土体分散性综合判别方法探讨*

师智勇 陈慧娥 苑晓青 张 颖 张 旭

(①吉林大学建设工程学院，长春 130026，中国) (②辽宁有色勘察研究院有限责任公司，沈阳 110013，中国) (③长春水务集团城市排水有限责任公司，长春 130022，中国)

0 引 言

分散性土是一种在低含盐量水或纯水中由于土颗粒之间的排斥力大于吸引力而导致土颗粒分散成原级颗粒的土(樊恒辉，2012；史祥2016)。20世纪30年代，美国的农业土壤学家首先发现了分散性土的存在，随后澳大利亚也相继发现分散性土。我国对分散性土的研究始于20世纪80年代，黄河小浪底水库、黑龙江南部引嫩工程等相继发现分散性土，标志着分散性土作为一种特殊土在我国展开研究。随着各学者的相继研究发现，分散性土在我国绝大多数地区均有分布且分散性土与盐渍土的分布具有一致性(李超月等，2018)。如东北的黑龙江、吉林，西北的新疆维吾尔自治区、陕西、山西、青海等地均存在分散性土，严重影响了当地的工程建设(樊恒辉，2010a,2010b；汪涛，2016；魏丽等，2018)。由于分散性土易受水冲蚀而造成堤坝管涌、路基失稳的工程事故，如俄克拉何马州US 59公路破坏，西班牙San Juan水库、海南三亚岭落水库、黑龙江引嫩工程等坝体破坏，因此诸多学者对分散性土的分散特性、工程改性(Ittiporn，2003；Ouhadi et al.，2006)、分散等级判别(秦曰章，1981；巨娟丽，2007；陈式华，2008；张静，2010；樊恒辉等，2013；王启东，2013；Maharaj et al.，2015；张旭东等，2015)等方面做出了大量研究。

针对于以上研究现状，本文以吉林省乾安地区土样为研究对象，室内试验测试了土样的基本性质，在此研究基础上通过土样分散性判别试验对土体分散性等级进行判别，根据各分散性试验测试原理及参考前人经验赋予各试验不同的权重，对分散性试验分散性等级进行统一划分并对分散测试结果量化评分。提出一种定量判别土体分散性等级的综合判别准则。

表 1 土样的基本性质Table1 Basic properties of soil samples

土样编号液限WL/%塑限WP/%塑性指数IP最大干密度/g·cm-3最优含水率/%颗粒组成/%土样定名砂粒2～0.075 mm粉粒0.075～0.005 mm黏粒<0.005 mm土样120.8213.187.641.6917.23.746.350低液限黏土(CL)土样219.6411.528.121.6917.15.344.7849.92低液限黏土(CL)

表 2 土样矿物成分Table2 The mineral compositions of soil sample

土样编号黏土矿物总量/%黏土矿物相对含量/%全土中各种矿物含量/%非黏土矿物含量黏土矿物含量高岭石蒙脱石石英方解石钠长石赤铁矿硫酸钙高岭石蒙脱石土样11353.8546.15439257376土样21361.5438.463492416585

1 土样基本性质

取样地点位于吉林省西北部的乾安地区，研究区地貌如图 1所示，该地区为西部治碱工程规划区，表层土体呈灰白色，土体盐碱化程度较高。由于取样地为旱地且研究区属于温带大陆性季风气候，年降水量较少且降水主要集中在每年7、8月份，年均降水量420.6mm，故整个地区以蒸发作用为主，且该地区较周围地形较低、地下水位较高，使地表因蒸发作用而累积一定的盐分。本次取该地区地表以下20cm土样作为研究对象。所取土样严格按照GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》测定土样的基本性质。

图 1 研究区地貌图Fig. 1 geomorphological map of the study area

取平行试样土样1和土样2测试土样的基本性质，结果见表 1。土样以粉粒、黏粒为主，其中粉粒含量44.78%～46.3%，黏粒含量50%，砂粒含量3.7%～5.3%。液限含水率19.64%～20.82%，塑限含水率11.52%～13.18%。塑性指数约为8。

采用X射线衍射仪对土样的矿物成分进行分析，结果列于表 2。从表中可以看出，2组土样的黏土矿物成分均为高岭石和蒙脱石，其含量仅占全土的13%，高岭石和蒙脱石两种矿物所占比例相当，且该土样中不含伊-蒙混层等其他黏土矿物。而非黏土矿物的主要成分为石英、钠长石，约占非黏土矿物总量的60%，同时含有少量的方解石、赤铁矿和硫酸钙。

2 土样分散性鉴定试验

本次试验过程中采用针孔试验(ASTM D4647-06)(ASTM，2006)、双比重计试验(ASTM D4221-11)(ASTM，2011)、碎块试验(ASTM D6572-06)(ASTM，2006)3种试验规程，以及美国分散性土会议时提出的交换性钠离子百分比试验(Thomas，1974；REZA，2000)，对研究土样的分散性进行鉴定。

2.1 双比重计试验

双比重计试验是取30g试验土样进行常规和非常规两次比重计试验来测定黏粒(<0.005mm)的含量。该试验是对土样进行两次比重计试验，第1次试验时将土样煮沸、不加分散剂测定黏土颗粒的含量，得到一条级配曲线；第2次试验时，取一次试验完成后的土样不煮沸、加分散剂测定黏土颗粒的含量，得到另外一条级配曲线(王颖，2010)。根据式(1)计算土样的分散度。双比重计试验的结果判定如表 3所示。

(1)

表 3 双比重计试验结果判定表Table3 Determination of test results of double hydrometer

当分散度>50%分散性土30%<分散度<50%过渡性土分散度<30%非分散性土

为减小试验时误差，取土样1、土样2进行平行试验，所得双比重计试验结果见表 4所示。

这个月依北中学发生了一件大事。同学们纷纷谈论，一个叫姜祈的抽签入学的高一男生，竟然从电光手里救下一名“叛徒”，还借势带领一帮抽签入学的学生成立了自己的团体。此事等同于给了电光一记响亮的耳光。也因此，姜祈与电光主席彻底结了怨。

表 4 双比重计试验结果Table4 Results of double hydrometer test

土样编号黏粒含量/%分散度D/%判定结果不加分散剂加分散剂土样152.40767.60577.52分散土土样259.17769.70284.90分散土

土样1双比重计试验得出土样煮沸、不加分散剂与不煮沸、加分散剂两次实验的小于某粒径百分比含量如图 2所示。

图 2 双比重计试验结果图Fig. 2 Results of double hydrometer test

土样1、土样2分散度D均大于50%，均表现为分散性土。故由双比重计试验判定该土样为分散性土。

2.2 碎块试验

将野外取得的保持天然含水率的原状土切成体积约为1cm3大小的土块，取烧杯注入约200mL蒸馏水然后将制成的土块放入烧杯中，根据观察到土样的崩解状况，并测量土样崩解时蒸馏水的温度，以此来判断土样的分散性。根据樊恒辉(2012)、《ASTM D6572-00碎块试验》(ASTM，2000)碎块试验对土样分散性等级的判别如表 5所示。

表 5 碎块试验评价土的分散性的标准Table5 Standard for evaluating soil dispersibility by crumb test

等级划分类别土块在蒸馏水中的表现情况等级1非分散性土无反应。土块可能会碎裂、扩散,但水中没有悬浮胶体产生的浑浊水。所有粒子在第1个小时内沉淀等级2过渡性土轻微反应。2级为过渡级。一种微弱的、几乎看不见的胶状悬浮物会在土样表面附近产生浑浊水。如果“云雾状”很明显,则划分为3级。如果“云雾状”只在很小的区域内隐约可见,则划分为1级等级3分散性土中度反应。在土样表面的周围可见悬浮的黏土云雾状。云雾状可能会沿着烧杯底部扩散到离土样10 mm的地方等级4高分散性土强烈反应; 在烧杯的整个底部都能看到一团稠密的悬浮黏土胶体。有时土样分散性很大,很难确定原土样与胶体悬浮液的界面。通常,在烧杯的侧面很容易看到土粒胶体悬浮液

试验时，观察土样的崩解程度并测量蒸馏水的实时温度见表 6。

表 6 碎块试验时蒸馏水温度Table6 Water temperature in crumb test

起始温度/℃2min温度/℃1h温度/℃6h温度/℃26.526.220.616.7

试验时，土样的崩解程度如图 3所示。

由碎块试验崩解状况图可知：在土样放入蒸馏水中时刻开始土样发生崩解，1h之后土样崩解状况几乎不再发生变化；土块周围可观察到云雾状，并且云雾状在杯底扩散10mm左右。根据碎块试验土样的崩解程度，判定土样为等级3的分散性土。

2.3 针孔试验

图 3 碎块试验土样的崩解状况图Fig. 3 Disintegration diagram of soil samples in crumb test

针孔试验首先是由美国工程师谢拉德(J.L. Sherard)提出，将取得的原状土或者重塑土制成φ37×38.1mm的圆柱形试样，在制成的试样中心穿直径1mm的小孔，分别在不同的水压力(水头)下观察小孔受水流冲蚀情况及水流量和浑浊情况。本次试验采用重塑土样，按照《ASTM D4647-93针孔试验》(ASTM，1993)以最优含水率将土样击实到试验装置中，试验试样的压实度为最大干密度的95%。试验时采用50mm水头，在该水压力下让水透过针孔。观察小孔受水流冲蚀情况及水流量和浑浊情况。表 7为针孔试验土的分散性判定标准。

图 4 针孔试验结果图Fig. 4 Result of pinhole test

表 7 针孔试验评价土的分散性标准Table7 Standard for evaluating soil dispersion by pinhole test

类别水头/mm在某一水头下的持续时间/min最终流量/mL·s-1出水颜色最终孔径分散性土D150.00 5.00 1.0—1.4非常暗>2.0D250.00 10.00 1.0—1.4暗>1.5过渡性土ND450.00 10.00 0.8—1.0稍暗≤1.5ND3180.00 5.00 1.4—2.7较暗>1.5380.00 5.00 1.8—3.2中等暗—非分散土ND21020.00 5.00 >3.0微弱黑暗<1.5ND11020.00 5.00 ≤3.0清楚>1.00

针孔试验结果见表 8所示。

表 8 针孔试验结果Table8 Result of pinhole test

土样编号水头/mm时间/min流量/mL·s-1浑浊情况最终孔径/mm判定结果侧视顶视土样15050.86浑浊很浑浊1.9分散土土样25058.81较浑浊浑浊1.85分散土

针孔试验状况如图 4所示。

针孔试验完成后的水样，侧视时水样呈现较浑浊，俯视时水体浑浊。在50mm水头下持续10min，终了孔径1.85～1.9mm，根据针孔试验判定该土样为D2分散性土。

2.4 交换性钠离子百分比试验

交换性钠离子百分比是指土颗粒或者胶体表面的可交换性钠离子(Na+)含量与孔隙水溶液可交换性阳离子总量(CEC)的比值ESP，即

(2)

式中:CNa+为交换性钠离子含量；CEC为阳离子交换量。

交换性钠离子百分比试验的判断标准见表 9所示。

表 9 交换性钠离子百分比试验的判断标准Table9 Standard for percentage test of exchangeable sodium ions

ESP<7非分散性土7≤ESP<15中等分散性土ESP≥15高分散性土,即有严重管涌的可能性

采用醋酸钠火焰光度法对土样的阳离子交换量及交换性钠离子含量进行测试，试验结果见表 10。

表 10 交换性钠离子百分比试验结果Table10 Result of percent exchangeable sodium

土样交换性钠离子含量/mmol·(100g)-1阳离子交换总量/mmol·(100g)-1交换性钠离子百分比/%土样10.5251.75629.8土样20.441.382531.8

根据表 10交换性钠离子百分比试验结果表明，土样1、土样2的交换性钠离子百分比均大于15，因此交换性钠离子百分比试验判定该研究土样的分散性等级为高分散性。

2.5 土样分散性综合判定

通过上述分散性等级鉴别试验，我们可得出以下结果：双比重计试验结果表明研究土样为分散性土；碎块试验结果表明土样为等级3的分散性土；针孔试验结果表明土样的分散性等级为D2；交换性钠离子百分比试验结果显示该土样为高分散性土。

表 11 土样分散性综合判定Table11 Comprehensive determination of dispersion of soil samples

试验类别试验结果及评分本次试验结果及评分综合评定等级评分等级评分等级评分等级评分碎块试验等级1非分散性2.5等级2过渡性5等级3分散性7.5等级4高分散性10分散性土7.57.5×0.25+10×0.2+7.5×0.4+10×0.15=8.375综合判定乾安地区土样为高分散性土双比重计试验分散度<30%非分散性2.530%<分散度<50%过渡性土550%<分散度<70%分散性7.5分散度>70%高分散性10高分散性10针孔试验ND1、ND2非分散性2.5ND3、ND4过渡性土5D2分散性7.5D1高分散性10分散性土7.5交换性钠离子百分比试验ESP<7非分散性2.57≤ESP<10过渡性土510≤ESP<15分散性土7.5ESP≥15高分散性10高分散性土10

不同的分散性鉴别试验评判标准不完全相同，得到的土体分散性等级也不相同。因此，有必要探讨一种方法对土体分散性进行综合性的定量判别。由于针孔试验是模拟在一定的水头下，土体孔隙壁上的颗粒受水流冲刷而破坏的作用，直观地模拟了土体孔隙在渗透水流作用下所具有的冲蚀能力，一般认为其可信度最高。碎块试验则反映了土体所处的介质环境，介质溶液可能对土体的分散性有促进或者减小的作用，所以碎块试验可靠性次之。双比重计反映了土体的颗粒组成，因为分散性土在水中分散成原级颗粒所以土颗粒的级配对土体分散性有较大影响，其可信度较针孔、碎块试验较低。交换性钠离子百分比反映了土体分散时的交换性钠离子含量，而土体产生分散时因为钠离子使得土颗粒双电层增厚减小了土颗粒之间的吸引力使得土体分散。基于以上4个判别试验的机理，同时结合樊恒辉等(2013)赋予针孔试验、碎块试验、双比重计试验、交换性钠离子百分比试验40%、25%、20%、15%的权重值。同时，因为各分散性鉴定试验对土样分散性等级的划分不统一：碎块试验将土样分散性等级分为4级，而双比重计试验、针孔试验、交换性钠离子百分比试验对土样分散性的判定分为3级。为了精确判别土样分散性等级，将各分散性鉴定试验的分散性等级进行统一划分，从而更加合理地判断土样的分散性等级。因此将表 2的双比重计试验3级判断标准改为4级：当分散度>70%时，为高分散性土；当50%<分散度≤70%时，为分散性土；当30%<分散度≤50%时，为过渡性土；当分散度<30%时，为非分散性土。将针孔试验判定标准同样划分为4级：将表 7中分散性土细分：将分散性土D1划分为高分散性土；D2划分为分散性土，其余按照原标准划分。将表 9中交换性钠离子百分比试验结果对分散性土的划分分为4级：当ESP<7时，为非分散性土；当7≤ESP<10时，为过渡性土；当10≤ESP<15，为分散性土；当ESP≥15时，为高分散性土。通常采用百分制来评判土样的分散性等级，如在双比重计试验中得到当分散度约为80%，判定土样为高分散性土，如在樊恒辉等(2013)中土的分散比例超过50%划分为分散性土。为了简化计算，本方法中采取十分制满分来评判土体的分散性等级。由于在本方法中针孔试验、碎块试验、双比重计试验和交换性钠离子百分比试验对土样分散性等级均分为高分散性、分散性、过渡性、非分散性4个等级，因此对各分散性等级分别赋分2.5、5、7.5、10，各等级的评分值见表 11。根据各试验所占权重及各等级赋值，土体分散性等级可划分为4个等级：当0

在本次分散性等级判别试验中，根据双比重计试验、碎块试验、针孔试验和交换性钠离子百分比试验结果及权重值，计算乾安地区土样分散性：7.5×0.25+10×0.2+7.5×0.4+10×0.15=8.375，所以综合判定乾安地区土样为高分散性土。

为了探究本文中提出的土体分散性综合评判方法的可靠度，依据前人提出的判别方法来验证。本次所取土样双比重计试验结果表明研究土样为分散性土(高分散土)；碎块试验为等级3的分散性土(分散性土)；针孔试验为D2分散性土(分散性土)；交换性钠离子百分比为高分散性土。根据樊恒辉等(2013)提出的判别方法，则分散性权重大于50%，判定为分散性土体；根据王启东(2013)提出的多数法原则，所有试验均表现为分散性土体；根据张旭东等(2015)针孔试验表现为分散性土，且其余试验都表现为分散性土。任佳宽(2019)研究了吉林镇赉地区土样分散等级，碎块试验、针孔试验、交换性钠离子百分比试验得出10～40cm土样为分散性土，40～80cm土样为非分散性土；双比重计试验得出10～80cm为分散性土，综合判定10～40cm土样为分散性土，40～80cm土样为过渡土。根据本文提出的方法10～40cm土样的分散性判定计算过程如下：7.5×0.25+7.5×0.4+7.5×0.15+7.5×0.2=7.5判定为分散性土；40～80cm土样的分散性判定计算过程如下：2.5×0.25+2.5×0.4+2.5×0.15+7.5×0.2=3.5判定为过渡性土。樊恒辉等(2010b)以马家树水库土为研究对象，1号土样针孔试验、双比重计试验和交换性钠离子百分比试验判定为非分散性土，碎块试验判定为过渡性土，综合判定为过渡性土。根据本文提出的方法其分散性判定结果如下：5×0.25+2.5×0.4+2.5×0.15+2.5×0.2=3.125判定为过渡性土。1号土样针孔试验、碎块试验判定为分散性土，双比重计试验判定为过渡性土，交换性钠离子百分比判定为非分散性土，综合判定为分散性土。根据本文提出的方法其分散性判定结果如下：7.5×0.25+7.5×0.4+2.5×0.15+55×0.2=6.25判定为分散性土。

综上所述，无论是用其他学者提出的方法判定本次所取土样分散性，亦或是用本次提出的土体分散性综合判别方法判定其他学者所取土样的分散性等级，均发现该方法有良好的适用性。所以认为本次提出的土体分散性综合评判方法可靠度较高、具有普适性，可以推广应用到其他土样分散性等级的判别中。

3 结 论

(1)研究区内土体级配不良，粉粒、黏粒含量多而砂粒含量少，土样塑性指数为8，属低液限黏土，矿物主要为石英、钠长石等非黏土矿物。

(2)在确定土样分散性等级所采取的分散性试验不同时，得到的土样分散性等级也不完全相同。本次试验土样的分散性等级判别结果显示：双比重计试验结果表明研究土样为分散性土；碎块试验为等级3的分散性土；针孔试验为D2分散性土；交换性钠离子百分比为高分散土。

(3)在判别土体分散性等级时，结合各分散性判别试验的特点和前人研究成果，分别赋予碎块试验25%、双比重计试验20%、针孔试验40%和交换性钠离子百分比试验15%的权重，同时对非分散性、过渡性、分散性、高分散性等级赋予一定的评分值，结合判别试验权重值和评分值，将试验结果划分为4个等级，计算各试验R(result)值。当0