以粉粒為主的風(fēng)積成因防滲土料分散性研究

胡亞?wèn)|，李青春，張 旭

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

分散性黏土在低含鹽量水中(或純凈水中)細(xì)顆粒之間的黏聚力會(huì)大部分甚至全部消失，呈團(tuán)聚體存在的顆粒體自行分散成原級(jí)的黏土顆粒。分散性土在我國(guó)東北、西北、華南等地的水利水電工程、交通工程建設(shè)中有揭示，其抗沖蝕能力差，容易造成沖蝕、淋蝕及滲透破壞，嚴(yán)重時(shí)可造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等，工程危害較大，在項(xiàng)目前期的勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，準(zhǔn)確判別土料的分散性是關(guān)鍵。

目前，主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)判別黏土的分散性，例如雙比重計(jì)試驗(yàn)、土塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)等。上述試驗(yàn)均存在一定的局限性，雙比重計(jì)試驗(yàn)未反映流動(dòng)水流對(duì)土體產(chǎn)生的剪切作用，土塊試驗(yàn)缺乏定量指標(biāo)，針孔試驗(yàn)不適用于未經(jīng)擾動(dòng)的高敏感性土，孔隙水可溶鹽試驗(yàn)中孔隙水的抽取技術(shù)影響了試驗(yàn)精度。同時(shí)對(duì)于粉土，上述試驗(yàn)的適宜性尚不明確。

某水電工程初擬壩型為碎石土心墻壩，周邊防滲土料較為匱乏，防滲土料初選為距離壩址約80 km的風(fēng)積成因土料，該地區(qū)風(fēng)積成因土料具有粉粒含量高(大于95%)、黏粒含量低(8%～10%)的特點(diǎn)。本文通過(guò)土料野外調(diào)查與識(shí)別、基本特性(包括礦物構(gòu)成、化學(xué)成分)、分散性評(píng)價(jià)試驗(yàn)等三方面研究以粉粒為主的風(fēng)積成因土料分散性，提出基于地質(zhì)分析土的分散性綜合判別法(具體判別流程見(jiàn)圖1)，對(duì)粉粒為主的風(fēng)積成因土料分散性進(jìn)行綜合判別，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

圖1 基于地質(zhì)分析土的分散性綜合判別法流程

1 野外調(diào)查與識(shí)別

該地區(qū)風(fēng)積粉土均直接出露于地表，現(xiàn)場(chǎng)部分地段有開(kāi)挖形成的斷面，有利于分散性現(xiàn)象的野外調(diào)查?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查顯示，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖形成的露頭經(jīng)過(guò)多個(gè)雨季的沖刷，未見(jiàn)明顯沖溝、孔洞及“犁痕”現(xiàn)象，料場(chǎng)范圍內(nèi)沖溝、溝水較為清澈，少見(jiàn)渾濁現(xiàn)象。根據(jù)野外調(diào)查初步分析認(rèn)為，該地區(qū)風(fēng)積土料無(wú)明顯分散性土特征。

2 土料基本特性

2.1 土料物理性質(zhì)

該土料場(chǎng)進(jìn)行了大量土的物理性質(zhì)試驗(yàn)工作，相關(guān)試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。土料天然含水率12.5%～13.7%，塑性指數(shù)13.28～13.4，比重2.69～2.70。大于5 mm(P5)含量0.01%～0.20%，粉粒含量96.80%～98.58%，黏粒含量9.14%～10.66%。從土料的物理性質(zhì)來(lái)看，該風(fēng)積土料以粉粒為主，粉粒含量平均97.71%，黏粒含量平均10%，黏粒含量不高。

表1 某土料場(chǎng)各區(qū)物理性質(zhì)試驗(yàn)成果

2.2 土料化學(xué)性質(zhì)

土料化學(xué)分析試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。土樣中SiO2含量最高，為53.32%～54.95%，有機(jī)質(zhì)含量為0.37%～0.68%，易溶鹽含量0.06%～0.09%，硅鋁率為3.50～3.75，pH值為7.6～8.2，呈弱堿性。

表2 某土料場(chǎng)化學(xué)分析試驗(yàn)成果

2.3 土料礦物成分

X衍射礦物分析試驗(yàn)顯示，土料礦物組成主要為伊利石和石英，伊利石含量為19%～48%，平均值為35%。石英含量為19%～60%，平均值為35%。而蒙脫石含量較低，為4%～8%，平均值為6%。

3 土料分散性試驗(yàn)

除常見(jiàn)的四種土料分散性試驗(yàn)方法，即:針孔法、孔隙水溶液陽(yáng)離子、土塊法和雙比重計(jì)外，交換鈉離子百分比也是評(píng)價(jià)土的分散性的方法之一。

本文試驗(yàn)研究以上述五種方法對(duì)土料分散性開(kāi)展試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

3.1.1 雙比重計(jì)法

雙比重計(jì)試驗(yàn)是對(duì)土樣進(jìn)行兩次比重計(jì)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定黏粒(小于0.005 mm)含量，第1次是常規(guī)的加分散劑、煮沸、攪拌；第2次不加分散劑測(cè)定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按下式求出分散度，分散度大于50%認(rèn)為是分散性土。

3.1.2 針孔試驗(yàn)法

針孔試驗(yàn)是在特制的針孔試驗(yàn)裝置中(見(jiàn)圖2)，將土樣用擊實(shí)儀擊實(shí)到干密度達(dá)到最大干密度的95%以上，在試樣的中部穿一直徑1 mm的軸向細(xì)孔，然后用蒸餾水(或試驗(yàn)要求用水) 進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，分別在不同水頭下觀察針孔受水沖蝕的情況。該法模擬了土體在集中滲透水流的作用下所承受的沖蝕條件，因而被認(rèn)為是最可靠的鑒定方法。

圖2 針孔試驗(yàn)法示意

3.1.3 碎塊試驗(yàn)法

碎塊試驗(yàn)的試驗(yàn)原理是從膠體化學(xué)的基本觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為某些黏性土在水中產(chǎn)生分散的原因是膠體顆粒的析出，將保持天然含水量的土塊或室內(nèi)針孔試驗(yàn)后的土樣制成1 cm3左右的土塊放入盛蒸餾水的燒杯中，浸放5～10 min后觀察土塊中膠粒的分散性狀。

3.1.4 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)

孔隙水可溶鹽試驗(yàn)，原來(lái)為農(nóng)業(yè)土壤的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，現(xiàn)在也用來(lái)作為鑒定分散性土的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法是把土與蒸餾水拌和到接近液限的程度，用有過(guò)濾設(shè)備的真空吸水器抽出孔隙水樣，測(cè)定孔隙水樣的鈣、鎂、鈉、鉀四種金屬陽(yáng)離子總量，也稱(chēng)為T(mén)DS，并求出其中鈉離子含量的百分?jǐn)?shù)，根據(jù)鈉離子百分?jǐn)?shù)與TDS的關(guān)系來(lái)判別其分散性。

3.1.5 交換鈉離子試驗(yàn)

交換性鈉百分比試驗(yàn)。測(cè)定全土中交換性陽(yáng)離子總量(CEC)和交換性Na+含量，求出交換性鈉百分比(ESP)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)土料開(kāi)展五種方法的分散性試驗(yàn)，土樣分散性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)合前述各類(lèi)試驗(yàn)方法分散性判別標(biāo)準(zhǔn)，五種試驗(yàn)方法分散性判別統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表3 某土料場(chǎng)風(fēng)積土料分散性試驗(yàn)成果

表4 土料分散性試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)研究成果表明，雙比重計(jì)法10組土樣中，有7組分散度D在53.3%～85.8%，為分散性土，有2組分散度D在37.1%～46.7%，為過(guò)渡型土，1組分散度D在15.6%，為非分散性土，分散性土占比約70%。針孔法10組土樣中，1組為分散性土，5組為過(guò)渡型土，4組為非分散性土，分散性土占比10%，非分散性-過(guò)渡型土占比約90%。土塊法試驗(yàn)中，有9組無(wú)分散出膠粒的反應(yīng)，土塊水解后在量杯底部以細(xì)粒平堆，水是清澈，為非分散性土，1組土塊水解后四周水有混濁現(xiàn)象，但擴(kuò)散范圍小，為過(guò)渡型土?？紫端芤宏?yáng)離子法試驗(yàn)10組土樣中，有2組為分散性土，有5組為過(guò)渡型土，有3組為非分散性土，分散性土占比20%，非分散性-過(guò)渡型土占比約80%。交換鈉離子百分比(ESP)試驗(yàn)中，ESP≥15%的有1組，為高分散性土，7組為非分散性土，2組為過(guò)渡型土。分散性試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 不同方法分散性試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

不同試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果有差異，在以往不同類(lèi)型的土體分散性試驗(yàn)中也有體現(xiàn)。分析其原因，主要是這些試驗(yàn)方法與判別標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得出，對(duì)常規(guī)的土樣5種試驗(yàn)結(jié)果能夠基本互相印證，但部分特殊土體受其性質(zhì)差異影響，其試驗(yàn)成果往往不一致。

雙比重計(jì)法是利用分散性土遇水后分散成原級(jí)顆粒，而非分散性土遇水后則能保持其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的區(qū)別開(kāi)展試驗(yàn)。對(duì)于黏粒含量較低的風(fēng)積成因粉土來(lái)說(shuō)，其物質(zhì)組成多以粉粒為主，難以保持團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，遇水后在水中基本完全分散，表現(xiàn)出類(lèi)似分散性土特性，加分散性后的黏粒含量提高有限，故試驗(yàn)獲取的分散度多大于50%，分析認(rèn)為對(duì)于低黏粒含量的土來(lái)說(shuō)，雙比重計(jì)試驗(yàn)判斷其分散性適宜性差，可靠度較低。

針孔試驗(yàn)運(yùn)用滲流理論模擬了土體在集中滲透水流作用下的抗沖蝕條件，采用定量和定性指標(biāo)鑒定土樣的分散性能和膠粒的抗沖蝕性能。該試驗(yàn)方法是鑒別分散性土各種試驗(yàn)方法中最直接可靠，可信度相對(duì)較高。

根據(jù)該地區(qū)風(fēng)積風(fēng)土的自身特點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，雙比重計(jì)法不適用于黏粒含量低的土體，在分散性試驗(yàn)判別中應(yīng)不考慮其試驗(yàn)成果，以針孔試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，需要結(jié)合其他試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合判斷。

4 土料分散性綜合判別

土料分散性判別過(guò)程中，試驗(yàn)成果是重要研究?jī)?nèi)容，同時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地表調(diào)查的分散性現(xiàn)象、土體物質(zhì)組成和礦物成分等開(kāi)展綜合判別。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地表調(diào)查，料場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯沖溝、孔洞現(xiàn)象，料場(chǎng)范圍內(nèi)沖溝、溝水較為清澈，少見(jiàn)渾濁現(xiàn)象，野外調(diào)查初步分析認(rèn)為，該地區(qū)風(fēng)積土料無(wú)明顯分散性土特征。

從礦物成分分析，蒙脫石類(lèi)礦物結(jié)構(gòu)晶架都由兩個(gè)硅氧片和一個(gè)水鋁片重疊而成，屬2：1型礦物，硅氧體和鋁氧體之間無(wú)K+離子聯(lián)結(jié)，水可以進(jìn)入片層之間，容易使晶體產(chǎn)生很大的體積改變，其晶層間聯(lián)結(jié)弱，晶格具有擴(kuò)展性，具有較大的分散性。該土料礦物組成主要為伊利石和石英，伊利石含量為19%～48%，平均值為35%。蒙脫石含量4%～8%，平均值為6%，相對(duì)較低，該風(fēng)積土料產(chǎn)生分散性的可能性不大。

由于雙比重計(jì)法試驗(yàn)不能適用于黏粒含量低的土體，從針孔試驗(yàn)、土塊法、孔隙水溶液陽(yáng)離子試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比4種方法的試驗(yàn)成果來(lái)看，土料場(chǎng)料源以非分散性-過(guò)渡型為主，少量具有分散性。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、礦物成分和室內(nèi)分散性試驗(yàn)綜合分析，該料場(chǎng)以粉粒為主的土料為非分散性-過(guò)渡型，部分試驗(yàn)產(chǎn)生的分散性現(xiàn)象是黏粒含量偏少而呈現(xiàn)出的一種物理性質(zhì)的分散性特性。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)于以粉粒為主，黏粒含量較低的風(fēng)積粉土來(lái)說(shuō)，其分散性判別應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、礦物成分和室內(nèi)分散性試驗(yàn)綜合分析，室內(nèi)試驗(yàn)方法選取應(yīng)注意其適宜性，雙比重計(jì)法用于低黏粒含量的土分散性判別適宜性差，可靠度較低。

(2)經(jīng)綜合分析，該土料場(chǎng)料源為非分散性-過(guò)渡型土，部分試驗(yàn)產(chǎn)生的分散性現(xiàn)象是黏粒含量偏少而呈現(xiàn)出的一種物理性質(zhì)的分散性特性。

(3)礦物成分是影響土體分散性的重要指標(biāo)，下一步需要對(duì)土料中的蒙脫石吸附的陽(yáng)離子組成進(jìn)行研究，以進(jìn)一步分析土體分散性。