固化黃土滲透特性的試驗研究

王銀梅，高立成

（太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024)

土壤固化劑的應用領域很廣，而不同領域對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異。在固化土耐久性能試驗中，研究較多的是固化土的抗滲性能和抗凍性能。在以黃土為填筑料的水工建筑物、道路的路基工程、排水工程、垃圾場工程以及多層建筑的地基穩定分析中，滲透性能的研究更具有研究意義。

目前，許多國內外學者已對固化土的滲透變化規律進行了研究。郭鴻等人探求不同壓實度和黃土摻量下粉煤灰滲透特性的變化［1］；儲誠富等對原狀土、重塑土和改性粉土的壓實性、滲透性等主要防滲墊層指標進行了對比評價。結果表明，原狀土和壓實重塑土的滲透性不能達到1×10-7cm／s，而改性土具有較好的壓實性和低滲透性；提出了該種粉質黏土墊層改性后的最佳摻灰比為12%［2］；楊澤平、顧正維等也進行了固化或改良土滲透性研究［3-6］。這些結果表明，固化土具有較高的抗滲性能。

黃土作為一種區別于一般黏性土的特殊土，本身及固化后的滲透特性對于黃土地區工程的防滲十分重要。李志高等對石灰-下蜀黃土、粉煤灰-下蜀黃土的滲透系數的主要影響因素（摻灰比、含水量)進行正交試驗設計，選用雙因素方差分析法分析了摻灰比、含水質量分數與滲透系數之間的關系，發現摻灰比和含水質量分數對下蜀黃土的防滲性能均有重要影響［7］。郭婷婷等人對黃土二灰土工程特性進行了研究，在黃土中加入石灰、粉煤灰后，減輕了地基的透水性。隨著粉煤灰含量的增加，其干密度減小，二灰土的滲透系數隨之增大，但其數值均較小，都屬于低滲透性土［8］。張麗萍等研究了2種離子固化劑改善黃土滲透性，發現添加CONAID和LUKANG后，對黃土的抗滲性有很好的改善作用［7］。

筆者在閱讀分析大量相關文獻的基礎上，考慮到不同地區黃土性質有所差異，選取山西兩種不同性質的黃土，開展了重塑黃土和水泥、石灰及SH固化黃土的常規變水頭滲透試驗，并探討固化黃土的滲透特性影響因素及變化規律。

1 試驗方案

1.1 試驗儀器

目前，在實驗室中測定滲透系數k的儀器種類和試驗方法很多，但主要的有常水頭法和變水頭法兩種。變水頭試驗在試驗過程中水頭差一直在隨時間而變化，可以比較準確地測定出滲透系數較小的土的滲透系數，因此本試驗采用變水頭法測定素黃土和固化土樣的滲透系數，滲透儀器采用ST55-2型改進型滲透儀，內置環刃內徑61.8mm，高40 mm，透水石內徑72mm。滲透試驗按照土工實驗方法標準的規定進行。

1.2 試驗材料

試驗用黃土取自山西不同地區，其基本物理性質如表1所示。固化材料分別為水泥、生石灰和高分子材料SH。

水泥為太原市水泥廠生產的P.S.A 32.5礦渣硅酸鹽水泥；生石灰為湖南省衡陽市耒陽益佳石灰廠生產，有效鈣鎂質量分數為70%，屬Ⅱ級石灰，符合試驗要求，試驗期間注意生石灰防潮；SH是采用化工廢料制成的新型高分子材料，成本較低，為無色透明的水溶液，固體洛質的質量分數為5%，無毒，親水性強，常溫下能固化。

表1 土的基本性質

1.3 試驗方案

對所采取的黃土進行擊實試驗，確定最優含水率和最大干密度。擊實試驗結果表明，黃土1，黃土2的擊實特性不同，其最大干密度分別為1.73和1.75g／cm3，最優含水率分別為17.6%和11.6%。

稱取一定量的風干備用黃土，與相應比例的固化材料及水（水泥、石灰按最優含水率18%設計添加，SH不另外加水)充分混合，靜置于容器中，按預設的1.6g／cm3的干密度壓實制成環刀試樣并養護至規定時間，取3個試樣為一組作為平行滲透試件。

2 試驗結果與分析

試驗測得，干密度為1.5，1.55，1.6g／cm3的重塑壓實黃土1和黃土2的滲透系數分別為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。可見，兩種黃土經重塑壓實后的滲透系數均較小，基本能滿足渠道等工程防滲要求。

黃土1滲透性之所以略大于黃土2，可能與黃土2的粒度成分、礦物成分和結合水膜等綜合因素有關。對照表1中黃土的顆粒組成可知，試驗所用黃土1和黃土2分別屬于粉質黏土和粉土，以粉粒和細砂粒含量居多，前者粒度偏細，顆粒組成較均勻，后者略粗，不均勻系數較大。黃土2的液塑限、塑性指數均低于黃土1，因液限較低，壓縮性可能較小，親水性較弱，工程性質比較好。

2.1 滲透系數與固化材料摻量的關系

固化黃土的滲透系數隨著固化材料及用量的變化而變化，如表2和圖1所示。

2.2 滲透系數與齡期的關系

固化黃土試件在不同養護時間下的滲透系數如表3和圖2所示。

表2 不同摻量的固化材料加固黃土1的滲透系數（28d齡期)

圖1 滲透系數與固化材料摻量的關系

圖2 滲透系數與齡期的關系

由表3和圖2可以看出，黃土1加入石灰、水泥和SH后，無論加入比例多少和養護時間的長短，試樣的滲透系數均明顯減小，但基本在一個數量級或降一個數量級內變化。養護齡期一定，隨著固化劑摻量的增加，固化土的滲透系數呈遞減趨勢。摻量一定，隨著養護齡期的增加，滲透系數下降進一步加快。

表3 不同齡期的固化材料加固黃土1試樣的滲透系數 10-6cm／s

在相同的摻量下，石灰固化黃土的滲透系數比水泥和SH固化黃土的滲透系數要小。說明通過使用石灰固化黃土的抗滲能力比使用水泥或SH固化黃土要好。

2.3 固化劑組合固化黃土試樣的滲透系數

采用SH和生石灰兩種固化劑組合處理黃土，測試28d養護齡期，兩種類型的黃土樣的滲透系數如表4所示。

SH和生石灰組合加固黃土的滲透系數較生石灰為大，比SH為小，介于二者之間。8%生石灰組的滲透系數明顯比8%組的SH溶液組小，也說明生石灰影響較SH大。

表4 固化黃土28d試樣的滲透系數

2.4 不同類型的黃土固化后的滲透系數

黃土2經石灰和SH固化后的試樣滲透試驗結果如表5、表6和表7所示。

表5 不同齡期石灰固化黃土試樣的滲透系數 10-7cm／s

表6 28d齡期的SH固化黃土2的滲透系數

表7 不同齡期SH固化黃土試樣的滲透系數 10-7cm／s

對比黃土1和黃土2的滲透試驗結果可以看出，黃土2經水泥、石灰和SH固化后滲透系數明顯較黃土1為小，甚至低至一個數量級，說明粗粒黃土的防滲效果比細顆粒黃土加固效果明顯。這是因為，固化材料加入后對粗粒土粒間孔隙的充填效果更為有效，混合土的級配變好，更易于壓實，密度提高及相應的滲透系數降低也會更明顯［8］。

綜合以上分析可知：黃土類型和性質、固化劑類型及摻量和養護齡期是影響加固黃土滲透性的重要因素。此外制樣的干密度也影響固化土的滲透系數，隨制樣的干密度增大而減小［11］。故在濕陷性黃土地基工程治理和應用中應考慮上述因素變化對滲透系數的影響，針對不同工程采用不同的取值，以達到防滲的目的，避免發生濕陷沉降。

黃土中加入水泥、石灰，SH后，滲透系數降低，是由于固化材料發揮了作用。水泥和石灰通過水泥、石灰和黃土間的物理化學反應，水化水解所產生的CSH等水化物的膠結作用固化黃土；SH為水溶性高分子，其分子鏈上有羧基、羥基等親水基團。SH與黃土拌合均勻，并輕微壓實后，高分子鏈就將土顆粒搭接，同時高分子鏈間的交聯，最終使整個土體成為一空間網狀結構［12］；由于固化黃土后都可消除黃土的部分空隙，使黃土顆粒之間的連結力增強，提高土樣的緊密程度；摻量越大，充填膠結作用發揮充分，土的強度越大，從而使土樣中滲透路徑減少，滲透系數降低，抗滲性能得以改善，抗滲能力增強。

3 結論

用水泥、生石灰、高分子材料SH固化劑及組合進行黃土加固處理，通過變水頭滲透試驗，測定了素黃土及加固黃土在設計干密度下的滲透系數。通過對比分析認為：

1)重塑壓實素黃土的滲透系數較小，在10-5～10-6cm／s之間，基本能滿足渠道等工程防滲要求。

2)添加水泥、生石灰、SH后，對黃土的抗滲性有較好的改善作用。幾種固化土的滲透系數較素土均有較明顯的降低，在相同加固用量的水平下，石灰、SH對黃土抗滲性的改良效果優于水泥。

3)影響固化黃土滲透性的因素為黃土的類型和性質、固化劑及摻量、養護齡期、制樣密度等。同一種黃土加入固化劑固化，隨著固化劑摻量的增加，固化黃土養護齡期的延長，滲透系數呈遞減趨勢。

在實際應用中，為了使固化黃土滿足工程要求，具有良好的抗滲性，應該盡可能地延長固化黃土的養護齡期，還可考慮增加壓實度或密度。

［1］郭鴻.考慮地區差異性的飽和黃土三軸滲透試驗研究［J］.中國農村水利水電，2009，26（3)：39-44.

［2］儲誠富，黃興懷，仝其波，等.壓實改性粉土的工程特性研究［J］.合肥工業大學學報（自然科學版)，2009，32（3)：403-406.

［3］楊澤平.三種改良土的滲透性試驗研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2011.

［4］顧正維，孫炳楠.黏土的原狀土、重塑土和固化土滲透性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（3)：505-508.

［5］苗永紅，武勝忠，張耀生.深層攪拌法改變粗砂滲透性的試驗研究［J］.太原理工大學學報，2000，31（2)：178-182.

［6］韓素平，武勝忠.防滲漿液改變土體滲透性的試驗研究［J］.太原理工大學學報，2003，34（1)：96-98.

［7］李志高，陳新民，浦辛剛.改性下蜀黃土防滲性能的優化設計［J］.南京工業大學學報，2007，29（5)：25-29.

［8］郭婷婷，張伯平，田志高，等.黃土二灰土工程特性研究［J］.巖土工程學報，2004，26（5)：719-721.

［9］張麗萍，張興昌，孫強.2種離子固化劑改善黃土抗剪強度和滲透性的研究［J］.節水灌溉，2009（5)：35-38.

［10］張虎元，趙天宇，吳軍榮，等.膨潤土改性黃土襯里防滲性能室內測試與預測［J］.巖土力學，2011，32（7)：1963-1969，1974.

［11］王輝，岳祖潤，葉朝良.原狀黃土及重塑黃土滲透特性的試驗研究［J］.石家莊鐵道學院學報，2009，22（2)：20-22，31.

［12］王銀梅，楊重存，諶文武，等.新型高分子材料SH加固黃土強度及機理探討［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（14)：254-255.