新疆某工程土料分散性探讨

席福来，潘晓刚

（新疆水利水电勘测设计研究院试验研究所，新疆昌吉 831100）

新疆某工程土料分散性探讨

席福来，潘晓刚

（新疆水利水电勘测设计研究院试验研究所，新疆昌吉 831100）

新疆地区干旱，各工程筑坝土料基本都是由风化层经水流搬运至洼地及风化沉积土料，经蒸发形成受高钠影响具有一定分散性。土料的分散性是决定土料能否用于工程的重要因素，也是土坝稳定性评价的一项重要指标。对新疆某工程土料采用蒸馏水和河水2种方案进行分散性试验，认为河水中钙离子含量较高，进入土体后能抑制土样的分散性，河水对黏土分散性具有明显的影响。

分散性；孔隙水；黏土矿物

新疆某工程由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。大坝为黏土心墙堆石坝，对3个防渗土料场（T1，T2，T3土料场），取代表性土样，进行分散性试验。

分散性黏土有分散性、非分性2类［1］，分散性黏土是一种在低含盐量中（或纯净水中）离子相互的排斥力超过相互吸引力导致土体的颗粒分散的黏性土［2］。

本文采用常用分散性室内试验——土块试验、针孔试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验，通过蒸馏水和河水2种方案，同时参考X-衍射矿物分析对土料进行分散性试验，研究土料分散性性能。

1 土样的基本物理力学性质

T1，T2，T3土料场基本物理力学性质［3］列于表1中。由表1可以看出：T1料场土样砂粒占粒径组总含量9.3%，粉粒占粒径组总含量74.4%，黏粒占粒径组总含量16.3%，胶粒占粒径组总含量8.0%，定名为低液限黏土（CL），最优含水率为15.6%，最大干密度为1.74 g／cm3。T2料场砂粒占粒径组总含量7.4%，粉粒占粒径组总含量79.3%，黏粒占粒径组总含量13.3%，胶粒占粒径组总含量7.1%，定名为低液限粉土（ML），最优含水率为16.4%，最大干密度为1.69 g／cm3。T3料场砂粒占粒径组总含量9.3%，粉粒占粒径组总含量76.5%，黏粒占粒径组总含量14.2%，胶粒占粒径组总含量8.8%，定名为低液限粉土（ML），最优含水率为15.4%，最大干密度为1.73 g／cm3。3个料场土样自由膨胀率为2.0%～4.3%，依据膨胀土的膨胀潜势分类标准，土样无膨胀特性。

2 土料黏土矿物分析

土料分散主要有两个方面的因素：一是土料自身具有分散性；二是环境水影响。分散性黏土是土中含有钠蒙脱石的土，由于蒙脱石黏土矿物晶格系由SiO2、Al2O3晶片组成2∶1三层定向排列结构，晶格间以氧基相连接，因而亲水性极强，层间结合力极弱，晶格间又有很大的活动性，水分子可以自由进入层间。土粒遇水后，尤其是半径小、水化力强的Na+离子进入层间，使土粒表面双电层厚度急剧增大，粒间排斥力超过吸引力而使土粒彼此脱离呈高度分散悬浮状态。为此，提取小于2μm黏土矿物进X-射线衍射分析，试验结果见表2。

表1 新疆某工程T1，T2，T3土料场颗粒级配试验成果表Table 1 The results of the soil’s particle size distribution at thematerial fields called T1，T2，T3

表2 黏土矿物相对百分比含量Table 2 Relative percentages of clayminerals

3个料场土样黏土矿物主要为伊利石、绿泥石。伊利石是比较不稳定的风化中间产物，伊利石层间如全部脱钾，就具有了蒙脱石的性质。

3 土的分散性试验

由于环境水是影响土料分散的关键因素之一。本次分散性试验采用蒸馏水和河水分别进行分散性针孔试验、土块试验、孔隙水可溶盐对比试验，试验成果根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》SL251-2000中的判别标准进行综合判定。

3.1 河水水质简分析

由表3可知：水样类型为重碳酸盐硫酸盐钙镁水，水样偏碱性。

表3 新疆某工程河水水质简分析成果表Table 3 The results ofwater quality analysis of the river water for some engineering of Xinjian

3.2 针孔试验

针孔试验是在特制的针孔试验装置中分别采用喀什河河水、蒸镏水配置的最优含水率情况下击实的土样，穿一直径为1.0 mm的轴向针孔，然后对应的分别用环境水、蒸镏水进行渗透试验，在各级水头下观察针孔受水流冲蚀的情况来鉴定分散性黏土，针孔试验分散性分类标准如表4。

表4 针孔试验分散性分类标准Table 4 Category standard of the soil’s dispersibility by pinhole test

由表5可知：3个料场土样采用河水、蒸馏水分别进行针孔试验，土样均在180 mm或380 mm水头下发生了冲蚀破坏，判别为过渡型土。但通过现场试验观察及最终水头、最终流量、最终孔径的变化情况，可以发现，采用河水试验比采用蒸馏水试验：T1料场2个土样最终水头由180 mm提高到380 mm。T2料场2个土样、T3料场2个土样最终水头虽未发生变化，但其最终流量、最终孔径均有所变小。这说明当针孔试验采用河水冲蚀土体时，河水中的钙离子不断置换土粒双电层内的钠离子，一定程度上抑制了土样的分散，而蒸馏水通过时无此作用。所以河水比蒸馏水配制的试件冲蚀的孔径减小，抗冲蚀能力较蒸馏水冲蚀时提高。

3.3 孔隙水可溶盐试验

孔隙水可溶盐试验的方法是把土样分别与河水及蒸馏水拌和到液限的含水率，用有过滤设备的真空吸水器抽出孔隙水样，测定孔隙水样中的钙、镁、钠、钾4种金属阳离子，总量称为TDS，以每升10-3mol计，并求出其中钠离子含量的百分数。判断的标准见图1，图中横坐标是TDS，纵坐标是钠离子百分数。图中A区是分散性黏土，B区是非分散性黏土，C区是侵蚀缓慢的中间状态土（即过渡型黏土）。见图1。

表5 新疆某工程T1，T2，T3土料场孔隙水可溶盐、针孔、土块试验成果表Table 5 The results of the pore water’s soluble salt test，pinhole test and soil test for some engineering of Xinjian

图1 孔隙水可溶盐关系曲线Fig.1 The relationship curve in the pore water’s soluble salt test

由表5可知：除T2料场TK1钠离子含量百分数由56.5%降低到48.5%，TK2钠离子含量百分数由69.9%降低到54.5%外，其余T1，T3料场土样分别采用河水、蒸馏水进行孔隙水可溶盐试验，钠离子含量百分数没有较大变化。

3.4 土块试验

土块试验是一种简单的分散性试验定性方法，在室内和野外都能进行。试验方法是将1 cm3左右的土块，轻轻放入盛有2／3蒸馏水的烧杯中，观察5～10 min，观察黏土转入胶体悬浮在水中的情况，其分散性评价标准，见表6。

表6 土块试验评价土的分散性标准Table 6 Category standard of dispersibility of the soil

由表5可知：①3个料场土样采用河水进行土块试验，T1-TK1，T3-TK2土样试块水解后在量杯底部以细颗粒状平堆，水色清亮，判别为非分散性土。T1-TK2，T2-TK1，T2-TK2，T3-TK1土样试块水解后四周微有混浊水，但扩散范围很小，判别为过渡型土。②土样采用蒸馏水进行土块试验，T1-TK1土样试块水解后水色清亮，判别为非分散性土。T1-TK2土样试块水解后四周微有混浊水，判别为过渡型土。T2-TK1，T2-TK2，T3-TK1，T3-TK2土块水解后土很快扩散到整个量杯底部，可以分辨出胶体雾状，15 min后雾状不消失，判别为分散性土。

3.5 双比重计试验

双比重计试验是对土样进行2次比重计试验来测定黏粒（＜0.005 mm）含量。第一次是用常规的加分散剂的方法得到一条曲线；第二次不加分散剂，先将土样放在盛有一定量的蒸馏水的过滤瓶中，并与真空泵连接，抽气10 min，然后把土-水悬液冲洗到量筒中，加蒸馏水至1 000mL，倒转量筒来回摇晃约30次／min，让黏土颗粒自行水化分散，得到另一条曲线。求得2次的黏粒含量，用不加分散剂＜0.005 mm颗粒含量除以加分散性＜0.005 mm颗粒含量，求得分散度D，判定黏土分散程度。当D＜30%，为非分散性土；D为30%～50%，为过渡型土；D＞50%，为分散性土。分散度指标是土料凝聚或分散性的直接指标，可以反映土体结构稳定性。

由表5可以看出：T1料场土样分散度为20.0%～22.7%，属非分散性土；T2料场土样分散度为33.3%～41.2%，属过渡型土；T3料场土样分散度为26.7%～31.2%，属过渡型-非分散性土。

4 结果与分析

（1）该工程3个料场6个土样分别掺入河水和蒸馏水，进行分散性针孔试验、土块试验、孔隙水可溶盐试验，由于各个指标影响的因素很多，指标表现出的性状不统一，试验方法所得结果并不一致，因而分散性土评价应综合判定。

（2）由于针孔试验模拟了通过天然土体的集中渗流的冲蚀作用，反映了一定结构、密度和含水率状态的土的特性，是一种直接的冲蚀试验，较为符合产生分散性管涌的实际情况，所以一般认为针孔试验鉴别分散性黏土是较可靠的一种试验方法。本次试验判定以针孔试验结果为主，结合土块试验、孔隙水可溶盐试验、双比重计试验、黏土矿物分析结果进行分散性综合判定，结果表明T1，T2，T3料场土样均为过渡型土。

（3）从3个料场颗粒级配来看，土样粉粒为74.4%～79.3%，黏粒含量为14.2%～16.3%，土料本身抗冲蚀能力较低，属于不耐冲蚀的粉土类。同时土样主要黏土矿物为伊利石、绿泥石，促进土样分散的能力远不如钠蒙脱石强烈［4］。

（4）河水水样类型为重碳酸盐硫酸盐钙镁水，钙离子含量占阳离子总量的58.8%，因而采用河水进行针孔试验比采用蒸馏水试验时，T1料场2个土样最终水头由180 mm提高到380 mm。T2料场、T3

料场2个土样最终水头虽未发生变化，但其最终流量、最终孔径均有所变小。说明河水的使用提高了土料的抗冲蚀能力。

（5）孔隙水可溶盐试验采用河水试验比采用蒸馏水试验时T2料场2个土样钠离子含量百分数有所降低，T1，T3料场土样钠离子含量百分数虽然没有显著变化，但其高价钙离子、镁离子含量均有不同程度的提高。

（6）采用河水进行土块试验比采用蒸馏水试验土样水解后混浊程度减轻，水色较清亮。这些都说明了河水中的钙离子置换了土粒双电层内的钠离子，抑制了土样的分散。

5 结 语

（1）当冲蚀用水由蒸馏水改为河水后，土料的分散性受到了抑制，同时河水中钙离子含量大，进入土体后会抑制土料分散，促使土体向非分散性方向发展。

（2）本工程可通过试验选择合理心墙反滤料级配，加强反滤层的施工质量；选择合理填筑指标及施工工艺的措施，该土料是可以用来筑坝的。

（3）由于土料在蒸馏水中比在盐水中易于分散，而工程实际中经过土体的渗流水含有不同的离子，可促进或抑制土料分散，因而应模拟工程实际情况，通过试验来确定土体在实际状态下的分散性，为设计计算工作提供可靠依据。

［1］ 王观平.分散性黏土与水利工程［J］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［2］ SL251-2000，天然建筑材料勘察规程［S］.

［3］ SL237-1999，土工试验规程［S］.

［4］ 黑龙江省水利勘测设计院.分散性黏土译文集［G］.哈尔滨：黑龙江省水利勘测设计院，1982.

（编辑：周晓雁）

Exploration of Soil’s Dispersibility in Some Engineering of Xinjiang

XIFu-lai，PAN Xiao-gang
（Test Institute of Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation，Changji 831100，China）

Because to Xinjiang belongs to the arid areas，the materials of the hydraulic engineering basically are weathered soil.After evaporation the soil is dispersed due to sodium.Soil’s dispersibility is the important element to determine whether it is suitable for the engineering and to evaluate an index of dam’s stability.By means of the experiment using the distilled water and river water，the test indicates the calcium content of the river water is higher and it can restrain the soil’s dispersion.So the water of the river has the evident affect on the clay’s dispersion.

dispersion；pore water；claymineral

TU411

A

1001-5485（2009）08-0065-03

2009-05-10

席福来（1956-），男，河南叶县人，高级工程师，主要从事岩土力学、岩土工程方面的试验研究工作，（电话）0994-8326024（电子信箱）xfl5075＠sina.com。