水利工程土樣分散性綜合判別試驗(yàn)研究

王曉明，趙順利，2，張曉英，2

(1.江河工程檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

隨著水利工程參建各方對(duì)勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重視程度日益提高[1]，水利工程中的特殊土類的勘察也日益精細(xì)。分散性土作為一種典型的、危害性巨大的土，在實(shí)際的工程實(shí)踐中，通過一系列的工程地質(zhì)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)等手段，明確工程區(qū)的分散性土性質(zhì)和范圍，對(duì)于保障工程安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[2]。

分散性土的分散特性與土顆粒表面的特殊電化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，在低含鹽量水中，離子間的斥力超過引力，導(dǎo)致土體顆粒迅速分散。分散性土鑒定方法通常是通過野外鑒定和室內(nèi)試驗(yàn)2種方式來進(jìn)行，由于野外鑒定分散性土?xí)r存在較多的不確定性，具體的分散性土依舊需要結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)做進(jìn)一步判別[3]。目前國(guó)內(nèi)外常用的分散性土鑒定試驗(yàn)方法主要有碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)和孔隙水可溶鹽試驗(yàn)、交換性鈉百分比試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)圓筒試驗(yàn)、ζ-電位法等[4- 7]，但是單一試驗(yàn)方法均存在一定的局限性，不同試驗(yàn)得出的結(jié)果存在較多不一致的情況，因此通過不同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分散性土的綜合判別則具有更為重要的工程意義[8]。

在具體的國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中，由于分散性土試驗(yàn)規(guī)程的缺乏，導(dǎo)致在具體的試驗(yàn)方法選擇和判定標(biāo)準(zhǔn)方面存在較多的不一致，以單一試驗(yàn)方法的分散性土分級(jí)而言，存在三分法、四分法、五分法等[9- 10]。對(duì)于水利工程而言，GB 50487《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》明確了碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)和孔隙水可溶鹽試驗(yàn)等4種試驗(yàn)，并強(qiáng)調(diào)了綜合判別的重要性[11]，進(jìn)一步的SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》中提出通過三分法，即分散性土、過渡性土、非分散性土進(jìn)行分類，但是同樣未進(jìn)一步分析綜合判別方法[12]。對(duì)于具體的水利工程而言，分散性土分為3個(gè)級(jí)別，基本可以滿足工程需求，過多分級(jí)容易造成分散性土分析的難度。

鑒于此，針對(duì)水利工程規(guī)范中明確的試驗(yàn)種類和鑒定級(jí)別，在系統(tǒng)分析室內(nèi)鑒定試驗(yàn)方法的原理和適用特征基礎(chǔ)之上，為解決不同試驗(yàn)對(duì)分散性判別結(jié)果的差異，引入分散性綜合判別方法，對(duì)土樣的分散性進(jìn)行綜合判別，確定土樣的分散性級(jí)別。并通過10組土樣分別開展碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)等室內(nèi)鑒定試驗(yàn)，進(jìn)行分散性土綜合判別，為工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 分散性土的鑒定方法及適用性

GB 50487明確的試驗(yàn)方法為碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)和孔隙水可溶鹽試驗(yàn)，為了更適用于水利工程，在4種室內(nèi)試驗(yàn)具體判斷分散性時(shí)，按照SL 251—2015制定[11- 12]。

1.1 碎塊試驗(yàn)

碎塊試驗(yàn)是通過約1cm3的土塊在水中的分散現(xiàn)象進(jìn)行分散性鑒定[4]。具體操作時(shí)，可選擇純水，也可選用不同含鹽濃度的河水和水庫水，綜合研究水質(zhì)對(duì)分散性的影響。碎塊試驗(yàn)，簡(jiǎn)單方便，再現(xiàn)性較好，但只是定性的試驗(yàn)手段，準(zhǔn)確判斷分散性時(shí)，需依賴工程師的豐富經(jīng)驗(yàn)。相關(guān)研究結(jié)果表明，針對(duì)黏粒含量少(<12%)和塑性指數(shù)偏低(≤8)的黏性土，適用性較差。由于碎塊試驗(yàn)本身的局限性，具體進(jìn)行分散性土鑒定應(yīng)用時(shí)，通常和其他鑒定方法一起進(jìn)行綜合判別。

1.2 針孔試驗(yàn)

針孔試驗(yàn)通過特制的試驗(yàn)裝置進(jìn)行，典型的裝置如圖1所示。在不同水頭下，依次進(jìn)行試驗(yàn)要求用水條件下的滲透試驗(yàn)，觀察圓柱土樣中直徑1.0mm針孔在水流情況下的沖蝕特征、水流流量和水流顏色，根據(jù)水流和沖蝕特性，進(jìn)行土樣的分散性判別[5]。

圖1 針孔試驗(yàn)裝置示意圖

水利工程中，分散性土的危害更多是滲透水流的作用，針孔試驗(yàn)是這一情況的直觀模擬，是動(dòng)水作用下試樣的分散特性和黏?？箾_蝕性的直接反映，通常被認(rèn)為是最可靠的鑒定方法。但是對(duì)于粉粒、砂粒等含量較多的土而言，由于顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度較弱，抗沖蝕性較低，通過針孔試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可能存在將其誤判為分散性土的可能。此外，由于針孔試驗(yàn)本身并未考慮水利工程中具體構(gòu)筑物的尺寸、運(yùn)行狀態(tài)等特征，也未運(yùn)用形似理論，因此試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)(流量、沖蝕量、沖蝕形貌)并不能直接為工程使用，主要作為分散性土的判定依據(jù)。

1.3 雙比重計(jì)試驗(yàn)

黏性土以團(tuán)粒結(jié)構(gòu)為主，遇水不易分解，為獲得完整的顆粒分布，顆粒分析試驗(yàn)需采用煮沸+分散劑的方法，使其完全分散。區(qū)別于常規(guī)黏土，分散性土極易分散，針對(duì)此差別，設(shè)計(jì)了定量的鑒定方法—雙比重計(jì)試驗(yàn)[6]。具體試驗(yàn)時(shí)通過是否采用分散劑和煮沸的方法，進(jìn)行2次比重計(jì)試驗(yàn)來對(duì)比顆粒級(jí)配。典型的分散劑+煮沸得到的顆粒級(jí)配曲線和不加分散劑+不煮沸得到的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。根據(jù)公式(1)計(jì)算土樣的分散度，并根據(jù)分散度進(jìn)行土樣分散性的判斷。對(duì)于鹽漬土而言，含有大量的可溶鹽，可溶鹽本身的絮凝作用，會(huì)導(dǎo)致雙比重計(jì)試驗(yàn)的誤差較大。

(1)

圖2 雙比重計(jì)試驗(yàn)顆粒級(jí)配曲線圖

1.4 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)

分散性土的分散特性和其內(nèi)部的電化學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，通過孔隙水可溶鹽的性質(zhì)可以較好地反映土顆粒表面的電化學(xué)特性[3]。具體而言就是測(cè)定孔隙水中4種陽離子(Ca2+、Mg2+，Na+，K+)，以1/nmmol/L計(jì)，計(jì)算出陽離子參數(shù)，如公式(2)所示。

(2)

式中，TDS—孔隙水中陽離子總量，1/nmmol/L；SAR—鈉吸附比；PS—鈉百分比，%。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制PS—TDS關(guān)系曲線圖，如圖3所示，如果土樣的點(diǎn)落在A區(qū)，屬于分散性土；落在B區(qū)，屬于非分散性土；落在C區(qū)，屬于過渡性土。

圖3 土的分散性與TDS、PS的關(guān)系

2 土樣分散性綜合判別方法

工程實(shí)踐中，不同試驗(yàn)方法的進(jìn)行分散性鑒定的結(jié)論并不完全一致，針對(duì)試驗(yàn)間的差異，需要進(jìn)行綜合判定。研究結(jié)果表明，按照標(biāo)準(zhǔn)化的程序進(jìn)行綜合判定，可明顯提升分散性土的判別的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有的綜合判別方法有主要由權(quán)重法、評(píng)分法、經(jīng)驗(yàn)公式法等[9]，其中權(quán)重法和評(píng)分法的效果最佳。但是現(xiàn)有的綜合評(píng)價(jià)方法涉及的試驗(yàn)種類和分級(jí)方法與水利工程現(xiàn)行規(guī)范并不一致，限制了綜合判別方法的應(yīng)用。以水利工程為切入點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的綜合判別方法進(jìn)行改良，基于綜合判別方法的簡(jiǎn)便性，過分復(fù)雜且參數(shù)較多的模型不予采納，構(gòu)建的3個(gè)綜合判別方法如下。

(1)改良后的樊恒輝權(quán)重分析(以下簡(jiǎn)稱SFHH權(quán)重分析)：原分析方法中，雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)和交換鈉離子試驗(yàn)的權(quán)重值分別為20%、20%、40%、10%、10%[3]。具體的判別標(biāo)準(zhǔn)：①分散性的權(quán)重>50%，則土樣判定為分散性土。②分散性的權(quán)重=50%，過渡性的權(quán)重≥20%，判定為分散性土；反之，為過渡性土。③分散性的權(quán)重<50%，“過渡性+分散性”權(quán)重≥50%，則為過渡性土，反之，為非分散性土。

水利工程中的部分規(guī)范，未涉及交換鈉離子試驗(yàn)，考慮到其和孔隙水可溶鹽均屬于化學(xué)方法，將其權(quán)重分配給孔隙水可溶鹽，修正后的SFHH權(quán)重，為雙比重計(jì)試驗(yàn)20%、碎塊試驗(yàn)20%、針孔試驗(yàn)40%、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)20%。

(2)修正后的Bell和Walker評(píng)分表(以下簡(jiǎn)稱SBW評(píng)分表)：該評(píng)分表將分散性等級(jí)分為分散、中等分散、輕微分散、非分散，具體的評(píng)分參數(shù)涉及針孔試驗(yàn)、交換性鈉離子試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)(SAR)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)(TDS-PS)[13]。其中分散性等級(jí)為四分法，不適用于水利工程，且交換性鈉離子試驗(yàn)水利工程中的部分規(guī)范未涉及。具體應(yīng)用時(shí)，為和SL 251—2015對(duì)應(yīng)，修正后的SBW評(píng)分見表1。

表1 修正后的分散性土BW評(píng)分表

具體的評(píng)分判別標(biāo)準(zhǔn)修改為:①當(dāng)總分≥8時(shí)，土樣屬于分散性土。②當(dāng)總分介于5～7時(shí)(包括5和7)，土樣屬于過渡性土。③當(dāng)總分≤4時(shí)，土樣屬于非分散性土。

(3)多數(shù)一致原則，該分析方法主要針對(duì)3～4項(xiàng)試驗(yàn)，超過2組以上測(cè)試結(jié)果相同，按對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果判別。此種方法沒有考慮不同試驗(yàn)的差異特征，即每個(gè)試驗(yàn)權(quán)重相等，具體判別時(shí)，可按SFHH權(quán)重分析的判別標(biāo)準(zhǔn)展開。

3 土樣分散性鑒定試驗(yàn)

3.1 土樣基本物理力學(xué)特性研究

土的基本性質(zhì)指標(biāo)是土體分散性研究的基礎(chǔ)，可為分散性機(jī)理研究提供必要的支撐。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取的10組土樣的基本性質(zhì)試驗(yàn)成果見表2。選取的10組土樣均為低液限黏土，結(jié)合10組土樣的基本性質(zhì)，4種室內(nèi)試驗(yàn)鑒定方法均基本適用。

表2 土樣物理性質(zhì)試驗(yàn)成果表

3.2 土樣4種室內(nèi)試驗(yàn)鑒定

對(duì)典型10組土樣，分別開展碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)。

3.2.1碎塊試驗(yàn)

試驗(yàn)所用樣品為現(xiàn)場(chǎng)取樣后制成的約1cm3的原狀土塊，最大程度的保持土樣的結(jié)構(gòu)與含水率。試驗(yàn)成果表見表3。

表3 土樣碎塊試驗(yàn)分散性鑒定成果表

10組試樣中，2組分散性土，1組過渡性土，7組非分散性土。2組土分散性土樣編號(hào)分別為F3和F6。F3土樣在浸水后土樣周圍產(chǎn)生云霧狀現(xiàn)象，且較為明顯；F6土樣在水解的過程中產(chǎn)生渾濁水，且較長(zhǎng)時(shí)間后水色不清。典型分散性土碎塊試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 分散性土碎塊試驗(yàn)

3.2.2 針孔試驗(yàn)

典型的10組土樣針孔試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，10組土樣中有2組判別為過渡性土，其余土樣均判別為非分散性土。過渡性土樣的編號(hào)分別為F4和F8，這2組土樣的終級(jí)水頭均為380mm，流出水的顏色輕微渾濁，孔徑變大不明顯，土樣在終級(jí)水頭下的流量較大，分別為1.80和2.00mL/s，已達(dá)到了過渡性土的判別標(biāo)準(zhǔn)。

表4 土樣針孔試驗(yàn)分散性鑒定成果表

3.2.3 雙比重計(jì)試驗(yàn)

雙比重計(jì)的試驗(yàn)成果表見表5，10組土樣中有5組判別為過渡性土，5組判別為分散性土。過渡性土分散度D范圍值為32%～48%，分散性土分散度D的范圍值為51%～63%。

表5 土樣雙比重計(jì)試驗(yàn)分散性鑒定成果表

3.2.4 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)

孔隙水可溶鹽試驗(yàn)成果見表6，非分散性土鈉離子百分比PS范圍值為20%～35.8%，共5組，過渡性土鈉離子百分比PS范圍值為42.0%～56.4%，共5組。

3.3 土樣分散性綜合判別

通過對(duì)選取的10組土樣分別進(jìn)行4種室內(nèi)試驗(yàn)鑒定，不同判別方法給出的結(jié)果差異明顯，其中碎塊試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)鑒定出來的分散特性較弱，雙比重計(jì)和孔隙水可溶鹽試驗(yàn)鑒定出來的分散性更強(qiáng)。在具體的工程應(yīng)用時(shí)，需要結(jié)合水利工程的特點(diǎn)提出較為明確的分散性判別結(jié)論。按照提出的分散性綜合判別的方法對(duì)10組典型土樣進(jìn)行綜合判別，判別結(jié)果見表7。

表6 土樣孔隙水可溶鹽試驗(yàn)分散性鑒定成果表

表7 壤土層土樣分散性綜合判別匯總表

具體而言SFHH權(quán)重分析和SBW評(píng)分法的結(jié)論基本一致，多數(shù)一致原則的結(jié)果差異性較大，根本原因在于多數(shù)一致原則忽略了方法上的差異，其中，編號(hào)F8的土樣，2種方法鑒定結(jié)果不一致，從工程安全的角度出發(fā)，判別為過渡性土。通過研究發(fā)現(xiàn)，綜合判別方法中SFHH權(quán)重分析和SBW評(píng)分法可在水利工程中聯(lián)合使用，當(dāng)未開展針孔試驗(yàn)時(shí)，優(yōu)先選用SBW的評(píng)分法。實(shí)踐證明，綜合鑒定標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的可行性，能夠減少人為因素的影響，可以科學(xué)、定量地綜合鑒定土料的分散性。

4 結(jié)語

針對(duì)水利工程中，分散性土分級(jí)特點(diǎn)和鑒定試驗(yàn)特證，構(gòu)建了土的分散性綜合判別方法，解決了碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)等單一分散性鑒定試驗(yàn)的局限性。綜合判別方法中，多數(shù)一致原則忽略了方法上的差異，可通過SFHH權(quán)重分析和SBW評(píng)分法在水利工程中聯(lián)合使用，當(dāng)未開展針孔試驗(yàn)時(shí)，優(yōu)先選用SBW的評(píng)分法。目前分散性土的研究中，開展了大量的分散性土改性研究，部分改性手段對(duì)分散性土的綜合判別的影響本文未充分考慮，在具體的應(yīng)用時(shí)，可結(jié)合改性方法的不同，進(jìn)一步開展改性土的分散性綜合判別研究。