刚果（金）南部湿陷性土的分散性研究

2022-04-07张诏飞

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2022年2期

陈括，郑宏，张诏飞，，席伟

（1.廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北廊坊 065000；2.中铁资源集团有限公司中心试验室，河北廊坊 065000）

分散性土，是指土中所含黏性土颗粒在水中散凝呈悬浮状，易被雨水或渗流冲蚀带走引起破坏的土。一般来说，分散性土含有较多的钠离子，具有低的耐冲蚀性、低的抗剪强度和抗渗性能，较强的收缩膨胀潜势［1］。分散性土的分散主要是由土和水两方面因素决定的，在盐浓度低的水中，分散性土迅速分散，造成工程破坏，随着水中盐浓度的增加，分散程度逐渐减小，当盐浓度达到一定程度时，分散性土就不再分散。

美国在20 世纪50 年代，分散性土首先为水利工程所发现，防洪土坝因土体分散而发生管涌破坏，造成溃坝事故［2-3］。在我国，20 世纪70 年代，黑龙江南部引嫩工程17 号土坝因采用分散性黏土做筑坝材料，几年之内在坝顶、坝身发现几百处孔洞，在上下游边坡出现大量冲沟［4］。鉴于分散性土对水利工程造成的巨大隐患，各国岩土科研人员相继开展了分散性机理和鉴定方法研究工作。一般认为，分散性土的分散性与其中高含量的交换性钠离子和土颗粒表面电化学性质直接相关［5-6］。FAN 等通过对黏性土分散机理的研究，总结出黏性土分散性判别的经验公式标准［7］。关于分散性土的鉴别，国内尚没有明确的标准，但普遍认为应从野外鉴别开始，从是否有冲沟、孔洞和浑浊的水底等现象发现分散性土的发育，下一步在室内进行双重比重计试验、碎块试验、针孔试验、可溶盐试验、交换性钠离子百分比等试验，从定性、定量方面鉴别，确定分散性土的发育程度。

刚果（金）南部的卢弗里安弧成矿带是世界上主要的铜矿发育带，近年来，随着中国与非洲“资源换基建项目”和“一带一路”国家战略的持续深入推进，中国企业纷纷进入当地投资资源矿山，进行矿山建设。其中，尾矿坝因安全隐患较大，建设周期较长，建设成本在基建总成本中占比较重，因此成为矿山建设中的一项重大工程，当地湿陷性土的分散性问题也逐渐展现在岩土工程技术人员面前，成为必须解决的问题。

1 分散性的野外识别

在刚果（金）南部的SCM、KFM、TFM、CML、MKM 等中资矿山及BSG 水电站项目前期调查过程中发现，在地形起伏地段的风化岩土体中发育有空洞和冲沟，与分散性土的冲蚀破坏情形相似。下雨后路旁的水沟、水坑和河道里流的水都是浑浊的，水流过后水坑里的水仍然是浑的，长久不会澄清［8］。水坑干涸后坑底会留下很细的粘土沉积，干后会出现龟裂。在有坡度的地方会出现冲沟和孔洞等异常冲蚀形式的表面迹象，如图1 所示。这些特点均符合分散性土的野外识别特征。

图1 降雨前（左）后（右）边坡面对比

2 分散性的定性判别

2.1 矿物成分

分散性黏土遇水分散是自身物化性质的综合体现，所研究的湿陷性土为风化土壤在淋滤条件下形成，主要矿物成分为高岭石，土粒间的吸引力较大，钾、钠离子的含量偏低，土粒表面扩散双电层发育程度较低。且土体渗透系数较大，一般在10-4cm 量级，这些特征均与分散性土不同。通过对取自不同矿区的试样进行的岩矿分析，结果如表1 所示。

表1 土壤成分分析表%

表1 试验结果表明：土样中主要矿物成分为氧化硅，含量占总重的一半以上，氧化钠的重量仅在0.1%左右，这种含量水平能否造成土体的分散性尚需进一步判别。

2.2 自行分散能力

分散性土是一种能在纯净水中大部分或全部自行分散成原级颗粒的粘性土。通过应用激光粒度仪对试样进行颗粒分析，进行加分散剂（浓度4%六偏磷酸钠）和不加分散剂两种条件下的对比试验，验证研究样品的自行分散能力，结果如表2 所示。

表2 两种条件下的颗分结果g

表2 试验结果表明：在加分散剂后，各粒组的土粒质量并未发生明显改变，可见样品土粒中团粒表面的铁铝氧化物薄膜的水溶性较差，在催化剂条件下仍未发生明显的破坏。

2.3 碎块试验

碎块试验是指将土体放入水中，以其中胶体颗粒析出水平判断土体的分散能力。该方法简单易行，室内室外均可操作，但缺乏定量标准，对试验分析人员的经验水平要求较高。FAN 在《ASTM D6572-00碎块试验》中指出了碎块试验评价土分散性的标准［7］。

本文将取自不同矿区的土样在天然状态下制成1 cm3的土块，放入200 mL 蒸馏水中，观察其崩解、析出状况。其中典型样品的试验结果如表3 所示。

表3 碎块试验判别结果

表3 试验结果表明：所取土样在水中的崩解、析出程度较弱，分散能力微弱，主要为非分散性土，少量分散性稍高的土样，可划分为过渡性土。

从以上野外鉴别和初步的定性试验判别结果来看，刚果（金）南部发育的湿陷性土虽然表现出分散性土的特征，但从矿物成分和自行分散能力上看，可能不足以产生影响工程的分散性，尚需定量判别，进一步确定其分散能力。

3 分散性的定量判别

3.1 孔隙水阳离子试验

孔隙水阳离子试验通过测试溶液中阳离子含量，反映土粒表面双电层的发育程度，与黏性土的分散机理契合度高，因此成为分散土鉴定时的保留项目。将野外采集的土样加蒸馏水调配至液限状态，再用离心机处理后得到试验所需的孔隙水溶液，测定其中Ca2+、Mg2+、Na+、K+等4 种阳离子的含量，计算阳离子总量TDS（Ca2+、Mg2+、Na+、K2+4 种阳离子含量之和）和其中Na+含量百分比，通过相关标准判断试验土体的分散性，如表4 所示。

表4 孔隙水阳离子试验结果

表4 为取自不同矿区的湿陷性土样孔隙水阳离子试验结果，土样的阳离子总量在16.94～23.53 mmol·L-1·n-1之间，钠在6.88 %～9.90 %之间，Na+含量在阳离子中处于较低的状态，Ca2+、Mg2+高价离子处于较高水平，土粒表面双电层的形成将受到抑制，土体将不易发生分散。参照我国《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251-2015）介绍的判定标准［9］，以上土样均为非分散性土。

3.2 交换钠离子百分百试验

交换钠离子百分比试验是在在一定条件下测定土壤中释放出的交换阳离子，如Ca2+、Mg2+、Na+、K+等，其总量称之为阳离子交换量（CEC），其中的钠离子含量百分比（ESP）小于7%时，为非分散性土；含量大于15 %时为高分散性土；其余为中等分散性土。本文采用醋酸钠溶液淋洗试样，再用火焰光度法测量阳离子交换量，试验结果如5 所示。

表5 试验结果表明：试样中交换性阳离子百分比处于较低水平，含量均小于7 %，遇水时不足以提供足够多的电荷，使得土粒表层形成双电层，造成土体分散。按相关标准，该试验可判定试样为非分散性土。

表5 交换钠离子百分比试验结果

3.3 经验公式判别

FAN 等［7］总结的经验公式为

式中：F 为计算分散值，WL、Pc、Ps、pH 分别为试验所得液限、黏粒含量、钠离子百分比和酸碱度。

通过对湿陷性土样所做的物理性质试验及易溶盐试验数据，进行分散土经验公式计算，分散值均小于4，认为试样为非分散性土；结果如表6 所示。

表6 分散性经验公式计算成果

3.4 双比重计法

双比重计试验是美国水土保持局（SCS）首先推荐使用的。该试验是对土样进行两次比重计试验来测定粘粒（＜0.005 mm）的含量，第一次是常规的加分散剂煮沸的方法，得一条颗粒级配曲线；第二次是不煮沸不加分散剂，先将风干土放在盛有纯水的抽滤瓶中，与真空泵相连接，抽气10 min，然后把土-水悬液冲洗到量筒中，加纯水至1 000 mL。倒转量筒来回摇晃1 min，约30 次，让粘土颗粒自行水化分散，得到另一条颗粒级配曲线。根据求得的两次粘粒（＜0.005 mm）含量，用下式求分散度

其判断标准为：非分散土：分散度＜30 %；过渡性土：分散度30 %～50 %；分散性土：分散度＞50 %

根据刚果（金）当地的实验条件，第一次比重计试验按《土工试验方法标准》添加浓度4%六偏磷酸钠做为分散剂并煮沸后进行测试［10］。得到级配曲线见图2 中曲线1。第二次试验以现场激光粒度仪进行的不加分散剂条件下的试验代替，得到级配曲线见图2 中曲线2。试验条件与《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251-2015）中介绍的双比重计法基本相同［9］，可采用相关标准进行判断。

图2 双比重计（类似）试验图

由图2 可知：在加分散剂并煮沸的条件下，颗粒成分发生显著变化，具体表现为团粒被打开，土颗粒变得更细，细颗粒含量增加，从最粗粒组（2～5 mm）到最细粒组（＜0.005 mm），含量占比增加值从3 %增加到10 %以上。黏粒含量（＜0.005 mm）从5.7 %增加到17.8 %，计算分散度为32 %，其他对比试验的分散度大多在30 %左右，说明刚果（金）南部的湿陷性土为非分散性土，或者分散性很弱的过渡性土。

4 小结

本文分别从野外调查，矿物成分、自行分散能力、碎块试验、孔隙水阳离子试验、交换钠离子百分比、经验公式及双比重计法等多种角度，对取自刚果（金）南部地区不同矿山的湿陷性土试样进行分散性判定，其结论汇总如表7 所示。虽然在野外具有一般分散性土鉴别的特征，但多数试样在各种判别方法下，均为非分散性土，仅有个别试样在个别方法中判定为分散性很弱的过渡性土。基于此，可以确定，刚果（金）南部地区的湿陷性土不具有分散性。