2种复合固化剂作用下有机质土的渗透性

畅帅^{1, 2}，徐日庆^{1, 2}，李雪刚^{1, 2}，徐丽阳^{1, 2}

(1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州，310058；

2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州，310058)

摘要：为研究复合固化剂GX07与XGL2005的降渗效果以及有机质对水泥土固化反应的影响，对这2种固化剂作用下的人工有机质土进行渗透试验。结果表明：腐植酸掺量为6%且水泥掺入比w_c≤15%时，GX07的降渗效果比XGL2005发挥得更为迅速，XGL2005的降渗效果完全发挥需要比60 d更长的龄期。通过分析龄期与水泥掺入比对土体固化的影响，提出水泥最优掺入比w_co与固化土极限渗透系数k_u的概念，并得出当腐植酸掺量为6%时，GX07和XGL2005固化土样的w_co分别约为10%和12%。对GX07加固的试验土样，k_u约为4×10^{-9 cm/s}。进一步研究发现：当w_c为10%~15%且T为3~28 d时，2种复合加固土渗透系数随龄期的变化在单对数坐标系下均有较好的线性关系，由此建立这2种复合加固土的渗透系数预测模型。

关键词：有机质土；腐植酸；最优掺入比；极限渗透系数；预测模型

中图分类号：TU472          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)06-2021-08

Permeability of organic soil treated with two composite stabilizers

CHANG Shuai^{1, 2}, XU Riqing^{1, 2}, LI Xuegang^{1, 2}, XU Liyang^{1, 2}

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;

2. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Ministry of Education,

Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Abstract: To explore the effect of permeability reduction of GX07 and XGL2005 and investigate the influence of organic matter on the chemical reaction of soil with cement, permeability tests were conducted on artificial organic soil treated with these two composite stabilizers. By contrasting the results, it is concluded that on the premise of humic acid content 6% and cement content w_c≤15%, the function of reducing permeability of GX07 can be fulfilled more rapidly than that of XGL2005, which may involve longer age than 60 d to be performed completely. On the basis of analyzing the influence of age and cement content on soil stabilization, concepts of optimal mixing ratio w_co and ultimate permeability coefficient k_u are proposed. And w_co for stabilized soil treated with GX07 and XGL2005 is around 10% and 12% respectively while k_u for GX07-treated test soil sample is 4×10^{-9 cm/s approximately once humic acid content is 6%. Further work shows permeability coefficient decreases linearly as age increases in single logarithm when w}_c is 10%-15% and T is 3-28 d, based on which a forecasting model for the permeability coefficients of soil treated with these two composite stabilizers is put forward.

Key words: organic soil; humic acid; optimal mixing ratio; ultimate permeability coefficient; forecasting model

东南沿海地区有大片有机质土地基。对有机质土采用传统的水泥固化方法效果常常并不理想^[1-3]。为此，许多学者开展了复合固化剂配方的研究^[4-5]。但这些研究往往是围绕土体的强度展开，而对复合加固土渗透性的研究却很少。另一方面，土的渗透性完全可能成为影响土体力学行为的一个关键因素^[6-8]，土渗透系数的取值往往与实际工程中的设计与计算相关^[9]。因此，对于新型复合固化剂作用下有机质土渗透性的研究十分必要。此次研究在分析复合固化剂GX07与XGL2005作用下有机质土渗透性递变规律的基础上，定义了极限渗透系数k_u与水泥最优掺入比w_co的新概念，这对实际工程的设计分析和固化土渗透性的理论研究均具有一定的参考价值。另外，实际工程中土渗透系数的测定具有周期长、工作量大的特点，因此需要对复合加固土渗透系数的预测模型展开研究。本文作者研究建立了GX07与XGL2005作用下固化土渗透系数的预测方法。由此方法通过短龄期的试验结果即可对3~60 d，乃至更长龄期下GX07与XGL2005作用下有机质土的渗透系数进行预测。

1  试验

1.1  试验材料

试验所用的2种固化剂为GX07与XGL2005。试验用土为黏土，物理指标如表1所示。试验所用的其他材料包括425号普通硅酸盐水泥，纯度为90%的腐植酸。

表1  土样的物理力学性能

Table 1  Physical and mechanical properties of soil

1.2  试样制作及养护

根据文献[10]，土体中有机质的主要成分是腐殖物质，而腐植酸又是腐殖物质的主要成分。根据文献[11]，掺量为15%的水泥土强度与腐植酸含量关系曲线存在一个拐点，该点对应腐植酸含量为6%。当腐植酸掺量小于6%时，其对水泥土性质的影响随腐植酸掺量的增大明显加强，而当腐植酸掺量大于6%时，该影响趋于稳定。故本次试验选择腐植酸掺量为6%。试验土体按水泥掺入比w_c为5%，8%，9%，10%，11%，12%，13%，14%和15%共分成9组，水灰比(水质量与水泥质量之比)为0.6，含水量为45%。在各组试验土体中，GX07与XGL2005的掺入质量均设定为水泥掺入质量的0.15%，即GX07与XGL2005的添加质量随着水泥掺入比w_c的变化而相应改变。

试验前将土样烘干并捣碎，过孔径2 mm筛，去除杂质，密封备用。然后根据确定的配比，先将腐植酸与部分试验用水充分混合，再将称好的备用干土、水泥、复合固化剂与剩余水倒入，充分搅拌至均匀，完成土样配制。对不同水泥掺入比的固化土做龄期T为3，7，14，28和60 d的渗透试样。试样制作完成后，在室内自然条件下养护24 h后脱模，然后用塑料袋封装后置于(20±5) ℃的清水中养护至规定龄期进行试验。

2  结果与分析

2.1  试验结果

由渗透试验得到掺入不同复合固化剂的试验土体在不同龄期下的渗透系数K。经温度修正后，不同龄期下复合固化土的渗透系数如图1~2所示。 由图1可知：对于GX07固化土，在整体变化趋势上，土体渗透系数随龄期下降明显，尤其在28 d以内，土体渗透系数下降较快。而在28~60 d下降相对较缓，60 d时土体渗透系数趋于稳定。但当w_c较小(5%，8%)时，龄期为7 d与14 d时渗透系数非常接近。而当w_c进一步增大时，7~14 d时土体渗透系数才出现明显降幅。这表明当w_c较小时，固化剂GX07在7~14 d的降渗作用受到了较大限制，需要进一步增大w_c才能使GX07在该龄期段的降渗效果得到发挥。由图2可见：对于XGL2005固化土，在整体变化趋势上，土体渗透系数随龄期下降同样明显，并且当龄期为28~60 d时仍有显著下降趋势。

图1  GX07加固土渗透试验结果

Fig. 1  Permeability test results of soil stabilized by GX07

图2  XGL2005加固土渗透系数实测结果

Fig. 2  Permeability test results of soil stabilized by XGL2005

2.2  掺入比影响

为了更直观地考察掺入比w_c对复合加固土渗透系数变化的影响，此处定义参数η_T：

             (2)

式中：η_T为龄期为T时的η，为龄期为T且掺入比为w_c时土体渗透系数，为龄期同为T且掺入比为10%时土体渗透系数，其中T=3~60 d，w_c为5%~15%。由此可得GX07和XGL2005固化土体η-T曲线分别如图3~4所示。

由图3可见：对于GX07固化土，在小龄期(3 d，7 d)时，η变动范围相对较小，表明这种情况下不同掺入比的土渗透系数差距不大。当T为7~28 d时，掺入比w_c的影响逐渐有所体现。尤其是28 d时，渗透系数随w_c的增大而递减的规律非常明显。并且当w_c增大到一定程度，这种递减的幅度有随w_c的增大而减小的趋势。当龄期进一步增大为60 d时，小掺入比(5%，8%和9%)下η的变化范围继续增大，意味着不同土体的渗透系数差距进一步拉大。而当掺入比加大(10%~15%)时，不同土体的渗透系数则变得十分接近。由试验结果，在60 d时，掺入比w_c为10%，12%和15%的GX07复合固化土的渗透系数分别为0.51×10^-8，0.45×10^-8和0.41×10^{-8 cm/s}，三者虽然依次递减，但差距很小。可见对于这些试验土体，掺入比w_c已不是影响土体渗透性的主要因素。另外，由试验结果知，当掺入比为15%时，龄期在28 d和60 d时，渗透系数随龄期推进基本没有发生变化，均为0.41×10^{-8 cm/s}。因此可以推测GX07加固的试验土体存在一个极限渗透系数k_u，其值在4×10^{-9 cm/s}左右。k_u的存在是因为土体固化到一定程度，其孔隙已经非常微小，且连通性非常差，渗透性已经很难进一步下降。

由图4可见：对于XGL2005固化土，当龄期大于14 d后，η的取值范围开始显著增大，表明掺入比w_c对土渗透性的影响开始有较为明显的体现。在28 d时，渗透系数随w_c的增大而递减的规律同样非常明显。但当龄期进一步增大(28~60 d)时，较大掺入比(11%~15%)下土体的渗透系数并未像GX07固化土那样趋于同一个极限值。由图4可知：当T为28~60 d，除了w_c为12%和13%时的线形略有下降趋势外，其他掺入比下的线形基本保持水平。这表明当w_c在5%~15%内取不同值时，60 d土渗透系数相对于28 d其下降幅度基本与w_c为10%时保持一致。

图3  GX07加固土η-T曲线

Fig. 3  η-T curves of soil stabilized by GX07

图4  XGL2005加固土η-T曲线

Fig. 4  η-T curves of soil stabilized by XGL2005

2.3  龄期影响

类似地，为了更直观地考察龄期对复合加固土渗透系数变化的影响，此处定义参数λ：

              (3)

式中：为掺入比为w_c时的λ值，为掺入比为w_c且龄期为T时土体渗透系数，为掺入比同为w_c但龄期为28 d时土体渗透系数。其中T为3~60 d，w_c为5%~15%。由此可得GX07和XGL2005固化土体λ-w_c关系分别如图5~6所示。

由图5可见：对于GX07复合固化土，当w_c=8%时λ变动范围最小，表明龄期对土渗透系数的影响相对最不显著。在此基础上增大或减小掺入比，龄期的影响都将变得更为明显。60 d时λ明显存在极小值，与之对应的掺入比为10%。结合λ的定义，这表明当掺入比更小(w_c为5%~8%)或更大(w_c为12%~15%)时，其60 d时的渗透系数都更为接近相同掺入比下28d时的渗透系数。由之前的分析，加固土体存在极限渗透系数k_u。因此可以推知w_c更小时60 d土渗透系数相对于28 d减小程度降低可能是由于GX07的降渗作用在28 d已发挥得比较完全，从28 d到60 d主要是水泥水化产物的硬化，土体渗透系数下降较小。而当w_c进一步增大时，由于此时土渗透系数的绝对数值已经非常接近GX07固化土的k_u，k继续减小的空间已经很小，该掺入比下GX07的降渗效果未能得到充分发挥。

因此，结合实际固化效果，从经济角度可以定义一个水泥最优掺入比w_co。在该掺入比下，复合固化剂的降渗效果得到较完全地发挥，同时也使土体渗透系数的绝对数值下降到接近土体极限渗透系数的水平。由图5可知：对于GX07加固的试验土样w_co约为10%。

图5  GX07加固土λ-w_c曲线

Fig. 5  λ-w_c curves of soil stabilized by GX07

由图6可见：在整体变化趋势上，对于XGL2005固化土，λ变动范围随着w_c的增大而增大，表明龄期对土渗透性的影响随着掺入比的增大而逐渐变得明显。尤其是当掺入比大于12%后，λ的变动范围随着龄期的推进显著增大，表明此时土渗透性随着龄期的增大而减小的规律愈加明显。考察60 d时的曲线，在掺入比12%时λ取到极小值。由之前分析知，对于XGL2005加固的试验土样w_co约为12%。

图6  XGL2005加固土λ-w_c曲线

Fig. 6  λ-w_c curves of soil stabilized by XGL2005

3  2种复合固化土渗透性对比分析

为了对2种复合固化土的渗透性进行更为直观的比较，此处定义参数μ：

            (4)

其中：为对应龄期为T，掺入比为w_c时的μ，对应龄期为T，掺入比为w_c时GX07复合固化土的渗透系数，则对应龄期同为T，掺入比同为w_c时XGL2005复合固化土的渗透系数。其中T为3~60 d，w_c为5%~15%。由此得到曲线如图7所示。

在图7中，实折线的点绝大部分均在虚线以下，仅当掺入比为5%且龄期为3 d时与虚线上的点比较接近。这表明对于GX07，当T为3~60 d且w_c为5%~15%，其对有机质土的降渗效果普遍优于XGL2005。进一步考察该图，当龄期为28 d时，实线上的点离虚线最远，μ也相应最小。这表明GX07相对XGL2005的降渗优势在该龄期时最为明显。尤其是当T为28 d且w_c为12%时，μ取值仅为0.364，意味着此时GX07固化土的渗透系数仅为XGL2005固化土的36.4%。另外，根据之前的分析，GX07固化土28~60 d时渗透系数下降趋势放缓并在60 d时趋于稳定，而XGL2005固化土的渗透系数在28~60 d却仍有明显下降趋势。反映在图7中，在28~60 d时实折线簇的线形普遍上扬，与代表XGL2005固化土渗透性的水平虚线有靠近趋势，表明GX07的降渗优势在此时有所减弱。但当掺量为10%时，所对应的实线却基本与虚线平行。这表明对应于w_c=10%，GX07在28~60 d时仍能保持原先的降渗优势。而根据之前分析，对于GX07固化土，最优掺入比w_co即为10%。因此对于GX07复合固化土，最优掺入比的合理性在此处得以体现。

图7  GX07与XGL2005加固土μ-T曲线

Fig. 7  μ-T curves of soil stabilized by GX07 and XGL2005

4  2种复合固化土渗透预测模型的建立

对试验结果进一步研究发现，针对GX07与XGL2005这2种复合固化剂作用下的试验土体，当w_c为10%~15%且T为3~28 d时，其渗透系数随龄期的变化在单对数坐标系下均有较好的线性关系。由前面分析，该掺入比范围恰好包括了这2种固化剂作用土体的最优掺入比w_co。进一步研究发现，可以采用下式对固化土渗透系数随龄期的变化进行拟合：

       (5)

式中：α和β均为试验参数，cm/s；T₀为单位龄期，d；k_T为3~28 d时任一龄期T的土渗透系数。将T=3 d代入式(5)可得：

                 (6)

故可知线性关系中截距的物理意义即为3 d时土体的渗透系数。线性拟合时，可先将截距固定为k₃，再通过回归分析得到GX07和XGL2005固化土的曲线如图8~9所示。

由图8和9可知：除了7 d时XGL2005固化土体渗透系数的拟合值均略小于实测值外，其他情况下，拟合值与实测值均较为接近。通过回归分析，得到各线性关系下的β。将参数α和β的取值情况整理如表2所示。

进一步考察式(5)，k_T的预测值除了与α有关，仅与斜率β有关。而研究β的回归分析结果发现，对于

GX07和XGL2005固化土，均可用开口向上的单峰曲线对β取值随掺入比w_c的变化情况加以拟合。因此通过回归分析可以建立β与w_c的关系。对GX07固化土有：

  (7)

对于XGL2005固化土则有：

   (8)

根据式(5)，(7)和式(8)，对于w_c为10%~15%的GX07和XGL2005固化土，即可实现根据一定掺入比下3 d的渗透试验结果k₃，预测相同掺入比下3~28 d土体的渗透系数。

图8  GX07加固土lg[T/(3T₀)]-k_T曲线

Fig. 8  lg[T/(3T₀)]-k_T curves of soil stabilized by GX07

图9  XGL2005加固土lg[T/(3T₀)]-k_T曲线

Fig. 9  lg[T/(3T₀)]-k_T curves of soil stabilized by XGL2005

表2  参数α与β回归分析结果

Table 2  Regression results of parameters α and β

由于28 d与30 d龄期较为接近，故近似认为T=30 d时仍满足式(5)中的线性关系。将T=30 d代入式(5)，结合式(6)得：

              (9)

故可知线性关系中斜率的物理意义为3 d与30 d时土体渗透系数之差。据此，可以先由式(7)与式(8)得到β，再根据式(9)直接由k₃估算出k₃₀。

另外，根据之前分析，当T=60 d，掺入比10%~15%的GX07固化土渗透系数将趋近于极限值，因此k₆₀可近似取为(0.4~0.5)×10^{-8 cm/s}。而对于掺入比同为10%~15%的XGL2005固化土，k₆₀可取得稍大一些，实测结果为(0.53~1.07)×10^{-8 cm/s}。由于XGL2005固化土样的渗透系数在60 d时仍有一定下降趋势，故也可取更大龄期(90 d)下的渗透系数趋近于固化土的极限渗透系数。由于28 d之后2种复合固化剂作用下的土体渗透系数变化较缓。因此当龄期大于28 d后可以近似假设2种复合固化土的渗透系数随龄期为线性变化。由此便建立了w_c为10%~15%时，GX07和XGL2005固化土在3~60 d，乃至更长龄期下渗透系数的预测方法。

图10  GX07与XGL2005加固土β-w_c曲线

Fig. 10  β-w_c curves of soil stabilized by GX07 and XGL2005

5  固化机理及适用范围分析

有机质土中对水泥固化产生不利影响最主要的物质是腐植酸^[12]。首先，腐植酸带负电，具有比黏土矿物颗粒更发育的双电层，它的存在使土体具有一定的酸性。其次，由腐植酸中富里酸与水泥矿物的吸附作用而形成的吸附膜会延缓水泥水化的进程，造成早期水泥固化效果不理想。再次，腐植酸对部分水化产物具有分解作用，会破坏水泥土的结构形式。

比较GX07与XGL2005的配方，主要差异体现在2个方面：XGL2005掺入了高锰酸钾作为催化裂化剂，而GX07没有；GX07掺入了水玻璃，而XGL2005没有。

高锰酸钾作为催化裂化剂，通过强氧化作用能使腐植酸发生分解和裂解。原本腐植酸主要由富里酸和胡敏酸组成，是以苯环为主的大分子芳香类有机物，苯环上的主要官能团有酮、酯、羧酸、醛、酚等。经氧化后，生成物以羧酸、醇、酯、醚、烷烃、酰、胺类等小分子物质为主^[13]。根据前面分析，当掺入比较小(5%，8%)时，对于GX07加固土，其7 d和14 d时的土渗透系数非常接近。这是由于GX07加固土中腐植酸并未较好地被氧化分解。一方面大分子有机物的吸附作用延缓了水泥水化进程，并在一定程度上阻碍了水泥水化物与黏土颗粒的作用。另一方面腐植酸又分解了一部分水泥水化产物。两方面的综合作用使得14 d时的土渗透系数与7 d时相比几乎没有减小。但随着龄期的增长，水泥水化和硬化反应逐渐深入，腐植酸的影响将渐渐减弱^[14]。与此同时，GX07的其他成份也将相继发挥作用。比如GX07所引入的高价阳离子将有效减薄腐植酸和黏土颗粒的双电层，而其中的苛性钠和生石灰又将提高土体pH，从而改善土体的酸性环境等。所以当龄期进一步增大，小掺入比下的GX07加固土渗透系数又将有所下降。而对于XGL2005加固土，由于高锰酸钾的氧化作用，大分子有机物被较好地分解为小分子物质，因此腐植酸的吸附作用将明显减弱。反映在试验结果上，水泥掺量较小且龄期为7~14 d时，XGL2005加固土的渗透性下降趋势明显。

然而在整体的降渗效果上，当腐植酸掺量为6%时，GX07比XGL2005发挥得更为迅速。原因在于虽然XGL2005能通过氧化作用分解土中腐植酸，使腐植酸的吸附作用有所减弱，但所生成的有机小分子物质对水泥固化仍存在不利影响。另外，GX07中虽没掺入高锰酸钾，但它所含的水玻璃具有较强的速凝作用。根据文献[15]，水玻璃不仅能与水泥土中的高价金属离子反应生成硅酸钙或硅胶颗粒进而有效地填塞土体孔隙，它还能在黏土颗粒之间产生一定的胶结作用。因此，GX07中所含的水玻璃能在一定程度上加快固化进程。根据试验结果，当掺入比w_c≥10%时，在60 d内GX07复合加固土的渗透系数即可降低至(4~5)×10^{-9 cm/s}，仅为原状土样渗透系数的(5.31%~ 6.63%)，与XGL2005相比，在对有机质土的降渗效果上显得更为迅速高效。

综合之前分析，在实际使用GX07和XGL2005进行土体固化时，若要在较短工期内就使有机质土的渗透性有明显改善，建议用GX07进行固化。而XGL2005的降渗效果发挥完全需要比60 d更长的龄期，因此若要求有机质土渗透性的改善有一定的时间跨度，则可采用XGL2005进行固化。另外，由于这两种复合固化剂对有机质土显著的降渗效果以及固化土最终良好的抗渗性能，除了可将其应用于蓄水工程、引排水工程、基坑支护工程等，针对其降渗效果的研究在地下工程注浆防水材料以及其他防水堵漏材料的研制上也具有一定的借鉴意义。

6  结论

(1) 当腐植酸掺量为6%且水泥掺入比w_c≤15%时，固化剂GX07与XGL2005对有机质土的降渗效果均较为明显。相比而言，GX07降渗效果发挥得更为迅速，当w_c≥10%且龄期为28~60 d时即可达到较为满意的降渗效果。而XGL2005的降渗效果发挥完全需要比60 d更长的龄期。在3~60 d内，GX07降渗效果相对XGL2005有一定优势。

(2) 通过分析龄期与掺入比对降渗效果的影响提出了极限渗透系数k_u与最优掺入比w_co的概念。当腐植酸掺量为6%且2种复合固化剂的掺量均为0.15%时，对GX07和XGL2005固化土样，水泥的最优掺入比w_co分别约为10%和12%。对于GX07加固的试验土样，k_u约为4×10^{-9 cm/s}。

(3) 当腐植酸掺量为6%且水泥掺入比w_c为10%~15%，GX07与XGL2005作用下的试验土体在T为3~28 d时，渗透系数随龄期的变化在单对数坐标系下均有较好的线性关系。由此建立了这2种复合固化剂作用下土体渗透系数随龄期变化的预测方法，该方法具有简明易行的特点。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-08-06；修回日期：2013-11-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178420)

通信作者：徐日庆(1962-)，男，浙江金华人，教授，博士，从事地基处理方面的研究；电话：13606707291；E-mail：xurq@zju.edu.cn