水泥摻入砂質(zhì)土壤入滲性能影響的試驗(yàn)研究

薛少欣，薛萬來

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056000；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100048）

水資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本要素，在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著人口增長、生態(tài)環(huán)境惡化，工農(nóng)業(yè)用水技術(shù)落后，浪費(fèi)嚴(yán)重，造成水資源日益短缺。我國的生態(tài)基流問題更加突出，生態(tài)用水嚴(yán)重的流域河流甚至出現(xiàn)斷流等現(xiàn)象，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[1,2]。為保證河湖生態(tài)健康，維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)，在水資源有限的條件下，必要時(shí)需要進(jìn)行減滲措施。

目前，水泥土已在道路工程、管道工程、減滲工程、護(hù)坡工程等建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。與水泥土比較經(jīng)濟(jì)、施工便捷、減滲性能，抗凍、抗壓性能良好有密切的關(guān)系。侯永峰等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了水泥土的滲透性與水泥摻入比、時(shí)間及外摻材料間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在滿足工程需要的前提下，10%左右的水泥摻比是最經(jīng)濟(jì)的，且在水泥土中摻加外加劑，例如粉煤灰、石灰等，可有效減少水泥土的滲透系數(shù)；張雷等[4]對上海地區(qū)淤泥質(zhì)黏土水泥土進(jìn)行了室內(nèi)滲透性能試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著水泥摻入量的增加，水泥土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，且滲透系數(shù)隨著齡期的增加而減小，但減小幅度逐漸下降；朱崇輝等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同干密度、水泥摻量和齡期對水泥土滲透性能影響的大小，研究表明，干密度是影響水泥土滲透系數(shù)的最重要的原因，水泥摻量、齡期的改變也是因?yàn)楦淖兞怂嗤恋母擅芏龋瑥亩淖兞藵B透系數(shù)。上述方法均通過在土壤中摻加水泥并養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期、待其性能穩(wěn)定后再進(jìn)行試驗(yàn)，但直接將水泥與土壤摻混，注水測定其滲透性能的研究相對較少。本文通過在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直入滲試驗(yàn)，模擬河道滲透過程，通過鋪設(shè)減滲層，以期達(dá)到減少滲透的效果。

1 材料與方法

為研究水泥和砂土在不同配比、不同容重情況下對砂質(zhì)土壤減滲效果的影響，在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直入滲試驗(yàn)。

1.1 供試材料

試驗(yàn)用土為砂土，取自永定河下游大興區(qū)閻家鋪村附近，分層進(jìn)行顆粒組成分析，每層20 cm，共10層，見表1。粒徑在0.25 mm～0.5 mm的顆粒在99%以上，去除植物根系、石塊等大雜物，風(fēng)干、磨細(xì)，過2 mm篩；水泥選用市售鉆石牌型號(hào)為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥。

表1 砂土顆粒組成分析

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置為自制的室內(nèi)滲流裝置，由試驗(yàn)土柱和供水系統(tǒng)組成。供水系統(tǒng)為內(nèi)徑5 cm的馬氏瓶，控制恒定水頭，自動(dòng)供水，設(shè)置進(jìn)水口和出水口，外壁貼有刻度線，用于記錄入滲水量。土柱為內(nèi)徑10 cm，高50 cm的有機(jī)玻璃柱，設(shè)置進(jìn)水口和出水口。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 室內(nèi)滲流裝置示意圖（尺寸單位：cm）

1.3 試驗(yàn)方法

室內(nèi)進(jìn)行一維土柱垂直入滲試驗(yàn)，按照試驗(yàn)確定的配合比將砂土和水泥混合均勻，按設(shè)計(jì)土壤密度分層裝土、壓實(shí)，每層5 cm，層間拋毛。土柱底部填筑5 cm的反濾層，土層高度為20 cm，3 cm的砂礫料充當(dāng)保護(hù)層。側(cè)壁涂抹凡士林，防治水流沿側(cè)壁滲漏。試驗(yàn)設(shè)置恒定水頭為40 cm，設(shè)置的不同水泥摻量為 8%、10%、20%、30%，不同的容重為 1.6 g/cm3、1.8 g/cm3，每組做3個(gè)平行對照。依據(jù)由密到疏的原則，記錄馬氏瓶液面下降刻度。當(dāng)入滲達(dá)到相對穩(wěn)定出水時(shí)，關(guān)掉馬氏瓶進(jìn)水口閥門，結(jié)束試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水泥摻量下對砂土滲透系數(shù)的影響

在相同容重為1.6 g/cm3，水頭為40 cm的前提條件下，設(shè)計(jì)了不同水泥配比，水泥土的摻量為10%、20%、30%，圖2是不同水泥配比情況下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化趨勢圖。

圖2 滲透系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律曲線圖

從圖2可以明顯看出：水泥土的滲透系數(shù)隨時(shí)間的延長逐漸減小，抗?jié)B能力逐漸增強(qiáng)，表明水泥對砂質(zhì)土壤確有減滲效果。水泥可達(dá)到減滲的效果主要是因?yàn)樗啾旧硭锏哪z結(jié)作用、離子的交換反應(yīng)以及水泥水化時(shí)產(chǎn)生的Ca(OH)2與土中活性物質(zhì)發(fā)生的硬凝反應(yīng)[6]。

在入滲初始階段，特別是在40 h內(nèi)，水泥摻量10%時(shí)，滲透系數(shù)從1.60×10-3cm/s降低到1.5×10-4cm/s，降低了90%；水泥摻量為20%時(shí)，滲透系數(shù)從8×10-4cm/s降低到2×10-5cm/s，降低了97%；水泥摻量為30%時(shí)，滲透系數(shù)從6×10-4cm/s降低到7×10-6cm/s，降低幅度達(dá)到98%以上。隨著水泥摻量的增多，滲透系數(shù)降低較快，即水泥對砂土的初始入滲率影響明顯。水泥水化初期，土中的大孔隙較多，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物填充了土顆粒表面及顆粒之間的大孔隙，單位時(shí)間內(nèi)通過土體截面的水量減少，使水泥土的滲透系數(shù)大幅度降低。水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2也可以Ca2+、OH-的形式存在，在試驗(yàn)開始階段，土顆粒就開始吸收土樣中的CaO，Ca(OH)2難以滿足土樣對CaO的吸收量，致使水泥土中的孔隙水可能處于不飽和狀態(tài)[7]。

當(dāng)水泥水化產(chǎn)生的水化產(chǎn)物已經(jīng)基本將土柱中的大孔隙填滿時(shí)，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，土柱的滲透系數(shù)越來越低，且降低的速度逐漸趨于平緩。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2與土中的活性物質(zhì)之間發(fā)生的硬凝反應(yīng)，已經(jīng)在砂土表面形成了一層密實(shí)的硬化層，致使水泥膠體與砂土顆粒之間更加緊密的固結(jié)[8]。當(dāng)水泥摻量較少時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間較長，當(dāng)水泥摻量達(dá)到20%和30%時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定入滲時(shí)間已看不出明顯差異。水泥摻量10%時(shí)，在80h基本達(dá)到穩(wěn)定入滲；水泥摻量為20%、30%時(shí)，基本達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間分別為24 h、18 h。

采用冪函數(shù)F=k·t-n對滲透系數(shù)和時(shí)間進(jìn)行擬合，擬合情況見表2。F為滲透系數(shù)（10-5cm/s），t為入滲時(shí)間，k、n為入滲參數(shù)。

表2 水泥不同摻量下滲透系數(shù)與時(shí)間關(guān)系擬合情況

從表2可以看出，采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合效果均較好，且隨著水泥摻量的增多，n值逐漸增大，表明土壤滲透系數(shù)隨時(shí)間遞減的越快。

2.2 不同水泥摻量下對砂土入滲能力的影響

土壤入滲能力可通過累積入滲量進(jìn)行分析[9]。選取相同容重1.6 g/cm3，相同入滲水頭40 cm，分析不同水泥摻量下對砂土入滲能力的影響，圖3為不同水泥配比情況下累積入滲量隨時(shí)間的變化趨勢線。

圖3 累積入滲量隨時(shí)間變化規(guī)律曲線圖

在各處理中，隨著時(shí)間的增加，累積入滲量逐漸增大，在入滲初期增長較快，隨著入滲時(shí)間的增長，累積入滲量的增長幅度逐漸變緩。試驗(yàn)開始階段10 h時(shí)，各處理的累積入滲量分別為3200 mL、1140 mL、686 mL；入滲基本達(dá)到穩(wěn)定63 h時(shí)，各處理的累積入滲量分別為9119 mL、2060 mL、981 mL，與10 h時(shí)相比，累積入滲量分別增大了2.8倍、1.8倍、1.4倍。可見，水泥摻量的增加，可明顯降低水泥土的累積入滲量。

采用考斯加可夫（Kostiakov）入滲公式I=γtα對累積入滲量和時(shí)間進(jìn)行擬合，I為累積入滲量，α為入滲指數(shù)，γ為入滲系數(shù)，t為入滲時(shí)間。

表3 水泥不同摻量下累積入滲量與時(shí)間關(guān)系擬合情況

采用Kostiakov模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果均較好。γ為開始時(shí)段內(nèi)的滲透量，呈減小趨勢；α為累積入滲量的衰減程度，隨著水泥摻量的增多，α逐漸減少，表明累積入滲量的衰減程度逐漸減小，滲透速度隨時(shí)間減小的程度也變小。

2.3 不同容重對土壤減滲效果的影響

入滲水頭為40 cm時(shí)，水泥摻量8%和10%時(shí)，在不同土壤容重(1.6 g/cm3、1.8 g/cm3)下土壤滲透系數(shù)隨入滲歷時(shí)的變化，見圖4、圖 5。

圖4 水泥摻量8%時(shí)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖

圖5 水泥摻量10%時(shí)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖

入滲初期20 h，水泥摻量為8%，容重為1.6 g/cm3、1.8 g/cm3兩個(gè)處理的土壤滲透系數(shù)分別為4.2×10-4cm/s、1×10-4cm/s，容重為1.8 g/cm3水泥土比容重為1.6 g/cm3的水泥土入滲系數(shù)降低了76%；水泥摻量為10%，容重為1.6 g/cm3、1.8 g/cm3兩個(gè)處理的土壤滲透系數(shù)分別為3.2×10-4cm/s、5.4×10-5cm/s，容重為1.8 g/cm3水泥土比容重為1.6 g/cm3的水泥土入滲系數(shù)降低了83%。水泥摻量8%條件下入滲達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)為50 h時(shí)，容重為1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的滲透系數(shù)分別為1.6×10-4cm/s、4.9×10-5cm/s,滲透系數(shù)降低了69%。水泥摻量為10%條件下入滲達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)為40 h時(shí)，容重為 1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的滲透系數(shù)分別為 1.5×10-4cm/s、4.3×10-5cm/s,滲透系數(shù)降低了71%。明顯看出，土壤容重對水泥土的滲透影響性較大，隨著容重的增加，水泥土中的孔隙度隨之減少，導(dǎo)水率逐漸減小，使得水泥土的滲透系數(shù)也減小。

3 結(jié)論

（1）滲透系數(shù)隨水泥添加量的增多而減小，最后趨于穩(wěn)定；滲透系數(shù)與入滲時(shí)間有較好的冪函數(shù)關(guān)系，入滲參數(shù)n逐漸增大。

（2）隨水泥添加量的增多，累積入滲量增長趨勢變緩；累積入滲量與入滲時(shí)間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，開始時(shí)段內(nèi)的滲透量γ、衰減程度α都逐漸減小。

（3）容重對砂土的滲透系數(shù)影響很大，水泥摻量相同時(shí)，隨著容重的增加，改變了水泥土中的孔隙度，使?jié)B透系數(shù)減小。