CN104458530B - 一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法和装置，包括如下步骤：(1)制作多个水泥掺量为7％‑15％的圆柱形水泥土试件，分别置于标准养护条件下和海水养护条件下进行养护，养护时间为28‑120天；(2)分别对标准养护和海水养护下的水泥土试件进行渗透试验，分别得到水泥土试件未劣化区水泥土的渗透系数及劣化水泥土的等效渗透系数；(3)利用贯入试验分别确定水泥土试件的劣化深度；(4)根据达西定律进行计算，求得水泥土试件劣化层的渗透系数；通过求解试件劣化层渗透系数进而求解出劣化水泥土试件的等效渗透系数，避免了通过渗透试验直接求解水泥土等效渗透系数中尺寸效应带来的问题。

Description

一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，特别涉及一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法和装置。

背景技术

水泥土是用水泥做结合料所得的混合料的一个广义名称，包括用水泥稳定的各种细粒土、中粒土、粗粒土，适用于基坑工程中的防渗止水帷幕，各级公路的基层和底基层及小型农田水利工程的桥、涵、闸等配套工程，还可用于大坝护坡以及道路稳定层、大型渠道的垫层等，尤其适用于沙砾料缺乏地区。水泥土具有可就地取材，减少运输，施工方便，价格低廉等优点。此外，水泥土还具有强度高、稳定性好、承载力高、强度可调整以及几乎各种土都可以用水泥进行稳定的优点。然而，长期处在腐蚀场地(滨海地区和化学污染场地等)中的水泥土等加固体将发生强度降低、渗透性增大的劣化现象，严重降低了其加固和防渗性能。然而，目前还没有关于水泥土劣化后其劣化层渗透系数的室内确定方法。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种腐蚀环境中水泥土劣化后其表层劣化区渗透性的测试方法，利用可获取的未劣化水泥土的渗透系数及劣化水泥土的等效渗透系数，求解劣化层的渗透系数，为腐蚀环境下水泥土的设计提供了技术支持。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，包括如下步骤，

(1)制作多个水泥掺量为7％-15％的圆柱形水泥土试件，分别置于标准养护条件下和海水养护条件下进行养护，养护时间为28-120天；所述的百分比皆为质量百分比；

(2)分别对标准养护和海水养护下的水泥土试件进行渗透试验，得标准养护条件下的水泥土试件未劣化区水泥土的渗透系数及海水养护条件下劣化水泥土的等效渗透系数；

(3)利用贯入试验确定水泥土试件的劣化深度Δ；

(4)将上述的水泥土试件的未劣化区水泥土的渗透系数、劣化水泥土的等效渗透系数和劣化深度结合达西定律进行计算，求得水泥土试件劣化层渗透系数。

进一步地，步骤(2)中，所述的未劣化区水泥土的渗透系数的具体测定步骤为：将标准养护下的水泥土试件装入渗透系数测定装置，用黄油加水泥密封，上下各安设透水石，调节压力表逐级施压，至试件表面有水渗出时停止加压，保持压力稳定，待滴定管内页面稳定后，开始读数，获取此时施加的渗流压力p、时间间隔t及t时间间隔内水的渗流量V，根据达西定律计算，得未劣化区水泥土的渗透系数。

进一步地，步骤(2)中，所述的劣化水泥土的等效渗透系数的具体测定步骤为：将标准养护下的水泥土试件装入渗透系数测定装置，用黄油加水泥密封，上下各安设透水石，调节压力表逐级施压，至试件表面有水渗出时停止加压，保持压力稳定，待滴定管内页面稳定后，开始读数，获取此时施加的渗流压力p、时间间隔t及t时间间隔内水的渗流量V，根据达西定律计算，得劣化水泥土的等效渗透系数。

进一步地，步骤(3)中，对劣化水泥土试件(海水养护条件下的试件)和未劣化试件(标准养护条件下的试件)进行贯入试验，获取贯入阻力同贯入深度之间的关系曲线，对劣化水泥土试件强度开始发挥的曲线后半部分，即贯入阻力随深度的增加显著增大的部分曲线进行直线的拟合，与纵轴的交点作为劣化深度Δ。

进一步地，步骤(2)中，所述的未劣化区水泥土的渗透系数根据公式计算，式中：k为渗透系数；h为渗径即试件高度；t为时间间隔；A为试件横截面积(cm²)；V为时间间隔t渗出的流量(mL)；p为施加的渗透压力(MPa)；γ_w为水的重度。

进一步地，步骤(2)中，所述的劣化水泥土的等效渗透系数根据公式计算，式中：k为渗透系数；h为渗径即试件高度；t为时间间隔；A为试件横截面积(cm²)；V为时间间隔t渗出的流量(mL)；p为施加的渗透压力(MPa)；γ_w为水的重度。

本发明还提供了一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，包括如下步骤，

1)制作多个水泥掺量为7％-15％的圆柱形水泥土试件，分别置于标准养护条件下和海水养护条件下进行养护，养护时间为28-120天；所述百分比皆为质量百分比；

2)分别对标准养护和海水养护下的水泥土试件进行渗透试验，得未劣化区水泥土的渗透系数k₀及劣化水泥土的等效渗透系数k_c；

3)利用贯入试验确定水泥土试件的劣化深度Δ；

4)利用水泥土试件劣化层渗透系数k_d的表达式(9-a)、(9-b)、(9-c)，求解水泥土试件劣化层渗透系数k_d；

所述k_d的表达式为：

A＝(2k_c+k₀)R_aR_h+k_c-2k_cR_h-k₀ (9-b)

其中，R_a＝A_d/A，为水泥土试件横截面积劣化率，R_h＝Δ/H，为试件劣化深度与试件高度的比值，A、A_d分别为水泥土试件横截面面积及劣化部分横截面面积。

进一步地，步骤2)中，所述的未劣化区水泥土的渗透系数k₀的具体测定步骤为：将标准养护下的水泥土试件装入渗透系数测定装置，用黄油加水泥密封，上下各安设透水石，调节压力表逐级施压，加压等级为0.02Mpa、0.04Mpa、0.08Mpa、0.1Mpa，达到0.1Mpa后按0.1Mpa的加压幅度递增，每级渗透压力恒压时间为1h，至试件表面有水渗出保持压力稳定，待滴定管内页面稳定后，开始读数，获取此时施加的渗流压力p、时间间隔t及t时间间隔内水的渗流量V，根据公式计算，得k₀值。

进一步地，步骤2)中，所述的劣化水泥土的等效渗透系数k_c的具体测定步骤为：将标准养护下的水泥土试件装入渗透系数测定装置，用黄油加水泥密封，上下各安设透水石，调节压力表逐级施压，加压等级为0.02Mpa、0.04Mpa、0.08Mpa、0.1Mpa，达到0.1Mpa后按0.1Mpa的加压幅度递增，每级渗透压力恒压时间为1h，至试件表面有水渗出保持压力稳定，待滴定管内页面稳定后，开始读数，获取此时施加的渗流压力p、时间间隔t及t时间间隔内水的渗流量V，根据公式计算，得k_c值。

进一步地，步骤3)中，对劣化水泥土试件和未劣化试件进行贯入试验，获取贯入阻力同贯入深度之间的关系曲线，对劣化水泥土试件曲线强度开始发挥的后半部分，即贯入阻力随深度的增加显著增大的部分曲线进行直线的拟合，与纵轴的交点作为劣化深度Δ。

进一步地，步骤2)中，所述的未劣化区水泥土的渗透系数k₀根据公式计算，式中：k为渗透系数；h为渗径即试件高度；t为时间间隔；A为试件横截面积(cm²)；V为时间间隔t渗出的流量(mL)；p为施加的渗透压力(MPa)；γ_w为水的重度。

进一步地，步骤2)中，所述的劣化水泥土的等效渗透系数k_c根据公式计算，式中：k为渗透系数；h为渗径即试件高度；t为时间间隔；A为试件横截面积(cm²)；V为时间间隔t渗出的流量(mL)；p为施加的渗透压力(MPa)；γ_w为水的重度。

本发明还提供了一种水泥土试件渗透系数测试装置，包括渗流筒、水槽、气泵、滴定管，渗流筒顶部通过出水管与滴定管连通，渗流筒内壁的上部设置有多个防滑卡，渗流筒内设置有与渗流筒等径的透水石，渗流筒底部通过进水管与水槽连通，水槽的上部通过测压管与气泵相连，测压管上设置有压力表和调节阀。

优选的是，所述渗流筒内壁的上部等间距地设置有三个防滑卡。

优选的是，所述的水槽的底部的高度低于所述的渗流筒的底端的高度。

实验原理:

(1)劣化层深度的测定：

水泥土在软土地基处理中应用广泛，然而长期腐蚀环境中加固体会发生劣化现象，导致其渗透性发生变化。试验证明水泥土的劣化深度与劣化快慢不因试样的大小而改变，因此，水泥土各个方向的劣化深度是一致的。图1所示为室内腐蚀环境中圆柱形劣化水泥土试件示意图，灰色代表劣化区，空白部分代表未劣化区，设劣化深度为Δ。

通过贯入试验确定劣化深度，微型贯入仪自动显示贯入阻力和深度，利用数字自动显示器读取，绘制贯入阻力与贯入深度关系曲线。在强度开始发挥的曲线部分拟合成一条直线，采用直线和纵轴的交点作为劣化深度的方法确定水泥土试件的劣化深度(图中为Δ)。

(2)渗透系数的确定：

对图1所示的圆柱形试件，渗透系数可由达西渗透定律进行确定。图3所示为圆柱形水泥土试件渗透系数测试装置，在试件的任一个横截面上，具有相同的平均渗流速度，即：

式中：k_d、k_m分别为水泥土劣化层和上下劣化层之间区域的渗透系数；k_c为劣化水泥土试件的等效渗透系数；i_t、i_b、i_m、i_c分别为试件上表面劣化层的水力坡降、下表面劣化层的水力坡降、内部未劣化区的水力坡降以及劣化试件总的水力坡降；H、H_m分别为试件高度和内部未劣化区高度；Δh为水头的降低高度。

根据水泥土试件内水头的守恒，可知：

i_tΔ+i_bΔ+i_mH_m＝i_c (2)

由式(1)得：

因为i_t＝i_b，因此由式(2)得：

由式(1)、(3)、(4)可解得劣化层水泥土渗透系数k_d：

对切割未劣化区的任一截面(如图1中的横截面A-A)，根据渗流流量平衡可得：

k_mi_mA＝k₀i_m(A-A_d)+k_di_mA_d (6)

式中：k₀为试件未劣化区渗透系数；A、A_d分别为图1中横截面A-A的面积及劣化层的面积。

式(6)可进一步写为：

k_m＝k₀(1-R_a)+k_dR_a (7)

式中：R_a＝A_d/A，为水泥土试件横截面积劣化率。

将(7)式代入(5)式，经简化可以得到关于k_d的二次方程：

式中：R_h＝Δ/H，为试件劣化深度与试件高度的比值。

k_d的表达式为：

A＝(2k_c+k₀)R_aR_h+k_c-2k_cR_h-k₀ (9-b)

因此，只需测定出水泥土试件劣化深度、未劣化区渗透系数及劣化水泥土试件等效渗透系数便可求出水泥土试件劣化层的渗透系数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)可以通过求解试件劣化层渗透系数进而求解出劣化水泥土试件的等效渗透系数，避免了通过渗透试验直接求解水泥土等效渗透系数中尺寸效应带来的问题；

2)通过求解水泥土试件劣化层渗透系数，可以揭示水泥土试件劣化后渗透系数变化的机理。

解决了以下主要问题：

1)确定了腐蚀环境中水泥土的劣化深度；

2)改进了水泥土试件渗透系数室内测定装置；

3)试验确定了未劣化区水泥土试件的渗透系数及劣化水泥土试件的等效渗透系数；

4)确定了劣化层渗透系数k_d的计算方法，求解出劣化层渗透系数k_d。

附图说明

图1水泥土试件劣化示意图，其中，(a)轴剖面(b)横截面A-A

图2根据贯入阻力确定劣化深度

图3水泥土试件渗透系数测试装置图，其中，1—气泵；2—压力表；3—调压阀；4—水槽；5—进水管；6—透水石；7—渗流筒；8—防滑卡；9—出水管；10—滴定管；11—测压管

图4水泥土试件渗透系数测试装置和渗透试模示意图，其中，A：正视图、B：俯视图

图5渗透系数随龄期的变化关系

图6渗透系数与龄期的变化关系

图7渗透系数与龄期的关系

具体实施方式

以下通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规的方法和条件进行选择。

实施例1：

本次试验，采用海水养护和标准养护的对照试验，水泥掺入量为7％制作尺寸D＝75mm，H＝40mm水泥土试件，利用渗透装置按照上述测试方法测定不同养护条件下试件在龄期为28d、60d、90d、120d的渗透系数k₀、k_c分别为0.85、0.8、0.75和0.8、1.1、2.5(单位10^{- 10}cm/s)；利用贯入试验获取贯入阻力与贯入深度曲线，拟合强度开始发挥部分曲线，获取同纵轴的的交点即劣化深度，分别为1.5mm、2.5mm、4mm：利用求得的劣化层渗透系数k_d的表达式并计算不同龄期下试件劣化层渗透系数k_d为0.70、2.12、9.78(单位10^-10cm/s)，绘制渗透系数与龄期关系图表如下图4。相较于标准养护，海水养护条件下水泥土试件劣化层的渗透系数在龄期50d之前有减小趋势，随后急剧增大。

本发明还提供了一种水泥土试件渗透系数测试装置，包括渗流筒7、水槽4、气泵1、滴定管10，渗流筒7顶部通过出水管9与滴定管10连通，渗流筒7内壁的上部设置有多个防滑卡8，渗流筒7内设置有与渗流筒7等径的透水石6，渗流筒7底部通过进水管5与水 槽4连通，水槽4的上部通过测压管11与气泵1相连，测压管11上设置有压力表2和调节阀3。

优选的是，所述渗流筒7内壁的上部等间距地设置有三个防滑卡8。

优选的是，所述的水槽4的底部的高度低于所述的渗流筒7的底端的高度。

实施例2：

试验采用海水养护和标准养护的对照试验，水泥掺入量为10％制作尺寸D＝75mm，H＝40mm水泥土试件，测试试件在龄期为28d、60d、90d、120d的渗透系数k₀、k_c分别为：0.37、0.3、0.23和0.25、0.5、1.5(单位10^-10cm/s)；贯入试验确定劣化深度分别为3.27mm、2.04mm、1.22mm，计算不同龄期下试件劣化层渗透系数k_d为0.087、2.26、12.80(单位10^-10cm/s)，绘制渗透系数与龄期关系图表如下图5。相较于标准养护，海水养护条件下水泥土试件劣化层的渗透系数在50d小于标准养护条件下试件的渗透系数，随后急剧增加，达到较大的渗透系数，与7％水泥掺量试件的渗透系数与龄期关系具有相似的变化趋势。

实施例3：

试验采用海水养护和标准养护的对照试验，水泥掺入量为15％制作尺寸D＝75mm，H＝40mm水泥土试件，测试试件在龄期为28d、60d、90d、120d的渗透系数k₀、k_c分别为：0.25、0.2、0.15和0.25、0.5、1.5(单位10^-10cm/s)；贯入试验确定劣化深度分别为2.23mm、1.4mm、0.84mm；按公式计算不同龄期下试件劣化层渗透系数k_d，分别为0.26、1.98、17.92(单位10^-10cm/s)。绘制渗透系数与龄期关系图表如下图6。相较于标准养护，海水养护条件下水泥土劣化层的渗透系数从龄期50d开始呈现出迅速增大的趋势，并远远大于标准养护条件下试件的渗透系数，渗透系数与龄期关系上述两例相比，具有相似的变化趋势。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，包括如下步骤，

(1)制作多个水泥掺量为7％-15％的圆柱形水泥土试件，分别置于标准养护条件下和海水养护条件下进行养护，养护时间为28-120天；

(2)分别对标准养护和海水养护下的水泥土试件进行渗透试验，得标准养护条件下的水泥土试件未劣化区水泥土的渗透系数及海水养护条件下劣化水泥土的等效渗透系数；

(3)利用贯入试验确定水泥土试件的劣化深度Δ；

(4)将上述的水泥土试件未劣化区水泥土的渗透系数、劣化水泥土的等效渗透系数和劣化深度结合达西定律进行计算，求得水泥土试件劣化层渗透系数。

2.如权利要求1所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的未劣化区水泥土的渗透系数的具体测定步骤为：将标准养护下的水泥土试件装入渗透系数测定装置，用黄油加水泥密封，上下各安设透水石，调节压力表逐级施压，至试件表面有水渗出时停止加压，保持压力稳定，待滴定管内液面稳定后，开始读数，获取此时施加的渗流压力p、时间间隔t及t时间间隔内水的渗流量V，根据达西定律计算，得未劣化区水泥土的渗透系数；

其中，所述的渗透系数测定装置包括渗流筒、水槽、气泵、滴定管，渗流筒顶部通过出水管与滴定管连通，渗流筒内壁的上部设置有多个防滑卡，渗流筒内设置有与渗流筒等径的透水石，渗流筒底部通过进水管与水槽连通，水槽的上部通过测压管与气泵相连，测压管上设置有压力表和调节阀。

3.如权利要求1所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的劣化水泥土的等效渗透系数的具体测定步骤为：将海水养护下的水泥土试件装入渗透系数测定装置，用黄油加水泥密封，上下各安设透水石，调节压力表逐级施压，至试件表面有水渗出时停止加压，保持压力稳定，待滴定管内液面稳定后，开始读数，获取此时施加的渗流压力p、时间间隔t及t时间间隔内水的渗流量V，根据达西定律计算，得劣化水泥土的等效渗透系数；

其中，所述的渗透系数测定装置包括渗流筒、水槽、气泵、滴定管，渗流筒顶部通过出水管与滴定管连通，渗流筒内壁的上部设置有多个防滑卡，渗流筒内设置有与渗流筒等径的透水石，渗流筒底部通过进水管与水槽连通，水槽的上部通过测压管与气泵相连，测压管上设置有压力表和调节阀。

4.如权利要求1所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，步骤(3)中，对劣化水泥土试件和未劣化试件进行贯入试验，获取贯入阻力同贯入深度之间的关系曲线，对劣化水泥土试件曲线强度开始发挥的后半部分，即贯入阻力随深度的增加显著增大的部分曲线进行直线的拟合，与纵轴的交点作为劣化深度Δ。

5.如权利要求1所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的未劣化区水泥土的渗透系数根据公式计算，式中：k为渗透系数；h为渗径即试件高度；t为时间间隔；A为试件横截面积(cm²)；V为时间间隔t渗出的流量(mL)；p为施加的渗透压力(MPa)；γ_w为水的重度。

6.如权利要求1所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的劣化水泥土的等效渗透系数根据公式计算，式中：k为渗透系数；h为渗径即试件高度；t为时间间隔；A为试件横截面积(cm²)；V为时间间隔t渗出的流量(mL)；p为施加的渗透压力(MPa)；γ_w为水的重度。

7.如权利要求2或3所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，所述渗流筒内壁的上部等间距地设置有三个防滑卡。

8.如权利要求2或3所述的水泥土劣化层渗透系数的室内测定方法，其特征在于，所述的水槽的底部的高度低于所述的渗流筒的底端的高度。