基于压汞法的改良土渗透特性研究

为探讨改良剂(水泥、固化剂)对土壤渗透性及微观孔隙分布的影响机理，以平原水库粉质黏土为研究对象，采用渗透试验和压汞试验，对改良土的渗透系数及微观孔隙进行研究。结果表明：固化剂使孔隙体积变小，降低改良土的渗透系数，但并非呈线性减小关系;当掺量为2%时，水泥和固化剂之间产生较大的抑制作用。固化剂速凝，可明显缩短施工周期，为工程抢修提供新的发展方向。水泥对改良土渗透性影响最大，随着水泥掺量增加，土体内部由大孔隙向小孔隙过渡。当龄期超过7天，土体渗透性降幅较大，大孔、中孔含量减少，微孔、极微孔逐渐增多;该研究建立了渗透系数与大孔、中大孔孔隙率的函数关系，为改良土作为防渗材料的稳定性分析提供理论依据。

关键词

渗透试验 压汞试验 离子固化剂 孔隙分布 速凝 量化

Study on permeability acteristics of modified soil based on mercury intrusion

In order to study the effect of the modifier (cement and curing agent) on the soil permeability and micro-pore distribution, we studied the permeability of the modified soil and the micro-pores using the permeability test and the mercury intrusion test, with the silty clay in plain reservoirs as the research object. The results showed that the curing agent reduced the pore volume and the permeability coefficient of the modified soil, but the decline was not linear. When the content was 2%, there was an obvious inhibitory effect between the cement and the curing agent. The fast hardening of the curing agent could significantly shorten the construction period. This points out a new direction for engineering repair. In addition, the cement had the greatest influence on the permeability of modified soil. With the increase of cement content, the large pores within the soil would transition to small pores. After 7 days, the soil permeability declined sharply, the amount of large and intermediate pores decreased, and the micro-pores and ultra-micro-pores increased. This study has established a functional relationship between the permeability coefficient and the porosity of large pores and medium-large pores, and can provide a theoretical basis for the stability analysis of the modified soil as impervious material.

Key words

permeability test; mercury intrusion test; ion curing agent; pore distribution; fast hardening quantify

基金项目

国家科技支撑计划项目(2015BAB07B05);山东省省级水利科研及技术推广项目(SDSLKY201305)

平原水库作为一种调控水资源的有效方式， 近年来建设力度逐渐加大。渗透性作为工程风险检测的重要指标之一， 对平原水库安全经济地运行起着至关重要的作用。而平原水库地区多属于第四系冲积地层， 一般为砂黏土， 筑坝土料条件较差， 渗透系数在10 -5～10 -4cm/ s范围之间， 渗透性较强， 在水流作用下易对坝体产生渗漏侵蚀， 甚至引发溃坝坍塌等事故， 严 重 威 胁 水 库 周 边 人 民 的 生 命 财 产 安 全。同时， 坝体渗漏会造成水库周围土壤沼泽化、 盐渍化等现象， 给生态环境遭到破坏埋下隐患。为了解决土壤渗透问题， 国内外学者已进行了初步探索， 大多通过外添改性材料的方法， 提高土壤的抗渗性。

沈珠江[1]院士提出土体结构性是21 世 纪 土 力学的核心问题， 而研究发现， 渗透性不仅受土质物理特性、 外加剂、 温度、 龄期等因素的影响， 与其它力学性能之间也密切相关[2 -9]。随着机械科学的进步， 学者们开始尝 试 从 微 观 孔 隙 角 度 解 释 宏 观 的 渗 透 特性， 针对土壤渗透的微观作用机制， 也分别提出了不同的理论模型假设， 并通过计算机模拟、 理论推导、技术手段(GIS、 SEM、 CT、 MIP及 XRD 衍射) 等， 分析水分在土壤中的运移情况， 验证假设模型的可行性， 并提取改良土体的微观结构特征， 研究影响土体渗透的主要孔径范围， 探讨改良剂对土体孔径变化的影响规律， 在微观与宏观之间建立关系[10 -21]。

压汞法作 为 材 料 孔 隙 特 征 分 析 的 常 用 方 法 之一， 因能够精确地量化材料内部孔隙形态、 测径范围宽等优点， 而得以广泛应用。王升福等[22]通过压汞法对软黏土压缩、 冻融前后孔径变化进行试验研究，揭示了压缩及冻融对土体孔体积和孔表面积影响的微观机制。张涛等[23]借助压汞试验， 探讨了木质素对改良粉土的微观孔隙变化的影响规律。目前， 利用压汞法分析土壤微观孔隙结构的研究颇多， 但对改良土的微观研究还处于初步探索阶段。市面上的外加剂种类中， 固化剂是土力学领域研究的热点， 但因其种类繁多， 和水泥土之间的反应机理较复杂， 对渗透影响 的 定 量 研 究 还 甚 少。 本 文 通 过 添 加 改 良剂， 达到减小内部孔隙、 提高平原水库坝体土质抗渗性的目的， 使土壤的渗透系数控制在10 -6cm/ s量级及以下， 为平原水库的安全运行提供理论保障; 并借助压汞试验， 从微观层面上分析该类离子固化剂对土壤渗透性的影响规律。

1

试验方法

1.1

试验材料

试验用土为平原水库粉质黏土， 根据课题组前期试验成果发现， 干密度对改良土的渗透性影响非常小， 可忽略不计。本文在进行试验时， 将干密度默认 控 制 为 1.72 g / cm3。 压 实 度 98.3%，含 水 率18%， 塑性指数(I P) 12.9。固化剂为离子固化剂， 主要成分为纳米级的铝离子溶液。高浓度的固化剂溶液比较稳定， 不会受到周围环境的影响而变质。水泥为普通的硅酸盐水泥。

按照《 土工试验规程(SL237-1999)》 要求， 对土样进行基本的物理参数试验， 试验结果见表1， 其击实试验曲线见图1。

1.2

试验设计

该试验涉及到固化剂、 水泥和龄期三种因素， 为研究各种因素对改良土的渗透性影响， 故设计10组不同配比的土样进行渗透和压汞试验， 对改良土进行微观定量分析， 力图从微观角度阐明各因素对改良土壤渗 透 性 能 的 影 响 机 理。 由 于 设 计 的 试 验 较多， 且前期试验中， 各因素纯粹作为单因素， 其余因素完全不考虑时， 改良土的渗透结果不佳( 其中涉及到水泥与固化剂在不同龄期阶段的结合反应)。故考虑其他因素的基础上， 进行试验设计。为方便起见， 每组试 验 配 比 采 用 简 单 的 代 号 表 示， 如 C13+Al4+T7表示水泥掺量为13%， 以 Al 3+ 为主要成分的固化材料掺量为4%， 养护龄期为7d。