高沙土地區砂土抗滲透特性改良室內試驗研究

范冠宇 張建忙 沈建兵

(1.江蘇省地質環境勘查院，江蘇 南京 211102； 2.如東縣水資源管理所，江蘇 南通 226400)

0 引言

土體的內部結構在一定程度上決定了土體的強度。顆粒骨架組成及顆粒間的膠結情況決定了其內部結構。粉土是一種特殊的土，其性質介于黏性土和砂土之間，具有土粒徑集中、松散、黏性小等特點。由于其容易出現變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現象，因此工程建設上一般不能直接使用。受土地資源緊缺、經濟現狀和工期等多種自然和人為因素的影響，粉土經常被用來進行相關工程建設。由于粉土自身性質的緣故，在各種地質營力作用下，造成交通設施沙埋，農田水利設施破壞以及環境污染，帶來巨大的國民經濟損失及人民日常生活失序。因此必須對粉土進行相關的改良，使其能夠滿足工程建設的相關要求，從而避免造成工程危害。

南通地區分布有大范圍的高沙土，根據相關巖土工程勘察資料可知，該高沙土屬于粉土。

針對粉土的改良試驗，國內外學者進行了大量的研究。針對泰州地區的粉土，張瑜等用石灰和水泥進行性質改良，其改良試驗結果表明水泥的效果比水泥加石灰好，改良后粉土的CBR值隨著水泥摻合比的增加而增大。為了獲得水泥的最優摻合比，陳燕等進行了相關試驗，并給出了具體數值。依托隴海線鐵路工程項目，張西海等利用石灰和粉煤灰對鄭州至徐州段的粉土進行了改良，其結果表明改良粉土的無側限抗壓強度隨著粉煤灰摻合比的增加而提高。通過摻加石灰、水泥來改良粉土，王海俊等在分析加固機理的同時，得到了較為經濟的摻合比和。采用砂礫改良粉土，尚新鴻等取得了較好的效果。

根據相關調查，大面積沉陷、下降出現在高沙土地區建成的電力設施周圍，場地土體流失嚴重。電力設施周圍的塌陷、下沉將給變電站的安全運行帶來嚴重的隱患。為了避免這種現象發生，本文以粉煤灰和土壤固化劑為原材料開展室內試驗，研究其對高沙土地區粉土的固化及滲透效果，并分析其固化機理，以期為高沙土地區砂土的改良與應用提供新的思路。

1 試驗材料

為了對變電站工程建設提供技術依據，本次試驗所選用的材料均取自位于如皋市下原鎮野樹社區9組的野樹變電站附近。

對變電站附近5個孔進行取樣分析，取其平均值，其中,砂土的風干含水率(質量比)為2%，顆粒粒徑為0.000 1 mm～0.002 mm的含量為1.38%，顆粒粒徑為0.002 mm～0.005 mm的含量為2.18%，顆粒粒徑 0.005 mm～0.01 mm 的含量為4.12%，顆粒粒徑為0.01 mm～0.05 mm的含量為53.6%，顆粒粒徑為0.05 mm～0.075 mm的含量為17.24%，顆粒粒徑為0.075 mm～0.25 mm的含量為21.44%，顆粒粒徑為0.25 mm～0.5 mm的含量為0.04%。粒徑分布見圖1。

試驗材料：本次改良試驗研究采用兩種添加劑進行配合使用，分別是固化劑和粉煤灰。其中固化劑主要成分是一種改性親水性樹脂，與水反應生成彈性凝膠體，有高度安全性，具有耐久性強、可自然降解、生態環保等特征。固化劑密度為1.18 g/cm3，20 ℃黏度為650 mPa·s～700 mPa·s，固化劑含量(質量分數，下同)為80%，凝固時間為30 s～180 s，水量超過40倍。

本次試驗采用的是320目的粉煤灰，即粒徑為43 μm，為灰黑色粉狀，密度為2.4 g/cm3。

試樣制備：對上述過篩后烘干樣進行準確稱量，每組3 000 g，共稱取36組，其余土樣留作備用。烘干土樣含水率為0%，干密度為1.19 g/cm3。

試驗中選取的固化劑含量(質量分數，下同)分別為0%，5%，10%，15%，20%，40%。選取的粉煤灰含量(體積分數，下同)分別為0%，2%，4%，6%，8%，10%。

實驗過程中，先稱取粉煤灰倒入巖土試樣中攪拌均勻，然后再將按照一定含水率配制的不同濃度固化劑溶液倒入圖樣中充分攪拌，然后進行靜置保存。

2 試驗方案

為了了解改良砂土的滲透性能，開展了成膜試驗和變水頭滲透試驗。

2.1 成膜試驗

取風干土樣150 g，將土樣放置于口徑為10 cm，深度為8 cm玻璃容器中。將不同含量的固化劑噴灑到砂土樣中，形成不同厚度的固化層，測量不同含量固化劑在相同養護時間下生成的固化層厚度，并測量同一高度下錐體的入土深度。

測試內容包括：1)準備6個試樣，噴灑25.5 mL含量為0%，5%，10%，15%，20%，40%的固化劑，觀察24.0 h后固化層厚度；2)將每個試樣置于同一高度的錐體下，觀察錐體自由落體下入土深度。

通過對比試驗過程中拍攝的照片，可以看到在剛加入相同質量溶液的初始時刻，溶液的下滲深度是不相同的，具有明顯的規律性，隨著固化劑濃度的增大逐漸減小。在靜置24 h后對不同濃度巖土樣進行觀測，具體如圖2所示。可以看到各個土樣具有明顯的差異，其中土樣從固化劑濃度為10%時起開始形成固化層，隨著濃度的增大，固化層厚度逐漸增大。

通過現場測試，將同一錐體從固定高度自由落下，看錐體進入土層深度，發現落入深度跟固化劑濃度存在相反規律，落入深度隨固化劑濃度增大而減小，這反映了固化層的硬度變化規律，即固化層的硬度存在隨濃度增大而增大的規律；當濃度達到20%時，繼續增加固化劑濃度，固化層硬度基本保持不變。

另外，從圖中明顯可以看到各個樣品的顏色存在明顯差別，以固化劑濃度為15%，20%,40%的土樣為例，可以看到玻璃杯下部顏色差異較大，具有從深到淺的規律，主要是含水率的不同導致的。主要是添加了不同濃度固化劑的溶液形成了不同厚度的固化層，減小了土體顆粒之間的孔隙，形成了類似于防滲層的固化層，影響了水的下滲。

2.2 變水頭滲透試驗

實驗過程中，先稱取粉煤灰倒入巖土試樣中攪拌均勻，然后再將按照一定含水率配制的不同濃度固化劑溶液倒入圖樣中充分攪拌，然后進行靜置保存。

考慮到本次野外所取土樣主要為細粒土，因此采用工程常用的標準土工試驗儀器進行變水頭滲透試驗并測定滲透系數。試驗操作均按照GB/T 50123—2019土工試驗方法標準中相關要求嚴格進行。

將土樣裝入滲透儀環刀內，用相同質量的配重物進行壓實，制好樣之后靜置保養相同時間，然后放入滲透儀內部進行試樣飽和，并開始變水頭滲透試驗。按照標準土工試驗，待出水量穩定后，測定砂土的滲透系數。

按照規范中的要求，將變水頭管中的水位變換高度，待水位穩定再進行測記水頭和時間變化，重復試驗5次～6次。當不同開始水頭下測定的滲透系數在允許差值范圍內時，結束試驗。

本次試驗中，同一組試驗里面設置3組平行樣，每個巖土試樣均進行6次試驗，對試驗結果取平均值，最終測得不同土樣的滲透系數統計如表1所示。

表1 不同土樣滲透系數統計表

通過對比可以發現，添加固化劑對于改良土壤滲透系數具有明顯作用，可為高沙土地區砂土改良提供理論依據。

3 結果分析

對上述滲透系數進行統計分析，并繪制相應圖件，從圖3可以看到，不管是對于粉煤灰含量是多少的土樣，都存在：隨著固化劑濃度的增大，滲透系數逐漸減小，當固化劑濃度達到20%時，再繼續增大固化劑濃度，滲透系數改變不明顯。從圖4可以看出，當固化劑濃度較小時，土樣滲透系數隨粉煤灰含量的增加而減小；當固化劑濃度達到15%時，粉煤灰的作用逐漸減弱，當固化劑濃度較大時，粉煤灰作用不明顯。

固化劑的作用主要是利用其中的高價離子改變土壤顆粒表面電性，提高土壤顆粒間的吸附力，增大密實度，從而降低土壤顆粒的水膜厚度，降低滲水性。

土壤在粉碎、拌合和壓實等物理外力的作用下，顆粒彼此靠近，從而減少顆粒骨架間的空隙，使固化體系進一步密實，減少水體下滲速度，從而具有較強的防水能力。

粉煤灰作用機理主要是灰—土反應，包括短期反應和長期反應。這些反應的結果使土體顆粒的結合水膜厚度減薄，黏土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結物，這些膠結物逐漸由膠凝狀態向晶體化狀態轉化，土的剛度不斷增大，強度和水穩定性不斷提高。

4 結論

本文針對高沙土地區粉土結構疏松，粘聚力小等特點，從改性機理出發，采用土壤固化劑和粉煤灰對高沙土地區砂土進行改良，通過室內成膜試驗及變水頭滲透試驗對改良砂土的強度特性、水穩定性能力進行研究，取得如下結果：

1)土壤固化劑可以很好地改善改良粉土的強度特性、滲透能力。隨著固化劑濃度的增加，改良粉土的強度特性、抗滲透能力逐漸增強。特別是對于粉土滲透性能的改善，為高沙土地區基礎設施建設中粉土改良提供技術指導。

2)高沙土的抗滲透性能在土壤固化劑含量達到20%時就可以得到大幅度提高。高沙土表面固化層隨土壤固化劑噴灑濃度的增大而增加，該固化層抗滲性能較好，可起到抗沖刷作用，同時阻止水體的下滲。

3)粉煤灰含量達到8%就可以大幅度提高高沙土的抗滲透性能，繼續增大粉煤灰作用不明顯。

對于高沙土地區砂土而言，進行場地土體回填時，在土體中加入土壤固化劑和粉煤灰有助于改善土壤的滲透特性，能夠形成防滲層，減緩水體的下滲，可以有效避免在水力作用下形成滲透通道，引起地面塌陷和沉降。