以粉粒为主的风积成因防渗土料分散性研究

2021-03-26胡亚东李青春

水电站设计 2021年1期

胡亚东，李青春，张旭

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

分散性黏土在低含盐量水中(或纯净水中)细颗粒之间的黏聚力会大部分甚至全部消失，呈团聚体存在的颗粒体自行分散成原级的黏土颗粒。分散性土在我国东北、西北、华南等地的水利水电工程、交通工程建设中有揭示，其抗冲蚀能力差，容易造成冲蚀、淋蚀及渗透破坏，严重时可造成堤坝管涌、路基失稳等，工程危害较大，在项目前期的勘测设计过程中，准确判别土料的分散性是关键。

目前，主要通过室内试验判别黏土的分散性，例如双比重计试验、土块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验等。上述试验均存在一定的局限性，双比重计试验未反映流动水流对土体产生的剪切作用，土块试验缺乏定量指标，针孔试验不适用于未经扰动的高敏感性土，孔隙水可溶盐试验中孔隙水的抽取技术影响了试验精度。同时对于粉土，上述试验的适宜性尚不明确。

某水电工程初拟坝型为碎石土心墙坝，周边防渗土料较为匮乏，防渗土料初选为距离坝址约80 km的风积成因土料，该地区风积成因土料具有粉粒含量高(大于95%)、黏粒含量低(8%～10%)的特点。本文通过土料野外调查与识别、基本特性(包括矿物构成、化学成分)、分散性评价试验等三方面研究以粉粒为主的风积成因土料分散性，提出基于地质分析土的分散性综合判别法(具体判别流程见图1)，对粉粒为主的风积成因土料分散性进行综合判别，为工程规划设计提供技术支撑。

图1 基于地质分析土的分散性综合判别法流程

1 野外调查与识别

该地区风积粉土均直接出露于地表，现场部分地段有开挖形成的断面，有利于分散性现象的野外调查。现场地质调查显示，现场开挖形成的露头经过多个雨季的冲刷，未见明显冲沟、孔洞及“犁痕”现象，料场范围内冲沟、沟水较为清澈，少见浑浊现象。根据野外调查初步分析认为，该地区风积土料无明显分散性土特征。

2 土料基本特性

2.1 土料物理性质

该土料场进行了大量土的物理性质试验工作，相关试验成果见表1。土料天然含水率12.5%～13.7%，塑性指数13.28～13.4，比重2.69～2.70。大于5 mm(P5)含量0.01%～0.20%，粉粒含量96.80%～98.58%，黏粒含量9.14%～10.66%。从土料的物理性质来看，该风积土料以粉粒为主，粉粒含量平均97.71%，黏粒含量平均10%，黏粒含量不高。

表1 某土料场各区物理性质试验成果

2.2 土料化学性质

土料化学分析试验成果见表2。土样中SiO2含量最高，为53.32%～54.95%，有机质含量为0.37%～0.68%，易溶盐含量0.06%～0.09%，硅铝率为3.50～3.75，pH值为7.6～8.2，呈弱碱性。

表2 某土料场化学分析试验成果

2.3 土料矿物成分

X衍射矿物分析试验显示，土料矿物组成主要为伊利石和石英，伊利石含量为19%～48%，平均值为35%。石英含量为19%～60%，平均值为35%。而蒙脱石含量较低，为4%～8%，平均值为6%。

3 土料分散性试验

除常见的四种土料分散性试验方法，即:针孔法、孔隙水溶液阳离子、土块法和双比重计外，交换钠离子百分比也是评价土的分散性的方法之一。

本文试验研究以上述五种方法对土料分散性开展试验。

3.1 试验方法简介

3.1.1 双比重计法

双比重计试验是对土样进行两次比重计试验来测定黏粒(小于0.005 mm)含量，第1次是常规的加分散剂、煮沸、搅拌；第2次不加分散剂测定。根据试验结果按下式求出分散度，分散度大于50%认为是分散性土。

3.1.2 针孔试验法

针孔试验是在特制的针孔试验装置中(见图2)，将土样用击实仪击实到干密度达到最大干密度的95%以上，在试样的中部穿一直径1 mm的轴向细孔，然后用蒸馏水(或试验要求用水) 进行冲蚀试验，分别在不同水头下观察针孔受水冲蚀的情况。该法模拟了土体在集中渗透水流的作用下所承受的冲蚀条件，因而被认为是最可靠的鉴定方法。

图2 针孔试验法示意

3.1.3 碎块试验法

碎块试验的试验原理是从胶体化学的基本观点出发，认为某些黏性土在水中产生分散的原因是胶体颗粒的析出，将保持天然含水量的土块或室内针孔试验后的土样制成1 cm3左右的土块放入盛蒸馏水的烧杯中，浸放5～10 min后观察土块中胶粒的分散性状。

3.1.4 孔隙水可溶盐试验

孔隙水可溶盐试验，原来为农业土壤的一个标准试验，现在也用来作为鉴定分散性土的试验方法。该试验方法是把土与蒸馏水拌和到接近液限的程度，用有过滤设备的真空吸水器抽出孔隙水样，测定孔隙水样的钙、镁、钠、钾四种金属阳离子总量，也称为TDS，并求出其中钠离子含量的百分数，根据钠离子百分数与TDS的关系来判别其分散性。

3.1.5 交换钠离子试验

交换性钠百分比试验。测定全土中交换性阳离子总量(CEC)和交换性Na+含量，求出交换性钠百分比(ESP)。

3.2 试验结果与讨论

对土料开展五种方法的分散性试验，土样分散性试验结果见表3，结合前述各类试验方法分散性判别标准，五种试验方法分散性判别统计见表4。

表3 某土料场风积土料分散性试验成果

表4 土料分散性试验成果统计

试验研究成果表明，双比重计法10组土样中，有7组分散度D在53.3%～85.8%，为分散性土，有2组分散度D在37.1%～46.7%，为过渡型土，1组分散度D在15.6%，为非分散性土，分散性土占比约70%。针孔法10组土样中，1组为分散性土，5组为过渡型土，4组为非分散性土，分散性土占比10%，非分散性-过渡型土占比约90%。土块法试验中，有9组无分散出胶粒的反应，土块水解后在量杯底部以细粒平堆，水是清澈，为非分散性土，1组土块水解后四周水有混浊现象，但扩散范围小，为过渡型土。孔隙水溶液阳离子法试验10组土样中，有2组为分散性土，有5组为过渡型土，有3组为非分散性土，分散性土占比20%，非分散性-过渡型土占比约80%。交换钠离子百分比(ESP)试验中，ESP≥15%的有1组，为高分散性土，7组为非分散性土，2组为过渡型土。分散性试验成果统计如图3所示。

图3 不同方法分散性试验成果统计

不同试验方法的试验结果有差异，在以往不同类型的土体分散性试验中也有体现。分析其原因，主要是这些试验方法与判别标准是通过大量试验统计分析得出，对常规的土样5种试验结果能够基本互相印证，但部分特殊土体受其性质差异影响，其试验成果往往不一致。

双比重计法是利用分散性土遇水后分散成原级颗粒，而非分散性土遇水后则能保持其团粒结构的区别开展试验。对于黏粒含量较低的风积成因粉土来说，其物质组成多以粉粒为主，难以保持团粒结构，遇水后在水中基本完全分散，表现出类似分散性土特性，加分散性后的黏粒含量提高有限，故试验获取的分散度多大于50%，分析认为对于低黏粒含量的土来说，双比重计试验判断其分散性适宜性差，可靠度较低。

针孔试验运用渗流理论模拟了土体在集中渗透水流作用下的抗冲蚀条件，采用定量和定性指标鉴定土样的分散性能和胶粒的抗冲蚀性能。该试验方法是鉴别分散性土各种试验方法中最直接可靠，可信度相对较高。

根据该地区风积风土的自身特点，试验结果分析认为，双比重计法不适用于黏粒含量低的土体，在分散性试验判别中应不考虑其试验成果，以针孔试验成果为基础，需要结合其他试验方法进行综合判断。

4 土料分散性综合判别

土料分散性判别过程中，试验成果是重要研究内容，同时，需要结合现场地表调查的分散性现象、土体物质组成和矿物成分等开展综合判别。

通过现场地表调查，料场未发现明显冲沟、孔洞现象，料场范围内冲沟、沟水较为清澈，少见浑浊现象，野外调查初步分析认为，该地区风积土料无明显分散性土特征。

从矿物成分分析，蒙脱石类矿物结构晶架都由两个硅氧片和一个水铝片重叠而成，属2：1型矿物，硅氧体和铝氧体之间无K+离子联结，水可以进入片层之间，容易使晶体产生很大的体积改变，其晶层间联结弱，晶格具有扩展性，具有较大的分散性。该土料矿物组成主要为伊利石和石英，伊利石含量为19%～48%，平均值为35%。蒙脱石含量4%～8%，平均值为6%，相对较低，该风积土料产生分散性的可能性不大。

由于双比重计法试验不能适用于黏粒含量低的土体，从针孔试验、土块法、孔隙水溶液阳离子试验和交换性钠离子百分比4种方法的试验成果来看，土料场料源以非分散性-过渡型为主，少量具有分散性。

从现场调查、矿物成分和室内分散性试验综合分析，该料场以粉粒为主的土料为非分散性-过渡型，部分试验产生的分散性现象是黏粒含量偏少而呈现出的一种物理性质的分散性特性。