土體分散性綜合判別方法探討*

師智勇 陳慧娥 苑曉青 張 穎 張 旭

(①吉林大學建設工程學院，長春 130026，中國) (②遼寧有色勘察研究院有限責任公司，沈陽 110013，中國) (③長春水務集團城市排水有限責任公司，長春 130022，中國)

0 引 言

分散性土是一種在低含鹽量水或純水中由于土顆粒之間的排斥力大于吸引力而導致土顆粒分散成原級顆粒的土(樊恒輝，2012；史祥2016)。20世紀30年代，美國的農業(yè)土壤學家首先發(fā)現了分散性土的存在，隨后澳大利亞也相繼發(fā)現分散性土。我國對分散性土的研究始于20世紀80年代，黃河小浪底水庫、黑龍江南部引嫩工程等相繼發(fā)現分散性土，標志著分散性土作為一種特殊土在我國展開研究。隨著各學者的相繼研究發(fā)現，分散性土在我國絕大多數地區(qū)均有分布且分散性土與鹽漬土的分布具有一致性(李超月等，2018)。如東北的黑龍江、吉林，西北的新疆維吾爾自治區(qū)、陜西、山西、青海等地均存在分散性土，嚴重影響了當地的工程建設(樊恒輝，2010a,2010b；汪濤，2016；魏麗等，2018)。由于分散性土易受水沖蝕而造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)的工程事故，如俄克拉何馬州US 59公路破壞，西班牙San Juan水庫、海南三亞嶺落水庫、黑龍江引嫩工程等壩體破壞，因此諸多學者對分散性土的分散特性、工程改性(Ittiporn，2003；Ouhadi et al.，2006)、分散等級判別(秦曰章，1981；巨娟麗，2007；陳式華，2008；張靜，2010；樊恒輝等，2013；王啟東，2013；Maharaj et al.，2015；張旭東等，2015)等方面做出了大量研究。

針對于以上研究現狀，本文以吉林省乾安地區(qū)土樣為研究對象，室內試驗測試了土樣的基本性質，在此研究基礎上通過土樣分散性判別試驗對土體分散性等級進行判別，根據各分散性試驗測試原理及參考前人經驗賦予各試驗不同的權重，對分散性試驗分散性等級進行統(tǒng)一劃分并對分散測試結果量化評分。提出一種定量判別土體分散性等級的綜合判別準則。

表 1 土樣的基本性質Table1 Basic properties of soil samples

土樣編號液限WL/%塑限WP/%塑性指數IP最大干密度/g·cm-3最優(yōu)含水率/%顆粒組成/%土樣定名砂粒2～0.075 mm粉粒0.075～0.005 mm黏粒<0.005 mm土樣120.8213.187.641.6917.23.746.350低液限黏土(CL)土樣219.6411.528.121.6917.15.344.7849.92低液限黏土(CL)

表 2 土樣礦物成分Table2 The mineral compositions of soil sample

土樣編號黏土礦物總量/%黏土礦物相對含量/%全土中各種礦物含量/%非黏土礦物含量黏土礦物含量高嶺石蒙脫石石英方解石鈉長石赤鐵礦硫酸鈣高嶺石蒙脫石土樣11353.8546.15439257376土樣21361.5438.463492416585

1 土樣基本性質

取樣地點位于吉林省西北部的乾安地區(qū)，研究區(qū)地貌如圖 1所示，該地區(qū)為西部治堿工程規(guī)劃區(qū)，表層土體呈灰白色，土體鹽堿化程度較高。由于取樣地為旱地且研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年降水量較少且降水主要集中在每年7、8月份，年均降水量420.6mm，故整個地區(qū)以蒸發(fā)作用為主，且該地區(qū)較周圍地形較低、地下水位較高，使地表因蒸發(fā)作用而累積一定的鹽分。本次取該地區(qū)地表以下20cm土樣作為研究對象。所取土樣嚴格按照GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》測定土樣的基本性質。

圖 1 研究區(qū)地貌圖Fig. 1 geomorphological map of the study area

取平行試樣土樣1和土樣2測試土樣的基本性質，結果見表 1。土樣以粉粒、黏粒為主，其中粉粒含量44.78%～46.3%，黏粒含量50%，砂粒含量3.7%～5.3%。液限含水率19.64%～20.82%，塑限含水率11.52%～13.18%。塑性指數約為8。

采用X射線衍射儀對土樣的礦物成分進行分析，結果列于表 2。從表中可以看出，2組土樣的黏土礦物成分均為高嶺石和蒙脫石，其含量僅占全土的13%，高嶺石和蒙脫石兩種礦物所占比例相當，且該土樣中不含伊-蒙混層等其他黏土礦物。而非黏土礦物的主要成分為石英、鈉長石，約占非黏土礦物總量的60%，同時含有少量的方解石、赤鐵礦和硫酸鈣。

2 土樣分散性鑒定試驗

本次試驗過程中采用針孔試驗(ASTM D4647-06)(ASTM，2006)、雙比重計試驗(ASTM D4221-11)(ASTM，2011)、碎塊試驗(ASTM D6572-06)(ASTM，2006)3種試驗規(guī)程，以及美國分散性土會議時提出的交換性鈉離子百分比試驗(Thomas，1974；REZA，2000)，對研究土樣的分散性進行鑒定。

2.1 雙比重計試驗

雙比重計試驗是取30g試驗土樣進行常規(guī)和非常規(guī)兩次比重計試驗來測定黏粒(<0.005mm)的含量。該試驗是對土樣進行兩次比重計試驗，第1次試驗時將土樣煮沸、不加分散劑測定黏土顆粒的含量，得到一條級配曲線；第2次試驗時，取一次試驗完成后的土樣不煮沸、加分散劑測定黏土顆粒的含量，得到另外一條級配曲線(王穎，2010)。根據式(1)計算土樣的分散度。雙比重計試驗的結果判定如表 3所示。

(1)

表 3 雙比重計試驗結果判定表Table3 Determination of test results of double hydrometer

當分散度>50%分散性土30%<分散度<50%過渡性土分散度<30%非分散性土

為減小試驗時誤差，取土樣1、土樣2進行平行試驗，所得雙比重計試驗結果見表 4所示。

這個月依北中學發(fā)生了一件大事。同學們紛紛談論，一個叫姜祈的抽簽入學的高一男生，竟然從電光手里救下一名“叛徒”，還借勢帶領一幫抽簽入學的學生成立了自己的團體。此事等同于給了電光一記響亮的耳光。也因此，姜祈與電光主席徹底結了怨。

表 4 雙比重計試驗結果Table4 Results of double hydrometer test

土樣編號黏粒含量/%分散度D/%判定結果不加分散劑加分散劑土樣152.40767.60577.52分散土土樣259.17769.70284.90分散土

土樣1雙比重計試驗得出土樣煮沸、不加分散劑與不煮沸、加分散劑兩次實驗的小于某粒徑百分比含量如圖 2所示。

圖 2 雙比重計試驗結果圖Fig. 2 Results of double hydrometer test

土樣1、土樣2分散度D均大于50%，均表現為分散性土。故由雙比重計試驗判定該土樣為分散性土。

2.2 碎塊試驗

將野外取得的保持天然含水率的原狀土切成體積約為1cm3大小的土塊，取燒杯注入約200mL蒸餾水然后將制成的土塊放入燒杯中，根據觀察到土樣的崩解狀況，并測量土樣崩解時蒸餾水的溫度，以此來判斷土樣的分散性。根據樊恒輝(2012)、《ASTM D6572-00碎塊試驗》(ASTM，2000)碎塊試驗對土樣分散性等級的判別如表 5所示。

表 5 碎塊試驗評價土的分散性的標準Table5 Standard for evaluating soil dispersibility by crumb test

等級劃分類別土塊在蒸餾水中的表現情況等級1非分散性土無反應。土塊可能會碎裂、擴散,但水中沒有懸浮膠體產生的渾濁水。所有粒子在第1個小時內沉淀等級2過渡性土輕微反應。2級為過渡級。一種微弱的、幾乎看不見的膠狀懸浮物會在土樣表面附近產生渾濁水。如果“云霧狀”很明顯,則劃分為3級。如果“云霧狀”只在很小的區(qū)域內隱約可見,則劃分為1級等級3分散性土中度反應。在土樣表面的周圍可見懸浮的黏土云霧狀。云霧狀可能會沿著燒杯底部擴散到離土樣10 mm的地方等級4高分散性土強烈反應; 在燒杯的整個底部都能看到一團稠密的懸浮黏土膠體。有時土樣分散性很大,很難確定原土樣與膠體懸浮液的界面。通常,在燒杯的側面很容易看到土粒膠體懸浮液

試驗時，觀察土樣的崩解程度并測量蒸餾水的實時溫度見表 6。

表 6 碎塊試驗時蒸餾水溫度Table6 Water temperature in crumb test

起始溫度/℃2min溫度/℃1h溫度/℃6h溫度/℃26.526.220.616.7

試驗時，土樣的崩解程度如圖 3所示。

由碎塊試驗崩解狀況圖可知：在土樣放入蒸餾水中時刻開始土樣發(fā)生崩解，1h之后土樣崩解狀況幾乎不再發(fā)生變化；土塊周圍可觀察到云霧狀，并且云霧狀在杯底擴散10mm左右。根據碎塊試驗土樣的崩解程度，判定土樣為等級3的分散性土。

2.3 針孔試驗

圖 3 碎塊試驗土樣的崩解狀況圖Fig. 3 Disintegration diagram of soil samples in crumb test

針孔試驗首先是由美國工程師謝拉德(J.L. Sherard)提出，將取得的原狀土或者重塑土制成φ37×38.1mm的圓柱形試樣，在制成的試樣中心穿直徑1mm的小孔，分別在不同的水壓力(水頭)下觀察小孔受水流沖蝕情況及水流量和渾濁情況。本次試驗采用重塑土樣，按照《ASTM D4647-93針孔試驗》(ASTM，1993)以最優(yōu)含水率將土樣擊實到試驗裝置中，試驗試樣的壓實度為最大干密度的95%。試驗時采用50mm水頭，在該水壓力下讓水透過針孔。觀察小孔受水流沖蝕情況及水流量和渾濁情況。表 7為針孔試驗土的分散性判定標準。

圖 4 針孔試驗結果圖Fig. 4 Result of pinhole test

表 7 針孔試驗評價土的分散性標準Table7 Standard for evaluating soil dispersion by pinhole test

類別水頭/mm在某一水頭下的持續(xù)時間/min最終流量/mL·s-1出水顏色最終孔徑分散性土D150.00 5.00 1.0—1.4非常暗>2.0D250.00 10.00 1.0—1.4暗>1.5過渡性土ND450.00 10.00 0.8—1.0稍暗≤1.5ND3180.00 5.00 1.4—2.7較暗>1.5380.00 5.00 1.8—3.2中等暗—非分散土ND21020.00 5.00 >3.0微弱黑暗<1.5ND11020.00 5.00 ≤3.0清楚>1.00

針孔試驗結果見表 8所示。

表 8 針孔試驗結果Table8 Result of pinhole test

土樣編號水頭/mm時間/min流量/mL·s-1渾濁情況最終孔徑/mm判定結果側視頂視土樣15050.86渾濁很渾濁1.9分散土土樣25058.81較渾濁渾濁1.85分散土

針孔試驗狀況如圖 4所示。

針孔試驗完成后的水樣，側視時水樣呈現較渾濁，俯視時水體渾濁。在50mm水頭下持續(xù)10min，終了孔徑1.85～1.9mm，根據針孔試驗判定該土樣為D2分散性土。

2.4 交換性鈉離子百分比試驗

交換性鈉離子百分比是指土顆粒或者膠體表面的可交換性鈉離子(Na+)含量與孔隙水溶液可交換性陽離子總量(CEC)的比值ESP，即

(2)

式中:CNa+為交換性鈉離子含量；CEC為陽離子交換量。

交換性鈉離子百分比試驗的判斷標準見表 9所示。

表 9 交換性鈉離子百分比試驗的判斷標準Table9 Standard for percentage test of exchangeable sodium ions

ESP<7非分散性土7≤ESP<15中等分散性土ESP≥15高分散性土,即有嚴重管涌的可能性

采用醋酸鈉火焰光度法對土樣的陽離子交換量及交換性鈉離子含量進行測試，試驗結果見表 10。

表 10 交換性鈉離子百分比試驗結果Table10 Result of percent exchangeable sodium

土樣交換性鈉離子含量/mmol·(100g)-1陽離子交換總量/mmol·(100g)-1交換性鈉離子百分比/%土樣10.5251.75629.8土樣20.441.382531.8

根據表 10交換性鈉離子百分比試驗結果表明，土樣1、土樣2的交換性鈉離子百分比均大于15，因此交換性鈉離子百分比試驗判定該研究土樣的分散性等級為高分散性。

2.5 土樣分散性綜合判定

通過上述分散性等級鑒別試驗，我們可得出以下結果：雙比重計試驗結果表明研究土樣為分散性土；碎塊試驗結果表明土樣為等級3的分散性土；針孔試驗結果表明土樣的分散性等級為D2；交換性鈉離子百分比試驗結果顯示該土樣為高分散性土。

表 11 土樣分散性綜合判定Table11 Comprehensive determination of dispersion of soil samples

試驗類別試驗結果及評分本次試驗結果及評分綜合評定等級評分等級評分等級評分等級評分碎塊試驗等級1非分散性2.5等級2過渡性5等級3分散性7.5等級4高分散性10分散性土7.57.5×0.25+10×0.2+7.5×0.4+10×0.15=8.375綜合判定乾安地區(qū)土樣為高分散性土雙比重計試驗分散度<30%非分散性2.530%<分散度<50%過渡性土550%<分散度<70%分散性7.5分散度>70%高分散性10高分散性10針孔試驗ND1、ND2非分散性2.5ND3、ND4過渡性土5D2分散性7.5D1高分散性10分散性土7.5交換性鈉離子百分比試驗ESP<7非分散性2.57≤ESP<10過渡性土510≤ESP<15分散性土7.5ESP≥15高分散性10高分散性土10

不同的分散性鑒別試驗評判標準不完全相同，得到的土體分散性等級也不相同。因此，有必要探討一種方法對土體分散性進行綜合性的定量判別。由于針孔試驗是模擬在一定的水頭下，土體孔隙壁上的顆粒受水流沖刷而破壞的作用，直觀地模擬了土體孔隙在滲透水流作用下所具有的沖蝕能力，一般認為其可信度最高。碎塊試驗則反映了土體所處的介質環(huán)境，介質溶液可能對土體的分散性有促進或者減小的作用，所以碎塊試驗可靠性次之。雙比重計反映了土體的顆粒組成，因為分散性土在水中分散成原級顆粒所以土顆粒的級配對土體分散性有較大影響，其可信度較針孔、碎塊試驗較低。交換性鈉離子百分比反映了土體分散時的交換性鈉離子含量，而土體產生分散時因為鈉離子使得土顆粒雙電層增厚減小了土顆粒之間的吸引力使得土體分散?；谝陨?個判別試驗的機理，同時結合樊恒輝等(2013)賦予針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、交換性鈉離子百分比試驗40%、25%、20%、15%的權重值。同時，因為各分散性鑒定試驗對土樣分散性等級的劃分不統(tǒng)一：碎塊試驗將土樣分散性等級分為4級，而雙比重計試驗、針孔試驗、交換性鈉離子百分比試驗對土樣分散性的判定分為3級。為了精確判別土樣分散性等級，將各分散性鑒定試驗的分散性等級進行統(tǒng)一劃分，從而更加合理地判斷土樣的分散性等級。因此將表 2的雙比重計試驗3級判斷標準改為4級：當分散度>70%時，為高分散性土；當50%<分散度≤70%時，為分散性土；當30%<分散度≤50%時，為過渡性土；當分散度<30%時，為非分散性土。將針孔試驗判定標準同樣劃分為4級：將表 7中分散性土細分：將分散性土D1劃分為高分散性土；D2劃分為分散性土，其余按照原標準劃分。將表 9中交換性鈉離子百分比試驗結果對分散性土的劃分分為4級：當ESP<7時，為非分散性土；當7≤ESP<10時，為過渡性土；當10≤ESP<15，為分散性土；當ESP≥15時，為高分散性土。通常采用百分制來評判土樣的分散性等級，如在雙比重計試驗中得到當分散度約為80%，判定土樣為高分散性土，如在樊恒輝等(2013)中土的分散比例超過50%劃分為分散性土。為了簡化計算，本方法中采取十分制滿分來評判土體的分散性等級。由于在本方法中針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗和交換性鈉離子百分比試驗對土樣分散性等級均分為高分散性、分散性、過渡性、非分散性4個等級，因此對各分散性等級分別賦分2.5、5、7.5、10，各等級的評分值見表 11。根據各試驗所占權重及各等級賦值，土體分散性等級可劃分為4個等級：當0

在本次分散性等級判別試驗中，根據雙比重計試驗、碎塊試驗、針孔試驗和交換性鈉離子百分比試驗結果及權重值，計算乾安地區(qū)土樣分散性：7.5×0.25+10×0.2+7.5×0.4+10×0.15=8.375，所以綜合判定乾安地區(qū)土樣為高分散性土。

為了探究本文中提出的土體分散性綜合評判方法的可靠度，依據前人提出的判別方法來驗證。本次所取土樣雙比重計試驗結果表明研究土樣為分散性土(高分散土)；碎塊試驗為等級3的分散性土(分散性土)；針孔試驗為D2分散性土(分散性土)；交換性鈉離子百分比為高分散性土。根據樊恒輝等(2013)提出的判別方法，則分散性權重大于50%，判定為分散性土體；根據王啟東(2013)提出的多數法原則，所有試驗均表現為分散性土體；根據張旭東等(2015)針孔試驗表現為分散性土，且其余試驗都表現為分散性土。任佳寬(2019)研究了吉林鎮(zhèn)賚地區(qū)土樣分散等級，碎塊試驗、針孔試驗、交換性鈉離子百分比試驗得出10～40cm土樣為分散性土，40～80cm土樣為非分散性土；雙比重計試驗得出10～80cm為分散性土，綜合判定10～40cm土樣為分散性土，40～80cm土樣為過渡土。根據本文提出的方法10～40cm土樣的分散性判定計算過程如下：7.5×0.25+7.5×0.4+7.5×0.15+7.5×0.2=7.5判定為分散性土；40～80cm土樣的分散性判定計算過程如下：2.5×0.25+2.5×0.4+2.5×0.15+7.5×0.2=3.5判定為過渡性土。樊恒輝等(2010b)以馬家樹水庫土為研究對象，1號土樣針孔試驗、雙比重計試驗和交換性鈉離子百分比試驗判定為非分散性土，碎塊試驗判定為過渡性土，綜合判定為過渡性土。根據本文提出的方法其分散性判定結果如下：5×0.25+2.5×0.4+2.5×0.15+2.5×0.2=3.125判定為過渡性土。1號土樣針孔試驗、碎塊試驗判定為分散性土，雙比重計試驗判定為過渡性土，交換性鈉離子百分比判定為非分散性土，綜合判定為分散性土。根據本文提出的方法其分散性判定結果如下：7.5×0.25+7.5×0.4+2.5×0.15+55×0.2=6.25判定為分散性土。

綜上所述，無論是用其他學者提出的方法判定本次所取土樣分散性，亦或是用本次提出的土體分散性綜合判別方法判定其他學者所取土樣的分散性等級，均發(fā)現該方法有良好的適用性。所以認為本次提出的土體分散性綜合評判方法可靠度較高、具有普適性，可以推廣應用到其他土樣分散性等級的判別中。

3 結 論

(1)研究區(qū)內土體級配不良，粉粒、黏粒含量多而砂粒含量少，土樣塑性指數為8，屬低液限黏土，礦物主要為石英、鈉長石等非黏土礦物。

(2)在確定土樣分散性等級所采取的分散性試驗不同時，得到的土樣分散性等級也不完全相同。本次試驗土樣的分散性等級判別結果顯示：雙比重計試驗結果表明研究土樣為分散性土；碎塊試驗為等級3的分散性土；針孔試驗為D2分散性土；交換性鈉離子百分比為高分散土。

(3)在判別土體分散性等級時，結合各分散性判別試驗的特點和前人研究成果，分別賦予碎塊試驗25%、雙比重計試驗20%、針孔試驗40%和交換性鈉離子百分比試驗15%的權重，同時對非分散性、過渡性、分散性、高分散性等級賦予一定的評分值，結合判別試驗權重值和評分值，將試驗結果劃分為4個等級，計算各試驗R(result)值。當0