新疆某水利水電工程土料的物理化學(xué)性質(zhì)及分散性試驗(yàn)研究

李青山

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

分散性粘土是一種在純凈水(或低含鹽量的水)中由于離子的相互排斥力超過(guò)相互吸引力，導(dǎo)致土體顆粒分散的粘性土[1]。在我國(guó)黑龍江、新疆、江蘇、山西、陜西等省區(qū)普遍存在分散性黏土，對(duì)工程安全有很大危害。自從20世紀(jì)50年代澳大利亞最早發(fā)現(xiàn)分散性黏土對(duì)水利工程的破壞性，我國(guó)工程界也予以高度重視，深入開(kāi)張實(shí)驗(yàn)研究，明確分散性黏土的生成條件、分散性機(jī)理及預(yù)防、處理措施等。本文根據(jù)水利水電工程中土料的分散性鑒定結(jié)果，對(duì)土料的分散性機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。

1 土樣的基本物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

1.1 土樣的基本物理性質(zhì)

選取某水利水電工程中的土料5組，編號(hào)分別為T(mén)K40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18，土樣顆粒分析試驗(yàn)可知：土樣中粒徑>0.075 mm砂粒含量占0.4%～65.3%，粒徑0.075 mm～0.005 mm粉粒含量占(22.0～77.1)%，<0.005 mm的黏粒含量占(12.7～26.5)%，<0.002 mm的膠粒含量占(6.7～16.0)%，液限為(21.6～27.5)%，塑限為(14.5～15.7)%，塑性指數(shù)為7.1～12.0，分別定名為粉土質(zhì)砂(SM)、含砂低液限粉土(MLS)、低液限黏土(CL)。5組土樣自由膨脹率為(7～16)%，無(wú)膨脹潛勢(shì)。試驗(yàn)成果見(jiàn)表1和表2。

表1 土料顆粒分析試驗(yàn)成果表

由土樣物理性試驗(yàn)成果表可知：擊實(shí)試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)(分三層，每層25擊，單位體積擊實(shí)功能為592.2 kJ/m3)，最大干密度為1.81 g/cm3～2.00 g/cm3，最優(yōu)含水率為(10.0～14.6)%，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 土料物理性試驗(yàn)成果表

1.2 土樣的基本化學(xué)性質(zhì)

對(duì)該項(xiàng)目河水水質(zhì)簡(jiǎn)分析可知，水樣類(lèi)型為重碳酸鹽氯化物鈣鎂水(C-Cl-Ca-Mg)，pH值為8.06，偏堿性，見(jiàn)表3。

表3 河水水質(zhì)簡(jiǎn)分析成果表

2 土樣黏土礦物成分分析

由于黏土礦物是促使土料分散的主要因素之一，而黏土礦物主要存在于土的2 μm膠粒組中，因此在研究黏土礦物組成時(shí)需要從土樣中分離和富集，因而對(duì)5組土樣采用物理化學(xué)分散法，分離和富集小于2 μm膠粒部分，委托相關(guān)單位進(jìn)行X衍射分析。由附后檢測(cè)報(bào)告可知：5組土樣的黏土礦物成分主要為石英、高嶺石、綠泥石、伊利石、長(zhǎng)石。

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2015)中介紹的分散性針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙密度計(jì)試驗(yàn)、孔隙水陽(yáng)離子試驗(yàn)綜合評(píng)判土樣的分散性。

3.1 針孔試驗(yàn)

TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五組土樣采用蒸餾水沖蝕，TK40土樣在1020 mm水頭下沖蝕5 min，沖蝕后土樣中間形成了直徑1.0 mm的通道，最終流量為4.5 mL/s，流出水水色透明；TK41土樣在1020 mm水頭下沖蝕5 min，沖蝕后土樣中間形成了直徑1.0 mm的通道，最終流量為6.1 mL/s，流出水透明；TK42土樣在1020 mm水頭下沖蝕5 min發(fā)生了沖蝕破壞，沖蝕后土樣中間形成了直徑3.0 mm的通道，最終流量為10.1 mL/s，流出水較混濁；TKT1-13土樣在50 mm水頭下發(fā)生了沖蝕破壞，沖蝕后土樣中間形成了直徑3.0 mm的通道，最終流量為5.2 mL/s，流出水混濁；TKT2-18土樣在50 mm水頭下發(fā)生了沖蝕破壞，沖蝕后土樣中間形成了直徑3.0 mm的通道，最終流量為1.4 mL/s，流出水混濁。依據(jù)針孔試驗(yàn)評(píng)價(jià)土的分散性標(biāo)準(zhǔn)，TK40、TK42、TK41兩組土樣評(píng)價(jià)為非分散性土，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣評(píng)價(jià)為分散性土。

TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五組土樣采用河水沖蝕，TK40土樣在1020 mm水頭下沖蝕5 min，沖蝕后土樣中間形成了直徑1.0 mm的通道，最終流量為3.0 mL/s，流出水水色透明；TK41土樣在1020 mm水頭下沖蝕5 min，沖蝕后土樣中間形成了直徑1.0 mm的通道，最終流量為3.2 mL/s，流出水透明；TK42土樣在1020 mm水頭下沖蝕5 min，沖蝕后土樣中間形成了直徑1.0 mm的通道，最終流量為4.5 mL/s，流出水透明；TKT1-13土樣在50 mm水頭下發(fā)生了沖蝕破壞，沖蝕后土樣中間形成了直徑3.0 mm的通道，最終流量為4.1 mL/s，流出水混濁；TKT2-18土樣在50 mm水頭下發(fā)生了沖蝕破壞，沖蝕后土樣中間形成了直徑3.0 mm的通道，最終流量為1.1 mL/s，流出水混濁。依據(jù)針孔試驗(yàn)評(píng)價(jià)土的分散性標(biāo)準(zhǔn)，TK40、TK41、TK42三組土樣評(píng)價(jià)為非分散性土，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣評(píng)價(jià)為分散性土。

5組土樣采用蒸餾水和河水進(jìn)行針孔試驗(yàn)，TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18最終水頭雖未發(fā)生變化，但是最終沖蝕孔徑和最終流量都相應(yīng)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，抗沖蝕能力較蒸餾水沖蝕時(shí)的提高。

3.2 孔隙水陽(yáng)離子試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可得：TK40鈉離子含量百分?jǐn)?shù)為62.08%，TK41鈉離子含量百分?jǐn)?shù)為48.58%，TK42鈉離子含量百分?jǐn)?shù)為68.26%，TKT1-13鈉離子含量百分?jǐn)?shù)為75.03%，TKT2-18鈉離子含量百分?jǐn)?shù)為68.21%，，TDS為196.88 mmol/L～415.96 mmol/L，5組土樣中TK40、TK42、TKT1-13、TKT2-18判定為分散性土；TK41判定為過(guò)渡性土。

3.3 碎塊試驗(yàn)

TK40、TK41、TKT1-13、TKT2-18土樣采用蒸餾水進(jìn)行碎塊試驗(yàn)，土塊水解后在量杯底部很快擴(kuò)散，分散析出霧狀膠粒，水呈霧狀，水色混濁，許久不清，依據(jù)碎塊試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)為分散型性土。TK42土樣采用蒸餾水進(jìn)行碎塊試驗(yàn)，土塊水解后在量杯底部以細(xì)粒狀平堆，分散析出霧狀膠粒，15 min后霧狀回落，水色清亮，依據(jù)碎塊試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)為非分散性土。

3.4雙密度計(jì)試驗(yàn)

TK42、TKT1-13、TKT2-18土樣雙密度計(jì)試驗(yàn)分散度為9.8%～17.8%，判定為非分散性土；TK41雙密度計(jì)試驗(yàn)分散度為37.8%，判定為過(guò)渡性土；TK40雙密度計(jì)試驗(yàn)分散度為64.7%，判定為分散性土。

綜上所述，分散性針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙密度計(jì)試驗(yàn)、孔隙水陽(yáng)離子試驗(yàn)結(jié)果及判定匯總見(jiàn)表4。

表4 分散性試驗(yàn)成果表

3.5 成果分析

(1)因?yàn)榉稚⑿酝恋难芯吭趪?guó)內(nèi)只有幾十年時(shí)間，鑒定分類(lèi)方法尚不成熟，而本次試驗(yàn)對(duì)5組土樣進(jìn)行分散性針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、孔隙水陽(yáng)離子試驗(yàn)、雙密度計(jì)試驗(yàn)，依據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2015)中分散性判別標(biāo)準(zhǔn)，而在實(shí)際判別過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不同的試驗(yàn)往往會(huì)給出不一致的判別結(jié)果[2]，因而分散性土評(píng)價(jià)應(yīng)綜合判定。

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)是一種比較可靠的鑒別黏土分散性的試驗(yàn)方法。因此本次試驗(yàn)判定以針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)為主，結(jié)合孔隙水陽(yáng)離子試驗(yàn)、雙密度計(jì)試驗(yàn)及黏土礦物X-衍射分析結(jié)果進(jìn)行綜合判定。

TK40、TK41、TK42土樣中大于0.075 mm砂粒含量為47.3%～65.3%，0.075 mm～0.005 mm粉粒的含量為22.0%～32.7%，小于0.005 mm的黏粒含量為12.7%～20.0%，小于0.002 mm的膠粒含量為6.7%～12.0%，分別為粉土質(zhì)砂(SM)、含砂低液限粉土(MLS)。從針孔試驗(yàn)沖蝕孔徑、沖蝕現(xiàn)象、最終流量及黏土礦物以石英、高嶺石，綠泥石，伊利石為主，該三組土樣綜合判定為非分散性土。

由TKT1-13與TKT2-18兩組土樣顆粒分析試驗(yàn)成果可知，土樣中大于0.075 mm砂粒含量為0.4%～3.4%，0.075 mm～0.005 mm粉粒的含量為70.1%～77.1%，小于0.005 mm的黏粒含量為22.5%～26.5%，小于0.002 mm的膠粒含量為12.5%～16.0%，均為低液限粘土(CL)。TKT1-13和TKT2-18兩組土樣針孔試驗(yàn)、孔隙水溶液試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)均判定為分散性土，兩組土樣黏土礦物以石英、綠泥石，伊利石、長(zhǎng)石為主，對(duì)土料分散無(wú)促進(jìn)作用，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣不耐沖蝕主要是因?yàn)橥翗又蟹哿：肯鄬?duì)較高，該兩組土樣綜合判定為過(guò)渡型土。

(2)TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五組土樣自由膨脹率為7%～16%，無(wú)膨脹潛勢(shì)，對(duì)土的分散無(wú)促進(jìn)作用。土料黏土礦物主要為石英、高嶺石，綠泥石，伊利石、長(zhǎng)石，對(duì)土料分散無(wú)促進(jìn)作用。5組土樣孔隙水陽(yáng)離子試驗(yàn)結(jié)果鈉離子百分?jǐn)?shù)為48.58%～75.03%，其中TKT1-13與TKT2-18溶液中鈉離子百分?jǐn)?shù)含量較高，分別為75.03%、68.21%，有條件置換顆粒表面擴(kuò)散層中間的鈣離子，使擴(kuò)散層增厚，對(duì)土料分散有促進(jìn)作用，導(dǎo)致土料不穩(wěn)定。

(3)采用河水進(jìn)行針孔試驗(yàn)和采用蒸餾水進(jìn)行針孔試驗(yàn)相比，土樣沖蝕最終水頭雖然沒(méi)有變化，但是由土樣最終流量、最終孔徑有所減小，這些都說(shuō)明了河水中的鈣離子置換了土粒雙電層內(nèi)的部分鈉離子，河水的使用提高了土料的抗沖蝕能力，對(duì)土樣的分散有一定的抑制作用。

4 結(jié)論

由上述試驗(yàn)可知，某水利水電工程中TK40、TK41、TK42三組土樣綜合判定為為非分散性土，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣綜合判定為過(guò)渡型土，且五組土樣無(wú)膨脹潛勢(shì)，所含黏土礦物成分對(duì)土料分散無(wú)促進(jìn)作用。但TKT1-13與TKT2-18兩組土樣高含量的鈉離子對(duì)土料分散有促進(jìn)作用，使土料不穩(wěn)定。所以，采用河水中的鈣離子置換部分鈉離子，提高土料的抗沖蝕能力，可有效防止土樣分散。