基于压汞法的改良土渗透特性研究

2.4

不同龄期的试验结果比较

图4表示龄 期 为3d、 7d 和28d 时 的 试 验 曲线， 由图4(a) 可知， 改良土的渗透系数随着龄期 的延长整体呈降低趋势。7d龄期之前的改良土渗透系数降幅较小， 7d以后改良土渗透系数降幅较大，但仍维持 在 同 一 数 量 级 之 间。原 因 为：(1) 短 时 间内， 固化剂速凝， 使内部孔隙体积变大， 抑制了水泥水化。(2) 随着龄期的增长， 水泥水化产物铝酸钙和土壤溶液中的硫酸根离子进一步结合， 消耗一部分水分子， 生 成 钙 矾 石(AFt) 晶 体。另 外 颗 粒 表 层 碳化产生的 CaCO 3 物质， 也会对水流产生一定的阻滞作用。

由图4(b) 可知， 相比于3d、 7d龄期的进汞曲线， 28d 龄 期 的 进 汞 曲 线 位 于 最 下 面， 说 明 随 着 龄期的增长， 孔隙体积逐渐减小。而3d与7d龄期的进汞曲线存在部分交集， 说明3d到7d期间， 土体内部反应比较剧烈， 孔隙转化相对集中。表明只要龄期得当， 便 可 达 到 减 小 孔 隙 体 积 的 目 的。由 图4(c) 可知， 不同龄期的改良土孔径分布曲线整体上呈双峰分布， 28d龄期的最大分布孔径明显小于3d、7d 的 最 大 分 布 孔 径。表 明 随 着 龄 期 的 增 长， 改 良土内部不断地进行物理化学反应， 生成物不断地堵塞孔隙， 孔隙体积逐渐减小， 结构趋于密实， 渗透系数呈现出降低趋势。

2.5

孔隙分布情况

国内外学 者 对 土 壤 内 部 孔 隙 的 划 分 有 不 同 标准。Shear [25]在以 往 学 者 的 研 究 基 础 上， 从 土 壤 颗粒、 团粒层面 对 土 壤 孔 隙 进 行 微 观 划 分; 张 平[26]根据不同的干 燥 方 法， 对 重 塑 膨 润 土 孔 隙 进 行 划 分。本文在试验的基础上， 结合土质特点以及实测的孔隙分布规律， 将改良粉质黏土微观孔隙划分为： 极微孔隙、 微孔隙、 小孔、 中小孔、 中大孔、 大孔六类。其中直径小于50nm 的孔隙为极微孔隙， 主要为颗粒内孔隙; 直径为50～300nm 的孔隙为微孔隙， 主要为颗粒间孔隙; 直径为300～3000nm 的孔隙为小孔隙， 主要为团粒内和颗粒间孔隙; 直径为3000～6000nm 的 孔 隙 为 中 小 孔 隙， 大 部 分 为 团 粒 内 孔隙， 但 是 存 在 少 许 颗 粒 间 孔 隙; 直 径 为 6000～10000nm 的孔隙为中大孔隙， 主要为团粒内孔隙;直径大于10000nm 的孔隙为大孔隙， 主要为团粒间孔隙。

根据上述的孔隙划分标准， 利用压汞试验数据，可分别计算出每组改良土的孔隙分布情况。图5为不同类型孔隙的相对含量柱状图， 表3 为每组土样不同孔隙的孔隙率情况。

短时间内， 水泥与固化剂皆可改变土体内部孔隙结构。由图5(a) 可知， 当固化剂掺量分别为1%与4%时， 水泥和固化剂与土中水、 土颗粒之间的结合较快。土体内部的大中孔隙占比皆高于未掺固化剂时的占比， 说明此时固化剂与水泥的抑制作用较小; 当固化剂掺量为2%时， 改良土体内部的大中孔隙占比最少， 而此时固化剂与水泥之间的相互抑制作用较大， 能有效减缓对方水化的速度， 防止“ 抱团”现象， 从而固化剂和土壤生成的胶结物质不断填充于孔隙之间， 颗粒间孔隙减少， 微孔和极微孔含量增多， 占孔体积的60%左右。由图5(b) 可知， 水泥掺量从7%增加到9%时， 大孔、 小孔数量增多， 中孔数量减少(小 孔 隙 增 幅 最 大， 为32.3%)， 对 于 微 孔 和极微孔影响 甚 小。当 掺 量 为13% 时， 土 体 内 部 大、中、 小孔数量皆存在不同幅度的减小(小孔隙减幅最大， 为34.3%)， 极微孔和微孔明显增多。由图5(c)可知， 在一定的配比下， 7d龄期之前， 对团粒内和颗粒间孔隙影响较大， 渗透系数减幅较小; 7d龄期之后， 对大、 中孔隙影响较显著， 渗透系数减幅较大。由图5(d) 可知， 配比 C13+Al4+T7的大孔、 中孔含量多于配比C9+Al2+T7， 而配比 C13+Al2+T7的大孔、 中孔含量少于配比 C9+Al2+T7， 表明2%掺量的固化剂与13%掺量的水泥之间相互抑制作用尤为显著， 使土体的大孔、 中孔急剧减少， 短 时 间 内 提 高土体抗渗性， 对于工程的抢险保修提供了保障。

由图5(a) 可 知， 当 固 化 剂 为1% 时， 土 体 内 大孔、 中孔的含量明显增多， 渗透系数增大; 由图5(b)与图5(c) 可 知， 水 泥 的 增 加 和 龄 期 的 延 长 使 大 孔、中孔的含量降低， 渗透系数减小， 与有关学者得出的大、 中孔 隙 对 渗 透 系 数 有 决 定 意 义 结 论 相 吻 合[27]。在本文中， 改良土的渗透系数与大孔、 中大孔孔隙率的相关性较高， 通过多元非线性回归(符合t检验与F检验) 分析， 建立了渗透系数与孔隙间的函数关系：

3

结论

以平原水库粉质黏土为研究对象， 采用室内渗透、 压汞试验方法， 对改良后粉质黏土的渗透系数与微观孔隙分布规律进行了研究， 得到以下结论。

01借助压汞试验， 从微观上解释了改良土渗透机理， 实现了微观和宏观的有机结合。分析发现， 水泥、 固化剂和龄期等因素使天然密度下土壤的渗透系数降低一 个 数 量 级， 使 极 微 孔 隙、 微 孔 隙 数 量 增多， 大、 中孔隙数量减少， 满足防渗要求。

02固化剂掺量对渗透系数量级影响幅度较小，使改良土在较小范围内浮动。固化剂和水泥之间存在相互抑制作用， 当固化剂掺量2%、 水泥掺量13%时， 抑制作用最大。此时改良土内部大、 中大孔隙数量较少， 结构较密实。该类离子固化剂的速凝作用，具有实际工程意义。

03水泥掺量对土壤渗透性及小孔隙含量的影响较大， 掺 量 越 多， 土 壤 渗 透 系 数 越 小; 当 掺 量 为9%时， 渗透系数显著减小。

04龄期7d后， 改良土内部反应开始趋缓。根据实际工程， 建议将改良土养护7天以上。

05根据渗透系数与大孔、 中大孔孔隙率之间的函数关系， 由土体渗透系数的变化可反映内部孔隙形态的演变， 为实际工程的渗流安全性评价提供了一定的理论支持。

作者简介

曲兆昆(1992 -)， 男， 山东菏泽人， 主要从事岩土方面的研究。

通讯作者：

刘福胜(1964 -)， 男， 山东潍坊人， 教授， 主要从事水工结构等方面的研究。