范冠宇 张建忙 沈建兵

(1.江苏省地质环境勘查院，江苏 南京 211102； 2.如东县水资源管理所，江苏 南通 226400)

0 引言

土体的内部结构在一定程度上决定了土体的强度。颗粒骨架组成及颗粒间的胶结情况决定了其内部结构。粉土是一种特殊的土，其性质介于黏性土和砂土之间，具有土粒径集中、松散、黏性小等特点。由于其容易出现变形、坍塌、冲蚀、液化等破坏现象，因此工程建设上一般不能直接使用。受土地资源紧缺、经济现状和工期等多种自然和人为因素的影响，粉土经常被用来进行相关工程建设。由于粉土自身性质的缘故，在各种地质营力作用下，造成交通设施沙埋，农田水利设施破坏以及环境污染，带来巨大的国民经济损失及人民日常生活失序。因此必须对粉土进行相关的改良，使其能够满足工程建设的相关要求，从而避免造成工程危害。

南通地区分布有大范围的高沙土，根据相关岩土工程勘察资料可知，该高沙土属于粉土。

针对粉土的改良试验，国内外学者进行了大量的研究。针对泰州地区的粉土，张瑜等用石灰和水泥进行性质改良，其改良试验结果表明水泥的效果比水泥加石灰好，改良后粉土的CBR值随着水泥掺合比的增加而增大。为了获得水泥的最优掺合比，陈燕等进行了相关试验，并给出了具体数值。依托陇海线铁路工程项目，张西海等利用石灰和粉煤灰对郑州至徐州段的粉土进行了改良，其结果表明改良粉土的无侧限抗压强度随着粉煤灰掺合比的增加而提高。通过掺加石灰、水泥来改良粉土，王海俊等在分析加固机理的同时，得到了较为经济的掺合比和。采用砂砾改良粉土，尚新鸿等取得了较好的效果。

根据相关调查，大面积沉陷、下降出现在高沙土地区建成的电力设施周围，场地土体流失严重。电力设施周围的塌陷、下沉将给变电站的安全运行带来严重的隐患。为了避免这种现象发生，本文以粉煤灰和土壤固化剂为原材料开展室内试验，研究其对高沙土地区粉土的固化及渗透效果，并分析其固化机理，以期为高沙土地区砂土的改良与应用提供新的思路。

1 试验材料

为了对变电站工程建设提供技术依据，本次试验所选用的材料均取自位于如皋市下原镇野树社区9组的野树变电站附近。

对变电站附近5个孔进行取样分析，取其平均值，其中,砂土的风干含水率(质量比)为2%，颗粒粒径为0.000 1 mm～0.002 mm的含量为1.38%，颗粒粒径为0.002 mm～0.005 mm的含量为2.18%，颗粒粒径 0.005 mm～0.01 mm 的含量为4.12%，颗粒粒径为0.01 mm～0.05 mm的含量为53.6%，颗粒粒径为0.05 mm～0.075 mm的含量为17.24%，颗粒粒径为0.075 mm～0.25 mm的含量为21.44%，颗粒粒径为0.25 mm～0.5 mm的含量为0.04%。粒径分布见图1。

试验材料：本次改良试验研究采用两种添加剂进行配合使用，分别是固化剂和粉煤灰。其中固化剂主要成分是一种改性亲水性树脂，与水反应生成弹性凝胶体，有高度安全性，具有耐久性强、可自然降解、生态环保等特征。固化剂密度为1.18 g/cm3，20 ℃黏度为650 mPa·s～700 mPa·s，固化剂含量(质量分数，下同)为80%，凝固时间为30 s～180 s，水量超过40倍。

本次试验采用的是320目的粉煤灰，即粒径为43 μm，为灰黑色粉状，密度为2.4 g/cm3。

试样制备：对上述过筛后烘干样进行准确称量，每组3 000 g，共称取36组，其余土样留作备用。烘干土样含水率为0%，干密度为1.19 g/cm3。

试验中选取的固化剂含量(质量分数，下同)分别为0%，5%，10%，15%，20%，40%。选取的粉煤灰含量(体积分数，下同)分别为0%，2%，4%，6%，8%，10%。

实验过程中，先称取粉煤灰倒入岩土试样中搅拌均匀，然后再将按照一定含水率配制的不同浓度固化剂溶液倒入图样中充分搅拌，然后进行静置保存。

2 试验方案

为了了解改良砂土的渗透性能，开展了成膜试验和变水头渗透试验。

2.1 成膜试验

取风干土样150 g，将土样放置于口径为10 cm，深度为8 cm玻璃容器中。将不同含量的固化剂喷洒到砂土样中，形成不同厚度的固化层，测量不同含量固化剂在相同养护时间下生成的固化层厚度，并测量同一高度下锥体的入土深度。

测试内容包括：1)准备6个试样，喷洒25.5 mL含量为0%，5%，10%，15%，20%，40%的固化剂，观察24.0 h后固化层厚度；2)将每个试样置于同一高度的锥体下，观察锥体自由落体下入土深度。

通过对比试验过程中拍摄的照片，可以看到在刚加入相同质量溶液的初始时刻，溶液的下渗深度是不相同的，具有明显的规律性，随着固化剂浓度的增大逐渐减小。在静置24 h后对不同浓度岩土样进行观测，具体如图2所示。可以看到各个土样具有明显的差异，其中土样从固化剂浓度为10%时起开始形成固化层，随着浓度的增大，固化层厚度逐渐增大。

通过现场测试，将同一锥体从固定高度自由落下，看锥体进入土层深度，发现落入深度跟固化剂浓度存在相反规律，落入深度随固化剂浓度增大而减小，这反映了固化层的硬度变化规律，即固化层的硬度存在随浓度增大而增大的规律；当浓度达到20%时，继续增加固化剂浓度，固化层硬度基本保持不变。

另外，从图中明显可以看到各个样品的颜色存在明显差别，以固化剂浓度为15%，20%,40%的土样为例，可以看到玻璃杯下部颜色差异较大，具有从深到浅的规律，主要是含水率的不同导致的。主要是添加了不同浓度固化剂的溶液形成了不同厚度的固化层，减小了土体颗粒之间的孔隙，形成了类似于防渗层的固化层，影响了水的下渗。

2.2 变水头渗透试验

实验过程中，先称取粉煤灰倒入岩土试样中搅拌均匀，然后再将按照一定含水率配制的不同浓度固化剂溶液倒入图样中充分搅拌，然后进行静置保存。

考虑到本次野外所取土样主要为细粒土，因此采用工程常用的标准土工试验仪器进行变水头渗透试验并测定渗透系数。试验操作均按照GB/T 50123—2019土工试验方法标准中相关要求严格进行。

将土样装入渗透仪环刀内，用相同质量的配重物进行压实，制好样之后静置保养相同时间，然后放入渗透仪内部进行试样饱和，并开始变水头渗透试验。按照标准土工试验，待出水量稳定后，测定砂土的渗透系数。

按照规范中的要求，将变水头管中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复试验5次～6次。当不同开始水头下测定的渗透系数在允许差值范围内时，结束试验。

本次试验中，同一组试验里面设置3组平行样，每个岩土试样均进行6次试验，对试验结果取平均值，最终测得不同土样的渗透系数统计如表1所示。

表1 不同土样渗透系数统计表

通过对比可以发现，添加固化剂对于改良土壤渗透系数具有明显作用，可为高沙土地区砂土改良提供理论依据。

3 结果分析

对上述渗透系数进行统计分析，并绘制相应图件，从图3可以看到，不管是对于粉煤灰含量是多少的土样，都存在：随着固化剂浓度的增大，渗透系数逐渐减小，当固化剂浓度达到20%时，再继续增大固化剂浓度，渗透系数改变不明显。从图4可以看出，当固化剂浓度较小时，土样渗透系数随粉煤灰含量的增加而减小；当固化剂浓度达到15%时，粉煤灰的作用逐渐减弱，当固化剂浓度较大时，粉煤灰作用不明显。

固化剂的作用主要是利用其中的高价离子改变土壤颗粒表面电性，提高土壤颗粒间的吸附力，增大密实度，从而降低土壤颗粒的水膜厚度，降低渗水性。

土壤在粉碎、拌合和压实等物理外力的作用下，颗粒彼此靠近，从而减少颗粒骨架间的空隙，使固化体系进一步密实，减少水体下渗速度，从而具有较强的防水能力。

粉煤灰作用机理主要是灰—土反应，包括短期反应和长期反应。这些反应的结果使土体颗粒的结合水膜厚度减薄，黏土胶粒絮凝，生成晶体氢氧化钙和含水硅铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由胶凝状态向晶体化状态转化，土的刚度不断增大，强度和水稳定性不断提高。

4 结论

本文针对高沙土地区粉土结构疏松，粘聚力小等特点，从改性机理出发，采用土壤固化剂和粉煤灰对高沙土地区砂土进行改良，通过室内成膜试验及变水头渗透试验对改良砂土的强度特性、水稳定性能力进行研究，取得如下结果：

1)土壤固化剂可以很好地改善改良粉土的强度特性、渗透能力。随着固化剂浓度的增加，改良粉土的强度特性、抗渗透能力逐渐增强。特别是对于粉土渗透性能的改善，为高沙土地区基础设施建设中粉土改良提供技术指导。

2)高沙土的抗渗透性能在土壤固化剂含量达到20%时就可以得到大幅度提高。高沙土表面固化层随土壤固化剂喷洒浓度的增大而增加，该固化层抗渗性能较好，可起到抗冲刷作用，同时阻止水体的下渗。

3)粉煤灰含量达到8%就可以大幅度提高高沙土的抗渗透性能，继续增大粉煤灰作用不明显。

对于高沙土地区砂土而言，进行场地土体回填时，在土体中加入土壤固化剂和粉煤灰有助于改善土壤的渗透特性，能够形成防渗层，减缓水体的下渗，可以有效避免在水力作用下形成渗透通道，引起地面塌陷和沉降。