分散性土的鉴别方法与处理措施

张 蕊，李亚军，徐铁铮

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 712000）

1 前言

分散性土属于一种遇水反应较为敏感的特殊土,目前认知范围内此类土广泛分布在干旱或者半干旱地区。自20 世纪50年代在美国发现了分散性土后,国内外研究人员对分散性土的产生原因、如何评价、工程特点与应用做了大量的工作,对于分散性土有了一定的认识。本文依托陕西省水利计划项目《筑坝黄土料的分散性试验研究》,以陕西省广泛分布的黄土为研究对象,在大量的试验数据基础上,重点研究分散性土的野外与室内试验方法,分析鉴别分散性土。从分散性土的机理入手,研究分散性土的改性问题。

2 分散性土的鉴别方法

2.1 野外调查

确定料场是否为分散性土的第一步要进行野外调查,野外调查要通过细致的观察、问询以及结合前期资料综合分析。一般分散性土在野外有以下特征：下过雨的浅洼地或者少量存水的地方,雨水浑浊且经久依然保持浑浊,呈黄色或者咖啡色,水干后底部出现大量黏粒沉积,完全干涸后易产生龟裂；边坡或有坡度的地方产生会产生冲沟、孔洞、冲槽等异常表面现象；在坡底渗出物中近处为粉粒,远处为黏粒；在草木茂盛的护坡面上,雨水过后依然会出现孔洞,且孔洞的直径一般大于10 cm。

当然,仅有野外调查还不能证明料场土一定是分散性土,还需要进行室内试验分析。

2.2 分散性土室内试验鉴别

判别是否为分散性土目前最常用的的方法有：针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验。前两个试验在于判别土是否具有分散性,后三个试验说明分散性原因。

2.2.1 针孔试验

针孔试验是模拟动水环境下土的抗冲蚀能力,通过4 级水头下,水经过1.0 mm 针孔,通过观察水的流量、颜色以及针孔孔径的变化来综合判别土是否具有分散性（针孔试验示意图见图1,判别标准见表1）。

表1 针孔试验判别分散性土标准

图1 针孔试验示意图

图2 土的分散性与TDS、PS 的关系

图3 黏性土双电层示意图

本试验的优点在于能够模拟不同的动水压力下水对于土的作用,易于操作。缺点在于试验用水是纯水,而实际坝体或者渠道水是环境水,而室内试验无法模拟出作用在筑坝材料的环境水。在试验过程中时常会因为砾石使用时间较长而产生石粉,影响到观测水的颜色,还会因装入的砾石过多而扰动土体表面产生误判。在对陕北粉砂土进行针孔试验时发现,装置的砾石实际上会产生反滤料的作用,而影响到结果。在试验时建议：（1）将出水端上方也设置测压管,目的在于更好地排出空气,空气排完立即夹住,减少影响空气在试验过程中的影响。（2）将出水口砾石去掉,在距离针孔边界3 mm～4 mm 边沿环状涂抹502 胶体作为新思路进行试验,既能消除出水端因砾石偶尔的堵塞问题,还能减少扰动造成的误判。（3）将针的末尾磨成直径小于等于1.0 mm,一次性直接穿过土体,减少抽拉过程中的扰动以及带回部分颗粒到试验孔中。

2.2.2 碎块试验

碎块试验是在模拟静水环境下,观察边长为15 mm 的正方形土块在水中胶体颗粒的析出情况来鉴别是否为分散性土。碎块试验的关键在于当土块放置水中时,土块表面附近或周围产生胶粒悬液形成浑浊水,视觉上为“云雾状”,依据云雾状的大小或范围来划分分散性土、过渡性土以及非分散性土（判别标准见表2）。

表2 碎块试验判别分散性土标准

此种方法判断分散性土是五种方法中最简单又最快捷的方法,它也可在工地现场直接进行。缺点在于碎块试验只能定性的鉴别,没有量的指标,而且在鉴定时因个人理解不同,常常因“云雾状”程度把握不够,而容易将分散性土判断成过渡性土或将过渡性土判断成分散性土。

2.2.3 双比重计试验

双比重计试验来自斯托克斯定律,原理是颗粒直径与距离的平方根成正比,与颗粒沉降的时间的平方根成反比,即只要测得颗粒沉降的时间和距离就可以计算颗粒直径。双比重计试验是对土样进行两次比重计试验来测定黏粒（＜5 μm）含量,第一次比重计试验就是常规的比重计试验,在土样中加分散剂、煮沸、搅拌的方法,得到一条曲线；第二次不加分散剂、抽气,然后把土水悬液冲洗到量筒中,加纯净水至1000 mL,采用倒转量筒来回摇晃30 次,得到另一条曲线。将两次测得的黏粒含量以分散度（分散度为非常规试验测定的黏粒（＜0.005 mm）含量与常规试验测定的黏粒含量的比值）来判断是否为分散性土,分散度越大越分散。

需要注意的是,土的酸碱度不同则需采用不同的分散剂,酸性土（pH＜6.5）采用氢氧化钠、中性土（6.5＜pH＜7.5）采用草酸钠、碱性土（pH＞7.5）采用六偏磷酸钠,对于pH＞8.0 的碱性土则采用焦磷酸钠作为分散剂。相关文献中并没有指出分散剂的浓度,故采用何种浓度来进行试验有待进一步研究。

2.2.4 孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比

这两种方法是从化学的角度来分析分散性土的定量特征,在黏土-水-电解质系统中,前者根据PS（钠百分比）和TDS（孔隙水中阳离子总量）之间的关系鉴定。横坐标为TDS纵坐标为PS 在半对数坐标纸中绘制PS 和TDS 关系曲线图,若土样的点在A 区,属于分散性土；在B 区,属于非分散性土；在C 区,属于过渡性土。

后者根据ESP（Exchangeable Sodium Percent,交换性钠离子百分比,即交换性钠离子含量与阳离子交换量的比值）值来判断是否为分散性土。ESP 为7%～10%时,属于分散性土且为中等分散性土；当ESP 大于15%时,属高分散性土,既有严重管涌的可能性。

2.2.5 综合分析土的分散性

针孔试验、碎块试验分别模拟在动水和静水环境下通过试验现象来判别土样是否具有分散性。若两者均为分散性,则土样一般为分散性土；若碎块试验和针孔试验结果不一致时,应以最不利的判别结果作为最终判别结果,但是要注意低凝聚性土（黏粒含量低于10%的土）；两者均为非分散性,土即为非分散性土。双比重计试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验均为解释土的分散性机理。另外,注意双比重计对于盐渍土不适用。

3 分散性土分散机理及处理措施

3.1 分散机理

分散性土的分散性是其固有特征,土的常规物理、力学试验中并不能很好地体现出特有的分散性质。它的分散性特征是一种复杂的物理化学相互作用的结果,经过研究发现,分散性土的形成机理存在几个条件：①黏粒含量较低；②土体中的钠离子存在较多；③土体呈碱性；④低含盐水或纯水为介质。

3.1.1 黏粒含量低

黏粒由于颗粒比较细小,表面积大,黏结力强,因此具有胶结作用,可以将土颗粒胶结起来形成抗蚀性较强的团聚结构。若黏粒含量较多,土体遇水也很难将其团粒结构打开,故黏粒含量高就具有较强的抗水侵蚀性。相反,如果黏粒含量较低,则遇水后抗水蚀能力较低,易分散。

3.1.2 土体中的钠离子存在较多和呈碱性

黏性土结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体,由于Si4+离子和Al3+离子被低价的阳离子替代等原因,使其表面带负电荷,负电荷在吸附阳离子的过程中会产生吸附层和扩项层这两个双电层。土中的阳离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等,从土-水-电解质系统的双电层理论（见图1）可知,土中含有的Na+在电解质系统中的双电层较厚,易使得吸引力小于排斥力而分散。土体呈碱性可使土颗粒表面的负电荷增多,在一定程度上吸附更多的阳离子,导致双电层越厚,使得原级土颗粒之间的斥力大于吸引力,而发生分散的现象。

3.1.3 低含盐水或纯水为介质

水作为介质,是致工程土体分散的重要外因。相关研究表明,较纯净的雨水或河水是土体发生冲蚀破坏的主要因素,含有较多溶解物的河水则对土的分散性具有一定的抑制作用。这也就揭示了某些大坝筑坝用的是分散性土而仍在安全运行的原因。

总而言之,分散性土的分散机理是一个复杂的物理化学综合作用的结果,从单一某种角度并不能很好判断其分散与否。

3.2 处理措施

目前对分散性土的处理措施有物理方法、化学方法、综合处理方法等。

3.2.1 物理方法

主要是通过使用物理隔水或者防止细粒土流失的原理,既然分散性土遇水分散,如果将具有分散性的土与水隔开,就能防止发生分散现象；再者可使用适当级配的反滤料防止细粒流失也是一种很好的方法。目前最常用的有土工膜、反滤料等。物理方法在原理上可解决实际问题,但也要考虑工程经济问题。

3.2.2 化学方法

主要使用的原理是使用水泥、粉煤灰、石灰等改良土的级配,或者通过对水中加入石膏对水质进行改良。通过碳酸盐反应、水解反应、阳离子交换等化学反应来解决土分散性问题。目前化学方法改良是效果最好的改良方法。

3.2.3 综合方法

这个方法主要是将物理和化学方法共同使用来达到处理分散性土的效果,综合考虑环境污染、能源消耗、水泥、粉煤灰增加土体脆性以及运输问题。

4 结语

分散性土是一种复杂的物理化学作用的结果,分散机理研究考虑的影响因素不够全面。目前国内对分散性土判别的仍需多种方法共同来评判。在实际的鉴别试验过程中,经常出现各种方法鉴别的结论不一致的情况,综合鉴别的结论很难确定,或确定缺乏一定的原则性,对此,还应继续进行探索探讨,建议可重点从分散性土的破坏演变过程进行研究。目前分散性土的处理措施也在探索阶段,又因工程经济、环境、方案难易程度等问题的制约,也没有统一的处理原则或方案指导,故处理措施研究的重点要进行综合分析再下定论。