新疆某工程土料分散性探討

席福來(lái)，潘曉剛

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)研究所，新疆昌吉 831100）

新疆某工程土料分散性探討

席福來(lái)，潘曉剛

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)研究所，新疆昌吉 831100）

新疆地區(qū)干旱，各工程筑壩土料基本都是由風(fēng)化層經(jīng)水流搬運(yùn)至洼地及風(fēng)化沉積土料，經(jīng)蒸發(fā)形成受高鈉影響具有一定分散性。土料的分散性是決定土料能否用于工程的重要因素，也是土壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)新疆某工程土料采用蒸餾水和河水2種方案進(jìn)行分散性試驗(yàn)，認(rèn)為河水中鈣離子含量較高，進(jìn)入土體后能抑制土樣的分散性，河水對(duì)黏土分散性具有明顯的影響。

分散性；孔隙水；黏土礦物

新疆某工程由攔河壩、泄水建筑物和發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成。大壩為黏土心墻堆石壩，對(duì)3個(gè)防滲土料場(chǎng)（T1，T2，T3土料場(chǎng)），取代表性土樣，進(jìn)行分散性試驗(yàn)。

分散性黏土有分散性、非分性2類(lèi)［1］，分散性黏土是一種在低含鹽量中（或純凈水中）離子相互的排斥力超過(guò)相互吸引力導(dǎo)致土體的顆粒分散的黏性土［2］。

本文采用常用分散性室內(nèi)試驗(yàn)——土塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)，通過(guò)蒸餾水和河水2種方案，同時(shí)參考X-衍射礦物分析對(duì)土料進(jìn)行分散性試驗(yàn)，研究土料分散性性能。

1 土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

T1，T2，T3土料場(chǎng)基本物理力學(xué)性質(zhì)［3］列于表1中。由表1可以看出：T1料場(chǎng)土樣砂粒占粒徑組總含量9.3%，粉粒占粒徑組總含量74.4%，黏粒占粒徑組總含量16.3%，膠粒占粒徑組總含量8.0%，定名為低液限黏土（CL），最優(yōu)含水率為15.6%，最大干密度為1.74 g／cm3。T2料場(chǎng)砂粒占粒徑組總含量7.4%，粉粒占粒徑組總含量79.3%，黏粒占粒徑組總含量13.3%，膠粒占粒徑組總含量7.1%，定名為低液限粉土（ML），最優(yōu)含水率為16.4%，最大干密度為1.69 g／cm3。T3料場(chǎng)砂粒占粒徑組總含量9.3%，粉粒占粒徑組總含量76.5%，黏粒占粒徑組總含量14.2%，膠粒占粒徑組總含量8.8%，定名為低液限粉土（ML），最優(yōu)含水率為15.4%，最大干密度為1.73 g／cm3。3個(gè)料場(chǎng)土樣自由膨脹率為2.0%～4.3%，依據(jù)膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，土樣無(wú)膨脹特性。

2 土料黏土礦物分析

土料分散主要有兩個(gè)方面的因素：一是土料自身具有分散性；二是環(huán)境水影響。分散性黏土是土中含有鈉蒙脫石的土，由于蒙脫石黏土礦物晶格系由SiO2、Al2O3晶片組成2∶1三層定向排列結(jié)構(gòu)，晶格間以氧基相連接，因而親水性極強(qiáng)，層間結(jié)合力極弱，晶格間又有很大的活動(dòng)性，水分子可以自由進(jìn)入層間。土粒遇水后，尤其是半徑小、水化力強(qiáng)的Na+離子進(jìn)入層間，使土粒表面雙電層厚度急劇增大，粒間排斥力超過(guò)吸引力而使土粒彼此脫離呈高度分散懸浮狀態(tài)。為此，提取小于2μm黏土礦物進(jìn)X-射線(xiàn)衍射分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 新疆某工程T1，T2，T3土料場(chǎng)顆粒級(jí)配試驗(yàn)成果表Table 1 The results of the soil’s particle size distribution at thematerial fields called T1，T2，T3

表2 黏土礦物相對(duì)百分比含量Table 2 Relative percentages of clayminerals

3個(gè)料場(chǎng)土樣黏土礦物主要為伊利石、綠泥石。伊利石是比較不穩(wěn)定的風(fēng)化中間產(chǎn)物，伊利石層間如全部脫鉀，就具有了蒙脫石的性質(zhì)。

3 土的分散性試驗(yàn)

由于環(huán)境水是影響土料分散的關(guān)鍵因素之一。本次分散性試驗(yàn)采用蒸餾水和河水分別進(jìn)行分散性針孔試驗(yàn)、土塊試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)成果根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》SL251-2000中的判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合判定。

3.1 河水水質(zhì)簡(jiǎn)分析

由表3可知：水樣類(lèi)型為重碳酸鹽硫酸鹽鈣鎂水，水樣偏堿性。

表3 新疆某工程河水水質(zhì)簡(jiǎn)分析成果表Table 3 The results ofwater quality analysis of the river water for some engineering of Xinjian

3.2 針孔試驗(yàn)

針孔試驗(yàn)是在特制的針孔試驗(yàn)裝置中分別采用喀什河河水、蒸鎦水配置的最優(yōu)含水率情況下?lián)魧?shí)的土樣，穿一直徑為1.0 mm的軸向針孔，然后對(duì)應(yīng)的分別用環(huán)境水、蒸鎦水進(jìn)行滲透試驗(yàn)，在各級(jí)水頭下觀察針孔受水流沖蝕的情況來(lái)鑒定分散性黏土，針孔試驗(yàn)分散性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)如表4。

表4 針孔試驗(yàn)分散性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Category standard of the soil’s dispersibility by pinhole test

由表5可知：3個(gè)料場(chǎng)土樣采用河水、蒸餾水分別進(jìn)行針孔試驗(yàn)，土樣均在180 mm或380 mm水頭下發(fā)生了沖蝕破壞，判別為過(guò)渡型土。但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀察及最終水頭、最終流量、最終孔徑的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，采用河水試驗(yàn)比采用蒸餾水試驗(yàn)：T1料場(chǎng)2個(gè)土樣最終水頭由180 mm提高到380 mm。T2料場(chǎng)2個(gè)土樣、T3料場(chǎng)2個(gè)土樣最終水頭雖未發(fā)生變化，但其最終流量、最終孔徑均有所變小。這說(shuō)明當(dāng)針孔試驗(yàn)采用河水沖蝕土體時(shí)，河水中的鈣離子不斷置換土粒雙電層內(nèi)的鈉離子，一定程度上抑制了土樣的分散，而蒸餾水通過(guò)時(shí)無(wú)此作用。所以河水比蒸餾水配制的試件沖蝕的孔徑減小，抗沖蝕能力較蒸餾水沖蝕時(shí)提高。

3.3 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)

孔隙水可溶鹽試驗(yàn)的方法是把土樣分別與河水及蒸餾水拌和到液限的含水率，用有過(guò)濾設(shè)備的真空吸水器抽出孔隙水樣，測(cè)定孔隙水樣中的鈣、鎂、鈉、鉀4種金屬陽(yáng)離子，總量稱(chēng)為T(mén)DS，以每升10-3mol計(jì)，并求出其中鈉離子含量的百分?jǐn)?shù)。判斷的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)圖1，圖中橫坐標(biāo)是TDS，縱坐標(biāo)是鈉離子百分?jǐn)?shù)。圖中A區(qū)是分散性黏土，B區(qū)是非分散性黏土，C區(qū)是侵蝕緩慢的中間狀態(tài)土（即過(guò)渡型黏土）。見(jiàn)圖1。

表5 新疆某工程T1，T2，T3土料場(chǎng)孔隙水可溶鹽、針孔、土塊試驗(yàn)成果表Table 5 The results of the pore water’s soluble salt test，pinhole test and soil test for some engineering of Xinjian

圖1 孔隙水可溶鹽關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 The relationship curve in the pore water’s soluble salt test

由表5可知：除T2料場(chǎng)TK1鈉離子含量百分?jǐn)?shù)由56.5%降低到48.5%，TK2鈉離子含量百分?jǐn)?shù)由69.9%降低到54.5%外，其余T1，T3料場(chǎng)土樣分別采用河水、蒸餾水進(jìn)行孔隙水可溶鹽試驗(yàn)，鈉離子含量百分?jǐn)?shù)沒(méi)有較大變化。

3.4 土塊試驗(yàn)

土塊試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單的分散性試驗(yàn)定性方法，在室內(nèi)和野外都能進(jìn)行。試驗(yàn)方法是將1 cm3左右的土塊，輕輕放入盛有2／3蒸餾水的燒杯中，觀察5～10 min，觀察黏土轉(zhuǎn)入膠體懸浮在水中的情況，其分散性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表6。

表6 土塊試驗(yàn)評(píng)價(jià)土的分散性標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Category standard of dispersibility of the soil

由表5可知：①3個(gè)料場(chǎng)土樣采用河水進(jìn)行土塊試驗(yàn)，T1-TK1，T3-TK2土樣試塊水解后在量杯底部以細(xì)顆粒狀平堆，水色清亮，判別為非分散性土。T1-TK2，T2-TK1，T2-TK2，T3-TK1土樣試塊水解后四周微有混濁水，但擴(kuò)散范圍很小，判別為過(guò)渡型土。②土樣采用蒸餾水進(jìn)行土塊試驗(yàn)，T1-TK1土樣試塊水解后水色清亮，判別為非分散性土。T1-TK2土樣試塊水解后四周微有混濁水，判別為過(guò)渡型土。T2-TK1，T2-TK2，T3-TK1，T3-TK2土塊水解后土很快擴(kuò)散到整個(gè)量杯底部，可以分辨出膠體霧狀，15 min后霧狀不消失，判別為分散性土。

3.5 雙比重計(jì)試驗(yàn)

雙比重計(jì)試驗(yàn)是對(duì)土樣進(jìn)行2次比重計(jì)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定黏粒（＜0.005 mm）含量。第一次是用常規(guī)的加分散劑的方法得到一條曲線(xiàn)；第二次不加分散劑，先將土樣放在盛有一定量的蒸餾水的過(guò)濾瓶中，并與真空泵連接，抽氣10 min，然后把土-水懸液沖洗到量筒中，加蒸餾水至1 000mL，倒轉(zhuǎn)量筒來(lái)回?fù)u晃約30次／min，讓黏土顆粒自行水化分散，得到另一條曲線(xiàn)。求得2次的黏粒含量，用不加分散劑＜0.005 mm顆粒含量除以加分散性＜0.005 mm顆粒含量，求得分散度D，判定黏土分散程度。當(dāng)D＜30%，為非分散性土；D為30%～50%，為過(guò)渡型土；D＞50%，為分散性土。分散度指標(biāo)是土料凝聚或分散性的直接指標(biāo)，可以反映土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

由表5可以看出：T1料場(chǎng)土樣分散度為20.0%～22.7%，屬非分散性土；T2料場(chǎng)土樣分散度為33.3%～41.2%，屬過(guò)渡型土；T3料場(chǎng)土樣分散度為26.7%～31.2%，屬過(guò)渡型-非分散性土。

4 結(jié)果與分析

（1）該工程3個(gè)料場(chǎng)6個(gè)土樣分別摻入河水和蒸餾水，進(jìn)行分散性針孔試驗(yàn)、土塊試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)，由于各個(gè)指標(biāo)影響的因素很多，指標(biāo)表現(xiàn)出的性狀不統(tǒng)一，試驗(yàn)方法所得結(jié)果并不一致，因而分散性土評(píng)價(jià)應(yīng)綜合判定。

（2）由于針孔試驗(yàn)?zāi)M了通過(guò)天然土體的集中滲流的沖蝕作用，反映了一定結(jié)構(gòu)、密度和含水率狀態(tài)的土的特性，是一種直接的沖蝕試驗(yàn)，較為符合產(chǎn)生分散性管涌的實(shí)際情況，所以一般認(rèn)為針孔試驗(yàn)鑒別分散性黏土是較可靠的一種試驗(yàn)方法。本次試驗(yàn)判定以針孔試驗(yàn)結(jié)果為主，結(jié)合土塊試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、黏土礦物分析結(jié)果進(jìn)行分散性綜合判定，結(jié)果表明T1，T2，T3料場(chǎng)土樣均為過(guò)渡型土。

（3）從3個(gè)料場(chǎng)顆粒級(jí)配來(lái)看，土樣粉粒為74.4%～79.3%，黏粒含量為14.2%～16.3%，土料本身抗沖蝕能力較低，屬于不耐沖蝕的粉土類(lèi)。同時(shí)土樣主要黏土礦物為伊利石、綠泥石，促進(jìn)土樣分散的能力遠(yuǎn)不如鈉蒙脫石強(qiáng)烈［4］。

（4）河水水樣類(lèi)型為重碳酸鹽硫酸鹽鈣鎂水，鈣離子含量占陽(yáng)離子總量的58.8%，因而采用河水進(jìn)行針孔試驗(yàn)比采用蒸餾水試驗(yàn)時(shí)，T1料場(chǎng)2個(gè)土樣最終水頭由180 mm提高到380 mm。T2料場(chǎng)、T3

料場(chǎng)2個(gè)土樣最終水頭雖未發(fā)生變化，但其最終流量、最終孔徑均有所變小。說(shuō)明河水的使用提高了土料的抗沖蝕能力。

（5）孔隙水可溶鹽試驗(yàn)采用河水試驗(yàn)比采用蒸餾水試驗(yàn)時(shí)T2料場(chǎng)2個(gè)土樣鈉離子含量百分?jǐn)?shù)有所降低，T1，T3料場(chǎng)土樣鈉離子含量百分?jǐn)?shù)雖然沒(méi)有顯著變化，但其高價(jià)鈣離子、鎂離子含量均有不同程度的提高。

（6）采用河水進(jìn)行土塊試驗(yàn)比采用蒸餾水試驗(yàn)土樣水解后混濁程度減輕，水色較清亮。這些都說(shuō)明了河水中的鈣離子置換了土粒雙電層內(nèi)的鈉離子，抑制了土樣的分散。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）當(dāng)沖蝕用水由蒸餾水改為河水后，土料的分散性受到了抑制，同時(shí)河水中鈣離子含量大，進(jìn)入土體后會(huì)抑制土料分散，促使土體向非分散性方向發(fā)展。

（2）本工程可通過(guò)試驗(yàn)選擇合理心墻反濾料級(jí)配，加強(qiáng)反濾層的施工質(zhì)量；選擇合理填筑指標(biāo)及施工工藝的措施，該土料是可以用來(lái)筑壩的。

（3）由于土料在蒸餾水中比在鹽水中易于分散，而工程實(shí)際中經(jīng)過(guò)土體的滲流水含有不同的離子，可促進(jìn)或抑制土料分散，因而應(yīng)模擬工程實(shí)際情況，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定土體在實(shí)際狀態(tài)下的分散性，為設(shè)計(jì)計(jì)算工作提供可靠依據(jù)。

［1］ 王觀平.分散性黏土與水利工程［J］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

［2］ SL251-2000，天然建筑材料勘察規(guī)程［S］.

［3］ SL237-1999，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］ 黑龍江省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.分散性黏土譯文集［G］.哈爾濱：黑龍江省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1982.

（編輯：周曉雁）

Exploration of Soil’s Dispersibility in Some Engineering of Xinjiang

XIFu-lai，PAN Xiao-gang
（Test Institute of Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation，Changji 831100，China）

Because to Xinjiang belongs to the arid areas，the materials of the hydraulic engineering basically are weathered soil.After evaporation the soil is dispersed due to sodium.Soil’s dispersibility is the important element to determine whether it is suitable for the engineering and to evaluate an index of dam’s stability.By means of the experiment using the distilled water and river water，the test indicates the calcium content of the river water is higher and it can restrain the soil’s dispersion.So the water of the river has the evident affect on the clay’s dispersion.

dispersion；pore water；claymineral

TU411

A

1001-5485（2009）08-0065-03

2009-05-10

席福來(lái)（1956-），男，河南葉縣人，高級(jí)工程師，主要從事巖土力學(xué)、巖土工程方面的試驗(yàn)研究工作，（電話(huà)）0994-8326024（電子信箱）xfl5075＠sina.com。