吉林省乾安地區(qū)分散性土體改性試驗研究

劉守偉，林 森，宋佳宇，楊曉龍，付會成，張英勃

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012)

分散性土是一種在水力坡降很低條件下由于土顆粒間的排斥力超過吸引力而導致土體產生分散流失的黏性土[1]。作用機理是遇水分散成原級顆粒，在水力坡降較小的緩慢流水中隨水流分散流失，極易在堤壩、水渠等結構物內部發(fā)生沖溝、管涌等破壞，危害結構物的安全，對工程造成較大損失。位于吉林西部乾安地區(qū)的花敖泡水庫附近土體表面存在雞爪溝等侵蝕特性、水池中的土干涸后有龜裂現(xiàn)象，較干的土層表層有白色的鹽結晶顆粒，如圖1所示，這些現(xiàn)象都說明該地區(qū)土體具有明顯的分散性，存在極大安全隱患[2- 7]。為降低結構物的使用風險，同時減少工程損失，最直接、最有效的方法就是對分散性土體進行改良。

圖1 乾安地區(qū)花敖泡水庫附近土體龜裂及侵蝕現(xiàn)象

分散性土改性研究始于20世紀初的美國，率先報道了關于石灰和水泥改良土相關試驗[8]。此后，一般采用水泥、石灰和粉煤灰等進行土體改良，能得出較好的試驗結果。例如，楊昭[9]、高明霞[10]、Maharaj[11]、Gidday[12]和War[13]用石灰，汪濤[14]、楊小川[15]、Mohanty[16]和Shoghi[17]摻入水泥，嚴應佳[18- 19]、張宏[20]、Savas[21]、Consoli[22]和Premkumar[23]摻加粉煤灰改性分散性土。單一改性劑改性分散性土易受摻入量的影響，過多或者過少能影響改性劑效果，且利用率低，對壓實度等因素較為敏感。復合改性劑應運而生，它總結了前人的研究經驗，配置適當比例，提高了改性效果和利用率。例如，楊小川等[24]研究用4%粉煤灰、1%生石灰及1%水泥的組合改性劑在干濕循環(huán)下的改性效果，試驗表明改性劑能消除分散性土的分散性。劉國梁等[25]指出摻入7%石灰+0.8%三氯乙酸+0.2%聚丙烯酰胺的復合改性劑試樣可降低分散性土的分散度、塑性指數(shù)和膨脹性，同時能提高分散性土的無側限抗壓強度。

綜上所述，在分散性土的改性方面單一改性劑運用較多，但是組合改性劑研究較少。本文根據(jù)以往在分散性土方面的研究經驗，結合胖頭泡蓄滯洪區(qū)[24]分散土治理的科研成果，針對花敖泡蓄水調蓄工程天然料場的土料性質，提出以石灰+粉煤灰(比例1∶2)、水泥+石灰+粉煤灰(比例1∶1∶4)兩種改性方案進行改性研究，通過針孔試驗和碎塊試驗分析其改性效果，并分析改性前后對土體滲透性的影響，以期指導工程實踐。

1 試驗材料

1.1 土樣基本性質

本次實驗用土樣取自吉林省乾安縣花敖泡庫區(qū)范圍內的大壩兩端外側的A1、A2土料場，其中土樣A1- 1、A1- 2和A1- 3取自A1土料場，A2- 1和A2- 2取自A2土料場，土體的基本性質見表1。兩個料場土樣比重相近，顆粒成分以粉粒為主，A1土料場的土樣為含砂低液限黏土，A2土料場的土樣為低液限黏土。

表1 乾安縣花敖泡庫區(qū)土樣基本性質

1.2 土的礦物成分

土料中粘土礦物種類與土料分散性密切相關，如土料中含有一定量蒙脫土，層間又存在足量的Na+，土料就有可能形成分散性土，為此，對兩個土料場各取一土樣，抽取出顆粒小于2μm部分進行X射線衍射分析，得出粘土礦物成分，見表2。

表2 粘土礦物相對百分含量

從試驗結果來看，兩個土樣礦物成分中不含蒙脫石，但是含有較多的伊利石及伊利石/蒙脫石混層礦物，且二者含量約為50%，因此，礦物分析的結果表明，土樣具有產生分散性的內在因素。

2 土樣分散性判別

分別通過雙比重計試驗[26]、針孔試驗[27]、碎塊試驗[28]和交換性鈉離子百分比試驗[29]4種方法對土樣分散性進行判別，依據(jù)SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[30]中的判別標準進行綜合判定，結果見表3。

表3 土樣分散性判定結果

雙比重計試驗中5種土樣分散度均超過50%，評價均為分散性土。針孔試驗圖如圖2所示，A1-1、A1-2和A1-3為分散性土，A2-1為非分散性土，A2-2為過渡性土。碎塊試驗如圖3所示，其中A1-1、A1-2和A1-3在水中很快崩解，且水較為渾濁，為分散性土，A2-1和A2-2入水后土塊崩解成土堆，土塊附近輕微渾濁，為過渡性土。土樣A1-1、A1-2和A1-3的ESP值均大于10%，為分散性土，A2-1和A2-2的ESP值在7～10之間，為過渡性土。通過以上試驗和SL 251—2015中的判別標準進行綜合判定，可知A1土料場的土樣均為分散性土，A2土料場的土樣為過渡性土。

圖2 針孔試驗圖

圖3 碎塊試驗圖

3 試驗方法

3.1 試樣制備

本次試驗采用兩種復合改性劑，分別為石灰+粉煤灰(比例1∶2)(記為方案①)和水泥+石灰+粉煤灰(比例1∶1∶4)(記為方案②)。由于現(xiàn)場取回的土樣多數(shù)偏干，都低于塑限含水率，所以土樣處理時盡量保持土料的天然含水率，對于較濕的土樣略加風干以便過2mm篩。取相同質量風干過篩后的試樣，A1-1和A2-1土樣均分別添加方案①、②總摻量為2%、4%、6%，A1-2和A2-2土樣均分別添加方案①、②總摻量為3%和5%，A1-3土樣添加方案①、②總摻量均為4%，同時，A1-3和A2-1均應加入相同質量的未處理土作為對照，試驗方案見表4。用噴瓶向土樣加水并攪拌均勻，配至最優(yōu)含水率。將配置好的土樣密封置于塑料袋中靜置24h。試樣制好后用95%的壓實度靜壓制成，使土樣達到最大干密度，制備好的試樣用保鮮膜密封包裹防止水分蒸發(fā)。

表4 分散性試驗改性方案

3.2 土樣分散性改性試驗

本次研究主要采用針孔試驗[27]和碎塊試驗[28]進行改性土體的分散性鑒定，依據(jù)SL 251-2015中的判別標準進行綜合判定。

針孔試驗采用102cm的水頭下水流流經小孔歷時5min，針孔試驗的土樣尺寸為Φ33mm×38.1mm，通過靜壓法制得。碎塊試驗取1cm3的立方體土樣浸沒在盛有250mL蒸餾水的燒杯中，浸放5～10min。

3.3 滲透試驗

滲透試驗采用變水頭中型滲透儀(南55型)，滲透試驗采用最優(yōu)含水率和最大干密度制樣，制樣采用內徑61.8mm、高40mm的環(huán)刀。滲透試驗方法按照SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》進行操作。在試樣制好后應進行抽氣，使抽氣飽和的試樣飽和度達到95%以上，試驗用水為純水。向變水頭管注水，當水位穩(wěn)定后，開始測記變水頭管中起始水頭高度和起始時間，按預定時間間隔測記水頭和時間的變化，并測記出水口的溫度。變換變水頭管水位高度，重復試驗5—6次。當不同開始水頭下測定的滲透系數(shù)在允許差值范圍時，結束試驗。

4 試驗結果與分析

4.1 改性劑對土體的分散性影響

針孔試驗中改性劑的加入對土體分散性影響顯著，不同的改性方案和摻量均能使土體改性為非分散性土。碎塊試驗則影響不大，對于A1土料場的土樣(分散性土)，在總摻量達6%時兩種方案都能改性為非分散性土，另外的，采用方案①摻入量為4%時也能改性為非分散性土，其余情況則改性為過渡性土；對于A2土料場中的土樣(過渡性土)，采用方案①總摻量為4%、5%和6%和方案②總摻量為6%能改性為非分散性土，其余情況土體分散性無變化。改性試驗結果見表5。

表5 改性試驗結果

4.1.1 改性劑種類對土體的分散性影響

針孔試驗中，在102cm水頭作用下，針孔均未發(fā)生沖蝕破壞，且針孔直徑均未發(fā)生變化，都為1mm。兩種改性方案試驗結果較為一致，改性效果明顯，都能將過渡性土或分散性土改性成非分散性土。在針孔試驗中，改性劑的種類對土體分散性的影響不大。

在碎塊試驗中，當兩種改性劑摻量均為4%時，方案①改性后的水較透明，表明改性為非分散性土；而方案②改性后可見土塊崩解成土堆，附近輕微渾濁，鑒定為過渡性土。A1和A2土料場的土樣改性效果一致，說明改性劑的種類對土體分散性有影響，采用方案①改性效果更好。

4.1.2 改性劑摻量對土體的分散性影響

在針孔試驗中，不摻任何改性劑的情況下，針孔沖蝕嚴重，水色渾濁，分散性土的改性劑總摻量在2%、3%時水輕微渾濁，當總摻量為4%時水色變?yōu)橥该鳎贿^渡性土的改性劑總摻量在3%時水色變?yōu)橥该鳌Ｕf明隨改性劑摻量的增加，改性效果越來越顯著，且分散性土改性推薦最低膠材總摻量為4%，過渡性土改性推薦最低膠材總摻量為3%。

在碎塊試驗中，不摻任何改性劑時，土塊水解渾濁，水呈霧狀，隨著改性劑的摻入，分散性土改性為過渡性土，當分散性土中改性劑總摻量達到6%時，兩種改性方案改性后分散性鑒定均為非分散性土；而過渡性土在方案①中總摻量達到4%、5%、6%轉變?yōu)榉欠稚⑿酝痢Ｕf明改性劑的摻量對改性效果影響較大，摻量越多，改性效果越好，且分散性土改性推薦最低膠材總摻量為6%，過渡性土改性推薦最低膠材總摻量為4%。

4.2 改性劑對分散性土滲透性能的影響

通過滲透試驗結果表6可知，兩種改性劑總摻量相同的情況下，經方案②改性的過渡性土和分散性土的滲透系數(shù)均有所減小，但減小的幅度不大；經方案①改性的分散性土的滲透系數(shù)也有所減小，但過渡性土滲透系數(shù)有增加的趨勢。總體來說過渡性土和分散性土在使用改性劑改性前后滲透系數(shù)相差不大，可知改性劑對分散性土的滲透性影響不大，改性前后滲透性處于同一水平。

表6 改性分散土滲透試驗結果

5 組合改性劑改性機制分析

分散性土的分散機理主要是由于土中鈉離子含量和酸堿度較高，致使土顆粒表面的雙電層較厚，從而導致土顆粒間的引力較弱，在水力坡降較低的情況下容易分散流失。本次采用的改良劑有水泥、石灰和粉煤灰，這3種材料的化學成分有鈣、鐵、硅等氧化物，摻入土中后發(fā)生水化反應或電離生成Ca2+、Al3+等陽離子，相比單一的改性劑，復合改性劑能提供充足的高價陽離子與土顆粒表面的Na+發(fā)生離子交換反應，使顆粒表面結合水膜變薄，雙電層厚度減小，增強了顆粒間的引力，降低了分散性，且能通過團聚形成比表面積大的凝膠粒子，相互吸附增強土體強度。復合改性劑中的粉煤灰水解水化生成的凝膠物質能填充空隙，增加密實度，增強抗?jié)B性能。石灰和水泥能在土中凝結硬化生成結晶化合物，增強土體強度和水穩(wěn)定性，提高承載力。復合改性劑能提供充足的氫氧化鈣，這些氫氧化鈣大多是水泥水化反應和生石灰中含有的，其能與空氣中的二氧化碳反應生成不溶于水的碳酸鈣，碳酸鈣不僅能起到膠結作用填充空隙，還能提高土體強度[31- 32]。總結可知復合改性劑不僅能綜合單一改性劑的改性特點，且能夠提供充足的高價陽離子置換土顆粒表面的Na+，使顆粒間引力增強，絮凝傾向變大，不易于分散；還能提供充足的氫氧化鈣進行后續(xù)的碳酸化反應生成碳酸鈣，能起到膠結作用填充空隙，抑制分散。

6 結論

本文通過兩種復合改性方案：石灰+粉煤灰(比例1∶2)、水泥+石灰+粉煤灰(比例1∶1∶4)對吉林省乾安縣土體分散性進行改性研究，探究了改性效果。得出以下結論：

(1)通過針孔試驗和碎塊試驗，對10組分散性土和10組過渡型土試樣的改性效果進行了初步評判。綜合試驗結果，推薦采用石灰+粉煤灰改性方案，其中分散性土改性推薦最低膠材總摻量為6%，過渡型土改性推薦最低膠材總摻量為4%。

(2)通過滲透試驗的研究，得出改性劑對分散性土的滲透性影響不大，改性前后土體滲透性處于同一水平。

(3)兩種組合改性劑對于土體分散性改良結果較為顯著，這些改性劑的摻入，通過水解水化反應、離子交換反應及凝結硬化反應改良分散性，增強了土體強度，提高了承載力。