土料分散特性试验研究

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(1.杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌712100； 2.西北农林科技大学， 陕西 杨凌 712100)

0 前 言

从渗透破坏的角度出发，将黏性土分为三类，即分散性土、过渡性土和和非分散性土[1]。分散性土是一种在低含盐量水中(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]。因此，在土-水混合体系中土粒间的排斥作用可使土颗粒之间的距离增大，在水流的作用下分散的土粒随水流动，为土体的渗透变形和破坏提供了条件，导致事故的发生。分散性土的发现可追溯到20世纪50年代，主要是在农业领域； 20世纪60年代澳大利亚发现分散性土对水利工程具有破坏作用，并对其进行了研究。随后，分散性土逐渐引起工程界的注意，许多国家对其进行研究，如美国、加拿大、西班牙和印度等。我国分散性土主要分布在东北和西北等地区，20世纪70年代首先在黑龙江引嫩工程中发现，随后在新疆、青海、陕西、山西等省的工程实践中都曾遇到。因此，在水利工程设计和施工中应对其予以重视。本文应用双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶盐阳离子和全土的交换性钠百分比等5种试验方法，对宁夏某水电站大坝防渗土料的分散性进行了判别，以分析研究土样的分散性能，为工程设计、施工和管理提供科学依据。

1 土样的基本物化性质

1.1 土样的物理性质

土样物理性质试验结果见表1。表1表明， 4组土样的液限在23.6%～25.0%之间，塑限在15.0%～16.0%之间，塑性指数在8.0～9.6之间。颗粒组成以粉粒(0.075～0.005 mm)为主，其含量在67.8%～72.2%之间，粘粒(<0.005 mm)含量在13.2%～16.8%之间。击实试验表明，4组土样的最优含水率在12.5%～13.4%之间，最大干密度在1.82 g/cm3～1.85 g/cm3之间。按照《土工试验规程》(SL237-1999)分类，这4组土样均属于低液限粉土(ML)。

1.2 土样的化学性质

土样的基本化学性质列于表2。从表2中可看出，4组土样的易溶盐在0.6 g/kg～1.0 g/kg之间，pH值在8.71～9.44之间，呈强碱性(>8.5)。SiO2在62.3%～66.0%之间， Fe2O3在3.0%～3.6%之间，Al2O3在11.5%～16.6%之间。SiO2/R2O3在5.88～7.65之间。

表1 土样物理性质

表2土样化学性质

土样编号易溶盐(g/kg)pH值SiO2(%)Fe2O3(%)Al2O3(%)SiO2/R2O310.69.09 62.33.611.57.6521.09.40 63.53.213.76.8631.09.44 66.03.312.97.4640.98.71 64.23.016.65.88

2 分散性土判别试验方法

由于分散性土较广泛分布的湿陷性黄土[3]等特殊土发现比较晚，现有的工程上常用的土工试验方法不能反映出土的分散特征。目前，我国尚未颁布鉴定分散性土的试验规程。本次试验参照了《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251-2000)中介绍的双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶盐阳离子等4种试验方法，并结合美国材料与试验协会制定的双比重计法(ASTM D4221-11)[4]、针孔试验(ASTM D4647-06)[5]、碎块试验(ASTM D6572-06)[6]等3种试验规程，采用双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶性阳离子和交换性钠离子百分比等5种试验方法来综合判别土样的分散性。5种试验的方法，可参考文献[4～7]。

3 试验结果与分析

对4组土样进行了双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶盐阳离子和交换性钠百分比等5种试验，试验结果见表3～表5，图1和图2。

3.1 5种试验判别结果

(1)从表3可以看出，双比重计试验结果表明，4组土样的分散度在2.7%～4.7%之间，均小于30%，属于非分散性土。在碎块试验中，土样1和土样4放入水中后具有轻微反应，土块水解后四周有微量浑浊，但扩散范围小，属于过渡性土；土样2和土样3放入水中后，反应严重，土块水解后呈浑浊状，并且土很快扩散到整个量杯底部，水呈雾状，经久不清，属于分散性土。针孔试验结果表明，土样1在50 mm水头作下持续10 min，水色浑浊，最终孔径大于1.5倍，属于分散性土；其余3组土样在180 mm水头作下持续5 min，水色浑浊，最终孔径大于1.5倍，属于过渡性土。

(2)从表4可以看出，交换性钠百分比试验结果表明，土样1和土样4的ESP均小于7%，属于非分散性土；土样2和土样3的ESP大于7%，属于分散性土。孔隙水可溶盐阳离子试验结果表明，土样1 的PS(钠百分比) < 40%，属于非分散性土；土样2和土样3的PS > 60%。属于分散性土；土样4的 PS在40%～60%之间，属于过渡性土。

3.2 5种试验判别结果

5种试验方法鉴定结果列于表6。从表6中可看出，5种试验方法判别的结果具有一定的离散性，因此采用单一的试验结果难以对土样的分散性进行正确的鉴定。樊恒辉等[6]通过研究认为，赋予双比重计、碎块、针孔、孔隙水可溶性阳离子和交换钠离子百分比的权重值，其值分别取20%、20%、40%、10%、10%，计算土样的分散性、过渡性、非分散性权重。判别准则：①如果分散性的权重大于50%，土样属于分散性土。②分散性的权重等于50%时，如果过渡性的权重大于等于20%，则属于分散性土；反之，则属于过渡性土。③分散性的权重小于50%时，如果“过渡性+分散性”的权重大于等于50%，则为过渡性土，否则属于非分散性土。实践证明，权重分析法可以比较合理的判别黏性土的分散性。

根据以上判别准则，通过计算土样的分散性、过渡性、非分散性权重，发现4组土样的分散性权重小于50%，而且“过渡性+分散性”的权重大于50%，所以4组土样均属于过渡性土。但是值得注意的是，4组土样的权重分析中分散性占的比重比较大(见表7)，在设计中应注意当土样周围环境发生变化时(如河水水质)对土样分散性判别结果的影响。

表3土样分散性试验判别结果(1)

土样编号双比重计试验<0.005 mm常规方法颗粒含量非常规方法分散度(D,%)碎块试验针孔试验干密度(g/cm3)水头(mm)持续时间(min)终了孔径(倍)终了流量(mL/s)水色113.20.43.0微量浑浊1.7550102～30.29浑浊216.80.74.2浑浊1.7318052～50.96浑浊314.90.74.7浑浊1.7618052～51.25浑浊414.70.42.7微量浑浊1.7618052～30.67浑浊

注：(1)双比重计试验：非分散土，D(分散度) < 30%；过渡性土，D=30%～50%；分散性土，D> 50% 。

(2)碎块试验：Ⅰ、非分散性土，土块水解后在量杯底部以细颗粒状平堆，水色是清的，或稍浑浊后很快又变清；Ⅱ、过渡性土，土块水解后四周有微量浑浊，但扩散范围小；Ⅲ、分散性土，土块水解后浑浊，土很快扩散到整个量杯底部，水呈雾状，经久不清。

(3)针孔试验：非分散土，在1020 mm 水头下针孔不扩大，出水流很清；过渡性土，在180～380 mm 水头下针孔冲蚀较慢，出水流稍浑浊；分散性土，在50 mm 水头下针孔迅速扩大，出水流浑浊。

表4土样分散性试验判别结果(2)

土样编号交换性钠离子百分比试验交换性钠离子含量cmol/kg交换性阳离子总量cmol/kg交换性钠离子百分比ESP ( %)孔隙水可溶性阳离子试验Na+K+Ca2+(1/n mmol/l )Mg2+阳离子总量钠百分比PS( % )10.21 5.37 3.81.1 0.0 0.9 1.5 3.5 31.3 20.65 6.13 10.6 13.2 0.0 1.0 2.9 17.2 77.0 30.65 5.97 10.9 14.2 0.0 1.2 3.2 18.6 76.4 40.21 6.02 3.5 8.5 0.0 3.8 8.8 21.0 40.3

注：(1)交换性离子钠百分比试验：ESP (交换性离子钠百分比)= 7 ～ 10，属中等分散性土；ESP≥15，属高分散性土，即有严重管涌的可能性。(2)孔隙水可溶性阳离子试验：根据TDS和PS判断，非分散性土，PS(钠百分比) < 40%；过渡性土，PS=40%～60%；分散性土，PS > 60%。

图2 针孔试验照片

4 结 语

(1)物理性质试验结果表明，4组土样的液限在23.6%～25.0%之间，塑限在15.0%～16.0%之间，塑性指数在8.0～9.6之间。颗粒组成以粉粒(0.075～0.005 mm)为主，其含量在67.8%～72.2%之间，粘粒(<0.005 mm)含量在13.2%～16.8%之间。最优含水率在12.5%～13.4%之间，最大干密度在1.82 g/cm3～1.85 g/cm3之间。4组土样均属于低液限粉土(ML)。

(2)化学性质试验结果表明，4组土样的易溶盐在0.6 g/kg～1.0 g/kg之间，pH值在8.71～9.44之间，呈强碱性(>8.5)。SiO2在62.3%～66.0%之间， Fe2O3在3.0%～3.6%之间，Al2O3在11.5%～16.6%之间。SiO2/R2O3在5.88～7.65之间。

(3)根据双比重计试验、针孔试验、碎块试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验等5种试验方法对土样的分散性进行了鉴定，4组土样均属于过渡性土。但是值得注意的是，4组土样的权重分析中分散性占的比重比较大，在设计中应注意当土样周围环境发生变化时(如河水水质)对土样分散性判别结果的影响。

参考文献:

[1] 王观平,张来文,阎仰中,等.分散性黏土与水利工程[M].北京:中国水利水电出版社, 1999:7-8.

[2] 苟和平.湿陷性黄土地基处理方案之比较[J].杨凌职业技术学院学报. 2009,8(4):11-12.

[3] SL251-2000,水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S].

[4] ASTM D4221-11, Standard Test Method for Dispersive Characteristics of Clay Soil by Double Hydrometer[S].

[5] ASTM D4647-06, Standard Test Method for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test[S].

[6] ASTM D6572-06, Standard Test Methods for Determining Dispersive Characteristics of Clayey Soils by the Crumb Test[S].

[7] 樊恒辉, 孔令伟. 分散性土研究[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2012.