鄭文杰，蔣 鑫，呂玉蒙，張 勵，吳艾芳

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

20世紀(jì)50年代，澳大利亞首次發(fā)現(xiàn)分散性土的存在，因其在水的作用下會出現(xiàn)土體顆粒分散的顯著特點(diǎn)而被稱為分散性土[1-2].分散性土?xí)饾?、路基失穩(wěn)、管涌等工程危害，如美國俄克拉何馬與密西西比兩州的土壩[3]、西班牙的圣胡安水庫大壩[4]、黑龍江引嫩工程[5]、海南省三亞市的嶺落水庫[6]、山西上馬水庫土壩[7]都因使用了分散性土作為筑壩土料，從而發(fā)生洞穴、管涌及潰壩的危害.因此對分散性土的研究成為近些年巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一.

眾多學(xué)者為確定土的分散等級做了大量的工作，其中針孔試驗(yàn)方法能直觀地模擬土體在滲透水流的作用下產(chǎn)生的沖蝕現(xiàn)象，定量的判別土樣的分散性，具有一定的工程現(xiàn)實(shí)意義，被認(rèn)為是較為可靠的鑒別方法[21].因此，基于以上研究，本文以陜西涇陽某地區(qū)土樣為研究對象，利用針孔試驗(yàn)和綜合判別標(biāo)準(zhǔn)確定土的分散性.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用土樣采樣地點(diǎn)為陜西省涇陽縣某滑坡處，圖1為試驗(yàn)用土的粒徑分布曲線，表1為土的物理性質(zhì).根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，土壤分類符號為CL.

圖1 試驗(yàn)用土的粒徑分布曲線

表1 土的物理性質(zhì)

1.2 針孔試驗(yàn)

1.2.1 方法原理

針孔試驗(yàn)是在特制的試驗(yàn)裝置中，在呈圓柱形的試樣中心穿一直徑為1.0 mm軸向細(xì)孔，然后用水進(jìn)行滲流試驗(yàn)，在不同的水頭下觀察針孔受流水沖蝕的情況，記錄水流流量、顏色、孔徑尺寸，據(jù)此判斷土樣的分散性.

1.2.2 試樣制備和儀器設(shè)備

本試驗(yàn)采用風(fēng)干后的擾動土，土樣通過2 mm篩，去掉粗砂或礫石顆粒，所用含水率為最優(yōu)含水率13.54 %，所用密度采用最大干密度的96 %.試樣通過壓樣儀分五層壓實(shí)，試樣最終高度為38.1 mm，直徑33 mm.

針孔試驗(yàn)裝置圖如圖2所示，包括：有機(jī)玻璃管、拉桿、螺絲、前后面板、礫石、金屬網(wǎng)片、進(jìn)水口、出水口、測壓管、密封圈、塑料軟管、孔徑1.5 mm，高度12.7 mm的錐體、水箱、5 ml，10 ml，25 ml，50 ml，100 ml的量筒、直徑1 mm,長約50～70 mm的硬鋼絲.

圖2 針孔試驗(yàn)裝置示意圖

1.2.3 試驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)

首先用手指壓力把小錐體推進(jìn)試樣頂部.用硬鋼絲通過小錐體穿孔，穿透后旋轉(zhuǎn)硬鋼絲4～5次拔掉，使針孔干凈、暢通.

在針孔試驗(yàn)圓筒內(nèi)的試樣上部下部放置金屬網(wǎng)和礫石塊，裝配儀器，連接進(jìn)水管.在50 mm水頭下，水流透過針孔，每級水頭時間間隔5～10 min.用秒表和量筒連續(xù)測量流量并記錄時間，通過側(cè)視和頂視觀察量筒中水的顏色，將水的顏色分為很渾濁，渾濁，較混濁，輕微渾濁，肉眼可見，清澈和完全清澈7個等級.

試驗(yàn)結(jié)束后，拆卸儀器，取出土樣，切開試樣檢查針孔大小，將針孔大小與使用的硬鋼絲比較，近似測定孔洞尺寸，并對侵蝕后試樣的針孔、量筒中水的顏色拍照記錄.

對于堅硬的原狀土樣，由于插入小錐體的緣故可能破壞試樣，可去除小錐體.本研究所用試樣為擾動土，插入小錐體對試樣未產(chǎn)生影響.試樣經(jīng)過風(fēng)干后采用最優(yōu)含水率來配制.由于流量在試驗(yàn)過程中的測定存在較大難度，鑒定標(biāo)準(zhǔn)有時可以不用考慮流量的變化，而僅僅考慮水流顏色和針孔的變化.試驗(yàn)結(jié)束后如果發(fā)現(xiàn)針孔呈喇叭口形，建議對針孔的出口處進(jìn)行保護(hù)處理，防止產(chǎn)生誤判.為接近場地的實(shí)際情況，本試驗(yàn)采用自來水進(jìn)行試驗(yàn)，而非采用蒸餾水.

1.3 分散性土判別方法

在第二節(jié)所述試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，需要運(yùn)用針孔試驗(yàn)的判別法則來對土樣的分散性質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)明晰的判斷，圖3所示的判別流程圖是在筆者對判別法則進(jìn)行了少許簡化后的結(jié)果.

圖3 針孔試驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)流程圖

(1)在50 mm水頭下.

(a)從50 mm水頭開始試驗(yàn)(沒有水流時，停止試驗(yàn)，重新穿孔)；

(b)分散性土與非分散性土的主要差異以50 mm水頭下的試驗(yàn)成果來判定.在50 mm水頭下試驗(yàn)進(jìn)行5 min.在5 min末，如果水流很渾濁，流量不斷地增加，達(dá)到了約1.0～1.4 mL/s，停止試驗(yàn)；

(c)拆開儀器，取出并切開土樣，測量針孔的直徑變化與硬鋼絲比較.若5 min后孔徑大于等于原孔徑兩倍，列入強(qiáng)分散性土類(D1).如果流量和針孔孔徑矛盾，則重新試驗(yàn)；

(d)如果50 mm水頭下的水流渾濁，過了5 min，側(cè)視渾濁顏色明顯且流量沒有超過1.0 mL/s，繼續(xù)試驗(yàn)5 min；

(e)如果10 min末，水流依然渾濁，停止試驗(yàn)，測量針孔直徑的變化.如果流量約1.0～1.4 mL/s，試驗(yàn)后針孔直徑大于原來的1.5 倍，就列入分散土(D2)；

(f)如果10 min末，水流輕微渾濁，停止試驗(yàn)，測量針孔直徑的變化.如果流量約0.8～1.0 mL/s，試驗(yàn)后針孔直徑小于等于原來的1.5倍，就列入過渡性土(ND4)；

(g)如果10 min末，水流清亮或稍微有渾濁，而且流量約0.4～0.8 mL/s，將水頭提高至180 mm，進(jìn)行下一階段試驗(yàn).

(2)在180 mm水頭下.

(a)180 mm水頭下，水流顏色明顯較為渾濁而且流量增加速度較快增至1.4～2.7 mL/s，停止試驗(yàn)，測量針孔.如果試驗(yàn)后針孔大于等于原來針孔的1.5倍，則列入過渡性土(ND3)；

(b)在180 mm水頭下，5 min后如果水流依然很清澈，或有肉眼可見的土粒，流量約0.8～1.4 mL/s，則將提高水頭到380 mm，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn).

(3)在380 mm水頭下.

(a)在380 mm水頭下，5 min后如果水流逐漸變渾濁，或流量增加到約1.8～3.2 mL/s,則列入過渡性土(ND3)；

(b)在380 mm水頭下，5 min后如果水流是很清澈的，流量約1.0～1.8 mL/s,則提高水頭到1 020 mm.

(4)在1 020 mm水頭下.

(a)在1 020 mm水頭下，5 min后如果水流明顯有些顏色或流量超過3.0 mL/s,列入非分散性土(ND2)，否則列入非分散性土(ND1)；

(b)非分散土(ND1)在1 020 mm水頭下，流量一般小于3.0 mL/s，試驗(yàn)結(jié)束時針孔直徑不發(fā)生較大變化.

2 針孔試驗(yàn)結(jié)果

本研究對50 mm水頭下的三組重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析，拍攝實(shí)物土樣在固定水頭作用固定時間后的侵蝕破壞形態(tài)，對侵蝕后孔徑尺寸進(jìn)行觀測，記錄燒杯所呈溶液分別在側(cè)視、頂視下的渾濁程度，最終進(jìn)行分散性判別，如表2所示.

表2 針孔試驗(yàn)結(jié)果記錄表

50 mm水頭下的三組試驗(yàn)開始5 min后，水流體積分別為175 mL，180 mL和130 mL，流量分別為0.6 mL/s、0.6 mL/s、0.4 mL/s，遠(yuǎn)未達(dá)到1.0～1.4 mL/s，因此進(jìn)行下一個5 min.在10 min末，土樣1流量達(dá)到0.9 mL/s，水流顏色輕微渾濁；土樣2流量達(dá)到0.4 mL/s，水流顏色渾濁；土樣3流量達(dá)到0.01 mL/s，是因?yàn)橥翗影l(fā)生了孔道堵塞，但此時水流顏色變得渾濁，因此停止試驗(yàn).切開試樣后測量孔徑，土樣1、2、3的孔徑分別為3～4 mm、4 mm、1.5～2 mm，大于原來孔徑的1.5倍，依照第2節(jié)的判別標(biāo)準(zhǔn)，將本試驗(yàn)用土列為分散土(D2等級).

3 分析與討論

從前一章節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可知，本試驗(yàn)用土為分散土(D2等級).但單一的試驗(yàn)判別難免缺乏說服力，因此為得到更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論，筆者采用了相同的土樣進(jìn)行孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)，判別結(jié)果如表3所示.

表3 孔隙水可溶性陽離子判別結(jié)果

判別結(jié)果依下列公式計算而得.

(1)

PS=CNa+/TDS

(2)

以TDS為橫坐標(biāo)，PS為縱坐標(biāo)在半對數(shù)坐標(biāo)圖中繪制PS與TDS關(guān)系曲線圖.

如圖4所示，若土樣落在A區(qū)，為分散性土；落在B區(qū)，為非分散性土；落在C區(qū)，為過渡性土.因此可以判別本試驗(yàn)用土為分散性土.

圖4 土的分散性與TDS、PS的關(guān)系

為了使針孔試驗(yàn)判別更具說服力，筆者參照了其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，采用物理性質(zhì)相近的土樣進(jìn)行比對.若干試驗(yàn)結(jié)果列于表4.

表4 其他試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表格歸納可得針孔試驗(yàn)具有代表性，其工程現(xiàn)實(shí)意義十分重要，前人所完成的大部分試驗(yàn)，無論土樣差異如何，選用單一的判別方法或綜合判別(已有較多不同的試驗(yàn)方法所得結(jié)果不完全相符的現(xiàn)象[26])，都以針孔試驗(yàn)結(jié)果為最重要指標(biāo)之一.

表格所摘取的試驗(yàn)所用土樣物理性質(zhì)與本試驗(yàn)接近，具有對照意義.上述試驗(yàn)判別為過渡性土或非分散性的土樣分組中，鈉離子的析出濃度及其在可溶性陽離子中的占比低，而本試驗(yàn)土樣的鈉離子占比高，接近87%，在此筆者認(rèn)為土中鈉離子含量與土體分散性有密切聯(lián)系.以往一些學(xué)者在土體組成影響分散機(jī)制上做了大量工作，提出了一系列解釋.一類觀點(diǎn)是：土體中含有一定量的特定礦物成分，且少膠結(jié)物質(zhì)同時具有較強(qiáng)堿性[27].筆者認(rèn)為，這類分散機(jī)制解釋仍有待完善之處，表格所摘取的試驗(yàn)亦有礦物成分分析，但未發(fā)現(xiàn)某種特定礦物對于分散性的決定性意義，相反，礦物成分相差大的土樣卻表現(xiàn)出相近的分散性.同時，判別為分散性土樣的大多具有較強(qiáng)堿性，根據(jù)孔隙水陽離子試驗(yàn)分析結(jié)果，土體呈堿性與高鈉土聯(lián)系緊密[28]，因而，鈉離子對分散機(jī)制的影響本質(zhì)值得進(jìn)一步探究.也有學(xué)者從物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)兩個不同的方面來分析分散機(jī)制，并認(rèn)為化學(xué)性質(zhì)的影響在分散性判別中發(fā)揮了更強(qiáng)的作用，物理性質(zhì)則是在非分散性中更為明顯，兩者作用程度相近時結(jié)果為過渡性土，提供了一個更為全面的研究視角.與這類解釋相似的是：土體的某些物理組成提供了有利于土體在水中發(fā)生分散的，具有一定pH值的液體環(huán)境，并且含有大量可交換鈉離子等因素[29]，進(jìn)而加速分散過程[30]；礦物組成對分散性的影響不能以含量多少來線性考慮，土體所處液體環(huán)境具備一定的pH值與高Na+為加劇分散性的本質(zhì)要素[31].

本試驗(yàn)對所用土樣進(jìn)行了物理性質(zhì)分析，且在50 mm水頭下進(jìn)行了多組針孔試驗(yàn)及孔隙水可溶性陽離子成分分析，即得到明晰的判別結(jié)果，對照物理性質(zhì)、鈉離子含量相近的其他試驗(yàn)，結(jié)果相差不大，同時我們也發(fā)現(xiàn)有些試驗(yàn)分組被判別為過渡性或非分散性土.在一定意義上可以說明鈉離子占比高、土體呈強(qiáng)堿性是更為重要的影響因素，物理性質(zhì)不能作為決定性的影響因素，高濃度鈉離子的存在及有利于離子交換的礦物組成、化學(xué)環(huán)境，使得土體顆粒間的排斥勢能顯著增大.于是，加速了與水體的接觸和反應(yīng)，水體的物理剝蝕及化學(xué)侵蝕也得以更快更充分地進(jìn)行[32].采取這類解釋較為契合本試驗(yàn)結(jié)果.本試驗(yàn)仍然具有局限性，針孔試驗(yàn)雖然有效模擬了一定條件下的工程實(shí)際情況，但卻難以反映最為主要的影響因素，分散機(jī)制需要對照大量的相似或?qū)Ρ仍囼?yàn)來加以探究.

4 結(jié)論與展望

以陜西涇陽某地區(qū)黃土為例進(jìn)行一系列的針孔試驗(yàn)，判斷其分散性，得出以下主要結(jié)論：

(1)本次針孔試驗(yàn)選取具有代表性50 mm水頭下的三組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，由于流量在試驗(yàn)過程中難以測量準(zhǔn)確，所以，在鑒定標(biāo)準(zhǔn)中有時可以不用考慮流量的變化，本次試驗(yàn)僅對水流顏色和針孔侵蝕破壞形態(tài)進(jìn)行分析.三組試驗(yàn)均呈現(xiàn)側(cè)視較渾濁，頂視渾濁程度深，最終孔徑為原來的1.5倍，由此得出該土樣為D2等級的分散性土；

(2)孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)表明土體在水中分散時，可交換鈉離子含量高，達(dá)到86.9 %，在TDS-PS分區(qū)圖中劃歸為分散性土.可能的原因?yàn)殁c離子含量高時土體顆粒間電子層增厚，排斥力大于粘聚力等吸引力；

(3)針孔試驗(yàn)具有分散性影響因素不凸顯，分散機(jī)制需要大量對照組加以解釋等局限性，應(yīng)結(jié)合更多物理化學(xué)成分分析或結(jié)合碎塊試驗(yàn)、雙比重計試驗(yàn)等進(jìn)行綜合分析較宜.孔隙水陽離子試驗(yàn)具有試驗(yàn)結(jié)果明確，但同時在分散性土與過渡性土間的區(qū)別力度不夠，需同其他類型試驗(yàn)相佐證；

(4)本試驗(yàn)中土樣分散機(jī)制的最重要因素為高濃度可交換鈉離子及強(qiáng)堿性環(huán)境，礦物組成等其他物理性質(zhì)不能作為決定性因素，但其創(chuàng)造了合適的化學(xué)環(huán)境以加快土體在水中的分散過程.