新疆某水利水電工程土料的物理化學性質及分散性試驗研究

李青山

(新疆水利水電勘測設計研究院，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相互吸引力，導致土體顆粒分散的粘性土[1]。在我國黑龍江、新疆、江蘇、山西、陜西等省區普遍存在分散性黏土，對工程安全有很大危害。自從20世紀50年代澳大利亞最早發現分散性黏土對水利工程的破壞性，我國工程界也予以高度重視，深入開張實驗研究，明確分散性黏土的生成條件、分散性機理及預防、處理措施等。本文根據水利水電工程中土料的分散性鑒定結果，對土料的分散性機理進行實驗研究和理論分析。

1 土樣的基本物理性質和化學性質

1.1 土樣的基本物理性質

選取某水利水電工程中的土料5組，編號分別為TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18，土樣顆粒分析試驗可知：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)%，塑性指數為7.1～12.0，分別定名為粉土質砂(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)%，無膨脹潛勢。試驗成果見表1和表2。

表1 土料顆粒分析試驗成果表

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

表2 土料物理性試驗成果表

1.2 土樣的基本化學性質

對該項目河水水質簡分析可知，水樣類型為重碳酸鹽氯化物鈣鎂水(C-Cl-Ca-Mg)，pH值為8.06，偏堿性，見表3。

表3 河水水質簡分析成果表

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需要從土樣中分離和富集，因而對5組土樣采用物理化學分散法，分離和富集小于2 μm膠粒部分，委托相關單位進行X衍射分析。由附后檢測報告可知：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、長石。

3 試驗方法

試驗依據《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SL 251-2015)中介紹的分散性針孔試驗、碎塊試驗、雙密度計試驗、孔隙水陽離子試驗綜合評判土樣的分散性。

3.1 針孔試驗

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。依據針孔試驗評價土的分散性標準，TK40、TK42、TK41兩組土樣評價為非分散性土，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣評價為分散性土。

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。依據針孔試驗評價土的分散性標準，TK40、TK41、TK42三組土樣評價為非分散性土，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣評價為分散性土。

5組土樣采用蒸餾水和河水進行針孔試驗，TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18最終水頭雖未發生變化，但是最終沖蝕孔徑和最終流量都相應變小。這說明當針孔試驗采用河水沖蝕土體時，河水中的鈣離子不斷置換土粒雙電層內的鈉離子，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的提高。

3.2 孔隙水陽離子試驗

經過試驗可得：TK40鈉離子含量百分數為62.08%，TK41鈉離子含量百分數為48.58%，TK42鈉離子含量百分數為68.26%，TKT1-13鈉離子含量百分數為75.03%，TKT2-18鈉離子含量百分數為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判定為過渡性土。

3.3 碎塊試驗

TK40、TK41、TKT1-13、TKT2-18土樣采用蒸餾水進行碎塊試驗，土塊水解后在量杯底部很快擴散，分散析出霧狀膠粒，水呈霧狀，水色混濁，許久不清，依據碎塊試驗判定標準評價為分散型性土。TK42土樣采用蒸餾水進行碎塊試驗，土塊水解后在量杯底部以細粒狀平堆，分散析出霧狀膠粒，15 min后霧狀回落，水色清亮，依據碎塊試驗判定標準評價為非分散性土。

3.4雙密度計試驗

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

綜上所述，分散性針孔試驗、碎塊試驗、雙密度計試驗、孔隙水陽離子試驗結果及判定匯總見表4。

表4 分散性試驗成果表

3.5 成果分析

(1)因為分散性土的研究在國內只有幾十年時間，鑒定分類方法尚不成熟，而本次試驗對5組土樣進行分散性針孔試驗、碎塊試驗、孔隙水陽離子試驗、雙密度計試驗，依據《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SL 251-2015)中分散性判別標準，而在實際判別過程中，發現不同的試驗往往會給出不一致的判別結果[2]，因而分散性土評價應綜合判定。

由于針孔試驗模擬了通過天然土體的集中滲流的沖蝕試驗，較為符合產生分散性管涌的實際情況，所以一般認為針孔試驗是一種比較可靠的鑒別黏土分散性的試驗方法。因此本次試驗判定以針孔試驗、碎塊試驗為主，結合孔隙水陽離子試驗、雙密度計試驗及黏土礦物X-衍射分析結果進行綜合判定。

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%，分別為粉土質砂(SM)、含砂低液限粉土(MLS)。從針孔試驗沖蝕孔徑、沖蝕現象、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、孔隙水溶液試驗、碎塊試驗均判定為分散性土，兩組土樣黏土礦物以石英、綠泥石，伊利石、長石為主，對土料分散無促進作用，TKT1-13與TKT2-18兩組土樣不耐沖蝕主要是因為土樣中粉粒含量相對較高，該兩組土樣綜合判定為過渡型土。

(2)TK40、TK41、TK42、TKT1-13、TKT2-18五組土樣自由膨脹率為7%～16%，無膨脹潛勢，對土的分散無促進作用。土料黏土礦物主要為石英、高嶺石，綠泥石，伊利石、長石，對土料分散無促進作用。5組土樣孔隙水陽離子試驗結果鈉離子百分數為48.58%～75.03%，其中TKT1-13與TKT2-18溶液中鈉離子百分數含量較高，分別為75.03%、68.21%，有條件置換顆粒表面擴散層中間的鈣離子，使擴散層增厚，對土料分散有促進作用，導致土料不穩定。

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

4 結論

由上述試驗可知，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渡型土，且五組土樣無膨脹潛勢，所含黏土礦物成分對土料分散無促進作用。但TKT1-13與TKT2-18兩組土樣高含量的鈉離子對土料分散有促進作用，使土料不穩定。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。