吉林西部分散性土改性处理试验研究

朱艳宝，于仲离，郑健，苏安双，王宇

1.中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130033；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080

0 引言

20世纪30年代美国土壤保持局土壤学者率先认识到分散性土的存在并提出分散性土的概念。但直到20世纪50年代澳大利亚、美国等国家修建的一些土坝由于分散性土管涌破坏而垮坝[2]，才引起工程界对分散性土研究的重视。我国黑龙江省70～80年代兴建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程时，因采用分散性土填筑而导致输水渠道出现大量雨水淋蚀洞穴和管涌破坏[3-4]，系我国首次发现分散性土对工程产生的严重破坏，并就此开展了较为系统的研究。此后，在我国吉林、海南、浙江、山东、宁夏、新疆等省和自治区相继都有发现[5-10]，分散性土的判定、治理和工程应用研究得到了进一步丰富和发展。

按照现行《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)中相关规定，分散性土不宜作为坝的防渗体填筑料，不得不采用时应根据其特性对采取的相应处理措施进行论证；经处理改性的分散性黏土仅可用于填筑3级堤坝的防渗体。因此，吉林西部松原地区蓄水调蓄工程采用改性分散性土填筑2级均质土坝属于突破行业规范规定的创新设计，其改性处理效果直接影响整个工程的成败。本文采用“石灰+粉煤灰”改性处理方案，对不同胶凝材料掺配组合的改性效果进行分析评价，提出土料筛选、胶凝材料优选及配合比优化建议，为分散性土治理和工程应用提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 原材料及配合比

试验所用原材料包括L1、L2料场土样，以及熟石灰、生石灰和粉煤灰等备选胶凝材料，其中L1料场土样4种，包括L1-1强分散性土、L1-2强分散性土、L1-3强分散性土和L1-4分散性土，见图1；L2料场土样2种，包括L2-1分散性土、L2-2分散性土，见图2；熟石灰4种，包括熟石灰1(A厂)、熟石灰2(A厂)、熟石灰3(B厂)和熟石灰4(C厂)，见图3；生石灰1种(C厂)，见图4；一级粉煤灰1种，见图5。

图1 L1料场土样

图2 L2料场土样

图3 熟石灰

图4 生石灰

图5 粉煤灰

以设计提出的现场碾压控制参数作为试验制样干密度和含水率，其中L1料场土样：干密度1.72 g/cm3，含水率15.8%；L2料场土样：干密度1.68 g/cm3，含水率17.4%。采用“石灰+粉煤灰”改性处理方案，其中石灰和粉煤灰的质量掺比为1∶2，石灰和粉煤灰总掺量为6%、8%和10%[11]，配合比设计见表1。

表1 分散性土改性处理配合比设计

1.2 针孔试验方法

针孔试验[11-12]按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2015)和《Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test》(ASTM D4647/D4647M-13)的相关要求和方法步骤执行，用蒸馏水沿土样1 mm针孔从水平方向进行50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm四级水头渗透试验，模拟土体裂隙在水流作用下的冲刷过程，根据水色、流量和孔径的变化判别土样在控制干密度和含水率条件下的分散性，判别标准见表2，试验装置见图6。

表2 针孔试验评价土的分散性标准

图6 针孔试验装置

1.3 渗透试验方法

渗透试验[13]按照《土工试验方法标准》(GB50123—2019)中16.3变水头渗透试验相关要求和方法步骤执行，按预定时间间隔测记水头、时间的变化和水口的温度，连续测记2～3次，变换水头管水位高度，重复试验5～6次，测定土样在控制干密度和含水率条件下的渗透系数。

2 结果与分析

2.1 不同胶材组合对分散性土的改性效果

表3～表5分别为胶凝材料总掺量为6%、8%和10%的改性分散性土针孔试验结果。由表3～表5可知，L1、L2料场的6种分散性土样在不同胶凝材料(石灰+粉煤灰)掺配组合下，只有L1-4-1、L1-4-2、L1-4-3、L2-2-生土样判定为非分散性土，达到预期改性效果，见图6。其余土样未加载到1 020 mm水头就已发生冲蚀破坏，水色浑浊、水量超标、针孔变大，判定为高分散性土、分散性土或过渡性土。试验结果表明，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3能够有效抑制L1-4土样的分散性；对于L2-2土样，生石灰比熟石灰的改性效果更为明显。

2.2 不同胶材总掺量对分散性土的改性效果

由表3～表5可知，同种胶凝材料掺配组合随着总掺量的增加，L1-1、L1-2、L1-3土样的分散性没有发生明显变化，判定为高分散性土或过渡性土；L1-4土样始终判定为非分散性土；L2-1、L2-2土样的分散性有所减弱，由分散性土D2或过渡性土ND4转变为过渡性土ND3。试验结果表明，掺加6%的胶凝材料就能够有效抑制L1-4土样的分散性，达到预期改性效果；对于L2-1、L2-2土样，相较于继续增加胶凝材料总掺量，采用生石灰替代熟石灰能够获得更高的改性效率。

表3 改性分散性土针孔试验结果(总掺量6%)

表4 改性分散性土针孔试验结果(总掺量8%)

表5 改性分散性土针孔试验结果(总掺量10%)

图7 针孔试验结束时土样孔径和水色(总掺量6%)

2.3 改性分散性土的渗透性能

表6为胶凝材料总掺量为6%、8%和10%的改性分散性土渗透试验结果。由表6可见，L1、L2料场的6种分散性土样在不同胶凝材料(石灰+粉煤灰)掺配组合下，渗透系数均小于1×10-4cm/s，满足填筑土料设计要求；同种胶凝材料掺量组合随着总掺量的增加，其渗透性能没有发生明显变化，大部分试样的渗透系数还保持在同一量级。试验结果表明，通过掺加胶凝材料进行改性处理对分散性土的渗透性能影响甚微。

表6 改性分散性土渗透试验结果

3 结论

(1)在室内实验条件下，采用“石灰+粉煤灰”改性处理方案，胶凝材料总掺量控制在6%时，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3均能有效抑制L1-4土样的分散性，达到预期改性效果。

(2)对于L2-1、L2-2土样，相较于继续增加胶凝材料总掺量，采用生石灰替代熟石灰进行改性处理，可在最低胶凝材料总掺量下达到预期改性效果，其改性效率更高。

(3)鉴于其它土样在不同胶凝材料(石灰+粉煤灰)掺配组合和总掺量(6%、8%、10%)下，改性效果都欠佳，不建议作为填筑土料使用。

(4)本次试验成果，应用于吉林西部松原地区蓄水调蓄工程分散性土的改性处理，处理效果良好，为类似工程分散性土的改性处理提供了可靠的基础资料。