新疆某工程分散性土的综合判别方法

2024-01-26杨海华高鹏展王宁远

水利规划与设计 2024年1期

杨伟，杨海华，高鹏展，王宁远，文军

(1.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西西安 710016；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

0 引言

分散性土是一种特殊土，在低含盐量水或纯水中细颗粒之间的黏聚力大部分甚至全部消失，呈团聚体的土体自行分散成原级的黏土颗粒[1-3]。分散性土遇低含盐量的渗流水时，易产生管涌破坏[4-5]，作为黏土心墙坝的心墙填料时，蓄水初期防渗体可能会发生冲蚀破坏，以及后期堤坝、水渠等结构内部也可能发生冲沟等破坏，影响坝体的正常运行，给工程带来严重危害并造成较大损失[6-9]。在分散性土判定过程中，目前普遍认可的是美国水土保持局提出的5项鉴别分散性土的室内试验方法，即双比重计试验[10]、碎块试验[11]、针孔试验[12]、孔隙水可溶盐试验[13]及交换性钠离子百分比试验[14]。由于我国对分散性土的研究时间较短，关于分散性土的判定尚未形成统一的标准。樊恒辉[15]在实践经验和统计分析的基础上，根据各鉴别方法的特点，分别赋予上述5种鉴别方法不同的权重值，进行综合判别土样的分散性；巨娟丽[16]采用统计分析的方法赋予上述5种鉴别方法不同权重后，并给出定量化的综合判定准则；陶然[17]以黏粒含量为界，指出当黏粒含量低于10%时，采用泥球试验的判别结果作为依据；当黏粒含量不低于10%时，以泥球试验和针孔试验的结果共同判别；王启东[18]采用多数法(针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验和交换性钠离子百分比试验结果中分散性、过渡性、非分散性出现频率最多的分散等级作为土样的分散性等级)判别土样的分散性；在SL 251—2000《水利水电工程天然建筑材料勘察规范》[19]中，采用针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验4种方法进行判别；师智勇等[20]采用针孔试验、碎块试验、双比重计试验、交换性钠离子百分比试验4种方法对土料的分散性进行鉴别。

目前，关于分散性土的判定尚未形成统一的标准，本文以新疆某工程土样为研究对象，室内测试其基本性能，并通过分散性鉴别试验判定土样的分散性。由于在分散性土判定过程中，前人采用不同数量的鉴别方法，以及在各类鉴别方法中由于分散等级的划分不完全相同，在进行综合判定时较为混乱，以及未考虑鉴别结果为高分散性土对综合判定的影响，从而易导致误判。本文采用目前普遍认可的5种鉴别方法，即针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验、交换性钠离子百分比试验，将各试验的鉴别结果统一划分为高分散性、分散性、过渡性、非分散性4个等级，并对各分散等级进行量化赋分，再根据不同鉴别方法的试验原理赋予相应权重，结合权重和分散等级，综合判定土料的分散性。

1 土样的基本性质

土料取自新疆伊犁地区霍城县境内，属于温带大陆性气候，年均降水量420.6mm，降水较少且主要集中在每年7、8月份，以蒸发作用为主。本次取地表以下2m土样作为研究对象，土样呈浅黄色，共计6组，按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[21]测定土样的基本性能，结果见表1。

表1 土样的基本性能

可以看出，6组土样均以粉粒为主，占比在83.4%～86.5%之间，砂粒含量较少。液限、塑限、塑性指数分别介于26.4%～29.4%、16.7%～18.4%、9.6～12.2之间，均属于低液限粉土。

2 土样的分散性鉴别试验

分散性土的鉴别应从野外调查开始，包括孔洞、冲沟、水色等现象进行初步判断，若在野外调查发现土样疑似有分散的特性，可进行室内试验加以鉴别，主要包括针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验、交换性钠离子百分比试验。

由于不同鉴别方法判别土样分散的原理不同，导致相同土样采用不同鉴别方法得到的结果可能存在差异，是否具有分散性需采用一种综合性的判别方式进行分析。有学者采用统计的方法，或根据工程经验对不同鉴别方法赋予相应的权重后进行土样的分散性综合评价。如樊恒辉[22]、DB21/T 3145—2019《黏土分散性针孔试验标准》[23]在鉴别分散性土的方法中，将针孔试验、碎块试验的结果划分为强分散性土、分散性土、过渡性土、非分散性土4个等级；而在SL 251—2000中，将针孔试验、碎块试验的结果划分为分散性土、过渡性土、非分散性土3个等级；前者在分散性鉴别结果中提出强分散性土，对土样的分散性做了更细致的划分，而在双比重计试验、孔隙水可溶盐试验中，均将土样划分为分散性土、过渡性土、非分散性土3个等级；在交换性钠离子百分比试验中，樊恒辉[22]、彭文明等[7]将分散性土划分为强分散性土，中等分散土以及非分散性土3个等级。由于不同鉴别方法的等级划分不同，并忽视了强分散性土对分散性综合判别的影响，其判定后得到的结果不一定可靠。本文将5种鉴别方法的结果统一划分为强分散性土、分散性土、过渡性土、非分散性土4级。

2.1 双比重计试验

双比重计试验根据土样在不同介质环境中的分解情况，分别取30g试样进行两次密度计试验，第一次采用非常规颗粒分析试验(不加分散剂不煮沸)，第二次采用常规颗粒分析试验(加分散剂煮沸)，按照GB/T 50123—2019进行颗粒分析试验，计算黏粒(<0.005mm)含量。根据分散度D(非常规颗分试验所得黏粒含量/常规颗分试验所得黏粒含量比值的百分数)判定土样的分散性，并将分散度大于等于70%的土样划定为强分散性土，分散度大于等于50%且小于70%的土样定义为分散性土，分散度大于等于30%且小于50%的土样定义为过渡性土，分散度小于30%的土样定义为非分散性土，判定标准及试验结果分别见表2—3。

表2 双比重计试验判定标准

从表3可以看出，6组土样的分散度均小于50%，其中，2#、4#土样为非分散性土，1#、3#、5#、6#土样为过渡性土。

表3 双比重计试验判定结果单位：%

2.2 针孔试验

该试验由美国工程师谢拉德(J.L.Sherard)提出，从渗透理论出发，当水流经过土壤孔隙时，将动能传输给土壤颗粒，通过模拟不同水头下针孔受水流的冲蚀情况，包括孔径、流量、水色，判断试样的分散性。本次试验采用重塑土，将土样制成直径为37mm、长38.1mm的圆柱形试样，在中心穿1mm直径的轴向细孔，观察试样在不同水头下针孔受水流冲蚀的情况。图1为试样的冲蚀结果，表4—5分别为针孔试验判定标准及试验结果。

图1 针孔冲蚀结果

表4 针孔试验判定标准

从表5中可以看出，3#土样为强分散性土，1#、4#、6#土样为分散性土，2#、5#土样为过渡性土。

表5 针孔试验结果

2.3 碎块试验

该试验采用胶体化学分析的观点，将针孔试验结束后的试样切至体积为1cm3左右的正方体土块，取200mL蒸馏水注入烧杯中，并使温度控制在20℃左右。将试样放入烧杯，观察试块的崩解状况及溶液浑浊程度，以此判断土样的分散性。判定标准见表6，试验现象如图2所示、判定结果见表7。

图2 土样的崩解情况

表6 碎块试验判定标准

表7 碎块试验现象及判别结果

从图2可以看出，试样放入蒸馏水中时发生崩解，60min后的现象几乎不再发生变化，3#、4#试样周围可观察到云雾状，且在杯底扩散10mm左右。从表7中判别结果可以看出，6组试样中有2组为分散性土，3组过渡性土，1组非分散性土。

2.4 孔隙水可溶盐试验

孔隙水可溶盐试验是农业土壤学中的一个基本试验，将土样加水调至液限状态，静置24h后采用离心机提取孔隙水溶液，进行离子测定，计算孔隙水溶液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量以及阳离子总量(TDS)与钠百分比(PS)。以TDS为横坐标，PS为纵坐标，根据TDS与PS的关系，在原判定的基础上，从半对数坐标轴中划分一个S区，如图3所示，并将其定义为强分散性土。根据在半对数坐标轴关系图中所处位置进行判定，判别结果见表8。

图3 孔隙水可溶盐试验判定标准

表8 孔隙水可溶盐试验结果及判别结果

2.5 交换性钠离子百分比试验

交换性钠离子百分比是指土体中可交换性的钠离子(Na+)含量与孔隙水溶液中可交换性阳离子总量(CEC)比值(ESP)的百分数，采用醋酸钠火焰光度法对试样中交换性钠离子含量进行测试。判别标准及试验结果见表9—10。

表9 交换性钠离子百分比试验判定标准

根据表10试验结果表明，6组土样中，2组分散性土、1组过渡性土、3组非分散性土。

表10 交换性钠离子百分比试验判别结果

3 土样分散性的综合判别

从以上5种鉴别方法可以看出，针孔试验模拟了土体孔隙在不同水头下受水流冲刷是否发生破坏的过程，直观地鉴别土体孔隙的抗冲蚀性，在动水条件下进行实验，其可信度最高；碎块试验通过观察试样在介质溶液中的崩解情况及胶体颗粒析出情况，定性分析土样的分散程度，可靠性较针孔试验次之；双比重计试验是将试样放入不同介质溶液中，用密度计测试颗粒级配的变化，由于粒组级配变化是评判土体分散性的重要指标，可信度与碎块试验相当；孔隙水可溶盐试验与交换性钠离子百分比试验反映了土体中离子含量的化学关系，可信度次于碎块试验。

本次综合判别根据前人的实践经验与统计分析方法，分别对针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验及交换性钠离子百分比试验赋予40%、20%、20%、10%、10%的权重，并对分散等级为强分散性土、分散性土、过渡性土、非分散性土分别赋予4分、3分、2分、1分。根据各试验权重与赋分值综合判别土样的分散性，见表11。