为了满足抗渗工程的需要,在实际工程中通过机械搅拌或射流冲切等方法,把地基中天然软土与水泥浆(或者水泥粉)混合搅拌在一起,形成水泥改良土。水泥改良土具有取材方便、价格低廉、低渗透和高强度等优点,在建筑、水利、道路等的基坑防渗、堤防防渗墙以及路基改良和加固复合地基等工程中得到了广泛应用^[1,2] 。通过将地基中软土固化成为具有足够强度和稳定性的改良土体,达到加固的目的。近些年来,国内外众多学者开展了许多关于水泥土的力学特性和渗透性方面的研究,胡向东^[3] 研究了上海灰黄色粉砂水泥改良土冻胀融沉性质;游波等^[4] 研究了水泥土无侧限抗压强度的影响因素;陈四利等^[5,6] 研究了水泥复合土的抗压强度,以及研究氯化钠腐蚀及干湿循环条件下水泥土的力学特性;庞文台等^[7] 研究了复合水泥土的抗渗性能;董凯赫^[8] 研究了水泥土的抗渗性能;陈四利等^[9] 研究了污水环境对水泥土渗透性能的影响。然而,由于水泥改良土常被应用于基坑防渗、堤防防渗墙等防渗工程中,水泥改良土经常承受地下水的渗流作用,如何评价地下水渗流作用对水泥改良土的物理力学参数的影响以及水泥改良土工程使用寿命的估计尤为重要。本文探讨了渗流作用对水泥改良土抗压强度和渗透系数的影响,该研究可为水泥改良土在基坑防渗、堤防防渗墙的应用及工程设计提供技术参数。

本试验采用矿渣硅酸盐水泥,其强度等级为32.5级,质量符合国家建材标准。试验用土为沈阳市某路基地的粉质黏土,该粉质黏土在自然状态下呈软塑状态,其主要物理性质指标如表1所示。

由于原状土体中具有一定含量细砂,为模拟实际场地条件掺入了一定比例的细砂,水泥改良土中的各物质掺量质量比例为:水泥∶粉质黏土∶细砂∶水=1∶5∶3.33∶1.82。根据《水泥土配合比设计规程》JGJ/T 233—2011^[10] 的要求,进行水泥改良土在恒定水压下的渗透试验,试件采用截头圆锥型试模,上口内径为70mm,下口内径为80mm,高度为30mm。将水泥、粉质黏土及细砂混合均匀后加水搅拌,搅拌3min后,装入试模中抹平并编号,静置24h后脱模,置于水中养护,室内温度为22~28℃,养护至90d待用。

根据《水泥土配合比设计规程》和试验设计的要求,进行水泥改良土试件无侧限抗压试验,主要仪器设备为微机控制电液伺服万能试验机,如图1所示。

具体试验步骤如下。

1)水泥改良土养护90d后,取出养护试件进行密封试验,根据经验在水泥改良土试件表面涂满一定厚度石蜡,同时将烘干箱设置为75℃,将试模放入烘干箱,加热30min后,将涂满石蜡的水泥改良土试件压入试模中,完成渗透试件的制作,如图2所示。

2)根据试验设计的要求,渗透水头高4m,对试件分别进行7,15,30,60d的渗透试验,主要仪器设备为水泥土渗透仪(TAT-55型)。

3)按渗透时间取渗透试件进行水泥改良土的抗压试验。

4)采用常水头试验方法,常水头渗透系数计算公式为:

式中:k为渗透系数(cm/s);Q为试件t时间间隔内的渗透水量(m L);L为试件高度(cm);A为试件中部横截面面积(cm²);H为试件的水头高度(cm);t为时间间隔(s)。

对不同养护时间和渗透时间的水泥改良土试件进行抗压试验,其中渗透时间为15d的单轴压缩破坏特征如图3所示。

如图4所示,随着养护时间的增加,其水泥改良土的无侧限抗压强度逐步增加,从图中拟合曲线可以看出早期水泥改良土强度增长趋势较快,60~90d水泥改良土试件强度增长逐渐减缓,根据拟合曲线可以预测90d后强度逐渐趋于稳定。

首先进行水泥改良土试件7,15,30,60d的渗透试验,然后按照试验设计要求分别进行不同渗透时间条件下的水泥改良土无侧限抗压强度试验,如图5所示。试验结果表明,水泥改良土的抗压强度随着渗透时间的增加而逐步降低,渗透60d后的水泥改良土抗压强度比渗透7d的水泥改良土抗压强度降低了18.3%。此结果说明渗透时间对水泥改良土的抗压强度产生较大的侵蚀影响,水泥改良粉质黏土在抗渗工程设计中应予以重视。

渗透作用对水泥改良土内部产生一定的损伤破坏,由于恒压水对试件的不断冲刷从而导致水泥改良土试件内部的孔隙比变大,致使水泥改良土抗压强度不断降低。如图6所示,渗透前期(7~30d)水泥改良土强度损失率呈线性增加,无侧限抗压强度下降较快,30d后水泥改良土强度损失率增长趋势变慢,无侧限抗压强度下降趋于平缓。由于水泥改良土是由水泥、粉质黏土和细砂凝结而成的一种改良土体,试件中的细砂类比于混凝土中的石子充当粗骨料,起骨架作用。经过恒压水不断冲刷,导致镶嵌在骨架中的土料微小颗粒不断流失,进而使渗透后的水泥改良土强度降低,而在渗透前期,土料中微小颗粒多且相对流失较快,所以前期水泥改良土强度损失率增长较快;渗透时间30d后,裂隙中的微小颗粒相对减少,导致水泥改良土强度损失率增长逐渐减缓。

在预定渗透试验的时间条件下,分别记录水泥改良土在不同渗透时间内的渗水量,由公式(1)计算出水泥改良土的渗透系数,如图7所示。试验结果表明,水泥改良土的渗透系数随着渗透时间的增加而不断增大,渗透初期渗透系数增长率较陡,而随着渗透时间的增加渗透系数增长率逐渐变缓。此结果表明,渗透时间对水泥改良土的渗透系数产生较大的侵蚀作用,并且对水泥改良土前期影响较严重,水泥改良土前期的透水性较好。

如图4所示,随着养护时间的增加水泥改良土无侧限抗压强度呈对数增长,利用回归分析方法可得水泥改良土的无侧限抗压强度随养护时间的变化规律可近似用对数方程代替,其对数方程为:

式中:R为水泥改良土无侧限抗压强度(MPa);t为养护时间(d)。

如图5所示,随着渗透时间的增加水泥改良土无侧限抗压强度呈指数降低,利用回归分析方法可得水泥改良土的无侧限抗压强度随渗透时间的变化规律可近似用指数方程代替,其指数方程为:

式中:R为水泥改良土无侧限抗压强度(MPa);n为渗透时间(d)。

如图7所示,随着渗透时间的增加水泥改良土渗透系数呈对数增长,利用回归分析方法可得水泥改良土的渗透系数随渗透时间的变化规律可近似用对数方程代替,其对数方程为:

式中:k为水泥改良土渗透系数(cm/s);n为渗透时间(d)。

1)水泥改良土无侧限抗压强度随着养护时间的增加而逐渐增大,养护时间为90d时,强度趋于稳定;根据试验数据,利用回归方法得到水泥改良土无侧限抗压强度随着养护时间的变化规律,建立对数函数,确定二者之间的计算模型。

2)水泥改良土无侧限抗压强度随着渗透时间的增加而逐渐降低,渗透60d后的水泥改良土抗压强度降低了18.3%;根据试验数据,利用回归方法得到了水泥改良土无侧限抗压强度随着渗透时间的变化规律,建立指数函数,确立二者之间的计算模型。

3)水泥改良土渗透系数随着渗透时间的增加而逐渐增大,水泥改良土的前期透水性较好;根据试验数据,利用回归方法得到了渗透系数随着渗透时间的变化规律,建立对数函数,确立二者之间的计算模型。

4)渗透作用导致水泥改良土内部孔隙比变大,进而导致内部结构产生损伤、劣化,在力学性质上表现为水泥改良土的抗压强度降低、渗透系数增大,所以在水泥改良粉质黏土的防渗工程应用中必须予以重视。