朱艷寶，于仲離，鄭健，蘇安雙，王宇

1.中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080

0 引言

20世紀(jì)30年代美國(guó)土壤保持局土壤學(xué)者率先認(rèn)識(shí)到分散性土的存在并提出分散性土的概念。但直到20世紀(jì)50年代澳大利亞、美國(guó)等國(guó)家修建的一些土壩由于分散性土管涌破壞而垮壩[2]，才引起工程界對(duì)分散性土研究的重視。我國(guó)黑龍江省70～80年代興建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程時(shí)，因采用分散性土填筑而導(dǎo)致輸水渠道出現(xiàn)大量雨水淋蝕洞穴和管涌破壞[3-4]，系我國(guó)首次發(fā)現(xiàn)分散性土對(duì)工程產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞，并就此開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究。此后，在我國(guó)吉林、海南、浙江、山東、寧夏、新疆等省和自治區(qū)相繼都有發(fā)現(xiàn)[5-10]，分散性土的判定、治理和工程應(yīng)用研究得到了進(jìn)一步豐富和發(fā)展。

按照現(xiàn)行《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)中相關(guān)規(guī)定，分散性土不宜作為壩的防滲體填筑料，不得不采用時(shí)應(yīng)根據(jù)其特性對(duì)采取的相應(yīng)處理措施進(jìn)行論證；經(jīng)處理改性的分散性黏土僅可用于填筑3級(jí)堤壩的防滲體。因此，吉林西部松原地區(qū)蓄水調(diào)蓄工程采用改性分散性土填筑2級(jí)均質(zhì)土壩屬于突破行業(yè)規(guī)范規(guī)定的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其改性處理效果直接影響整個(gè)工程的成敗。本文采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，對(duì)不同膠凝材料摻配組合的改性效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，提出土料篩選、膠凝材料優(yōu)選及配合比優(yōu)化建議，為分散性土治理和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)所用原材料包括L1、L2料場(chǎng)土樣，以及熟石灰、生石灰和粉煤灰等備選膠凝材料，其中L1料場(chǎng)土樣4種，包括L1-1強(qiáng)分散性土、L1-2強(qiáng)分散性土、L1-3強(qiáng)分散性土和L1-4分散性土，見(jiàn)圖1；L2料場(chǎng)土樣2種，包括L2-1分散性土、L2-2分散性土，見(jiàn)圖2；熟石灰4種，包括熟石灰1(A廠)、熟石灰2(A廠)、熟石灰3(B廠)和熟石灰4(C廠)，見(jiàn)圖3；生石灰1種(C廠)，見(jiàn)圖4；一級(jí)粉煤灰1種，見(jiàn)圖5。

圖1 L1料場(chǎng)土樣

圖2 L2料場(chǎng)土樣

圖3 熟石灰

圖4 生石灰

圖5 粉煤灰

以設(shè)計(jì)提出的現(xiàn)場(chǎng)碾壓控制參數(shù)作為試驗(yàn)制樣干密度和含水率，其中L1料場(chǎng)土樣：干密度1.72 g/cm3，含水率15.8%；L2料場(chǎng)土樣：干密度1.68 g/cm3，含水率17.4%。采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，其中石灰和粉煤灰的質(zhì)量摻比為1∶2，石灰和粉煤灰總摻量為6%、8%和10%[11]，配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 分散性土改性處理配合比設(shè)計(jì)

1.2 針孔試驗(yàn)方法

針孔試驗(yàn)[11-12]按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2015)和《Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test》(ASTM D4647/D4647M-13)的相關(guān)要求和方法步驟執(zhí)行，用蒸餾水沿土樣1 mm針孔從水平方向進(jìn)行50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm四級(jí)水頭滲透試驗(yàn)，模擬土體裂隙在水流作用下的沖刷過(guò)程，根據(jù)水色、流量和孔徑的變化判別土樣在控制干密度和含水率條件下的分散性，判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖6。

表2 針孔試驗(yàn)評(píng)價(jià)土的分散性標(biāo)準(zhǔn)

圖6 針孔試驗(yàn)裝置

1.3 滲透試驗(yàn)方法

滲透試驗(yàn)[13]按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50123—2019)中16.3變水頭滲透試驗(yàn)相關(guān)要求和方法步驟執(zhí)行，按預(yù)定時(shí)間間隔測(cè)記水頭、時(shí)間的變化和水口的溫度，連續(xù)測(cè)記2～3次，變換水頭管水位高度，重復(fù)試驗(yàn)5～6次，測(cè)定土樣在控制干密度和含水率條件下的滲透系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同膠材組合對(duì)分散性土的改性效果

表3～表5分別為膠凝材料總摻量為6%、8%和10%的改性分散性土針孔試驗(yàn)結(jié)果。由表3～表5可知，L1、L2料場(chǎng)的6種分散性土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合下，只有L1-4-1、L1-4-2、L1-4-3、L2-2-生土樣判定為非分散性土，達(dá)到預(yù)期改性效果，見(jiàn)圖6。其余土樣未加載到1 020 mm水頭就已發(fā)生沖蝕破壞，水色渾濁、水量超標(biāo)、針孔變大，判定為高分散性土、分散性土或過(guò)渡性土。試驗(yàn)結(jié)果表明，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3能夠有效抑制L1-4土樣的分散性；對(duì)于L2-2土樣，生石灰比熟石灰的改性效果更為明顯。

2.2 不同膠材總摻量對(duì)分散性土的改性效果

由表3～表5可知，同種膠凝材料摻配組合隨著總摻量的增加，L1-1、L1-2、L1-3土樣的分散性沒(méi)有發(fā)生明顯變化，判定為高分散性土或過(guò)渡性土；L1-4土樣始終判定為非分散性土；L2-1、L2-2土樣的分散性有所減弱，由分散性土D2或過(guò)渡性土ND4轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡性土ND3。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加6%的膠凝材料就能夠有效抑制L1-4土樣的分散性，達(dá)到預(yù)期改性效果；對(duì)于L2-1、L2-2土樣，相較于繼續(xù)增加膠凝材料總摻量，采用生石灰替代熟石灰能夠獲得更高的改性效率。

表3 改性分散性土針孔試驗(yàn)結(jié)果(總摻量6%)

表4 改性分散性土針孔試驗(yàn)結(jié)果(總摻量8%)

表5 改性分散性土針孔試驗(yàn)結(jié)果(總摻量10%)

圖7 針孔試驗(yàn)結(jié)束時(shí)土樣孔徑和水色(總摻量6%)

2.3 改性分散性土的滲透性能

表6為膠凝材料總摻量為6%、8%和10%的改性分散性土滲透試驗(yàn)結(jié)果。由表6可見(jiàn)，L1、L2料場(chǎng)的6種分散性土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合下，滲透系數(shù)均小于1×10-4cm/s，滿足填筑土料設(shè)計(jì)要求；同種膠凝材料摻量組合隨著總摻量的增加，其滲透性能沒(méi)有發(fā)生明顯變化，大部分試樣的滲透系數(shù)還保持在同一量級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)摻加膠凝材料進(jìn)行改性處理對(duì)分散性土的滲透性能影響甚微。

表6 改性分散性土滲透試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下，采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，膠凝材料總摻量控制在6%時(shí)，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3均能有效抑制L1-4土樣的分散性，達(dá)到預(yù)期改性效果。

(2)對(duì)于L2-1、L2-2土樣，相較于繼續(xù)增加膠凝材料總摻量，采用生石灰替代熟石灰進(jìn)行改性處理，可在最低膠凝材料總摻量下達(dá)到預(yù)期改性效果，其改性效率更高。

(3)鑒于其它土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合和總摻量(6%、8%、10%)下，改性效果都欠佳，不建議作為填筑土料使用。

(4)本次試驗(yàn)成果，應(yīng)用于吉林西部松原地區(qū)蓄水調(diào)蓄工程分散性土的改性處理，處理效果良好，為類似工程分散性土的改性處理提供了可靠的基礎(chǔ)資料。