陕西泾阳某黄土滑坡土的分散性试验研究

郑文杰，蒋 鑫，吕玉蒙，张 励，吴艾芳

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055)

20世纪50年代，澳大利亚首次发现分散性土的存在，因其在水的作用下会出现土体颗粒分散的显著特点而被称为分散性土[1-2].分散性土会引起溃坝、路基失稳、管涌等工程危害，如美国俄克拉何马与密西西比两州的土坝[3]、西班牙的圣胡安水库大坝[4]、黑龙江引嫩工程[5]、海南省三亚市的岭落水库[6]、山西上马水库土坝[7]都因使用了分散性土作为筑坝土料，从而发生洞穴、管涌及溃坝的危害.因此对分散性土的研究成为近些年岩土工程领域的重要课题之一.

众多学者为确定土的分散等级做了大量的工作，其中针孔试验方法能直观地模拟土体在渗透水流的作用下产生的冲蚀现象，定量的判别土样的分散性，具有一定的工程现实意义，被认为是较为可靠的鉴别方法[21].因此，基于以上研究，本文以陕西泾阳某地区土样为研究对象，利用针孔试验和综合判别标准确定土的分散性.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本研究所用土样采样地点为陕西省泾阳县某滑坡处，图1为试验用土的粒径分布曲线，表1为土的物理性质.根据ASTM标准，土壤分类符号为CL.

图1 试验用土的粒径分布曲线

表1 土的物理性质

1.2 针孔试验

1.2.1 方法原理

针孔试验是在特制的试验装置中，在呈圆柱形的试样中心穿一直径为1.0 mm轴向细孔，然后用水进行渗流试验，在不同的水头下观察针孔受流水冲蚀的情况，记录水流流量、颜色、孔径尺寸，据此判断土样的分散性.

1.2.2 试样制备和仪器设备

本试验采用风干后的扰动土，土样通过2 mm筛，去掉粗砂或砾石颗粒，所用含水率为最优含水率13.54 %，所用密度采用最大干密度的96 %.试样通过压样仪分五层压实，试样最终高度为38.1 mm，直径33 mm.

针孔试验装置图如图2所示，包括：有机玻璃管、拉杆、螺丝、前后面板、砾石、金属网片、进水口、出水口、测压管、密封圈、塑料软管、孔径1.5 mm，高度12.7 mm的锥体、水箱、5 ml，10 ml，25 ml，50 ml，100 ml的量筒、直径1 mm,长约50～70 mm的硬钢丝.

图2 针孔试验装置示意图

1.2.3 试验操作步骤及注意事项

首先用手指压力把小锥体推进试样顶部.用硬钢丝通过小锥体穿孔，穿透后旋转硬钢丝4～5次拔掉，使针孔干净、畅通.

在针孔试验圆筒内的试样上部下部放置金属网和砾石块，装配仪器，连接进水管.在50 mm水头下，水流透过针孔，每级水头时间间隔5～10 min.用秒表和量筒连续测量流量并记录时间，通过侧视和顶视观察量筒中水的颜色，将水的颜色分为很浑浊，浑浊，较混浊，轻微浑浊，肉眼可见，清澈和完全清澈7个等级.

试验结束后，拆卸仪器，取出土样，切开试样检查针孔大小，将针孔大小与使用的硬钢丝比较，近似测定孔洞尺寸，并对侵蚀后试样的针孔、量筒中水的颜色拍照记录.

对于坚硬的原状土样，由于插入小锥体的缘故可能破坏试样，可去除小锥体.本研究所用试样为扰动土，插入小锥体对试样未产生影响.试样经过风干后采用最优含水率来配制.由于流量在试验过程中的测定存在较大难度，鉴定标准有时可以不用考虑流量的变化，而仅仅考虑水流颜色和针孔的变化.试验结束后如果发现针孔呈喇叭口形，建议对针孔的出口处进行保护处理，防止产生误判.为接近场地的实际情况，本试验采用自来水进行试验，而非采用蒸馏水.

1.3 分散性土判别方法

在第二节所述试验方法的基础上，需要运用针孔试验的判别法则来对土样的分散性质进行严谨明晰的判断，图3所示的判别流程图是在笔者对判别法则进行了少许简化后的结果.

图3 针孔试验判别标准流程图

(1)在50 mm水头下.

(a)从50 mm水头开始试验(没有水流时，停止试验，重新穿孔)；

(b)分散性土与非分散性土的主要差异以50 mm水头下的试验成果来判定.在50 mm水头下试验进行5 min.在5 min末，如果水流很浑浊，流量不断地增加，达到了约1.0～1.4 mL/s，停止试验；

(c)拆开仪器，取出并切开土样，测量针孔的直径变化与硬钢丝比较.若5 min后孔径大于等于原孔径两倍，列入强分散性土类(D1).如果流量和针孔孔径矛盾，则重新试验；

(d)如果50 mm水头下的水流浑浊，过了5 min，侧视浑浊颜色明显且流量没有超过1.0 mL/s，继续试验5 min；

(e)如果10 min末，水流依然浑浊，停止试验，测量针孔直径的变化.如果流量约1.0～1.4 mL/s，试验后针孔直径大于原来的1.5 倍，就列入分散土(D2)；

(f)如果10 min末，水流轻微浑浊，停止试验，测量针孔直径的变化.如果流量约0.8～1.0 mL/s，试验后针孔直径小于等于原来的1.5倍，就列入过渡性土(ND4)；

(g)如果10 min末，水流清亮或稍微有浑浊，而且流量约0.4～0.8 mL/s，将水头提高至180 mm，进行下一阶段试验.

(2)在180 mm水头下.

(a)180 mm水头下，水流颜色明显较为浑浊而且流量增加速度较快增至1.4～2.7 mL/s，停止试验，测量针孔.如果试验后针孔大于等于原来针孔的1.5倍，则列入过渡性土(ND3)；

(b)在180 mm水头下，5 min后如果水流依然很清澈，或有肉眼可见的土粒，流量约0.8～1.4 mL/s，则将提高水头到380 mm，继续进行试验.

(3)在380 mm水头下.

(a)在380 mm水头下，5 min后如果水流逐渐变浑浊，或流量增加到约1.8～3.2 mL/s,则列入过渡性土(ND3)；

(b)在380 mm水头下，5 min后如果水流是很清澈的，流量约1.0～1.8 mL/s,则提高水头到1 020 mm.

(4)在1 020 mm水头下.

(a)在1 020 mm水头下，5 min后如果水流明显有些颜色或流量超过3.0 mL/s,列入非分散性土(ND2)，否则列入非分散性土(ND1)；

(b)非分散土(ND1)在1 020 mm水头下，流量一般小于3.0 mL/s，试验结束时针孔直径不发生较大变化.

2 针孔试验结果

本研究对50 mm水头下的三组重复试验进行结果分析，拍摄实物土样在固定水头作用固定时间后的侵蚀破坏形态，对侵蚀后孔径尺寸进行观测，记录烧杯所呈溶液分别在侧视、顶视下的浑浊程度，最终进行分散性判别，如表2所示.

表2 针孔试验结果记录表

50 mm水头下的三组试验开始5 min后，水流体积分别为175 mL，180 mL和130 mL，流量分别为0.6 mL/s、0.6 mL/s、0.4 mL/s，远未达到1.0～1.4 mL/s，因此进行下一个5 min.在10 min末，土样1流量达到0.9 mL/s，水流颜色轻微浑浊；土样2流量达到0.4 mL/s，水流颜色浑浊；土样3流量达到0.01 mL/s，是因为土样发生了孔道堵塞，但此时水流颜色变得浑浊，因此停止试验.切开试样后测量孔径，土样1、2、3的孔径分别为3～4 mm、4 mm、1.5～2 mm，大于原来孔径的1.5倍，依照第2节的判别标准，将本试验用土列为分散土(D2等级).

3 分析与讨论

从前一章节的试验结果可知，本试验用土为分散土(D2等级).但单一的试验判别难免缺乏说服力，因此为得到更严谨的结论，笔者采用了相同的土样进行孔隙水可溶性阳离子试验，判别结果如表3所示.

表3 孔隙水可溶性阳离子判别结果

判别结果依下列公式计算而得.

(1)

PS=CNa+/TDS

(2)

以TDS为横坐标，PS为纵坐标在半对数坐标图中绘制PS与TDS关系曲线图.

如图4所示，若土样落在A区，为分散性土；落在B区，为非分散性土；落在C区，为过渡性土.因此可以判别本试验用土为分散性土.

图4 土的分散性与TDS、PS的关系

为了使针孔试验判别更具说服力，笔者参照了其他学者的试验结果，采用物理性质相近的土样进行比对.若干试验结果列于表4.

表4 其他试验结果

结合表格归纳可得针孔试验具有代表性，其工程现实意义十分重要，前人所完成的大部分试验，无论土样差异如何，选用单一的判别方法或综合判别(已有较多不同的试验方法所得结果不完全相符的现象[26])，都以针孔试验结果为最重要指标之一.

表格所摘取的试验所用土样物理性质与本试验接近，具有对照意义.上述试验判别为过渡性土或非分散性的土样分组中，钠离子的析出浓度及其在可溶性阳离子中的占比低，而本试验土样的钠离子占比高，接近87%，在此笔者认为土中钠离子含量与土体分散性有密切联系.以往一些学者在土体组成影响分散机制上做了大量工作，提出了一系列解释.一类观点是：土体中含有一定量的特定矿物成分，且少胶结物质同时具有较强碱性[27].笔者认为，这类分散机制解释仍有待完善之处，表格所摘取的试验亦有矿物成分分析，但未发现某种特定矿物对于分散性的决定性意义，相反，矿物成分相差大的土样却表现出相近的分散性.同时，判别为分散性土样的大多具有较强碱性，根据孔隙水阳离子试验分析结果，土体呈碱性与高钠土联系紧密[28]，因而，钠离子对分散机制的影响本质值得进一步探究.也有学者从物理性质及化学性质两个不同的方面来分析分散机制，并认为化学性质的影响在分散性判别中发挥了更强的作用，物理性质则是在非分散性中更为明显，两者作用程度相近时结果为过渡性土，提供了一个更为全面的研究视角.与这类解释相似的是：土体的某些物理组成提供了有利于土体在水中发生分散的，具有一定pH值的液体环境，并且含有大量可交换钠离子等因素[29]，进而加速分散过程[30]；矿物组成对分散性的影响不能以含量多少来线性考虑，土体所处液体环境具备一定的pH值与高Na+为加剧分散性的本质要素[31].

本试验对所用土样进行了物理性质分析，且在50 mm水头下进行了多组针孔试验及孔隙水可溶性阳离子成分分析，即得到明晰的判别结果，对照物理性质、钠离子含量相近的其他试验，结果相差不大，同时我们也发现有些试验分组被判别为过渡性或非分散性土.在一定意义上可以说明钠离子占比高、土体呈强碱性是更为重要的影响因素，物理性质不能作为决定性的影响因素，高浓度钠离子的存在及有利于离子交换的矿物组成、化学环境，使得土体颗粒间的排斥势能显著增大.于是，加速了与水体的接触和反应，水体的物理剥蚀及化学侵蚀也得以更快更充分地进行[32].采取这类解释较为契合本试验结果.本试验仍然具有局限性，针孔试验虽然有效模拟了一定条件下的工程实际情况，但却难以反映最为主要的影响因素，分散机制需要对照大量的相似或对比试验来加以探究.

4 结论与展望

以陕西泾阳某地区黄土为例进行一系列的针孔试验，判断其分散性，得出以下主要结论：

(1)本次针孔试验选取具有代表性50 mm水头下的三组重复试验结果进行分析，由于流量在试验过程中难以测量准确，所以，在鉴定标准中有时可以不用考虑流量的变化，本次试验仅对水流颜色和针孔侵蚀破坏形态进行分析.三组试验均呈现侧视较浑浊，顶视浑浊程度深，最终孔径为原来的1.5倍，由此得出该土样为D2等级的分散性土；

(2)孔隙水可溶性阳离子试验表明土体在水中分散时，可交换钠离子含量高，达到86.9 %，在TDS-PS分区图中划归为分散性土.可能的原因为钠离子含量高时土体颗粒间电子层增厚，排斥力大于粘聚力等吸引力；

(3)针孔试验具有分散性影响因素不凸显，分散机制需要大量对照组加以解释等局限性，应结合更多物理化学成分分析或结合碎块试验、双比重计试验等进行综合分析较宜.孔隙水阳离子试验具有试验结果明确，但同时在分散性土与过渡性土间的区别力度不够，需同其他类型试验相佐证；

(4)本试验中土样分散机制的最重要因素为高浓度可交换钠离子及强碱性环境，矿物组成等其他物理性质不能作为决定性因素，但其创造了合适的化学环境以加快土体在水中的分散过程.