黑龙江地区渠道基土工程性质试验分析

张 路， 樊恒辉， 车雯方， 张 勇， 孟 雷， 赵宏伟

(1. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100； 2. 汤原县水务局， 黑龙江 佳木斯 157400； 3. 农垦红兴隆管理局水务局， 黑龙江 双鸭山 155811)

黑龙江省是我国的农业大省，多年来修建了大量的渠道工程用于农业生产，对确保我国农业发展和粮食安全发挥了重要作用。要保证渠道工程安全运行，前提和关键就是保证渠基和渠坡的稳定[1]。与其他建筑物或者边坡不同，渠道工程的主要任务是输水，水对渠基和渠坡的影响非常大[2]。在渠道工程建设中常遇到的有水敏性的特殊土主要是膨胀土和分散性土[3-6]。膨胀土是一种黏粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩的黏性土[7]；分散性土是一种在低含盐量水中(或纯水中)由于离子相互间排斥力超过吸引力，导致土体颗粒分散的黏性土，具有抗冲蚀性低、遇水分散流失的特性[8]。这些土对水有特殊的敏感性，通常会使渠基承载力显著降低，渠坡发生明显变形，甚至出现裂缝，极易引起各种工程危害[9-12]，所以在渠道工程建设中应对其工程性质进行深入研究分析。

本文以黑龙江省龙头桥灌区、蛤蟆通灌区和引汤灌区3个灌区渠基土为研究对象，在分析土样物化性质和矿物成分的基础上，采用自由膨胀率、碎块、针孔、双比重计、孔隙水可溶性阳离子、交换性钠离子百分比和直剪等试验方法，分析土壤组成、盐含量、有机质含量、pH值、矿物成份及其含量、膨胀性、分散性和强度特性，并探讨生石灰对分散性和膨胀性土的处理效果，为工程设计提供科学依据，以便提出可靠的工程处理措施。

1 试验材料与方法

试验用土取自黑龙江省龙头桥、蛤蟆通和引汤灌区，取土深度在表层土以下30～50 cm。试验采用的纯生石灰，产于天津市百世化工有限公司，CaO含量大于等于98%。

土样的物化性质试验、矿物成分试验、直剪试验严格按照《土工试验规范》(SL237—1999)进行操作。土样的膨胀性判别以自由膨胀率试验结果为依据，并以土样的矿物成分和阳离子交换量作为参考。试验具体步骤参见《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)。土样的分散性判别采用双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠百分比试验进行综合判别[13]，同时结合樊恒辉等提出的黏性土分散性的经验判别式进行验证[14]。试验具体步骤参见文献[15]。

2 试验结果与分析

2.1 土样的物化性质和矿物成分

2.1.1土样物化性质 土样的物化性质试验结果分别见表1和表2。从表1和表2中可以看出，5组土样的天然含水率为26.6%～30.1%，颗粒相对密度2.65～2.70，液限49.9%～61.9%，塑限26.5%～37.4%，塑性指数19.1～24.5。颗粒组成以粉粒(0.075～0.005 mm)、黏粒(<0.005 mm)为主，粉粒含量为38.3%～52.1%，黏粒含量为45.2%～61.0%。土样最大干密度为1.48～1.60 g/cm3，最优含水率为24.5%～28.2%。按照塑性图分类，土样5属于低液限黏土(CL)，其余4组土样均属于高液限粉土(MH)。土样的盐含量不高，易溶盐含量0.1～0.3 g/kg，中溶盐含量0.6～0.8 g/kg，难溶盐含量0.1～ 0.8 g/kg，有机质含量3.8～15.3 g/kg，pH值5.37～7.75。值得注意的是，土样1，2和3的有机质含量显著高于土样4和5，而pH值明显低于土样4和5。

表1 土样物理性质Tab.1 Physical properties of soil sample

表2 土样化学性质Tab.2 Chemical properties of soil sample

2.1.2土样矿物成分 土样的矿物组成试验结果见表3。从表3可以看出，黏土矿物中的伊利石和蒙脱石主要以伊-蒙混层的形式存在，按照混层比计算，发现土体中的伊利石含量为18.7%～21.6%，蒙脱石含量为14.3%～19.0%。虽然5组土样中的蒙脱石主要是以伊-蒙混层的形式存在，但其含量也非常可观。已有研究发现，如果土体中的蒙脱石含量超过5%，则对土体的工程性能产生显著影响[16]。从矿物成分来分析，5组土样具有一定的膨胀性和分散性。

表3 土样矿物成分Tab.3 Mineral composition of soil sample

2.2 土样膨胀性

土样自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量的试验结果见表4。从表4可见，5组土样的自由膨胀率为41%～90%，其中土样1，4和5的自由膨胀率为40%～65%，属于弱膨胀土；土样3的自由膨胀率为65%～90%，属于中膨胀土；土样2的自由膨胀率≥90%，属于强膨胀土。土体蒙脱石含量为14.3%～19.0%。土体中的阳离子交换量为17.74～25.22 cmol/kg。根据膨胀土自由膨胀率与蒙脱石含量、阳离子交换量的关系可知，这5组土样都具有一定的膨胀潜势，属于膨胀土。

表4 土样膨胀性Tab.4 Expansibility of soil sample

2.3 土样分散性

2.3.1分散性试验判别 土样分散性试验结果见表5，土样的针孔碎块试验照片见图1。从表5可见，土样1，2，3的分散度小于30%，属于非分散性土；土样4分散度大于50%，属于分散性土；土样5分散度为30%～50%，属于过渡性土。碎块试验结果表明，土样1崩解后在烧杯底部以细颗粒状平堆，水色清澈。土样2没有崩解，土样1和2属于非分散性土；土块3，4和5崩解后扩散到整个烧杯底部，水色明显浑浊。针孔试验结果表明，土样1，2，3，5在1 020 mm水头下针孔不扩大，水流清澈，属于非分散性土；土样4在50 mm水头下针孔迅速扩大，水流浑浊，孔径扩大2～3倍，属于分散性土。孔隙水可溶性阳离子试验结果表明，5组土样的孔隙水可溶性阳离子总量(TDS)在1.67～4.77 1/n mmol/l之间，钠百分比(PS)为1.6%～15.6%。根据土的分散性与TDS，PS的关系可看到，5组土样均属于非分散性土。交换性钠离子百分比试验结果表明，5组土样的交换性钠百分比(ESP)含量均小于10%，属于非分散性土。

5种试验方法的判别标准如下:

(1)双比重计试验。分散度小于30%，为非分散性土；分散度为30%～50%，为过渡性土；分散性土大于50%，为分散性土。

(2)碎块试验。土块崩解后在烧杯底部以细颗粒状平堆，不出现浑浊或稍混浊后很快变清，为过渡性土，土块崩解后四周有微量浑浊，但扩散范围小，为非分散性土；土块崩解扩散到整个烧杯底部，水呈雾状、浑浊，为分散性土。

(3)针孔试验。380～1 020 mm水头下针孔不扩大，水流很清，为非分散土； 180～380 mm水头下针孔冲蚀较慢，水流稍浑浊，孔径大于1.5倍，为过渡性土；50 mm水头下针孔迅速扩大，水流浑浊，孔径大于1.5倍，为分散性土。

(4)交换性钠离子百分比试验。ESP=7%～10%，为中等分散性土；ESP≥15%，为高分散性土。

(5)孔隙水可溶性阳离子试验。PS<40%，为非分散性土；PS=40%～60%，为过渡性土；PS>60%，为分散性土。

表5 土样分散性Tab.5 Dispersibility of soil samples

图1 针孔碎块试验照片Fig.1 Photos of pinhole and crumb tests

2.3.2分散性判别经验式 樊恒辉等结合黏性土分散机理研究，提出了判别分散性土的经验式[14]。根据黏性土分散性经验判别式的判别结果见表6。从表6可见，由于5组土样的F1值均小于3.26，无法确定其分散性，引入钠百分比，继续计算F2值。5组土样F2值均小于3.16，均属于非分散性土。为了更加准确判别，继续引入pH值计算F3值。5组土样的F3值小于4.00，所以根据F3值的判别结果，可得出：5组土样均属于非分散性土。因此，从黏性土分散性判别的经验式来评价，5组土样均属于非分散性土。

表6 黏土分散性经验式判别结果Tab.6 Results of dispersion clay’s experience formula

2.3.3分散性的综合判别 根据分散性判别试验进行综合判别结果见表7。可见，土样4的分散性权重为80%，大于50%，所以土样4属于分散性土。其余4组土样的分散性权重小于50%，且土样5“过渡性+分散性”的权重小于50%，所以分散性试验表明土样1，2，3和5均属于非分散性土。结合分散性经验判别式，确定土样1，2，3和5均属于非分散性土，土样4属于分散性土。与分散性判别的经验式得到的结果进行比较，发现除土样4有不同，其余一致。值得说明的是，土样3和5的碎块试验表现出分散性的特征，故在雨水浸湿作用下，其抗水蚀性较差，在工程中应予重视。

表7 分散性的综合判别Tab.7 Comprehensive discrimination of dispersion

2.4 土样抗剪强度

土样直剪试验结果见图2和3。从图2可以看出，随着剪切位移的增大，剪应力先增大后平缓或持续增大，没有明显峰值，应力-应变曲线呈应变硬化型，取剪切位移值为4 mm时对应的剪应力为抗剪强度。抗剪强度与垂直压力的关系见图3。随着垂直压力的增大，抗剪强度增强。

图2 剪应力与剪切位移的关系曲线Fig.2 Relationships between shear stress and shear displacement

图3 抗剪强度与垂直压力的关系曲线Fig.3 Relationships between shear strength and vertical pressure

图4 抗剪强度与有机质含量的关系曲线Fig.4 Relationships between shear strength and organic content

在图3中添加趋势线，该线截距即为土体的黏聚力c值，该线与水平线夹角即为土体的内摩擦角φ值，得到1～5号土样黏聚力分别为25.78，47.49，49.60和3.47 kPa，内摩擦角分别为3.5°，1.5°，1.0°，24.5°和12.0°。可见，5组土样的黏聚力为13.62～47.49 kPa，内摩擦角为1.0°～24.5°。

2.5 抗剪强度与有机质含量的关系

土样抗剪强度与有机质含量的关系见图4。从图4可见，土样1,2和3的黏聚力高于土样4和5，而内摩擦角低于土样4和5。这与土体中的有机质含量有关。由于有机质具有胶结作用，因此有机质含量越高，土颗粒之间的黏聚力增大，内摩擦角减小。

2.6 改性后的工程性质

2.6.1改性土膨胀性 改性后土体的自由膨胀率与掺灰量和养护龄期的关系见图5和6。从图5可见，随着石灰掺量的增大，土样自由膨胀率降低。从图6可见，随着养护龄期的增加，土样自由膨胀率变化不大。所以，石灰对于膨胀土具有良好的改性效果，可以降低其膨胀性；养护龄期对改性土膨胀性的影响不明显。

图5 掺灰量与自由膨胀率的关系Fig.5 Relationships between lime content and free swelling ratio

图6 养护龄期与自由膨胀率的关系Fig.6 Relationships between curing age and free swelling ratio

2.6.2改性土分散性 由于土样4属于分散性土，所以对改性后的土样4做了针孔试验和碎块试验。土样3和5的碎块试验表现为分散性特征，属于抗蚀性差的土，所以对土样3和5也做了改性后的碎块试验。试验结果见图7。图7仅列出了掺加1%石灰改性土的针孔试验和碎块试验照片。从图7可以看出，土样中加入石灰后，经过3 d的养护龄期，土体的分散性就减弱，在碎块试验和针孔试验中呈现非分散性土的特性。由此可见，石灰不仅对土的膨胀性具有良好的改性效果，对于分散性也具有很强的改性作用。

图7 改性土的针孔碎块Fig.7 Modified soil’s pinhole tests and crumb tests

3 结 语

(1)龙头桥灌区土样具有膨胀性，有强有弱；蛤蟆通灌区土样既具有弱膨胀性，又具有分散性；引汤灌区土样具有弱膨胀性。考虑现场施工的不确定性，建议在施工过程中添加3%石灰进行处理，消除土样的膨胀性和分散性。

(2)3个灌区5组渠基土的抗剪强度不高，黏聚力c值为13.62～49.60 kPa，内摩擦角φ值为1.0°～24.5°，由于龙头桥灌区土样有机质含量很高(12.3～15.3 g/kg)，该灌区渠基土土样的黏聚力比其他两个灌区高，而内摩擦角比其他两个灌区低。

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