法分析了掺灰比、含水质量分数与渗透系数之间的关系，发现掺灰比和含水质量分数对下蜀黄土的防渗性能均有重要影响［7］。郭婷婷等人对黄土二灰土工程特性进行了研究，在黄土中加入石灰、粉煤灰后，减轻了地基的透水性。随着粉煤灰含量的增加，其干密度减小，二灰土的渗透系数随之增大，但其数值均较小，都属于低渗透性土［8］。张丽萍等研究了2种离子固化剂改善黄土渗透性，发现添加CONAID和LUKANG后，对黄土的抗渗性有很好的改善作用［7］。

笔者在阅读分析大量相关文献的基础上，考虑到不同地区黄土性质有所差异，选取山西两种不同性质的黄土，开展了重塑黄土和水泥、石灰及SH固化黄土的常规变水头渗透试验，并探讨固化黄土的渗透特性影响因素及变化规律。

1 试验方案

1.1 试验仪器

目前，在实验室中测定渗透系数k的仪器种类和试验方法很多，但主要的有常水头法和变水头法两种。变水头试验在试验过程中水头差一直在随时间而变化，可以比较准确地测定出渗透系数较小的土的渗透系数，因此本试验采用变水头法测定素黄土和固化土样的渗透系数，渗透仪器采用ST55-2型改进型渗透仪，内置环刃内径61.8mm，高40 mm，透水石内径72mm。渗透试验按照土工实验方法标准的规定进行。

1.2 试验材料

试验用黄土取自山西不同地区，其基本物理性质如表1所示。固化材料分别为水泥、生石灰和高分子材料SH。

水泥为太原市水泥厂生产的P.S.A 32.5矿渣硅酸盐水泥；生石灰为湖南省衡阳市耒阳益佳石灰厂生产，有效钙镁质量分数为70%，属Ⅱ级石灰，符合试验要求，试验期间注意生石灰防潮；SH是采用化工废料制成的新型高分子材料，成本较低，为无色透明的水溶液，固体洛质的质量分数为5%，无毒，亲水性强，常温下能固化。

表1 土的基本性质

1.3 试验方案

对所采取的黄土进行击实试验，确定最优含水率和最大干密度。击实试验结果表明，黄土1，黄土2的击实特性不同，其最大干密度分别为1.73和1.75g／cm3，最优含水率分别为17.6%和11.6%。

称取一定量的风干备用黄土，与相应比例的固化材料及水（水泥、石灰按最优含水率18%设计添加，SH不另外加水)充分混合，静置于容器中，按预设的1.6g／cm3的干密度压实制成环刀试样并养护至规定时间，取3个试样为一组作为平行渗透试件。

2 试验结果与分析

试验测得，干密度为1.5，1.55，1.6g／cm3的重塑压实黄土1和黄土2的渗透系数分别为11.86×10-6，10.67×10-6，8.788×10-6cm／s和 7.36×10-6，6.15×10-6，4.09×10-6cm／s。可见，两种黄土经重塑压实后的渗透系数均较小，基本能满足渠道等工程防渗要求。

黄土1渗透性之所以略大于黄土2，可能与黄土2的粒度成分、矿物成分和结合水膜等综合因素有关。对照表1中黄土的颗粒组成可知，试验所用黄土1和黄土2分别属于粉质黏土和粉土，以粉粒和细砂粒含量居多，前者粒度偏细，颗粒组成较均匀，后者略粗，不均匀系数较大。黄土2的液塑限、塑性指数均低于黄土1，因液限较低，压缩性可能较小，亲水性较弱，工程性质比较好。

2.1 渗透系数与固化材料掺量的关系

固化黄土的渗透系数随着固化材料及用量的变化而变化，如表2和图1所示。

2.2 渗透系数与龄期的关系

固化黄土试件在不同养护时间下的渗透系数如表3和图2所示。

表2 不同掺量的固化材料加固黄土1的渗透系数（28d龄期)

图1 渗透系数与固化材料掺量的关系

图2 渗透系数与龄期的关系

由表3和图2可以看出，黄土1加入石灰、水泥和SH后，无论加入比例多少和养护时间的长短，试样的渗透系数均明显减小，但基本在一个数量级或降一个数量级内变化。养护龄期一定，随着固化剂掺量的增加，固化土的渗透系数呈递减趋势。掺量一定，随着养护龄期的增加，渗透系数下降进一步加快。

表3 不同龄期的固化材料加固黄土1试样的渗透系数 10-6cm／s

在相同的掺量下，石灰固化黄土的渗透系数比水泥和SH固化黄土的渗透系数要小。说明通过使用石灰固化黄土的抗渗能力比使用水泥或SH固化黄土要好。

2.3 固化剂组合固化黄土试样的渗透系数

采用SH和生石灰两种固化剂组合处理黄土，测试28d养护龄期，两种类型的黄土样的渗透系数如表4所示。

SH和生石灰组合加固黄土的渗透系数较生石灰为大，比SH为小，介于二者之间。8%生石灰组的渗透系数明显比8%组的SH溶液组小，也说明生石灰影响较SH大。

表4 固化黄土28d试样的渗透系数

2.4 不同类型的黄土固化后的渗透系数

黄土2经石灰和SH固化后的试样渗透试验结果如表5、表6和表7所示。

表5 不同龄期石灰固化黄土试样的渗透系数 10-7cm／s

表6 28d龄期的SH固化黄土2的渗透系数

表7 不同龄期SH固化黄土试样的渗透系数 10-7cm／s

对比黄土1和黄土2的渗透试验结果可以看出，黄土2经水泥、石灰和SH固化后渗透系数明显较黄土1为小，甚至低至一个数量级，说明粗粒黄土的防渗效果比细颗粒黄土加固效果明显。这是因为，固化材料加入后对粗粒土粒间孔隙的充填效果更为有效，混合土的级配变好，更易于压实，密度提高及相应的渗透系数降低也会更明显［8］。

综合以上分析可知：黄土类型和性质、固化剂类型及掺量和养护龄期是影响加固黄土渗透性的重要因素。此外制样的干密度也影响固化土的渗透系数，随制样的干密度增大而减小［11］。故在湿陷性黄土地基工程治理和应用中应考虑上述因素变化对渗透系数的影响，针对不同工程采用不同的取值，以达到防渗的目的，避免发生湿陷沉降。

黄土中加入水泥、石灰，SH后，渗透系数降低，是由于固化材料发挥了作用。水泥和石灰通过水泥、石灰和黄土间的物理化学反应，水化水解所产生的CSH等水化物的胶结作用固化黄土；SH为水溶性高分子，其分子链上有羧基、羟基等亲水基团。SH与黄土拌合均匀，并轻微压实后，高分子链就将土颗粒搭接，同时高分子链间的交联，最终使整个土体成为一空间网状结构［12］；由于固化黄土后都可消除黄土的部分空隙，使黄土颗粒之间的连结力增强，提高土样的紧密程度；掺量越大，充填胶结作用发挥充分，土的强度越大，从而使土样中渗透路径减少，渗透系数降低，抗渗性能得以改善，抗渗能力增强。