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(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)， 陜西 楊凌 712100)

0 前 言

從滲透破壞的角度出發(fā)，將黏性土分為三類，即分散性土、過渡性土和和非分散性土[1]。分散性土是一種在低含鹽量水中(或純凈水中)離子相互的排斥力超過相互吸引力，導(dǎo)致土體的顆粒分散的黏性土[2]。因此，在土-水混合體系中土粒間的排斥作用可使土顆粒之間的距離增大，在水流的作用下分散的土粒隨水流動，為土體的滲透變形和破壞提供了條件，導(dǎo)致事故的發(fā)生。分散性土的發(fā)現(xiàn)可追溯到20世紀(jì)50年代，主要是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域； 20世紀(jì)60年代澳大利亞發(fā)現(xiàn)分散性土對水利工程具有破壞作用，并對其進(jìn)行了研究。隨后，分散性土逐漸引起工程界的注意，許多國家對其進(jìn)行研究，如美國、加拿大、西班牙和印度等。我國分散性土主要分布在東北和西北等地區(qū)，20世紀(jì)70年代首先在黑龍江引嫩工程中發(fā)現(xiàn)，隨后在新疆、青海、陜西、山西等省的工程實(shí)踐中都曾遇到。因此，在水利工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)對其予以重視。本文應(yīng)用雙比重計(jì)、針孔、碎塊、孔隙水可溶鹽陽離子和全土的交換性鈉百分比等5種試驗(yàn)方法，對寧夏某水電站大壩防滲土料的分散性進(jìn)行了判別，以分析研究土樣的分散性能，為工程設(shè)計(jì)、施工和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 土樣的基本物化性質(zhì)

1.1 土樣的物理性質(zhì)

土樣物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1表明， 4組土樣的液限在23.6%～25.0%之間，塑限在15.0%～16.0%之間，塑性指數(shù)在8.0～9.6之間。顆粒組成以粉粒(0.075～0.005 mm)為主，其含量在67.8%～72.2%之間，粘粒(<0.005 mm)含量在13.2%～16.8%之間。擊實(shí)試驗(yàn)表明，4組土樣的最優(yōu)含水率在12.5%～13.4%之間，最大干密度在1.82 g/cm3～1.85 g/cm3之間。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)分類，這4組土樣均屬于低液限粉土(ML)。

1.2 土樣的化學(xué)性質(zhì)

土樣的基本化學(xué)性質(zhì)列于表2。從表2中可看出，4組土樣的易溶鹽在0.6 g/kg～1.0 g/kg之間，pH值在8.71～9.44之間，呈強(qiáng)堿性(>8.5)。SiO2在62.3%～66.0%之間， Fe2O3在3.0%～3.6%之間，Al2O3在11.5%～16.6%之間。SiO2/R2O3在5.88～7.65之間。

表1 土樣物理性質(zhì)

表2土樣化學(xué)性質(zhì)

土樣編號易溶鹽(g/kg)pH值SiO2(%)Fe2O3(%)Al2O3(%)SiO2/R2O310.69.09 62.33.611.57.6521.09.40 63.53.213.76.8631.09.44 66.03.312.97.4640.98.71 64.23.016.65.88

2 分散性土判別試驗(yàn)方法

由于分散性土較廣泛分布的濕陷性黃土[3]等特殊土發(fā)現(xiàn)比較晚，現(xiàn)有的工程上常用的土工試驗(yàn)方法不能反映出土的分散特征。目前，我國尚未頒布鑒定分散性土的試驗(yàn)規(guī)程。本次試驗(yàn)參照了《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251-2000)中介紹的雙比重計(jì)、針孔、碎塊、孔隙水可溶鹽陽離子等4種試驗(yàn)方法，并結(jié)合美國材料與試驗(yàn)協(xié)會制定的雙比重計(jì)法(ASTM D4221-11)[4]、針孔試驗(yàn)(ASTM D4647-06)[5]、碎塊試驗(yàn)(ASTM D6572-06)[6]等3種試驗(yàn)規(guī)程，采用雙比重計(jì)、針孔、碎塊、孔隙水可溶性陽離子和交換性鈉離子百分比等5種試驗(yàn)方法來綜合判別土樣的分散性。5種試驗(yàn)的方法，可參考文獻(xiàn)[4～7]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對4組土樣進(jìn)行了雙比重計(jì)、針孔、碎塊、孔隙水可溶鹽陽離子和交換性鈉百分比等5種試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3～表5，圖1和圖2。

3.1 5種試驗(yàn)判別結(jié)果

(1)從表3可以看出，雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明，4組土樣的分散度在2.7%～4.7%之間，均小于30%，屬于非分散性土。在碎塊試驗(yàn)中，土樣1和土樣4放入水中后具有輕微反應(yīng)，土塊水解后四周有微量渾濁，但擴(kuò)散范圍小，屬于過渡性土；土樣2和土樣3放入水中后，反應(yīng)嚴(yán)重，土塊水解后呈渾濁狀，并且土很快擴(kuò)散到整個(gè)量杯底部，水呈霧狀，經(jīng)久不清，屬于分散性土。針孔試驗(yàn)結(jié)果表明，土樣1在50 mm水頭作下持續(xù)10 min，水色渾濁，最終孔徑大于1.5倍，屬于分散性土；其余3組土樣在180 mm水頭作下持續(xù)5 min，水色渾濁，最終孔徑大于1.5倍，屬于過渡性土。

(2)從表4可以看出，交換性鈉百分比試驗(yàn)結(jié)果表明，土樣1和土樣4的ESP均小于7%，屬于非分散性土；土樣2和土樣3的ESP大于7%，屬于分散性土?？紫端扇茺}陽離子試驗(yàn)結(jié)果表明，土樣1 的PS(鈉百分比) < 40%，屬于非分散性土；土樣2和土樣3的PS > 60%。屬于分散性土；土樣4的 PS在40%～60%之間，屬于過渡性土。

3.2 5種試驗(yàn)判別結(jié)果

5種試驗(yàn)方法鑒定結(jié)果列于表6。從表6中可看出，5種試驗(yàn)方法判別的結(jié)果具有一定的離散性，因此采用單一的試驗(yàn)結(jié)果難以對土樣的分散性進(jìn)行正確的鑒定。樊恒輝等[6]通過研究認(rèn)為，賦予雙比重計(jì)、碎塊、針孔、孔隙水可溶性陽離子和交換鈉離子百分比的權(quán)重值，其值分別取20%、20%、40%、10%、10%，計(jì)算土樣的分散性、過渡性、非分散性權(quán)重。判別準(zhǔn)則：①如果分散性的權(quán)重大于50%，土樣屬于分散性土。②分散性的權(quán)重等于50%時(shí)，如果過渡性的權(quán)重大于等于20%，則屬于分散性土；反之，則屬于過渡性土。③分散性的權(quán)重小于50%時(shí)，如果“過渡性+分散性”的權(quán)重大于等于50%，則為過渡性土，否則屬于非分散性土。實(shí)踐證明，權(quán)重分析法可以比較合理的判別黏性土的分散性。

根據(jù)以上判別準(zhǔn)則，通過計(jì)算土樣的分散性、過渡性、非分散性權(quán)重，發(fā)現(xiàn)4組土樣的分散性權(quán)重小于50%，而且“過渡性+分散性”的權(quán)重大于50%，所以4組土樣均屬于過渡性土。但是值得注意的是，4組土樣的權(quán)重分析中分散性占的比重比較大(見表7)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意當(dāng)土樣周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)(如河水水質(zhì))對土樣分散性判別結(jié)果的影響。

表3土樣分散性試驗(yàn)判別結(jié)果(1)

土樣編號雙比重計(jì)試驗(yàn)<0.005 mm常規(guī)方法顆粒含量非常規(guī)方法分散度(D,%)碎塊試驗(yàn)針孔試驗(yàn)干密度(g/cm3)水頭(mm)持續(xù)時(shí)間(min)終了孔徑(倍)終了流量(mL/s)水色113.20.43.0微量渾濁1.7550102～30.29渾濁216.80.74.2渾濁1.7318052～50.96渾濁314.90.74.7渾濁1.7618052～51.25渾濁414.70.42.7微量渾濁1.7618052～30.67渾濁

注：(1)雙比重計(jì)試驗(yàn)：非分散土，D(分散度) < 30%；過渡性土，D=30%～50%；分散性土，D> 50% 。

(2)碎塊試驗(yàn)：Ⅰ、非分散性土，土塊水解后在量杯底部以細(xì)顆粒狀平堆，水色是清的，或稍渾濁后很快又變清；Ⅱ、過渡性土，土塊水解后四周有微量渾濁，但擴(kuò)散范圍小；Ⅲ、分散性土，土塊水解后渾濁，土很快擴(kuò)散到整個(gè)量杯底部，水呈霧狀，經(jīng)久不清。

(3)針孔試驗(yàn)：非分散土，在1020 mm 水頭下針孔不擴(kuò)大，出水流很清；過渡性土，在180～380 mm 水頭下針孔沖蝕較慢，出水流稍渾濁；分散性土，在50 mm 水頭下針孔迅速擴(kuò)大，出水流渾濁。

表4土樣分散性試驗(yàn)判別結(jié)果(2)

土樣編號交換性鈉離子百分比試驗(yàn)交換性鈉離子含量cmol/kg交換性陽離子總量cmol/kg交換性鈉離子百分比ESP ( %)孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)Na+K+Ca2+(1/n mmol/l )Mg2+陽離子總量鈉百分比PS( % )10.21 5.37 3.81.1 0.0 0.9 1.5 3.5 31.3 20.65 6.13 10.6 13.2 0.0 1.0 2.9 17.2 77.0 30.65 5.97 10.9 14.2 0.0 1.2 3.2 18.6 76.4 40.21 6.02 3.5 8.5 0.0 3.8 8.8 21.0 40.3

注：(1)交換性離子鈉百分比試驗(yàn)：ESP (交換性離子鈉百分比)= 7 ～ 10，屬中等分散性土；ESP≥15，屬高分散性土，即有嚴(yán)重管涌的可能性。(2)孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)：根據(jù)TDS和PS判斷，非分散性土，PS(鈉百分比) < 40%；過渡性土，PS=40%～60%；分散性土，PS > 60%。

圖2 針孔試驗(yàn)照片

4 結(jié) 語

(1)物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明，4組土樣的液限在23.6%～25.0%之間，塑限在15.0%～16.0%之間，塑性指數(shù)在8.0～9.6之間。顆粒組成以粉粒(0.075～0.005 mm)為主，其含量在67.8%～72.2%之間，粘粒(<0.005 mm)含量在13.2%～16.8%之間。最優(yōu)含水率在12.5%～13.4%之間，最大干密度在1.82 g/cm3～1.85 g/cm3之間。4組土樣均屬于低液限粉土(ML)。

(2)化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明，4組土樣的易溶鹽在0.6 g/kg～1.0 g/kg之間，pH值在8.71～9.44之間，呈強(qiáng)堿性(>8.5)。SiO2在62.3%～66.0%之間， Fe2O3在3.0%～3.6%之間，Al2O3在11.5%～16.6%之間。SiO2/R2O3在5.88～7.65之間。

(3)根據(jù)雙比重計(jì)試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)等5種試驗(yàn)方法對土樣的分散性進(jìn)行了鑒定，4組土樣均屬于過渡性土。但是值得注意的是，4組土樣的權(quán)重分析中分散性占的比重比較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意當(dāng)土樣周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)(如河水水質(zhì))對土樣分散性判別結(jié)果的影響。

參考文獻(xiàn):

[1] 王觀平,張來文,閻仰中,等.分散性黏土與水利工程[M].北京:中國水利水電出版社, 1999:7-8.

[2] 茍和平.濕陷性黃土地基處理方案之比較[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2009,8(4):11-12.

[3] SL251-2000,水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程[S].

[4] ASTM D4221-11, Standard Test Method for Dispersive Characteristics of Clay Soil by Double Hydrometer[S].

[5] ASTM D4647-06, Standard Test Method for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test[S].

[6] ASTM D6572-06, Standard Test Methods for Determining Dispersive Characteristics of Clayey Soils by the Crumb Test[S].

[7] 樊恒輝, 孔令偉. 分散性土研究[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2012.