新疆某水利水电工程土料的物理化学性质及分散性试验研究

李青山

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

分散性粘土是一种在纯净水(或低含盐量的水)中由于离子的相互排斥力超过相互吸引力，导致土体颗粒分散的粘性土[1]。在我国黑龙江、新疆、江苏、山西、陕西等省区普遍存在分散性黏土，对工程安全有很大危害。自从20世纪50年代澳大利亚最早发现分散性黏土对水利工程的破坏性，我国工程界也予以高度重视，深入开张实验研究，明确分散性黏土的生成条件、分散性机理及预防、处理措施等。本文根据水利水电工程中土料的分散性鉴定结果，对土料的分散性机理进行实验研究和理论分析。

1 土样的基本物理性质和化学性质

1.1 土样的基本物理性质

选取某水利水电工程中的土料5组，编号分别为TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18，土样颗粒分析试验可知：土样中粒径>0.075 mm砂粒含量占0.4%～65.3%，粒径0.075 mm～0.005 mm粉粒含量占(22.0～77.1)%，<0.005 mm的黏粒含量占(12.7～26.5)%，<0.002 mm的胶粒含量占(6.7～16.0)%，液限为(21.6～27.5)%，塑限为(14.5～15.7)%，塑性指数为7.1～12.0，分别定名为粉土质砂(SM)、含砂低液限粉土(MLS)、低液限黏土(CL)。5组土样自由膨胀率为(7～16)%，无膨胀潜势。试验成果见表1和表2。

表1 土料颗粒分析试验成果表

由土样物理性试验成果表可知：击实试验采用轻型击实(分三层，每层25击，单位体积击实功能为592.2 kJ/m3)，最大干密度为1.81 g/cm3～2.00 g/cm3，最优含水率为(10.0～14.6)%，试验成果见表2。

表2 土料物理性试验成果表

1.2 土样的基本化学性质

对该项目河水水质简分析可知，水样类型为重碳酸盐氯化物钙镁水(C-Cl-Ca-Mg)，pH值为8.06，偏碱性，见表3。

表3 河水水质简分析成果表

2 土样黏土矿物成分分析

由于黏土矿物是促使土料分散的主要因素之一，而黏土矿物主要存在于土的2 μm胶粒组中，因此在研究黏土矿物组成时需要从土样中分离和富集，因而对5组土样采用物理化学分散法，分离和富集小于2 μm胶粒部分，委托相关单位进行X衍射分析。由附后检测报告可知：5组土样的黏土矿物成分主要为石英、高岭石、绿泥石、伊利石、长石。

3 试验方法

试验依据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251-2015)中介绍的分散性针孔试验、碎块试验、双密度计试验、孔隙水阳离子试验综合评判土样的分散性。

3.1 针孔试验

TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五组土样采用蒸馏水冲蚀，TK40土样在1020 mm水头下冲蚀5 min，冲蚀后土样中间形成了直径1.0 mm的通道，最终流量为4.5 mL/s，流出水水色透明；TK41土样在1020 mm水头下冲蚀5 min，冲蚀后土样中间形成了直径1.0 mm的通道，最终流量为6.1 mL/s，流出水透明；TK42土样在1020 mm水头下冲蚀5 min发生了冲蚀破坏，冲蚀后土样中间形成了直径3.0 mm的通道，最终流量为10.1 mL/s，流出水较混浊；TKT1-13土样在50 mm水头下发生了冲蚀破坏，冲蚀后土样中间形成了直径3.0 mm的通道，最终流量为5.2 mL/s，流出水混浊；TKT2-18土样在50 mm水头下发生了冲蚀破坏，冲蚀后土样中间形成了直径3.0 mm的通道，最终流量为1.4 mL/s，流出水混浊。依据针孔试验评价土的分散性标准，TK40、TK42、TK41两组土样评价为非分散性土，TKT1-13与TKT2-18两组土样评价为分散性土。

TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五组土样采用河水冲蚀，TK40土样在1020 mm水头下冲蚀5 min，冲蚀后土样中间形成了直径1.0 mm的通道，最终流量为3.0 mL/s，流出水水色透明；TK41土样在1020 mm水头下冲蚀5 min，冲蚀后土样中间形成了直径1.0 mm的通道，最终流量为3.2 mL/s，流出水透明；TK42土样在1020 mm水头下冲蚀5 min，冲蚀后土样中间形成了直径1.0 mm的通道，最终流量为4.5 mL/s，流出水透明；TKT1-13土样在50 mm水头下发生了冲蚀破坏，冲蚀后土样中间形成了直径3.0 mm的通道，最终流量为4.1 mL/s，流出水混浊；TKT2-18土样在50 mm水头下发生了冲蚀破坏，冲蚀后土样中间形成了直径3.0 mm的通道，最终流量为1.1 mL/s，流出水混浊。依据针孔试验评价土的分散性标准，TK40、TK41、TK42三组土样评价为非分散性土，TKT1-13与TKT2-18两组土样评价为分散性土。

5组土样采用蒸馏水和河水进行针孔试验，TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18最终水头虽未发生变化，但是最终冲蚀孔径和最终流量都相应变小。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，抗冲蚀能力较蒸馏水冲蚀时的提高。

3.2 孔隙水阳离子试验

经过试验可得：TK40钠离子含量百分数为62.08%，TK41钠离子含量百分数为48.58%，TK42钠离子含量百分数为68.26%，TKT1-13钠离子含量百分数为75.03%，TKT2-18钠离子含量百分数为68.21%，，TDS为196.88 mmol/L～415.96 mmol/L，5组土样中TK40、TK42、TKT1-13、TKT2-18判定为分散性土；TK41判定为过渡性土。

3.3 碎块试验

TK40、TK41、TKT1-13、TKT2-18土样采用蒸馏水进行碎块试验，土块水解后在量杯底部很快扩散，分散析出雾状胶粒，水呈雾状，水色混浊，许久不清，依据碎块试验判定标准评价为分散型性土。TK42土样采用蒸馏水进行碎块试验，土块水解后在量杯底部以细粒状平堆，分散析出雾状胶粒，15 min后雾状回落，水色清亮，依据碎块试验判定标准评价为非分散性土。

3.4双密度计试验

TK42、TKT1-13、TKT2-18土样双密度计试验分散度为9.8%～17.8%，判定为非分散性土；TK41双密度计试验分散度为37.8%，判定为过渡性土；TK40双密度计试验分散度为64.7%，判定为分散性土。

综上所述，分散性针孔试验、碎块试验、双密度计试验、孔隙水阳离子试验结果及判定汇总见表4。

表4 分散性试验成果表

3.5 成果分析

(1)因为分散性土的研究在国内只有几十年时间，鉴定分类方法尚不成熟，而本次试验对5组土样进行分散性针孔试验、碎块试验、孔隙水阳离子试验、双密度计试验，依据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251-2015)中分散性判别标准，而在实际判别过程中，发现不同的试验往往会给出不一致的判别结果[2]，因而分散性土评价应综合判定。

由于针孔试验模拟了通过天然土体的集中渗流的冲蚀试验，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是一种比较可靠的鉴别黏土分散性的试验方法。因此本次试验判定以针孔试验、碎块试验为主，结合孔隙水阳离子试验、双密度计试验及黏土矿物X-衍射分析结果进行综合判定。

TK40、TK41、TK42土样中大于0.075 mm砂粒含量为47.3%～65.3%，0.075 mm～0.005 mm粉粒的含量为22.0%～32.7%，小于0.005 mm的黏粒含量为12.7%～20.0%，小于0.002 mm的胶粒含量为6.7%～12.0%，分别为粉土质砂(SM)、含砂低液限粉土(MLS)。从针孔试验冲蚀孔径、冲蚀现象、最终流量及黏土矿物以石英、高岭石，绿泥石，伊利石为主，该三组土样综合判定为非分散性土。

由TKT1-13与TKT2-18两组土样颗粒分析试验成果可知，土样中大于0.075 mm砂粒含量为0.4%～3.4%，0.075 mm～0.005 mm粉粒的含量为70.1%～77.1%，小于0.005 mm的黏粒含量为22.5%～26.5%，小于0.002 mm的胶粒含量为12.5%～16.0%，均为低液限粘土(CL)。TKT1-13和TKT2-18两组土样针孔试验、孔隙水溶液试验、碎块试验均判定为分散性土，两组土样黏土矿物以石英、绿泥石，伊利石、长石为主，对土料分散无促进作用，TKT1-13与TKT2-18两组土样不耐冲蚀主要是因为土样中粉粒含量相对较高，该两组土样综合判定为过渡型土。

(2)TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五组土样自由膨胀率为7%～16%，无膨胀潜势，对土的分散无促进作用。土料黏土矿物主要为石英、高岭石，绿泥石，伊利石、长石，对土料分散无促进作用。5组土样孔隙水阳离子试验结果钠离子百分数为48.58%～75.03%，其中TKT1-13与TKT2-18溶液中钠离子百分数含量较高，分别为75.03%、68.21%，有条件置换颗粒表面扩散层中间的钙离子，使扩散层增厚，对土料分散有促进作用，导致土料不稳定。

(3)采用河水进行针孔试验和采用蒸馏水进行针孔试验相比，土样冲蚀最终水头虽然没有变化，但是由土样最终流量、最终孔径有所减小，这些都说明了河水中的钙离子置换了土粒双电层内的部分钠离子，河水的使用提高了土料的抗冲蚀能力，对土样的分散有一定的抑制作用。

4 结论

由上述试验可知，某水利水电工程中TK40、TK41、TK42三组土样综合判定为为非分散性土，TKT1-13与TKT2-18两组土样综合判定为过渡型土，且五组土样无膨胀潜势，所含黏土矿物成分对土料分散无促进作用。但TKT1-13与TKT2-18两组土样高含量的钠离子对土料分散有促进作用，使土料不稳定。所以，采用河水中的钙离子置换部分钠离子，提高土料的抗冲蚀能力，可有效防止土样分散。