土凝岩的掺量和龄期对稳定土渗透系数的影响

付延凯，刘经强，*，荣云杰，李明雷，李海燕

1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

2.山东农业大学勘察设计研究院，山东泰安271018

土凝岩的掺量和龄期对稳定土渗透系数的影响

付延凯1，刘经强1，2*，荣云杰1，李明雷2，李海燕2

1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

2.山东农业大学勘察设计研究院，山东泰安271018

土凝岩是利用粉煤灰、煤矸石等工业废弃物研制出的一种材料，公路工程中应用较为广泛，水利工程应用于截渗墙和软弱地基置换等。本文通过变水头试验，探讨了土凝岩掺量和龄期（饱和累计时间）两个因素对稳定土渗透系数的影响规律并提出较为可行的掺量方案。试验结果表明：土凝岩掺量为15%的土，前期渗透系数下降较快，后期渗透系数可达到2.10E-8 cm/s，符合《水利工程施工规范》要求，较适合在截渗墙工程中推广应用。

土凝岩；掺量；龄期；渗透系数

土凝岩材料是利用粉煤灰、赤泥、煤矸石、等工业废弃物，基于地质成岩原理，研制出的可以替代水泥、石灰等应用于公路等基础建设工程的材料。资料数据表明，如果用土凝岩代替10000 t水泥，将减少约5200 t CO2气体的排放，节省煤炭约2400 t，减少优质石灰石资源开采10000 t左右，从而节约资源，保护环境［1］。

在水利工程建设领域，土凝岩的应用主要有地基加固（软弱地基置换）和建筑物防渗处理（截渗墙），截渗墙对渗透系数要求较高［2-8］。论文采用变水头试验的方法，探讨了土凝岩掺量和龄期（饱和累计时间）两个因素对稳定土渗透系数的影响规律，并根据对结果的分析比较，提出较为可行的掺量方案。

1　试验设计

1.1试验方案设计

截渗桩墙施工中，采用建筑施工手册推荐的型钢水泥土搅拌墙工程施工工艺方法较好，与这次试验有关的核心工艺流程为：拌制水泥浆→钻机钻进喷浆、搅拌下沉、提升→成桩，其中渗透系数的影响因素主要为掺量［9］。密实度主要依靠搅拌和喷浆的时间长短、上提喷浆管的速度和喷浆量的均匀程度来控制。通过试验数据分析后发现，龄期也是重要影响因素。

渗透试验方法采用变水头试验。压实度指标用环刀内干土质量相等的方法控制，并用最优含水率17%控制含水率，容重采用原有土工试验结果。每份土样0.4 kg，土凝岩掺量范围为0%～20%，共分0%、4%、6%、8%、10%、12%、15%、20%八个不同掺入比。

1.2试验步骤设计

1.2.1制备试样过筛→烘干→称量→制备土样→含水率试验→放置一昼夜→进行试验

原土样取土地点为山东省平邑县夫子山水库土坝，基本物理指标见表1，原土样颗粒百分比见表2，土样颗分曲线图见图1。

表1　原土样基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of original soil sample

1.2.2含水率试验制备试样时，利用剩下的混合土测定其含水率。按照土工试验规范（DL T 5355-2006）含水率试验的要求进行操作。

1.2.3渗透性试验按照土工试验规范（DLT 5355-2006）变水头渗透试验的要求进行操作即可，操作过程应注意以下几点：

（1）试样应测量含水率和总土重。

（2）不易透水的试样应用抽气饱和装置加速试样饱和，加快试验进度。

（3）起始和终止的水头应从变水头管的液面到土样上表面。

（4）试验以当不同开始水头下测定的渗透系数在允许差值范围内为结束的标志，记录完几组数据以后立即计算渗透系数，若误差太大应多重复几次。变水头渗透系数应按下式计算：

式中：A—变水头管的断面积（cm2）；

2.3—ln和log的变换因数；

L—渗径，即试样高度（cm）；

t1，t2—分别为测读水头的起始和终止时间（s）；

H1，H2—起始和终止水头。

2　试验结果分析与讨论

2.1含水率试验结果与分析

从表3中可以看出，相同土样含水率差别较小，在误差范围之内。但是当时考虑蒸发因素按照18.5%计量水，实际含水率大约在15.5%左右，与预期的17%差别较大，并且差别3%左右，误差较大，说明考虑因素不足，经验欠缺。分析原因应该是当时天气炎热加空调风大，使水分蒸发较快，含水率偏低。以后的制备土样应以实际情况考虑额外添加的水量，并且多动手以增加试验经验。

表3　稳定土含水率计算表Table 3 Percentage of moisture content in stabilized soil

2.2不同掺量试验结果与分析

不同掺量下渗透系数试验结果见表4。根据试验作出散点图见图2。从图中能得出以下几点结论：

（1）掺入土凝岩放置一昼夜的情况下，掺入土凝岩以后土样的渗透系数都有所降低，由2.23E-05（cm/s）下降到0.5～1.5 E-05（cm/s），降低为原来的22%～67%。

（2）掺入量与渗透系数的关系并不是简单的反比例关系，掺量大于8%以后，近似是随着掺量增加渗透系数降低，但是掺量小于8%时，渗透系数反而与掺量成正相关的关系，这是没有想到的。掺量为20%时，渗透系数又有增大的趋势。

（3）渗透系数与掺量并不是简单地负相关的关系，有可能在掺量较少的范围内反而成正相关，增大到一定值以后，才开始成负相关的关系，随着掺量继续增加，渗透系数不降反增。

（4）得出的结论说明，土凝岩掺量只能说是影响渗透系数的一个因素之一，稳定土的渗透系数还受很多其他因素影响［10］。

2.3养护24 h后试验结果与分析

由养护24 h后渗透系数与刚饱和时的渗透系数对比表5可以得出如下结论：

在养护了24 h以后，可以看出掺量为12%～15%的稳定土渗透系数降低率最大，达到94%。说明掺量太多或太少，都不利于渗透系数的降低。渗透系数在前期降低较快，对工程是有益的，可以加快工程进度。

由散点图3中我们能得到以下结论：

（1）掺量为12%和15%的稳定土在24 h后达到了4.68E-07 cm/s和3.58E-07 cm/s的渗透系数，是所有稳定土中渗透系数最小的两个，能达到E-07数量级的渗透系数，说明防渗效果极好。

（2）24 h后的和刚开始的渗透系数与掺量的关系相比较，总体的规律没有变化，在掺量较小的范围内，渗透系数与掺量成正相关，之后成负相关，掺量的继续增大反而有上升的趋势。

（3）从工程的角度分析，掺入12%～15%的土凝岩是比较合适的，渗透系数最小，并且比较经济，这个结论与水泥掺量经验值15%是相一致的。

表5　不同掺量下刚饱和与24 h后渗透系数对比表Table 5 Comparison of permeability coefficients between the just saturation and after 24 h in different dosages

图3　不同掺量下刚饱和与24 h后渗透系数对比图Fig.3 Comparison of permeability coefficients between the just saturation and after 24 h in different dosages

2.4渗透系数与饱和累计时间（龄期）之间的关系试验结果与分析

为了更好地研究渗透系数与饱和累计时间（龄期）之间的关系，根据试验数据，研究了累计时间（以分钟为单位）与渗透系数之间的关系，见图4和图5。限于篇幅，以1-6和1-7土样为例，剩余土样的规律相同。

从拟合的线性回归曲线可以得到以下结论：

（1）随着时间的延长，渗透系数是逐渐下降的，掺量15%的土样，刚饱和时渗透系数8.30E-6 cm/s，24 h达到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，土凝岩掺入后对土渗透系数的降低有积极地促进作用，并且最终达到2.10E-8 cm/s，符合水利工程施工规范要求。

（2）在测量的每一时间段内，渗透系数与时间近似线性关系，线性回归系数都在0.95以上，说明拟合较好，分段线性拟合是合适的。

（3）通过观察同一土样不同时间拟合函数的系数，发现随着时间延长，系数逐渐减小，每次模拟系数比上次减小两个数量级左右。这符合预计结果，即随着时间的延长，渗透系数的变化率越来越小，最终趋于稳定。

（4）掺量为15%的土样1-7，24 h以后模拟曲线斜率达到-1E-10，14000 min即10 d左右，斜率降低到-9E-12，其物理意义是每分钟渗透系数下降-9E-12 cm/s，每天渗透系数下降1.3E-8 cm/s。

图4　土样1～6饱和累计时间（龄期）与渗透系数线性关系回归Fig.4 The linear regression of the cumulative saturation time and permeability coefficients in sample 1-6

图5　土样1～7饱和累计时间（龄期）与渗透系数线性关系回归Fig.5 The linear regression of the cumulative saturation time and permeability coefficients in sample 1-7

3　结论

（1）试验从工程实际应用出发，寻找可能影响实际施工效果的因素，在实际试验的过程中通过前期结果分析，对影响因素的考虑逐步全面，分别研究了土凝岩的掺入量和饱和累计时间（龄期）对稳定土渗透系数的影响。在试验过程中也发现了实际操作中的一些可能影响试验精度的因素，提出来并应该在以后的设计中多考虑，操作中尽量避免。

（2）以15%的掺入量掺入土凝岩时，渗透系数最小，24 h后达到3.58E-07 cm/s，10 d下降至2.10E-8 cm/s，并且24 h内渗透系数降低幅度最大，达到94%，是比较适合实际工程施工要求的。

（3）渗透系数随着龄期增加不断降低，降低的速率也是逐渐变缓的，掺量15%左右10 d后每分钟渗透系数降低9E-12 cm/s左右，基本是稳定的。

（4）土凝岩应用到截渗桩墙等对渗透性要求较高的工程，从渗透系数这一方面考虑，是可行的，经济并且效果较好的掺入比推荐为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

付延凯（1991-），男，在读硕士研究生，研究方向为水利工程.E-mail：eyd163yx@163.com

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