混合土的滲透試驗(yàn)綜述★

周 銳 李星潤 楊曉東 常宇涵 姬厚真

(西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730100)

1 概述

混合土作為工程中一種改善原狀土不良性質(zhì)的方法，是指將一種或多種材料以一定量的摻比與所匹配的相應(yīng)土壤通過一定的方法，如擊實(shí)、拌勻、碾壓重塑等，結(jié)合形成某種工程性質(zhì)更為優(yōu)良的新型“土壤”。隨著高層建筑、高速公路的不斷開拓發(fā)展，對承載的地基持力層提出了更高的要求，因而一直以來，有關(guān)混合土的研究便是工程學(xué)者專研的重中之重。

目前，關(guān)于混合土的探索已經(jīng)初見成果，其中以適量橡膠顆粒、生石灰、鋼渣與黏土、砂土、黃土等進(jìn)行混合從而達(dá)到增強(qiáng)原有土壤抗壓強(qiáng)度、抗剪性能以及改善原有濕陷性目的的研究較為豐富[1-3]，此類文獻(xiàn)主要通過直剪試驗(yàn)，輕型、重型擊實(shí)試驗(yàn)，膨脹率試驗(yàn)等綜合各影響因素，尋求適用于特定實(shí)際工程的最佳摻量，Sadrekarimi[4]通過將工程實(shí)際與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)合建立了一種可以對砂土不排水剪切強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)的體系，并相應(yīng)試驗(yàn)研究了黏粒含量與砂土液化強(qiáng)度間的變化關(guān)系。除上述之外，也有相關(guān)混合土水理性質(zhì)的研究，徐超等[5]通過滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同濃度、類型的離子溶液與混合土中的膨潤土之間存在一定的變化規(guī)律，即石屑摻膨潤土混合土的滲透系數(shù)隨溶液離子價(jià)和濃度的增大而逐漸增大。若從眾多試驗(yàn)中單列出滲透試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際操作，我們會發(fā)現(xiàn)其仍舊存在些許需要簡化與改善之處。

本文針對混合土滲透試驗(yàn)的全過程，提出在試驗(yàn)制樣方面簡化的計(jì)算公式，并聯(lián)系實(shí)際配置橡膠顆粒混合土所得相關(guān)成果，總結(jié)滲透試驗(yàn)過程的注意事項(xiàng)，并對TST-35滲透儀提出了改善建議。

2 試驗(yàn)制樣

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

現(xiàn)有文獻(xiàn)已有關(guān)于擊實(shí)試驗(yàn)的混合土性能參數(shù)的研究，李朝暉等[6]通過將不同摻量的橡膠顆粒與一定量黃土進(jìn)行混合后，分別研究了摻量為0%，10%，20%，30%，40%，50%時，混合土的壓實(shí)參數(shù)。其輕型、重型擊實(shí)試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)的制樣問題是有所關(guān)聯(lián)的，通過土工試驗(yàn)規(guī)程[7]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，可以得到實(shí)測混合土的最大干密度與最優(yōu)含水率，并依照以下公式換算即可計(jì)算出最為密實(shí)情況下利用滲透環(huán)刀制備試樣所需混合土的質(zhì)量。

設(shè)混合土試樣最大干密度為ρdmax，最優(yōu)含水率為ωop，滲透環(huán)刀體積為V,混合土的質(zhì)量為mt，密度為ρ。

mt=ρV

(1)

ρ=ρdmax×(1+ωop)

(2)

式(1)，式(2)聯(lián)立可得：

mt=ρdmax×(1+ωop)×V

(3)

式(3)計(jì)算所得結(jié)果即為滲透環(huán)刀裝樣時所需稱量的實(shí)際混合土的質(zhì)量，注意式(3)的前提為在最大干密度，最為密實(shí)狀態(tài)；針對其他情形，原理還是利用試驗(yàn)或者換算得到混合土的密度，其與體積乘積即為所需混合土質(zhì)量。

2.2 混合土組成要素質(zhì)量配比

設(shè)已有含水率為ω1的若干純土樣，欲配置含水率為ω2，質(zhì)量為mt的混合土，可依據(jù)如下步驟進(jìn)行計(jì)算。

定義摻量y為所添加的材料與混合土的質(zhì)量之比；my為混合物中需添加的材料的質(zhì)量；mt為混合土的總質(zhì)量；ms1為配置混合土所需含水率為ω1的純土樣的質(zhì)量；Δω1-2為配置含水率為ω2的混合土而需要在含水率為ω1的純土樣基礎(chǔ)上添加的水的質(zhì)量。則有：

mt=Δω1-2+ms1+my;

其中，ms0為ms1減去水后的純干土質(zhì)量;ω1為原有純土樣的含水率;ω2為欲配置的混合土樣的含水率。

等式代換整理可得：

(4)

my=y·mt

(5)

(6)

式(4)～式(6)為含水率由純土樣的ω1到混合土ω2的過程，因而此式僅適用于ω2>ω1的情形，即最終配置的混合土含水率必須大于純土樣的初始含水率。當(dāng)ω2<ω1時，則可采用如下烘干土樣的方法進(jìn)行配置，即將初始的具有一定含水率的純土樣放入烘箱，調(diào)至105 ℃烘滿24 h，得到ω1=0的純土樣，而后根據(jù)下述公式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

my=y·mt

(8)

(9)

3 試驗(yàn)過程

在得到試驗(yàn)所需混合土各組成要素質(zhì)量(水、材料、土)之后，需混合均勻后裝入滲透環(huán)刀中，一般而言混合土體積開始時會高于單個滲透環(huán)刀的上表面，因而建議于環(huán)刀上方倒放另外一個滲透環(huán)刀，起到攏合的作用，并可以利用擊實(shí)儀器，通過滲透環(huán)刀與擊實(shí)筒的體積換算關(guān)系，由單位體積擊實(shí)功，等式轉(zhuǎn)化出所需錘擊數(shù)。注意錘擊數(shù)的含義為當(dāng)按照土工試驗(yàn)規(guī)范要求[7]錘擊完畢后，混合土表面恰好與滲透環(huán)刀相平,若不滿足此要求則需重新稱量，減少誤差，直至符合條件為止。

將滲透環(huán)刀置入滲透儀時，需注意在土樣底部，透水石上方放置一片裁剪過的大小與透水石相近的濾紙，每次試驗(yàn)完成要及時更換。同樣地，混合土頂部與透水石相接處也需放置一片濾紙，見圖1。在轉(zhuǎn)動上方鋼制旋盤時，常常會遇到無法合龍滲透儀上蓋的問題，一般而言是上部透水石與橡膠圈的貼合出現(xiàn)問題。可以通過先放置透水石，再套橡膠圈，當(dāng)二者結(jié)合并不服帖或均衡時，使用外力將橡膠圈明顯鼓起部分按入儀器內(nèi)部，在橡膠圈整個嵌入貼合后再旋緊儀器以達(dá)到防止漏水的目的。

滲透儀需要利用三通與水頭連接，三通有三個管口，其一與頂部水瓶相連，其二與讀數(shù)的刻度管相連，其三與滲透儀底部兩尖嘴中略高的進(jìn)水口相連。由于一般適配連接的橡膠管較少，因而可以選取尺寸略大的橡膠管，而后用鋼絲以及防水膠布進(jìn)行連接固定，見圖2。注意在試驗(yàn)開始前要先用橡膠管與滲透儀底部最低尖嘴出水口連接，并用止水夾夾住以控制水流。試驗(yàn)開始時，先打開底部橡膠管止水夾，再打開頂部水瓶和滲透儀的三通開關(guān)，并關(guān)閉另外一個，當(dāng)?shù)撞肯鹉z管無氣泡，而且開始穩(wěn)定出現(xiàn)水流時，即認(rèn)為底部空氣已排盡，此時可以關(guān)閉止水夾，見圖3，等待頂端出水口滲透出水。

注意等待頂部出水口出水時，需觀察儀器中間部分是否有漏水情況，若有須暫停試驗(yàn)，檢查旋盤是否旋緊亦或是防水橡膠圈是否與透水石嵌合牢固，以及儀器本身是否存在漏水缺陷，在調(diào)整完善后，方可按照流程重新進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)頂端出水快慢，與混合土試樣壓實(shí)性息息相關(guān)，時間在幾分鐘到數(shù)小時不等。

當(dāng)滲透儀頂端尖嘴冒出水珠時，見圖4，即認(rèn)為混合土樣達(dá)到飽和。此時關(guān)閉頂部水瓶的三通開關(guān)，保持滲透儀三通開關(guān)開啟，并打開連接刻度管的三通開關(guān)，當(dāng)滲透儀頂端尖嘴出水口穩(wěn)定冒出水時，即可按照一定時間間隔進(jìn)行刻度讀數(shù)。

4 結(jié)論

本文通過混合土具體的試樣制備，以及實(shí)際滲透試驗(yàn)操作，提出了在進(jìn)行制樣時的理論簡化公式，并詳述了混合土的整個滲透試驗(yàn)流程，得到結(jié)論如下：

2)連接的三通注意用鋼絲、防水膠布與橡膠管進(jìn)行防水加固，開關(guān)順序?yàn)橄乳_頂部水瓶和滲透儀、關(guān)閉后再開滲透儀和水頭刻度管。當(dāng)出現(xiàn)試件漏水、讀數(shù)問題時皆可根據(jù)上述內(nèi)容進(jìn)行檢查與完善。

3)在實(shí)際滲透試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果會在開始時產(chǎn)生較大波動，越是混合土內(nèi)部結(jié)合不夠緊密時越會如此，隨著時間的增長波動才會慢慢趨于穩(wěn)定，因而當(dāng)滲透儀頂端尖嘴出水時，是否意味著土樣飽和穩(wěn)定滲流還需進(jìn)一步考證，此外影響滲透系數(shù)的具體因素也有待學(xué)者們進(jìn)一步研究。