不同方法測定水泥土滲透系數的研究

童煜霄，魏 松，陳 清，鄧杰妹

(1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,合肥 230009;2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,合肥 230009)

0 引 言

因具有良好的物理力學性能，水泥土在工程建設中已得到廣泛應用，相較于一般土體來說，水泥膠凝材料的加入使水泥土具有更好的防滲性能。許多學者開展了水泥土滲透方面的研究。侯永峰[1]、張雷[2]等利用南55型滲透儀研究水泥土的滲透性，研究結果表明，水泥土的滲透性能主要受到水泥摻量的影響，水泥土抗?jié)B性能隨著水泥摻量的增加而增強。Quang等[3]通過柔性壁滲透儀對水泥處理的粘土的滲透系數kT進行研究,研究發(fā)現，只有在水泥摻量大于8%時，水泥粘土的滲透系數才明顯降低。同時，一些學者在水泥土中摻入聚丙烯酰胺[4]、膨潤土[5-7]、含煤偏高嶺土[8]、空氣泡沫[9]等材料，研究水泥復合土滲透性變化規(guī)律。目前對水泥土的研究多集中于水泥土滲透性能變化的規(guī)律及外加劑對水泥土滲透性能的影響，對于測定水泥土滲透系數方法的研究較少。文獻[10]提出用柔性壁滲透儀測定土壤與巖石等多孔材料的滲透系數，為水泥土類孔隙材料滲透特性的測試提供了參考。Jin等[11]提出了一種利用改進的滲透系數測試儀測量變質層滲透系數的實驗室試驗方法，可在劣化環(huán)境中測試水泥土的等效滲透系數和劣化深度，即可得到劣化層的滲透系數，對于后續(xù)測定水泥土滲透系數方法的研究起到了指導作用。

水泥土的滲透系數可以直觀反映出水泥土的滲透性，測定水泥土滲透系數的方法是研究水泥土滲透性的基礎,但目前水泥土滲透系數試驗方法不統(tǒng)一,造成實際工作中易發(fā)生分歧和偏差，因此還有待研究。本文利用室內三軸滲透試驗和變水頭滲透試驗測定鉆墻取芯水泥土試樣的滲透系數，同時進行現場原位鉆孔降水頭注水滲透試驗，結合工程實際，討論適用于測定原狀水泥土滲透系數的試驗方法，研究了三軸滲透試驗中孔隙水壓及圍壓對水泥土滲透系數的影響。并且在室內重新配制水泥土試樣，進行三軸滲透試驗、變水頭滲透試驗和水泥土抗?jié)B試驗，對相關方法進行論述。研究結果對于水泥土滲透性能的試驗測定方法具有理論意義和重要參考價值。

1 實 驗

1.1 方 法

圖1 變水頭滲透試驗裝置示意圖

1.1.1 室內滲透試驗

室內水泥土滲透試驗方法有三種，一為《土工試驗方法標準》[12]中利用南55型滲透儀進行的變水頭滲透試驗，二為《水泥土配合比設計規(guī)程》[13]中提出的采用水泥土滲透試驗裝置進行的水泥土抗?jié)B試驗，三為室內三軸滲透試驗，試驗儀器多為柔性壁滲透儀。

(1)變水頭滲透試驗

利用南55型滲透儀進行室內變水頭滲透試驗，裝置示意圖如圖1所示。在試驗過程中,試驗水頭逐漸下降，根據達西定律，試驗時間t內經過土樣的流量等于變水頭管內下降的水量。由變水頭管內水頭下降的速度與時間的關系,按式(1)計算土樣的滲透系數kT。

(1)

式中：a為變水頭管截面積，cm2；L為滲徑，等于試樣高度,cm；A為試樣橫截面積，cm2；t為試驗時間,s;Hb1為開始時水頭,cm；Hb2為終止時水頭,cm。

圖2 水泥土滲透試驗示意圖

(2)水泥土抗?jié)B試驗

水泥土抗?jié)B試驗所用儀器為水泥土滲透儀，示意圖如圖2所示。其根據液壓原理設計，利用密封容器內壓力處處相等的原理，以水泵對整個系統(tǒng)輸壓，并通過電接點壓力表或壓力控制器在0.1～2.5 MPa的規(guī)定范圍內逐級加壓，實現壓力水由下向上滲透壓裝在試模中的試件。最后一級壓力加至水泥土試件表面有水滲出時，記錄此時滲透壓力，并在恒壓狀態(tài)下測定水泥土試件滲出的水量。由達西定律定律可知此時滲出的水量即為通過試樣的流量，可根據式(2)與式(3)計算出水泥土的滲透系數。

(2)

(3)

式中：t為試驗時間,s；A為試樣橫截面積,cm2；h為滲徑，即試件高度,cm；V為經過試驗時間t滲出的水的體積,mL；i為水力梯度；p為施加的滲透壓力,MPa；γω為水的容重,N/cm3，取0.009 8 N/cm3。

(3)三軸滲透試驗

室內三軸滲透試驗采用應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀測定水泥土試樣的滲透系數，儀器照片如圖3所示，三軸壓力系統(tǒng)示意圖如圖4所示。應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀屬于多功能柔性控制三軸儀，利用其測水泥土滲透系數的試驗原理與柔性壁式滲透試驗大致相同，都可以保持水頭不變，并且可以提供更大的滲透坡降,同時可以施加圍壓，可模擬現場應力狀態(tài)進行試驗。在設定的滲透水壓力和圍壓的作用下，等滲流穩(wěn)定之后，每間隔2 h測讀連接排水管的體變管中的滲出水量。每組試驗測讀3～5次滲出水量，按式(4)計算其滲透系數，取試驗結果平均值。

(4)

圖3 應力應變控制式三軸剪切滲透儀

如果試樣在圍壓作用下固結，則按式(5)計算:

(5)

式中：H′為固結后試樣高度，cm；A′為固結后試樣橫截面積，通過試樣直徑面積計算，cm2。

1.1.2 現場鉆孔注水試驗

通常情況下，為了檢測多頭小直徑防滲墻對堤防防滲的加固效果，采取現場對多頭小直徑防滲墻墻體進行鉆孔降水頭注水試驗，測定墻體的滲透系數。主要觀測孔內水位隨時間的變化，時間間隔可根據孔內水位下降速度確定，要求孔內水位觀測與時間要連續(xù)。觀測水位下降速率從而確定滯后時間，通過相應的計算公式求得滲透系數kT?！端姽こ套⑺囼炓?guī)程》[14]提出了鉆孔降水頭滲透試驗的方法，用于測定地下水位以下粉土、黏性土層或滲透系數較小的巖層。由于水泥土防滲墻為條形，需要考慮墻體厚度，根據《水利水電工程水泥土截滲墻試驗測試規(guī)程》[15]計算水泥土防滲墻鉆孔降水頭注水試驗滲透系數。

圖4 三軸壓力系統(tǒng)示意圖

圖5 鉆孔降水頭注水試驗示意圖

1.2 方 案

本文分別對鉆孔取芯所制試樣和室內配制試樣進行滲透試驗。鉆孔取芯試樣來自安徽某灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程滲透治理工程的水泥土防滲墻。該工程所用水泥土防滲墻水泥摻入比為12%，試樣取自樁號K6+030現場芯樣上部，深度約為2 m，齡期大于28 d。

采取了現場鉆孔注水試驗、室內常規(guī)變水頭滲透試驗、室內三軸滲透試驗的方法，測定防滲墻和水泥土芯樣滲透系數，將試驗結果進行對比，探尋測定水泥土芯樣滲透系數的室內滲透試驗方法。同時研究了孔隙水壓和圍壓對水泥土芯樣滲透性的影響。對室內配制水泥土進行室內常規(guī)變水頭滲透試驗、室內三軸滲透試驗以及水泥土抗?jié)B試驗，比較三種試驗方法，研究適宜測定室內配制水泥土滲透系數的試驗方法。

1.3 試樣的制備

現場取芯后將芯樣帶回實驗室，經上下面、側面打磨后，制備成φ3.91 cm×8 cm的圓柱體試樣，用于進行室內三軸滲透試驗。同時也打磨制備了φ6.18 cm×4 cm的環(huán)刀樣，進行室內常規(guī)變水頭滲透試驗。

實際工程中需使用水泥攪拌樁防滲墻對滲漏段進行防滲處理的土體通常為滲透系數較大的透水結構物，故試驗用土采用粉土。該粉土取自界首市沙潁河堤防開挖基坑，開挖深度約2 m。在實驗室對試驗土樣進行基本試驗，所得基本的物理指標如表1所示。

表1 土樣基本物理指標

參照工程實際情況，確定室內配制水泥土試樣的水泥摻入比為12%，水泥漿水灰比為0.6，分別制成φ3.91 cm×8 cm的三軸試樣，φ6.18 cm×4 cm的環(huán)刀樣和上頭70 mm、下頭80 mm、高30 mm的圓臺樣，每種試樣各制4個試件，不拆模置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

在室內三軸滲透試驗中，調整圍壓及孔隙水壓，然后在各種試驗條件下對現場取芯所制水泥土試樣進行試驗。各組試驗參數如表2所示。

表2 水泥土(鉆芯取樣)三軸滲透試驗各組試驗參數

2 實驗結果

2.1 現場水泥土防滲墻鉆墻取芯試樣試驗結果

現場取芯所制水泥土試樣在圍壓作用下固結，并按照表2中的試驗參數進行滲透試驗，按式(4)進行計算，得到的結果如表3所示。

表3 水泥土(鉆芯取樣)三軸滲透試驗結果

依據《土工試驗方法標準》中的常規(guī)變水頭滲透試驗，取4個試樣滲透系數測定值的平均，所測定的滲透系數為9.47×10-7cm/s。

現場鉆孔注水試驗即為原位滲透試驗，常用于檢測水泥土防滲墻防滲加固效果?，F場鉆孔注水試驗所測定的滲透系數為1.01×10-7cm/s。

觀察比較上述數據可得:

(1)用應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀進行施加圍壓的三軸滲透試驗在較高圍壓下測得的滲透系數接近現場鉆孔注水試驗所得的滲透系數，而用南55型滲透儀進行的常規(guī)變水頭滲透試驗所測定的滲透系數相對現場鉆孔注水所測定的滲透系數大了近一個數量級。

(2)圖6、圖7分別為三軸滲透試驗中孔隙水壓和圍壓與滲透系數的關系曲線。在圍壓為0時，隨著孔隙水壓的增加，土體滲透系數變大(圖6)?？紫端畨翰蛔儠r，隨著圍壓增大，滲透系數減小，存在一個閾值，閾值之前變化明顯，閾值之后變化很小，這個閾值約為圍壓比孔隙水壓大20 kPa(圖7)。

圖6 三軸滲透試驗圍壓為0時，孔隙水壓與滲透系數關系圖

圖7 三軸滲透試驗中圍壓-滲透系數關系圖

為更好地驗證測定水泥土滲透系數的方法，室內重新配制水泥土試樣并進行試驗。將配制的環(huán)刀樣進行變水頭滲透試驗，每個試樣測定4次滲透系數取平均值，取4個試樣平均值為最終測定的滲透系數，最終測定的滲透系數為1.04×10-7cm/s。

三軸試樣則置于應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀中進行三軸滲透試驗，不考慮固結作用，未固結即加滲水壓力。根據原狀水泥土三軸滲透試驗結果以及試驗用土的性質，本次試驗圍壓宜采用50 kPa，孔隙水頭為20 kPa，最終測定的滲透系數為0.81×10-7cm/s。

截頭圓錐型試件置于滲透試模中進行水泥土抗?jié)B試驗，先逐級加壓，0.6 MPa開始有水滲出，之后在相同滲透壓力下試驗取平均值，作為該組試件的滲透系數。每個試件測定6次，取4個誤差允許范圍內的值取平均，作為該試件的滲透系數。最終測定的滲透系數為3.09×10-7cm/s。

表4 室內制樣水泥土滲透試驗結果

3 討 論

3.1 三軸滲透試驗與變水頭滲透試驗

土的滲透系數決定于土體孔隙直徑的大小和流動液體的性質。改變水泥土的孔隙結構造成土體滲透通道發(fā)生改變，會對滲透系數產生影響?，F場鉆孔取芯時，存在應力釋放現象，同時鉆頭的高速轉動會對原狀水泥土體造成擾動，取出的芯樣和防滲墻中靠近孔洞區(qū)域的水泥土墻體都發(fā)生變形，內部孔隙空間改變，滲流通道變大。采用敲擊的方法從鉆頭中取出芯樣時，在外力的作用下芯樣受到破壞，滲流孔隙體積發(fā)生變化。水泥土有一定凝結度，打磨成樣的過程中時常會遇到水泥土崩壞的現象，產生一些孔隙，或者已有的孔隙變大，孔隙體積隨之變大，滲透系數隨著孔隙體積的增大而增大。

在三軸滲透試驗中，應力應變控制式三軸剪切滲透儀可對試樣添加圍壓，使試驗土體受力情況接近原位狀態(tài)。鉆孔注水試驗因為土體受到擾動，所得試驗結果較三軸滲透試驗略大，無法正確描述出水泥土防滲墻的滲透性。利用變水頭滲透試驗測定原狀水泥土打磨成的試樣的滲透系數時，所用儀器為南55型滲透儀，受到儀器條件限制，無法提供較大的外力使試樣接近原位狀態(tài)，孔隙體積相比原狀土較大，致使試驗結果較大。綜上所述，三軸滲透試驗比變水頭滲透試驗更適合測定原狀水泥土(鉆芯取樣)滲透系數。

3.2 滲透系數與孔隙水壓的關系

孔隙水壓力的作用下飽和土體內發(fā)生滲流現象，水在土顆粒之間的孔隙間流動。滲流過程中遭受阻力，也就是土粒骨架對孔隙水流的阻力，其反力也就是水流作用于土粒骨架的滲透力。也就是說水壓在試樣中形成滲流，滲透力對土骨架產生作用[16]。滲透力將破壞土體骨架的穩(wěn)定性，致使孔隙發(fā)生改變，土體變形，反過來孔隙的改變和土體的變形將會引起流體滲透性能的改變。

圍壓為0時，土體受到的外界壓力較小，主要受到孔隙水壓力提供的內部壓力，滲流向上時滲透力將會使結構產生明顯變化，改變土體內部結構，孔隙全部變?yōu)殚_敞型，從而改變土體的導水能力，土體的滲透能力發(fā)生變化。另一方面，土體中細顆粒在滲透力的作用下會發(fā)生偏轉或移動，土體會進行部分顆粒重新排列，進而導致土體結構的變化和孔隙通道的變化，影響整體滲透性。隨著孔隙水壓力的增加，滲透力增大，滲流有效孔隙體積在滲透力的作用下慢慢增大，滲流通道擴大，滲透系數隨之增大。

3.3 孔隙水壓不變，滲透系數與圍壓的關系

由儀器給土體施加一個孔隙水壓力，起到滲流作用，可稱為滲流孔隙水壓力，也叫驅動水壓力。試樣結構在外力的作用下受到破壞，組構雜亂排列，土體中孔隙較多，且組構之間的孔隙都是連通的，孔隙通道比較大。隨著圍壓的增加，土體受到的壓力增大，大孔隙變小孔隙，小孔隙閉合，土體更加密實，孔隙結構趨向穩(wěn)定，孔隙比降低，土體中的滲流有效通道相對減小，滲透系數也隨之明顯變小。

趙天宇等學者[17]發(fā)現，增大圍壓在一定程度上可以引起固結壓密使試樣更密實，減小了試樣的孔隙體積，導致試樣的滲透系數降低。同時得出圍壓對滲透系數大的試樣的影響程度更顯著，因為滲透系數大的試樣孔隙體積相對更大，容易被壓縮。大孔隙在圍壓增大的過程中變小，在達到閾值后，剩下的都是小孔隙，圍壓的增加固然會使小孔隙閉合，但滲流有效孔隙總體積變化不大，圍壓繼續(xù)增加，滲流有效孔隙體積幾乎不變，因此滲透系數趨于穩(wěn)定。

3.4 室內試樣的三種試驗結果

變水頭滲透試驗和泥土抗?jié)B試驗所用儀器分別為南55型滲透儀和水泥土滲透儀，兩個儀器中的試樣周圍存在側向約束。三軸滲透試驗中，可利用應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀對試樣施加較大圍壓，受力狀態(tài)也更貼近工程實際。同時，三者的滲流方向均為從下至上，滲流過程中試樣產生滲透力，方向也是從下至上。

南55型滲透儀有上蓋，由于人工操作的誤差性，會使上蓋與試樣產生接觸上蓋，對于試樣有一定的壓力。當滲透力大于滲透強度時，超過滲透強度的部分滲透力作用于上蓋，由牛頓第三定律可得，試樣上表面會受到上蓋的壓力[18]。應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀既能施加垂直方向的壓力，也可以施加側向壓力，由此可知南55型滲透儀和應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀中，試樣的受力狀態(tài)相似。水泥土滲透儀無上蓋，當滲透力大于滲透強度時，滲出的水就會直接流出，試樣上表面無荷載。水泥土抗?jié)B試驗加壓至0.6 MPa開始有水滲出，表明變水頭滲透試驗中2 m水頭產生的滲透力并未超出水泥土的滲透強度，則試樣上表面無上蓋壓力，除試樣內部受到的滲透壓力外，受力狀態(tài)與水泥土滲透儀中的受力狀態(tài)相似。三種儀器中的試樣統(tǒng)一配制，試樣特性也相同，故三種試驗方法的結果相近。

變水頭滲透試驗以及水泥土滲透試驗中，試樣需大小適中，與試模緊密貼合，否則會產生裂縫，裝樣的狀態(tài)和試樣精度對試驗結果影響較大，容易造成誤差，并且需要人工讀數，耗費精力頗多。三軸滲透試驗試驗采用計算機讀數，較為精準，對試樣精度要求較低，但其對儀器操作要求較高且試驗周期較長，耗時久，比較適合時間寬裕的情況。在進行水泥土滲透試驗時，可根據實際情況選擇相應的試驗方法。

4 結 論

(1)測定原狀水泥土試樣(鉆芯取樣)滲透系數時，用應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀進行施加圍壓的三軸滲透試驗較常規(guī)變水頭滲透試驗更加準確，對于防滲墻滲透性的檢測更具有代表性。

(2)三軸滲透試驗中，圍壓為0時，原狀水泥土試樣(鉆芯取樣)的滲透系數會隨著孔隙水壓的增加而增加。

(3)三軸滲透試驗中，保持孔隙水壓不變，隨著圍壓的增加，原狀水泥土試樣(鉆芯取樣)的滲透系數會減小，當圍壓比孔隙水壓約大20 kPa后滲透系數趨于穩(wěn)定。

(4)測定室內配制的水泥土試驗的滲透系數時，變水頭滲透試驗、三軸滲透試驗及水泥土抗?jié)B試驗三種方法所得試驗結果相接近,即三種試驗方法都可用于測定水泥土(室內配制)滲透系數。