不同固化剂对软土渗透性影响的试验研究
                                         董邑宁
                            (浙江水利水电专科学校,浙江杭州　310018)
    摘要：软土地基加固中渗透性是工程设计的主要参数.现通过水泥、固化剂1、固化剂2对粘土的室内渗透性试验结果,分析了不同固化土分别在不同掺入比和不同龄期时渗透系数变化的规律.试验结果表明,从固化土防渗效果分析, 固2土>固1土>水泥土.同时分析了固化土强度与渗透系数之关系.
    关键词：固化剂;粘土;渗透性
    中图分类号：TU57　文献标识码:A　文章编号:1008-536X(2007)01-0007-04
    0　前　言
    掺加不同的固化材料及掺量用以研究和分析软土地基加固[1]的效果一直是工程设计中关心的问题,众多的研究成果主要集中在固化土的强度及变形特性分 析.实际工程中固化土的渗透系数k选择是否正确[2]直接影响工程[3]的设计质量和施工过程.本文选用新型固化剂1、固化剂2,采用萧山粘土,分别进行不同掺入比和不同龄期时水泥土和固1加固土、固2加固土的渗透性试验,以研究和分析不同固化土渗透系数变化的规律,为工程应用提供科学依据.
    1　试验条件
    1.1　试验用料
    固化剂1、固化剂2(简称固1、固2)、42.5普通硅 酸盐水泥,试验土样为粘土,其物理性质见表1.

    1.2　试样制作及养护
     试验前将土样烘干、捣碎,过2 mm筛孔的土为试 验用土.根据要求分批分别做固化剂(或水泥)掺入比 5%、8%、10%、12%、15%、20%,龄期分别为3 d、7 d、14 d、28 d、60 d渗透试样.养护一天后脱模;水灰比为 0.6.所有试样脱模后均用密封的塑料袋装好,袋周加 水浸泡放入标准养护室养护至龄期.试验按有关规 范[4-5]进行.
    2　试验结果与分析
    2.1　固1加固土
    不同掺入比不同龄期时的渗透系数变化见表2. 掺入比aw=5%时随龄期T增加加固土的渗透系数k 呈减少趋势.掺入比10%时与掺入比8%比较,在龄期小于14 d时两种掺入比的渗透系数变化不大,自28 d 时渗透系数变化较大.在龄期60d时注意到掺入比 10%与8%的渗透系数更是十分接近.说明此时该掺入比范围对土的固化作用基本上已经完全发挥,土的结构也趋于稳定,掺入比稍有增加对土的强度有提高 而对土的渗透性影响不大;掺入比12%时加固土的渗透系数随龄期增加其数值下降进一步加快,固化作用 加强在强度提高的同时而使得渗透系数变化较大.龄期60d时渗透系数达到7.6×10-9cm/s,和前几种掺入比相应龄期的数值比较,渗透系数k减少1.41~ 1.71倍,与原状土相比,渗透系数k减少近10倍;掺入 比15%时,14 d、28 d的k值分别为1.52×10-8cm/s、 8.6×10-9cm/s.从图1看出,随龄期增加加固土的渗透系数变化曲线下降的比较快,60 d时渗透系数k= 5.3×10-9cm/s.在掺入比20%时,同样也表现出上述的特点.特别在龄期14d时,渗透系数减小到k=8×10-9cm/s.从其变化趋势看,之后趋于平缓,进一步变化的可能性不大.
                     
    2.2　固2加固土
    从表3看出,掺入比8%与掺入比5%比较,随龄期增加加固土的渗透系数下降的趋势较快;在掺入比 10%时,14 d时渗透系数和掺入比8%比较,两种掺入比的渗透系数变化不大,自28d时渗透系数变化较大.在龄期60d时注意到掺入比10%与8%的渗透系数仍有变化.说明此时该掺入比范围对土的固化作用基本上已发挥;掺入比12%时与前几种比较,k值减 少1.13~2.00倍,与原状土比较,k值减少近16.7倍; 掺入比15%时,加固土的渗透系数变化和掺入比12% 相似(见图2).可见土的结构受掺入比影响而发生显著的变化,在掺入比12%~15%时其效果比较好.
                 
    2.3　水泥土-固1土渗透性对比分析
    2.3.1　水泥土
    试验表明(见图3),在aw=8%、10%时,同一龄 期水泥土k值无多大变化.在aw=12%、15%时,k值随龄期增加变化较大,尤以aw=15%时k值变化最大.可见由于水化反应,水泥土在硬凝过程中能使部分自由水形成结晶水,结构更加密实,防渗性能提高.同时也看出,龄期初期水泥土渗透系数k变化较小,即掺入比的影响较小;龄期14d时,aw对渗透系数k的影响较为明显,但在掺入比8%、10%时却对k值影响不大.
                      
    2.3.2　水泥土-固1土对比分析
    由图3可知,龄期28 d内,掺入比8%~10%时水 泥土的渗透系数小于固1土的渗透系数.自龄期14 d 起二者的渗透系数变化较大.龄期28 d起,固1土的渗透系数变化较大,水泥土的渗透系数虽未测定,但从其发展趋势来看相差不多.掺入比12%~15%时水泥土同样表现出在龄期14d内小于固1土的渗透系数.对固1土而言,在龄期28 d时其k值仍呈下降的趋势, 并和水泥土的k值相接近.从其发展趋势看,随着加固土强度的提高,k值曲线下降的趋势仍在延续,加固效果和防渗效果相对于水泥土有较大的提高.
    从整体防渗效果看,养护龄期初期,水泥土的k值较小,而在养护龄期后期,固1土的k值变化较大,在 加固土强度增加的同时,有利于防渗且效果比较好.
    2.4　固1土-固2土渗透性对比分析
    绘制固1和固2加固土渗透系数随龄期变化的比 较曲线(见图4).在掺入比8%,龄期7 d、14 d、28 d时 固1土渗透系数与固2土相差分别为1.66倍、1.38 倍、1.79倍.在龄期60 d时,二者的渗透系数相对接 近;掺入比10%,固1土与固2土的渗透系数在14 d、 28 d也分别相差1.52倍、2.11倍.
    掺入比12%~15%时,固2加固土的渗透系数曲 线明显低于固1土的渗透系数曲线.如掺入比15% 时,固2土与固1土的渗透系数在7 d、14 d、28 d分别 相差1.93倍、1.75倍、2.1倍.可见在养护龄期初期或 后期,从整体抗渗和防渗能力来看,固化剂2的效果优于固化剂1.
                 
    2.5　固化土qu-k分析
    工程地基的强度和渗透性是软土设计中的重要参数,尤其在防渗与排水设计中渗透性是考虑的主要因素之一.理论和实践表明,土的强度、变形与渗透性之 间有密切的相互关系.如基坑的排水、降水等.土体的 力学性质并不取决于粘土中基本结构单元的强度,而 是取决于它们之间的结构粘结力.所以采用何种方式 粘结土粒,是影响固化土组构及强度的主要因素.
    一般而言,土体的渗透性主要受颗粒、孔隙大小及 分布(组构)、渗透流体(水-土-电解质体系)等因素的影响.受掺入比aw和龄期T影响的固化土强度与渗 透系数k的关系点绘于图5、图6.从图中可看出,固化 的作用和过程使得土的结构性发生明显的变化,孔隙的存在形式和大小对渗透产生了较大的影响.
                    
    3　固化机理及特性
    通过固化土结构性分析,固化剂的掺入量与搅拌 均匀性直接影响固化土的渗透特性.其与土体混合后 利用生成高结晶水的物质消耗土壤中的游离水分,生 成的结晶水合物具有胶凝的性质,可以堵塞土块中的 各种毛细管道.避免渗入水分再一次破坏固化土的结 构.固化剂中含有的微晶核,通过晶格配备,可在土颗 粒空隙中生成针状结晶体,填充土体缝隙,形成骨架结 构(三维网状结构),提高土体的抗渗等性能指标.随掺 入比的加大,固化土的渗透性变化较大,抗渗和防渗效 果大为提高.从图5、图6可知,固1土、固2土qu- k 有着较好的相关性,在固化土的强度达到某一值时,k 值的变化趋于稳定,工程应用中特别在k值预测分析 时可供参考.
    与传统材料(水泥)相比,固1、固2的特性主要表 现在:
    (1)对土壤颗粒度(粒径)有较广泛的适用范围. 根据工程性质和施工要求,可调整延迟时间.表层加固 施工可采用散布、摊铺、搅拌、碾压的步骤进行.深层软 弱地基加固可采用注入搅拌施工法或高压旋喷施工 法.
    (2)固结土体的收缩量很小,充分提高了固结土 体的抗冻、抗裂等性能.
    (3)同等价格下,该性能高出传统固化材料.同等 技术指标下,固化剂的价格低于传统材料.与传统的材 料相比工程造价降低10%~30%.根据有关资料,比 生产硅酸盐水泥能耗降低30%~50%,成本降低10% ~40%.近年来,在国内一些工程应用中取得满意的加 固效果.
    4　结　论
    通过以上分析和讨论,主要结论有:
    (1)水泥土、固1土、固2土渗透系数的变化和龄期、掺入比关系密切.随龄期和掺入比增大,渗透系数 降低的趋势较大,并逐渐趋于稳定.新型固化剂1、固化剂2及其掺量对粘土的固化作用明显.
    (2)根据试验结果,对于固1土和固2土,掺入比 建议采用12%~15%,以满足不同工期的防渗要求. 掺入比5%时,固化作用较弱,建议不宜采用.
    (3)通过水泥土、固1土、固2土渗透性对比分 析,固2对粘土的加固效果和防渗效果优于水泥土、固 1土,依次顺序为:固2土、固1土、水泥土.
    (4)固1土、固2土强度与其渗透系数k有着较 好的相关性,可供实际工程参考.
    参考文献:
    [1]　龚晓南.地基处理新技术[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.
    [2]　龚晓南.高等土力学[M].杭州:浙江大学出版社,1996.
    [3]　董邑宁,徐日庆,龚晓南.萧山粘土的结构性对渗透性质影响的试 验研究[J].大坝观测与土工测试,2000(6):44-46.
    [4]　杨熙章.土工试验与原理[M].上海:同济大学出版社,1993.
    [5]　中华人民共和国水利部.SL237-1999土工试验规程[S].北京:中 国水利水电出版社,1999.