地基碾壓灰土及天然黏性土地基防滲研究

王小強(qiáng)

（山西潞安工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 046204）

0 引言

受建設(shè)單位的委托，在潞安180場(chǎng)地和精細(xì)化場(chǎng)地進(jìn)行了煤化工地基碾壓灰土及天然黏性土地基防滲的滲透試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)檢測(cè)選擇與目標(biāo)化工地基相近的灰土壓實(shí)地基和天然黏性土地基進(jìn)行試驗(yàn)，采用試坑雙環(huán)注水滲透試驗(yàn)。

1 試坑雙環(huán)滲水試驗(yàn)

1.1 場(chǎng)地內(nèi)地基土構(gòu)成、巖性特征及水文情況

根據(jù)工程勘察資料，廠區(qū)松散地層劃分為7層。

①填土（Q42ml）。黑灰色，黑色；稍濕；松散。該層由矸石、塊石和素土等形成，大部分為耕地表層土，均勻性差。該層中還有新近沉積土主要分布在地勢(shì)較低的溝底部，以粉質(zhì)黏土為主，有層理結(jié)構(gòu)，土質(zhì)不均，多孔隙，混有姜石礫石等顆粒。

②黃土狀粉質(zhì)黏土（Q41al+pl）。褐黃色；濕；可塑。有小孔隙，主要含有較多鈣質(zhì)菌絲和姜石，該層具有黃土濕陷的特性，濕陷等級(jí)綜合判斷為Ⅰ級(jí)，濕陷類別為非自重濕陷，天然孔隙比為0.640～0.936，平均為0.771。

③粉質(zhì)黏土（Q3al+pl）。褐色、褐紅色；濕；硬可塑。多孔隙，包含較多鐵錳質(zhì)薄膜和黑斑，顯塊狀，天然孔隙比為0.873～0.931，平均為0.881。

④黏土（Q2al+pl）。黃褐色，黃色；濕；硬可塑。包含較少黑斑，局部含有大量鐵錳質(zhì)核粒，鐵錳質(zhì)薄膜，該層局部夾有鈣質(zhì)結(jié)核層。姜石富集成層，該層以透鏡體形式存在。

⑤礫石土（Q1al+pl）。黃褐色；濕；密實(shí)。包含較多礫石、石英等，以褐色黏性土膠結(jié)。

⑥砂巖（C）?；疑?；濕；中等風(fēng)化，局部出露。該層還有泥質(zhì)灰?guī)r（C）。紫褐色；濕；硬可塑。強(qiáng)～中風(fēng)化。

⑦泥質(zhì)灰?guī)r（C）。青灰色；濕；中風(fēng)化。該層均有揭露。場(chǎng)地勘察鉆孔揭露深度內(nèi)未見地下水。

1.2 適用條件及試驗(yàn)設(shè)備

雙環(huán)注水試驗(yàn)（圖1）適用于場(chǎng)地內(nèi)地層為粉土層、粉質(zhì)黏土及黏土層，試坑位地下水位以上，且離地下水有一定距離?；具m用于壓實(shí)灰土防滲地基土層[1]。

圖1 雙環(huán)注水試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)原理

水在土中的流動(dòng)符合達(dá)西定律，水在土的孔隙中流動(dòng)時(shí)，大多數(shù)情況下流速較小，可以認(rèn)為屬于層流。則滲透速度與水力坡降成正比。當(dāng)水力坡降為1時(shí)的滲透速度稱為土的滲透系數(shù)。對(duì)于飽和土的滲透現(xiàn)象常用達(dá)西定律來表示。即v=kI或q=kIF。

在試驗(yàn)場(chǎng)地，向地表試坑內(nèi)土層進(jìn)行注水，當(dāng)一定時(shí)間段后，滲入的水量達(dá)到穩(wěn)定值，即單位時(shí)間的滲入水量接近相等，差別不大時(shí)，再利用Darcy定律的原理求出滲透系數(shù)（K）值。在坑底嵌入兩個(gè)高約0.2m，直徑分別為0.25m和0.50m的鐵環(huán)，試驗(yàn)時(shí)同時(shí)往兩個(gè)圓環(huán)內(nèi)注水，并保持內(nèi)外環(huán)的水頭（水位）都保持在同一高程，以0.1m為宜，由于外部圓環(huán)滲透場(chǎng)的約束作用使內(nèi)部圓環(huán)的水只能垂直向下滲入，因而大大減小了側(cè)向滲流的誤差，因此它的精度相對(duì)較高[2]。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

（1）試坑開挖應(yīng)符合下列要求：①在隨機(jī)選定的試驗(yàn)部位，挖一個(gè)圓形或方形試坑，至試驗(yàn)土層的穩(wěn)定土層。②在試坑底部再挖一個(gè)深15～20cm注水試驗(yàn)試坑，直徑應(yīng)大于外環(huán)直徑，坑底修平，并確保試驗(yàn)土層的結(jié)構(gòu)不被擾動(dòng)。

（2）試環(huán)安裝應(yīng)符合下列要求：①在注水試坑內(nèi)放入試環(huán)，將直徑分別為250mm和500mm的兩個(gè)試環(huán)水平壓入坑底，深約50～80mm，并確保試驗(yàn)土層的結(jié)構(gòu)不被擾動(dòng)，試環(huán)周邊不漏水[3]。（試驗(yàn)土層為人工壓實(shí)灰土層，土層含有硬碎土塊等造成土的不均勻，為避免硬土塊易造成開挖對(duì)土層結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)破壞，采取提前挖坑并浸水濕潤(rùn)的措施，使土層適當(dāng)變軟，均勻性改善，達(dá)到試環(huán)周邊不漏水）。②在內(nèi)環(huán)及內(nèi)、外環(huán)之間環(huán)底鋪2～3cm厚、粒徑為0.5～1.0cm的礫石作為緩沖層。

（3）應(yīng)按圖1所示安裝瓶架、流量瓶、出水管和進(jìn)氣管。流量瓶應(yīng)裝滿清水，用帶2個(gè)孔的膠塞塞住，孔中分別插入長(zhǎng)短不等的2根管端切成斜口的進(jìn)氣管和出水管。量水瓶進(jìn)氣管管口距坑底應(yīng)為0.1m，以保持試驗(yàn)水頭不變。

（4）試驗(yàn)過程中，用兩個(gè)Mariotte瓶控制外部環(huán)和內(nèi)部環(huán)的水頭保持同一高度值（0.1m），根據(jù)內(nèi)環(huán)所取得資料確定土層的滲透系數(shù)，由于內(nèi)環(huán)中水只產(chǎn)生垂向滲透，排除了側(cè)向滲漏引起的誤差，因此可以獲得較高的精度[4]。

（5）量測(cè)應(yīng)符合下列規(guī)定：①注入水量由瓶上刻度讀出；②開始每隔5min量測(cè)一次，連續(xù)量測(cè)5次；之后每隔15min量測(cè)一次，連續(xù)量測(cè)2次；以后每隔30min量測(cè)一次并至少量測(cè)6次；③當(dāng)連續(xù)2次觀測(cè)的滲入流量之差小于最后一次滲入流量的10%時(shí)，試驗(yàn)即可結(jié)束。取最后一次滲入量作為計(jì)算值。

（6）注水試驗(yàn)的滲入深度可采用以下方法確定：以試坑內(nèi)環(huán)直徑為一邊向下開挖，通過對(duì)土層進(jìn)行直觀觀察或測(cè)定不同深度土層的含水量來確定滲水試驗(yàn)的滲入深度。如圖2～圖5所示。

圖2 灰土場(chǎng)地雙環(huán)滲透試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 黏性土場(chǎng)地滲透速度歷時(shí)曲線

1.5 試驗(yàn)資料整理

（1）繪制內(nèi)環(huán)滲入量與時(shí)間（Q-t）關(guān)系曲線圖表。

（2）試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)按式（1）計(jì)算。

式中：K——試驗(yàn)土層滲透系數(shù)，cm/s；Q——內(nèi)部環(huán)注入水的流量，L/min；F——內(nèi)環(huán)的底面積，cm2；H——試驗(yàn)水頭，cm；H=10cm；Hα——試驗(yàn)土層的毛細(xì)上升高度，cm；z——從試坑底算起的滲入深度，cm。

圖3 灰土滲透度歷時(shí)曲線

圖4 天然黏性土場(chǎng)地雙環(huán)滲透試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 碾壓灰土層滲透性評(píng)價(jià)

試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示，在碾壓灰土地層中所進(jìn)行的5組滲水試驗(yàn)，滲透系數(shù)在5.53×10-5～2.0×10-7（cm/s），其滲透性主要為弱至中等透水，離散性較大，灰土層的透水性不能滿足環(huán)保防滲的高標(biāo)準(zhǔn)（滲透系數(shù)小于10-7cm/s）的要求。

表1 雙環(huán)試坑注水試驗(yàn)成果表（壓實(shí)灰土）

表2 雙環(huán)試坑注水試驗(yàn)成果表（③層黏性土）

碾壓灰土層具有如此高的滲透性，其主要原因是：該土層土質(zhì)不均勻，土料塑性指數(shù)較高，土層本身結(jié)硬塊，不易被壓實(shí)，保留了結(jié)塊之間縫隙形成滲透通道。該人工碾壓灰土層所用土料沒有經(jīng)過嚴(yán)格選料，可能混有鈣質(zhì)結(jié)核粒等其他雜質(zhì)作碾壓土料；同時(shí)可能還有施工碾壓方面的原因。

天然黏性土進(jìn)行的3組滲水試驗(yàn)，滲透系數(shù)在2.85×10-5～7.82×10-5（cm/s），其滲透性主要為中等透水，該黏性土滲透性也無法達(dá)到環(huán)保要求，分析有兩方面的原因，一是該層土中鈣質(zhì)結(jié)核顆粒，在一定程度上為滲流提供了導(dǎo)水通道。另一方面該層土的孔隙比稍大，也是對(duì)防滲的不利因素[5]。

從上述試驗(yàn)結(jié)果看，碾壓灰土層及該場(chǎng)地的天然黏性土的滲透性不能達(dá)到環(huán)保高標(biāo)準(zhǔn)防滲的要求，必須重新考慮其他有有效的防滲措施。

3 建議化工環(huán)保防滲的方法措施

為了滿足環(huán)保防滲要求，建議對(duì)化工污水池底及側(cè)壁進(jìn)行水平防滲處理，處理的措施是鋪設(shè)土工膜防滲。在嚴(yán)密鋪設(shè)的條件下，土工膜可以達(dá)到滲透系數(shù)小于10-7cm/s的要求。

土工膜以塑料薄膜作為防滲基本材質(zhì)，與無紡布復(fù)合而成的土工防滲材料，新材料土工膜它的防滲性能主要取決于塑料薄膜的防滲性能。目前，國(guó)內(nèi)外防滲應(yīng)用的塑料薄膜，主要有聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）、EVA（乙烯/醋酸乙烯共聚物），它們是一種高分子化學(xué)柔性材料，延伸性較強(qiáng)，適應(yīng)變形能力高，比重較小，抗凍性能好耐腐蝕，耐低溫，壽命長(zhǎng)。為了達(dá)到可靠的防滲目標(biāo)，塑料薄膜的厚度可采用0.5mm，需要采用一膜兩布結(jié)構(gòu)（中間是塑料薄膜兩邊是無紡布），以使無紡布保護(hù)塑料薄膜不受破壞，與土層接觸帶以細(xì)砂層過渡。塑料薄膜鋪設(shè)結(jié)合是用黏結(jié)或焊接的方法，這是塑料薄膜防滲性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須由專業(yè)施工人員精心完成，在黏結(jié)或焊接的過程中使塑料薄膜不受破損，保持完整嚴(yán)密的防滲性能。