地基碾压灰土及天然黏性土地基防渗研究

王小强

（山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司，山西长治 046204）

0 引言

受建设单位的委托，在潞安180场地和精细化场地进行了煤化工地基碾压灰土及天然黏性土地基防渗的渗透试验检测，试验检测选择与目标化工地基相近的灰土压实地基和天然黏性土地基进行试验，采用试坑双环注水渗透试验。

1 试坑双环渗水试验

1.1 场地内地基土构成、岩性特征及水文情况

根据工程勘察资料，厂区松散地层划分为7层。

①填土（Q42ml）。黑灰色，黑色；稍湿；松散。该层由矸石、块石和素土等形成，大部分为耕地表层土，均匀性差。该层中还有新近沉积土主要分布在地势较低的沟底部，以粉质黏土为主，有层理结构，土质不均，多孔隙，混有姜石砾石等颗粒。

②黄土状粉质黏土（Q41al+pl）。褐黄色；湿；可塑。有小孔隙，主要含有较多钙质菌丝和姜石，该层具有黄土湿陷的特性，湿陷等级综合判断为Ⅰ级，湿陷类别为非自重湿陷，天然孔隙比为0.640～0.936，平均为0.771。

③粉质黏土（Q3al+pl）。褐色、褐红色；湿；硬可塑。多孔隙，包含较多铁锰质薄膜和黑斑，显块状，天然孔隙比为0.873～0.931，平均为0.881。

④黏土（Q2al+pl）。黄褐色，黄色；湿；硬可塑。包含较少黑斑，局部含有大量铁锰质核粒，铁锰质薄膜，该层局部夹有钙质结核层。姜石富集成层，该层以透镜体形式存在。

⑤砾石土（Q1al+pl）。黄褐色；湿；密实。包含较多砾石、石英等，以褐色黏性土胶结。

⑥砂岩（C）。灰色；湿；中等风化，局部出露。该层还有泥质灰岩（C）。紫褐色；湿；硬可塑。强～中风化。

⑦泥质灰岩（C）。青灰色；湿；中风化。该层均有揭露。场地勘察钻孔揭露深度内未见地下水。

1.2 适用条件及试验设备

双环注水试验（图1）适用于场地内地层为粉土层、粉质黏土及黏土层，试坑位地下水位以上，且离地下水有一定距离。基本适用于压实灰土防渗地基土层[1]。

图1 双环注水试验

1.3 试验原理

水在土中的流动符合达西定律，水在土的孔隙中流动时，大多数情况下流速较小，可以认为属于层流。则渗透速度与水力坡降成正比。当水力坡降为1时的渗透速度称为土的渗透系数。对于饱和土的渗透现象常用达西定律来表示。即v=kI或q=kIF。

在试验场地，向地表试坑内土层进行注水，当一定时间段后，渗入的水量达到稳定值，即单位时间的渗入水量接近相等，差别不大时，再利用Darcy定律的原理求出渗透系数（K）值。在坑底嵌入两个高约0.2m，直径分别为0.25m和0.50m的铁环，试验时同时往两个圆环内注水，并保持内外环的水头（水位）都保持在同一高程，以0.1m为宜，由于外部圆环渗透场的约束作用使内部圆环的水只能垂直向下渗入，因而大大减小了侧向渗流的误差，因此它的精度相对较高[2]。

1.4 现场试验

（1）试坑开挖应符合下列要求：①在随机选定的试验部位，挖一个圆形或方形试坑，至试验土层的稳定土层。②在试坑底部再挖一个深15～20cm注水试验试坑，直径应大于外环直径，坑底修平，并确保试验土层的结构不被扰动。

（2）试环安装应符合下列要求：①在注水试坑内放入试环，将直径分别为250mm和500mm的两个试环水平压入坑底，深约50～80mm，并确保试验土层的结构不被扰动，试环周边不漏水[3]。（试验土层为人工压实灰土层，土层含有硬碎土块等造成土的不均匀，为避免硬土块易造成开挖对土层结构的扰动破坏，采取提前挖坑并浸水湿润的措施，使土层适当变软，均匀性改善，达到试环周边不漏水）。②在内环及内、外环之间环底铺2～3cm厚、粒径为0.5～1.0cm的砾石作为缓冲层。

（3）应按图1所示安装瓶架、流量瓶、出水管和进气管。流量瓶应装满清水，用带2个孔的胶塞塞住，孔中分别插入长短不等的2根管端切成斜口的进气管和出水管。量水瓶进气管管口距坑底应为0.1m，以保持试验水头不变。

（4）试验过程中，用两个Mariotte瓶控制外部环和内部环的水头保持同一高度值（0.1m），根据内环所取得资料确定土层的渗透系数，由于内环中水只产生垂向渗透，排除了侧向渗漏引起的误差，因此可以获得较高的精度[4]。

（5）量测应符合下列规定：①注入水量由瓶上刻度读出；②开始每隔5min量测一次，连续量测5次；之后每隔15min量测一次，连续量测2次；以后每隔30min量测一次并至少量测6次；③当连续2次观测的渗入流量之差小于最后一次渗入流量的10%时，试验即可结束。取最后一次渗入量作为计算值。

（6）注水试验的渗入深度可采用以下方法确定：以试坑内环直径为一边向下开挖，通过对土层进行直观观察或测定不同深度土层的含水量来确定渗水试验的渗入深度。如图2～图5所示。

图2 灰土场地双环渗透试验现场

图5 黏性土场地渗透速度历时曲线

1.5 试验资料整理

（1）绘制内环渗入量与时间（Q-t）关系曲线图表。

（2）试验土层的渗透系数按式（1）计算。

式中：K——试验土层渗透系数，cm/s；Q——内部环注入水的流量，L/min；F——内环的底面积，cm2；H——试验水头，cm；H=10cm；Hα——试验土层的毛细上升高度，cm；z——从试坑底算起的渗入深度，cm。

图3 灰土渗透度历时曲线

图4 天然黏性土场地双环渗透试验现场

2 碾压灰土层渗透性评价

试验结果如表1、表2所示，在碾压灰土地层中所进行的5组渗水试验，渗透系数在5.53×10-5～2.0×10-7（cm/s），其渗透性主要为弱至中等透水，离散性较大，灰土层的透水性不能满足环保防渗的高标准（渗透系数小于10-7cm/s）的要求。

表1 双环试坑注水试验成果表（压实灰土）

表2 双环试坑注水试验成果表（③层黏性土）

碾压灰土层具有如此高的渗透性，其主要原因是：该土层土质不均匀，土料塑性指数较高，土层本身结硬块，不易被压实，保留了结块之间缝隙形成渗透通道。该人工碾压灰土层所用土料没有经过严格选料，可能混有钙质结核粒等其他杂质作碾压土料；同时可能还有施工碾压方面的原因。

天然黏性土进行的3组渗水试验，渗透系数在2.85×10-5～7.82×10-5（cm/s），其渗透性主要为中等透水，该黏性土渗透性也无法达到环保要求，分析有两方面的原因，一是该层土中钙质结核颗粒，在一定程度上为渗流提供了导水通道。另一方面该层土的孔隙比稍大，也是对防渗的不利因素[5]。

从上述试验结果看，碾压灰土层及该场地的天然黏性土的渗透性不能达到环保高标准防渗的要求，必须重新考虑其他有有效的防渗措施。

3 建议化工环保防渗的方法措施

为了满足环保防渗要求，建议对化工污水池底及侧壁进行水平防渗处理，处理的措施是铺设土工膜防渗。在严密铺设的条件下，土工膜可以达到渗透系数小于10-7cm/s的要求。

土工膜以塑料薄膜作为防渗基本材质，与无纺布复合而成的土工防渗材料，新材料土工膜它的防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。目前，国内外防渗应用的塑料薄膜，主要有聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）、EVA（乙烯/醋酸乙烯共聚物），它们是一种高分子化学柔性材料，延伸性较强，适应变形能力高，比重较小，抗冻性能好耐腐蚀，耐低温，寿命长。为了达到可靠的防渗目标，塑料薄膜的厚度可采用0.5mm，需要采用一膜两布结构（中间是塑料薄膜两边是无纺布），以使无纺布保护塑料薄膜不受破坏，与土层接触带以细砂层过渡。塑料薄膜铺设结合是用黏结或焊接的方法，这是塑料薄膜防渗性的关键环节，必须由专业施工人员精心完成，在黏结或焊接的过程中使塑料薄膜不受破损，保持完整严密的防渗性能。