仲海蓓 刘向东 高乔明
（南京市建筑安装工程质量检测中心，江苏，南京，210000）
【摘 要】水泥土已经越来越广泛的应用于防水帷幕、截渗墙的施工，但目前水泥搅拌桩的检测通常是通过取芯检测其抗压强度，而却没有关于水泥土渗透系数测定的试验标准。本文通过测试水泥土试块的无侧限抗压强度及其渗透系数，研究两者之间的相关性，以达到由抗压强度评估渗透系数的目的，为水泥土抗渗性能的质量控制提供参考。
【关键词】水泥土；抗压强度；渗透系数；相关性
1 引言
水泥土搅拌法是利用水泥作为固化剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，通过水泥的水化反应以及土颗粒与水泥水化物之间的相互作用，特别是胶结作业和离子交换作用，使得土颗粒分散度降低，土颗粒进一步团聚，从而提高原状土强度、降低渗透系数的方法[1-2]。近年来，利用水泥土增强强度、降低渗透系数的特性，水泥土深搅法在基坑止水帷幕及堤坝、闸口等工程被广泛使用。随着水泥土深搅法越来越多的应用，对其性能的相关研究也有许多，但大多是分别研究水泥土的抗压性能及抗渗特性。而目前对水泥土搅拌桩水泥土芯样的检测规范仅涉及强度检测，所以对水泥土的抗渗性能与抗压强度相关性的分析具有十分重要的意义。本文针对粉细砂和粉质粘土两种类型的水泥土，通过测试相同类型水泥土试块的抗压强度及渗透系数，研究水泥土抗压强度及渗透系数的相关性，为水泥土抗渗性能的评估提供依据。
2 试验方法
2.1 试验样品的制作
本文选择粉砂和粉质粘土两种类型的水泥土为研究对象，制作不同水泥掺量的试块，测试不同龄期水泥土试块的无侧限抗压强度及渗透系数，试块的制作情况如表1所示。
表1 试块制作统计表
按照上述表格的水泥掺量，将风干土和水泥混合后在水泥胶砂搅拌机上进行搅拌，将搅拌均匀的土立即装入试模中。土样装模振实后，放入养护室进行带膜静置养护，在温度为（20±5）℃，湿度不低于50%的环境中静置48h后拆模。将拆模后的试块放入温度为（20±1）℃的水中进行养护，试块间间隔不小于10mm，水面高出试块不小于20mm。试块养护至规定的龄期，取出后立即进行试验，分别测量相同类型、相同水泥掺量、相同临期水泥土试块的抗压强度及渗透系数，以研究两者之间的相关性。
2.2 试验方法
1）抗压试验方法
抗压试验采用微机控制电子压力试验机进行，将试块放置于试验机上，以0.1kN/s的速度均匀施加荷载至试块破坏，记录破坏荷载，精确至0.01kN。
试块的无侧限抗压强度为：
（1）
式中： ：试块的无侧限抗压强度MPa，精确至0.01MPa；
：破坏荷载(N)；
：试块的横截面积(mm2)；
抗压试验以6个试块为一组，当6个试块的无侧限抗压强度极差不超过平均值的20%时，以6个试块的平均值作为该组试块的无侧限抗压强度结果；当6个试块的极差与平均值之差超过平均值的20%时，以中间4个试块的平均值作为该组试块的无侧限抗压强度；当中间4个试块的极差与平均值之差超过平均值的20%时，该组试块的试验结果作废，重新制样进行试验。
2）渗透试验方法
水泥土渗透试验采用本单位自行研制的水泥土柔性壁渗透仪进行，该仪器所用试块为底面直径70mm的圆柱体。渗透试块养护至规定的龄期后，将试块从养护室取出放入渗透仪中，在试块上下端分别放置一块滤纸和透水石，盖上密封罩，将密封罩注满水后对试块进行加压。首先施加围压，在达到预设的围压后施加渗透压力，并利用渗透压力进行排气，在达到规定的渗透压力后开始读数，根据渗透速率的大小确定读数的间隔。
渗透系数依据达西定律计算，计算公式为：
抗渗试验以3个试块为一组，当三个试块渗透速率的极差不超过平均值的30%时，取3个试块的平均值作为该组试块的平均渗透速率。当三个试块渗透速率的极差有一个超过平均值的30%时，去掉该值，取另2个试块的平均值作为该组试块的平均渗透速率。当三个试块有两组的极差超过平均值的30%时，该组试验作废，应重新制样进行试验。
3 试验结果及分析
根据表1所列的试验计划，使用粉细砂及粉质粘土两种土样分别制作不同水泥掺量的试样，测量28d、60d、90d的无侧限抗压强度和渗透系数，获得的抗压和抗渗数据分布如下图所示：
图2粉细砂型水泥土试块的无侧限抗压及抗渗试验结果
图1、图2中横坐标为水泥土试块的无侧限抗压强度，对应的纵坐标为同种水泥掺量、同龄期试块测得渗透系数。由散点图的分布可知，粉质粘土型水泥土试块的渗透系数基本为10-9cm/s级，而粉细砂的渗透系数为10-6~10-8cm/s级，即粉质粘土型水泥土的抗渗性能整体优于粉细砂型水泥土；此外，粉细砂水泥土试块的渗透系数随着抗压强度的递增而递减，而粉质粘土水泥土试块的渗透系数随抗压强度的增大而在一定范围内随机变化，即其渗透系数与抗压强度间无明显相关性。因此重点研究粉细砂型水泥土渗透系数与无侧限抗压强度之间关系。
由图2可知粉细砂型水泥土试块渗透系数随抗压强度的变化趋势与指数函数相似，因此选择指数函数 为拟合函数。利用MATLAB曲线拟合工具箱Cftool对数据进行拟合，拟合结果如下：
图4粉细砂型水泥土试块无侧限抗压强度与渗透系数数据拟合残差图
图3为拟合曲线图，图4为对应残差图。最终拟合曲线为：
由式3可知，粉细砂型水泥土试块在抗压强度小于1.5 时，渗透系数随着抗压强度的增大迅速降低，渗透系数基本在 级别；抗压强度在1.5-3.0 时，渗透系数随着抗压强度的增大缓慢减小，数量级基本为 级别；抗压强度达到3 以上时，渗透系数为 级别，且随抗压强度的变化幅度很小。工程实践中，设计单位通常对用于基坑支护水泥土深搅桩的要求是：28d浆液试块无侧限抗压强度标准值不小于1.0 ，墙体渗透系数不大于10-7cm/s，由上述分析可知，无侧限抗压强度1.0 属于渗透系数随抗压强度变化较大的范围，因此一定要保证深搅桩桩身水泥土的抗压强度满足设计要求。
4 小结
本文选用粉细砂及粉质粘土两种土样，制作了5种水泥掺量的水泥土试块，测试相同养护条件下龄期为28d、60d及90d的水泥土抗压试块的无侧限抗压强度及抗渗试块的渗透系数，对两种类型水泥土试块的无侧限抗压强度及渗透系数进行了相关性分析。得出以下结论：
1）发现粉质粘土型水泥土的无侧限抗压强度与其渗透系数间相关性不明显，但粉质粘土型水泥土的渗透系数均较小，为10-9cm/s级；
2）粉细砂型水泥土渗透系数随着无侧限抗压强度的增大而减小，两者间呈指数关系，拟合出了两者之间的函数关系式 ，利用该关系式可以由粉细砂无侧限抗压强度估算出其渗透系数，为工程设计和质量控制提供参考依据。
参考文献：
[1]宋新江. 基于常规三轴仪测定水泥土渗透系数方法研究[J]. 江淮水利科技，2010，6.
[2]颜恩锋，孙友宏，许振华，刘冬生. 深层水泥土搅拌桩在基坑支护中的应用[J]. 岩土力学，2003，24：90-93.
作者简介：
仲海蓓（1985~），女，工程师，主要从事工程质量检测及研究工作。
论文作者:仲海蓓,刘向东,高乔明
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年9月供稿
论文发表时间:2016/1/18
标签：抗压强度论文; 水泥论文; 系数论文; 细砂论文; 平均值论文; 粘土论文; 相关性论文; 《工程建设标准化》2015年9月供稿论文;