摘 要：为研究水泥土的劣化过程，揭示水泥土渗透性随劣化程度的演化规律，通过模拟水泥土在腐蚀场地的形成过程分别制备完全劣化、劣化过渡和未劣化水泥土试样，并实施了一系列的室内渗透试验。
试验结果表明：渗透系数从大到小依次为完全劣化水泥土、劣化过渡水泥土及未劣化水泥土。
完全劣化后的水泥土渗透系数比未劣化水泥土大三个数量级。
基于渗透系数沿劣化方向变化规律，推导出劣化水泥土等效渗透系数计算式，并与渗透试验结果进行对比。
计算结果表明，等效渗透系数随完全劣化层厚度的增大呈逐渐增大的趋势，随劣化过渡层厚度的增大线性增大，随未劣化层厚度的增大呈逐渐减小的趋势；等效渗透系数随完全劣化层和劣化过渡层渗透系数的增大呈逐渐增大的趋势，最终趋于平稳。
研究结果可为腐蚀场地水泥土竖向隔离屏障的设计提供理论依据。
关键词：水泥土; 劣化; 劣化过渡层; 渗透试验; 等效渗透系数; 渗流; 影响因素;作者简介： 白书麒(1993—),男,硕士研究生,主要从事环境岩土工程研究。
E-mail:779283380@qq.com; *杨俊杰(1962—),男,教授,博士,主要从事软土地基处理、环境岩土工程领域的研究。
E-mail:jjyang@ouc.edu.cn;基金： 国家自然科学基金项目(51779235);国家自然科学基金青年基金项目(41602322);引用：白书麒，杨俊杰，李恩，等． 劣化水泥土渗透特性研究［J］. 水利水电技术(中英文) ，2021，52(2) : 184-193.BAI Shuqi，YANG Junjie，LI En，et al． Study on permeability of deteriorated cement-soil［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2021，52(2) : 184-193.0 引 言水泥土是水泥浆或水泥与土混合后形成的加固体，一般可采用深层搅拌法、高压喷射注浆法、旋喷搅拌法等方法施工。
水泥土广泛应用于竖向隔离屏障、竖向承载的复合地基、抵抗土压力的支挡结构、路基或堤基工程中的大体积稳定土、防渗止水帷幕。
然而在滨海相软土、盐渍土，以及海水入侵，酸雨，工业污染，垃圾渗滤液和灌溉污水等作用下形成的具有腐蚀性场地进行工程建设时，由于腐蚀介质的持续作用水泥土会发生劣化现象，劣化将造成水泥土渗透性增大，强度降低。
研究劣化水泥土的渗透性有助于揭示腐蚀场地中水泥土的劣化过程，并为水泥土竖向隔离屏障的设计、水泥加固路基或堤基等工程提供理论依据。
关于劣化水泥土渗透特性的研究，杨俊杰等将水泥土置于海水环境中养护后实施渗透试验。
试验结果表明，水泥土渗透性与养护龄期成反比例关系，水泥土渗透性在开始阶段快速减小，在养护至一定龄期后趋于稳定。
陈四利等通过将粉质黏土、水泥和污水充分搅拌，在试模中静置24 h脱模后置于污水中养护至龄期。
试验结果表明，当养护龄期小于60d时，水泥土的渗透系数随养护龄期逐渐减小，龄期超过60d后，由于污水的侵蚀作用，导致水泥土的渗透系数随养护龄期逐渐增大。
张精禹将脱模后的水泥土试样置于酸性环境中养护，根据渗透试验结果，在PH=2的盐酸环境中7%掺入比的水泥土在30d前渗透系数随养护龄期增大而降低，但在30d后呈现相反规律。
袁伟利用室内渗透试验模拟研究了滨海相软土止水帷幕的渗透特性。
将海水与青岛胶州湾海相软土混合制备水泥土试样后直接放于海水环境中养护，至规定龄期进行渗透试验。
试验结果表明，随海水养护时间增加，水泥土渗透性逐渐增大。
上述研究虽然阐述了水泥土渗透性与劣化的关系，但均是针对水泥土劣化后的等效渗透系数展开研究，没有对水泥土的劣化程度给出明确的定义，因此无法得到劣化程度与水泥土渗透性的定量关系。
崔新壮等基于劣化深度的定义,利用未劣化水泥土的渗透系数、劣化水泥土的等效渗透系数和劣化深度，推导出劣化层渗透系数的计算式。
杨俊杰等的进一步研究成果表明，劣化后的水泥土由外到内可分为强度几乎为0的完全劣化层、强度逐渐增加的劣化过渡层及强度与同龄期标准养护水泥土相同的未劣化层，三个区域水泥土的渗透性不同，因此崔新壮所得公式不能准确计算劣化层的渗透系数。
焦德才等将水泥土试样分别置于5倍标准浓度海水、4.5 g/L浓硫酸溶液和4.5 g/L浓盐酸溶液中浸泡，制备完全劣化水泥土试样，与未劣化水泥土共同实施渗透试验。
试验结果表明，不同类型腐蚀性溶液均可以加速水泥土的劣化，但对完全劣化水泥土的渗透系数影响不大；完全劣化水泥土的渗透系数远大于未劣化水泥土。
基于试验所得的完全劣化层和未劣化层的渗透系数，并将过渡层渗透系数假定为线性变化，通过劣化水泥土等效渗透系数计算模型，推导了含有完全劣化层、劣化过渡层和未劣化层的劣化水泥土等效渗透系数计算式。
由于没有实施劣化过渡层的渗透试验，故无法得到过渡层的平均渗透系数，进而无法判断过渡层渗透系数的实际变化规律。
后期验证过程中，计算结果和试验结果出现了一定的离散性。
劣化水泥土的强度试验表明，过渡层水泥土的强度并非线性变化，而是以二次函数的形式变化。
由水泥土的强度和渗透性之间存在一定的相关性，可以推测劣化过渡层水泥土渗透系数沿深度不一定呈线性变化。
因此要在试验基础上对劣化过渡层的渗透系数变化规律进行合理的假定。
本文以处于腐蚀场地中的水泥土竖向隔离屏障为研究对象，实施完全劣化、过渡层以及未劣化水泥土的渗透试验，推导出含有完全劣化层、劣化过渡层和未劣化层的非均质水泥土等效渗透系数计算式，与渗透试验结果进行对比，并分析了影响等效渗透系数的因素。
1 试验概况1.1 材料与仪器渗透试验采用变水头法，试验仪器为南55型渗透仪。
试验用土选用商品高岭土，依据《土工试验方法标准》,测定的土样物理性质指标如表1所列。
试验用水泥为42.5号普通硅酸盐水泥。
采用海水制备水泥土试样，海水由海水素与自来水按照标准海水浓度配置而成。
测定标准海水浓度的主要离子成分如表2所列。
渗透试验的渗透介质采用相同的海水。
1.2 试样制备1.2.1 完全劣化水泥土试样水泥土的完全劣化是指贯入阻力几乎始终为0。
采用浓硫酸(0.045 mol/L)溶液对水泥土试样进行浸泡。
硫酸溶液可以加速水泥土的劣化，一方面因为氢离子对水泥水化产物的腐蚀作用；另一方面，硫酸根离子与水泥水化产物发生反应造成水泥土的膨胀破坏。
其中，氢离子浓度为0.09 mol/L,硫酸根离子浓度为0.045 mol/L。
为保证腐蚀离子浓度，每隔7 d更换一次浸泡溶液。
将制备水泥土试样的环刀高度减小到2 cm, 进一步缩短浸泡时间。
试样制备方案如表3所列。
将土样烘干碾碎，加海水调至1.2倍液限，然后填入环刀模具(直径6.18 cm、高2 cm),环刀内壁预先均匀涂抹适量玻璃胶。
环刀下方放置透水石，上方暴露于溶液中，实现两面双向浸泡。
每组试验设置5个平行样，根据前期研究结果，以150 d为起始点，实施微型贯入试验，根据试验结果确定的劣化程度，明确龄期梯度。
若试样即将实现完全劣化，则以5 d或10 d为龄期梯度；若试样劣化程度较低，则以20 d或40 d为龄期梯度，然后根据下一次微型贯入试验结果适当缩短龄期梯度，直至试样完全劣化。
完全劣化水泥土的制备过程如图1所示。
图2为完全劣化水泥土试样的贯入阻力曲线。
如图所示，在不同的浸泡龄期下，沿着整个土样厚度水泥土试样的贯入阻力几乎为0,表明试样发生完全劣化。
图1 完全劣化水泥土试样制备过程图2 完全劣化水泥土试样的贯入阻力曲线1.2.2 劣化过渡层水泥土试样为制备过渡层试样，将试验分为前后两个阶段。
1.2.2.1 完全劣化层高度和浸泡龄期的确定选用与完全劣化试验同一批次的商用高岭土，试样制备方案如表4所列。
将土样与水泥、海水混合后填入高4 cm环刀模具(直径6.18 cm),每组试验设置15个平行样。
将制备好的试样放入0.045 mol/L浓硫酸中浸泡，根据前期试验结果，以50 d为起始点进行微型贯入试验，记录此时的劣化过渡层高度，以10 d为龄期梯度，详细记录各龄期的过渡层高度，在劣化过渡层高度即将达到2 cm时，将龄期梯度缩短至5 d,直至过渡层高度符合试验要求，记录此时对应的完全劣化层高度及浸泡龄期。
以5%水泥掺入比的高岭土水泥土为例，试样制备过程如图3所示。
图3 完全劣化层高度和浸泡龄期的确定贯入阻力曲线如图4所示。
从水泥土强度开始发挥的部分拟合一条直线，直线与纵轴的交点即为水泥土的劣化深度。
当贯入阻力始终为0时，表明水泥土试样发生了完全劣化。
将水泥土的贯入阻力曲线进行局部(圈内部分)放大，当贯入阻力小于1 N时，接近于0,认为水泥土试样完全劣化，在局部放大图中可以读出完全劣化层高度。
过渡层的高度为劣化深度与完全劣化层高度的差值。
试验得到的过渡层高度及浸泡龄期如表5所列。
图4 劣化过渡层高度的确定方法1.2.2.2 劣化过渡层水泥土试样的制备基于第一阶段试验得到的完全劣化层高度和浸泡龄期，将两个高2 cm环刀(直径6.18 cm)叠放固定，在上部环刀内侧标定刻度线，劣化过渡层水泥土试样制备方案如表6所列。
取混合后的土样填满下部环刀，在上部环刀内填样至刻度线处。
将水泥土试样放入0.045 mol/L浓硫酸中浸泡至龄期。
图5表示劣化过渡层水泥土试样制备过程。
图5 劣化过渡层水泥土试样制备过程如图6所示，取出浸泡后的试样，上环刀部分为完全劣化层，下环刀部分为劣化过渡层，分离上下环刀，取下环刀用于渗透试验。
试验时在环刀上下各放置一块1 cm高的透水石。
图6 过渡层试样的取样过程1.2.3 未劣化水泥土试样未劣化水泥土试样的配合比和填充方法与完全劣化水泥土试样相同，将制备好的试样放入养护箱中进行标准养护，养护龄期同表5。
2 劣化对水泥土渗透性的影响表7为渗透试验得到的渗透系数，图7为劣化水泥土的渗透系数沿劣化方向的变化规律。
由图7和表6可知，完全劣化层和未劣化层的水泥土贯入阻力不随贯入深度变化，因此可看成均质体，其渗透系数也为常数；完全劣化层、劣化过渡层及未劣化层的渗透系数与水泥掺入比有关，均随水泥掺入比的增大呈减小趋势。
劣化导致渗透性增大，相同条件下渗透系数从大到小依次为完全劣化水泥土、劣化过渡层水泥土及未劣化水泥土，完全劣化后的水泥土渗透系数比未劣化水泥土大三个数量级。
图7 过渡层试样的取样过程3 劣化水泥土等效渗透系数计算3.1 劣化水泥土等效渗透系数计算模型图8为劣化水泥土渗透系数的计算模型。
在海水的持续作用下，水泥土发生了由外向内的劣化，将水泥土沿劣化方向划分为完全劣化层、劣化过渡层和未劣化层，设水泥土厚度为H,完全劣化层、劣化过渡层和未劣化层厚度分别为Ha、Hb和Hc,相应的渗透系数分别为ka、kb、kc。
焦德才假定劣化过渡层的渗透系数kb由ka至kc为线性变化。
根据本文试验结果，劣化过渡层的渗透系数沿劣化方向并非线性减小，而是以二次函数形式变化。
等效渗透系数计算模型如图8所示。
图8 劣化水泥土渗透系数计算模型3.2 劣化水泥土等效渗透系数计算式设水泥土的等效渗透系数为kH,劣化过渡层渗透系数kb由ka到kc的二次函数关于k轴对称。
劣化水泥土的过渡层渗透系数kb的表达式如下设海水流经劣化水泥土试样的总水头损失为h,流经各层后的水头损失为ha、hb、hc,总水头损失等于各层的水头损失之和，如下式中，将劣化过渡层分成每层厚度为Hb/n、渗透系数为ki的n层(n→∞),则设流经劣化水泥土试样的流速为v,流经各层的流速分别为va、vb、vc,则可得根据达西定律得到流速，并代入式(4)得到由式(5)分别求出Δh、ha、hb、hc,代入式(2)并利用式(4)整理得到利用式(1)依次求得第1、2、……、n层的渗透系数kbi,并简化得到劣化过渡层厚度与相应渗透系数的比值如下根据式(9),已知完全劣化层厚度及渗透系数、劣化过渡层厚度、未劣化层厚度及渗透系数，即可计算劣化水泥土的等效渗透系数。
3.3 计算结果与试验结果对比为验证劣化水泥土等效渗透系数计算式[即式(9)],实施了劣化水泥土的室内渗透试验。
试样的制备方法与1.2节相同，浸泡龄期为28 d、60 d和90 d, 利用微型贯入试验得到完全劣化层厚度Ha、劣化过渡层厚度Hb、未劣化层厚度Hc,渗透试验测得等效渗透系数kH。
劣化水泥土完全劣化层的渗透系数ka只与水泥掺入比有关，取值与表6相同。
未劣化层的渗透系数与同龄期标准养护的水泥土试样相同。
将前期制备的试样置于养护箱中分别养护28 d、60 d和90 d, 通过渗透试验测得未劣化层的渗透系数kc。
计算结果与试验结果的对比如图9所示。
劣化水泥土的等效渗透系数计算结果与试验结果基本一致，所以可以使用式(9)对劣化水泥土的等效渗透系数进行估算。
图9 等效渗透系数计算结果与试验结果对比4 等效渗透系数影响因素讨论基于式(9)对影响等效渗透系数因素进行讨论，为此将式(9)整理得到4.1 完全劣化层、劣化过渡层和未劣化层的厚度对等效渗透系数的影响分别将HaH、HbH、HcH作为自变量，定义域在0到1之间，将kakc、kbkc作为自变量，定义域在1到无穷大之间，计算得到等效渗透系数与完全劣化层厚度、劣化过渡层厚度和未劣化层，以及完全劣化层和劣化过渡层渗透系数之间的关系(见图10)。
如图10(a)所示，未劣化水泥土(HaH=0)的渗透系数最小；随完全劣化层厚度的增大，等效渗透系数呈逐渐增大的趋势，水泥土完全劣化(HaH=1)的渗透系数最大。
如图10(b)所示，过渡层厚度为0时，水泥土的渗透系数最小；随劣化过渡层厚度的增大，等效渗透系数线性增大；过渡层厚度达到水泥土厚度时，水泥土的渗透系数最大。
如图10(c)所示，完全劣化水泥土(HcH=0)的渗透系数最大；随未劣化层厚度的增大，等效渗透系数呈逐渐减小的趋势，未劣化水泥土(HcH=1)的渗透系数最小。
如图10(d)、10(e)所示，等效渗透系数随完全劣化层和劣化过渡层渗透系数的增大，呈逐渐增大的趋势，最终趋于平稳。
图10 影响劣化水泥土等效渗透系数的因素5 结 论本文得到的主要结论如下：(1)劣化导致渗透性增大，完全劣化后的水泥土渗透系数比未劣化水泥土大三个数量级。
(2)沿着劣化方向，劣化过渡层的渗透系数并非线性减小。
完全劣化层、劣化过渡层及未劣化层的渗透系数与水泥掺入比有关，均随水泥掺入比的增大呈减小趋势。
(3)推导出了劣化水泥土等效渗透系数计算式，计算结果与试验结果基本一致。
(4)利用等效渗透系数计算式对等效渗透系数影响因素进行了讨论，结果表明，等效渗透系数随完全劣化层厚度的增大呈逐渐增大的趋势，随劣化过渡层厚度的增大线性增大，随未劣化层厚度的增大呈逐渐减小的趋势；等效渗透系数随完全劣化层和劣化过渡层渗透系数的增大呈逐渐增大的趋势，最终趋于平稳。