陜西涇陽某黃土滑坡土的分散性試驗研究

鄭文杰，蔣 鑫，呂玉蒙，張 勵，吳艾芳

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

20世紀50年代，澳大利亞首次發(fā)現(xiàn)分散性土的存在，因其在水的作用下會出現(xiàn)土體顆粒分散的顯著特點而被稱為分散性土[1-2].分散性土?xí)饾巍⒙坊Х€(wěn)、管涌等工程危害，如美國俄克拉何馬與密西西比兩州的土壩[3]、西班牙的圣胡安水庫大壩[4]、黑龍江引嫩工程[5]、海南省三亞市的嶺落水庫[6]、山西上馬水庫土壩[7]都因使用了分散性土作為筑壩土料，從而發(fā)生洞穴、管涌及潰壩的危害.因此對分散性土的研究成為近些年巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一.

眾多學(xué)者為確定土的分散等級做了大量的工作，其中針孔試驗方法能直觀地模擬土體在滲透水流的作用下產(chǎn)生的沖蝕現(xiàn)象，定量的判別土樣的分散性，具有一定的工程現(xiàn)實意義，被認為是較為可靠的鑒別方法[21].因此，基于以上研究，本文以陜西涇陽某地區(qū)土樣為研究對象，利用針孔試驗和綜合判別標(biāo)準(zhǔn)確定土的分散性.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本研究所用土樣采樣地點為陜西省涇陽縣某滑坡處，圖1為試驗用土的粒徑分布曲線，表1為土的物理性質(zhì).根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，土壤分類符號為CL.

圖1 試驗用土的粒徑分布曲線

表1 土的物理性質(zhì)

1.2 針孔試驗

1.2.1 方法原理

針孔試驗是在特制的試驗裝置中，在呈圓柱形的試樣中心穿一直徑為1.0 mm軸向細孔，然后用水進行滲流試驗，在不同的水頭下觀察針孔受流水沖蝕的情況，記錄水流流量、顏色、孔徑尺寸，據(jù)此判斷土樣的分散性.

1.2.2 試樣制備和儀器設(shè)備

本試驗采用風(fēng)干后的擾動土，土樣通過2 mm篩，去掉粗砂或礫石顆粒，所用含水率為最優(yōu)含水率13.54 %，所用密度采用最大干密度的96 %.試樣通過壓樣儀分五層壓實，試樣最終高度為38.1 mm，直徑33 mm.

針孔試驗裝置圖如圖2所示，包括：有機玻璃管、拉桿、螺絲、前后面板、礫石、金屬網(wǎng)片、進水口、出水口、測壓管、密封圈、塑料軟管、孔徑1.5 mm，高度12.7 mm的錐體、水箱、5 ml，10 ml，25 ml，50 ml，100 ml的量筒、直徑1 mm,長約50～70 mm的硬鋼絲.

圖2 針孔試驗裝置示意圖

1.2.3 試驗操作步驟及注意事項

首先用手指壓力把小錐體推進試樣頂部.用硬鋼絲通過小錐體穿孔，穿透后旋轉(zhuǎn)硬鋼絲4～5次拔掉，使針孔干凈、暢通.

在針孔試驗圓筒內(nèi)的試樣上部下部放置金屬網(wǎng)和礫石塊，裝配儀器，連接進水管.在50 mm水頭下，水流透過針孔，每級水頭時間間隔5～10 min.用秒表和量筒連續(xù)測量流量并記錄時間，通過側(cè)視和頂視觀察量筒中水的顏色，將水的顏色分為很渾濁，渾濁，較混濁，輕微渾濁，肉眼可見，清澈和完全清澈7個等級.

試驗結(jié)束后，拆卸儀器，取出土樣，切開試樣檢查針孔大小，將針孔大小與使用的硬鋼絲比較，近似測定孔洞尺寸，并對侵蝕后試樣的針孔、量筒中水的顏色拍照記錄.

對于堅硬的原狀土樣，由于插入小錐體的緣故可能破壞試樣，可去除小錐體.本研究所用試樣為擾動土，插入小錐體對試樣未產(chǎn)生影響.試樣經(jīng)過風(fēng)干后采用最優(yōu)含水率來配制.由于流量在試驗過程中的測定存在較大難度，鑒定標(biāo)準(zhǔn)有時可以不用考慮流量的變化，而僅僅考慮水流顏色和針孔的變化.試驗結(jié)束后如果發(fā)現(xiàn)針孔呈喇叭口形，建議對針孔的出口處進行保護處理，防止產(chǎn)生誤判.為接近場地的實際情況，本試驗采用自來水進行試驗，而非采用蒸餾水.

1.3 分散性土判別方法

在第二節(jié)所述試驗方法的基礎(chǔ)上，需要運用針孔試驗的判別法則來對土樣的分散性質(zhì)進行嚴謹明晰的判斷，圖3所示的判別流程圖是在筆者對判別法則進行了少許簡化后的結(jié)果.

圖3 針孔試驗判別標(biāo)準(zhǔn)流程圖

(1)在50 mm水頭下.

(a)從50 mm水頭開始試驗(沒有水流時，停止試驗，重新穿孔)；

(b)分散性土與非分散性土的主要差異以50 mm水頭下的試驗成果來判定.在50 mm水頭下試驗進行5 min.在5 min末，如果水流很渾濁，流量不斷地增加，達到了約1.0～1.4 mL/s，停止試驗；

(c)拆開儀器，取出并切開土樣，測量針孔的直徑變化與硬鋼絲比較.若5 min后孔徑大于等于原孔徑兩倍，列入強分散性土類(D1).如果流量和針孔孔徑矛盾，則重新試驗；

(d)如果50 mm水頭下的水流渾濁，過了5 min，側(cè)視渾濁顏色明顯且流量沒有超過1.0 mL/s，繼續(xù)試驗5 min；

(e)如果10 min末，水流依然渾濁，停止試驗，測量針孔直徑的變化.如果流量約1.0～1.4 mL/s，試驗后針孔直徑大于原來的1.5 倍，就列入分散土(D2)；

(f)如果10 min末，水流輕微渾濁，停止試驗，測量針孔直徑的變化.如果流量約0.8～1.0 mL/s，試驗后針孔直徑小于等于原來的1.5倍，就列入過渡性土(ND4)；

(g)如果10 min末，水流清亮或稍微有渾濁，而且流量約0.4～0.8 mL/s，將水頭提高至180 mm，進行下一階段試驗.

(2)在180 mm水頭下.

(a)180 mm水頭下，水流顏色明顯較為渾濁而且流量增加速度較快增至1.4～2.7 mL/s，停止試驗，測量針孔.如果試驗后針孔大于等于原來針孔的1.5倍，則列入過渡性土(ND3)；

(b)在180 mm水頭下，5 min后如果水流依然很清澈，或有肉眼可見的土粒，流量約0.8～1.4 mL/s，則將提高水頭到380 mm，繼續(xù)進行試驗.

(3)在380 mm水頭下.

(a)在380 mm水頭下，5 min后如果水流逐漸變渾濁，或流量增加到約1.8～3.2 mL/s,則列入過渡性土(ND3)；

(b)在380 mm水頭下，5 min后如果水流是很清澈的，流量約1.0～1.8 mL/s,則提高水頭到1 020 mm.

(4)在1 020 mm水頭下.

(a)在1 020 mm水頭下，5 min后如果水流明顯有些顏色或流量超過3.0 mL/s,列入非分散性土(ND2)，否則列入非分散性土(ND1)；

(b)非分散土(ND1)在1 020 mm水頭下，流量一般小于3.0 mL/s，試驗結(jié)束時針孔直徑不發(fā)生較大變化.

2 針孔試驗結(jié)果

本研究對50 mm水頭下的三組重復(fù)試驗進行結(jié)果分析，拍攝實物土樣在固定水頭作用固定時間后的侵蝕破壞形態(tài)，對侵蝕后孔徑尺寸進行觀測，記錄燒杯所呈溶液分別在側(cè)視、頂視下的渾濁程度，最終進行分散性判別，如表2所示.

表2 針孔試驗結(jié)果記錄表

50 mm水頭下的三組試驗開始5 min后，水流體積分別為175 mL，180 mL和130 mL，流量分別為0.6 mL/s、0.6 mL/s、0.4 mL/s，遠未達到1.0～1.4 mL/s，因此進行下一個5 min.在10 min末，土樣1流量達到0.9 mL/s，水流顏色輕微渾濁；土樣2流量達到0.4 mL/s，水流顏色渾濁；土樣3流量達到0.01 mL/s，是因為土樣發(fā)生了孔道堵塞，但此時水流顏色變得渾濁，因此停止試驗.切開試樣后測量孔徑，土樣1、2、3的孔徑分別為3～4 mm、4 mm、1.5～2 mm，大于原來孔徑的1.5倍，依照第2節(jié)的判別標(biāo)準(zhǔn)，將本試驗用土列為分散土(D2等級).

3 分析與討論

從前一章節(jié)的試驗結(jié)果可知，本試驗用土為分散土(D2等級).但單一的試驗判別難免缺乏說服力，因此為得到更嚴謹?shù)慕Y(jié)論，筆者采用了相同的土樣進行孔隙水可溶性陽離子試驗，判別結(jié)果如表3所示.

表3 孔隙水可溶性陽離子判別結(jié)果

判別結(jié)果依下列公式計算而得.

(1)

PS=CNa+/TDS

(2)

以TDS為橫坐標(biāo)，PS為縱坐標(biāo)在半對數(shù)坐標(biāo)圖中繪制PS與TDS關(guān)系曲線圖.

如圖4所示，若土樣落在A區(qū)，為分散性土；落在B區(qū)，為非分散性土；落在C區(qū)，為過渡性土.因此可以判別本試驗用土為分散性土.

圖4 土的分散性與TDS、PS的關(guān)系

為了使針孔試驗判別更具說服力，筆者參照了其他學(xué)者的試驗結(jié)果，采用物理性質(zhì)相近的土樣進行比對.若干試驗結(jié)果列于表4.

表4 其他試驗結(jié)果

結(jié)合表格歸納可得針孔試驗具有代表性，其工程現(xiàn)實意義十分重要，前人所完成的大部分試驗，無論土樣差異如何，選用單一的判別方法或綜合判別(已有較多不同的試驗方法所得結(jié)果不完全相符的現(xiàn)象[26])，都以針孔試驗結(jié)果為最重要指標(biāo)之一.

表格所摘取的試驗所用土樣物理性質(zhì)與本試驗接近，具有對照意義.上述試驗判別為過渡性土或非分散性的土樣分組中，鈉離子的析出濃度及其在可溶性陽離子中的占比低，而本試驗土樣的鈉離子占比高，接近87%，在此筆者認為土中鈉離子含量與土體分散性有密切聯(lián)系.以往一些學(xué)者在土體組成影響分散機制上做了大量工作，提出了一系列解釋.一類觀點是：土體中含有一定量的特定礦物成分，且少膠結(jié)物質(zhì)同時具有較強堿性[27].筆者認為，這類分散機制解釋仍有待完善之處，表格所摘取的試驗亦有礦物成分分析，但未發(fā)現(xiàn)某種特定礦物對于分散性的決定性意義，相反，礦物成分相差大的土樣卻表現(xiàn)出相近的分散性.同時，判別為分散性土樣的大多具有較強堿性，根據(jù)孔隙水陽離子試驗分析結(jié)果，土體呈堿性與高鈉土聯(lián)系緊密[28]，因而，鈉離子對分散機制的影響本質(zhì)值得進一步探究.也有學(xué)者從物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)兩個不同的方面來分析分散機制，并認為化學(xué)性質(zhì)的影響在分散性判別中發(fā)揮了更強的作用，物理性質(zhì)則是在非分散性中更為明顯，兩者作用程度相近時結(jié)果為過渡性土，提供了一個更為全面的研究視角.與這類解釋相似的是：土體的某些物理組成提供了有利于土體在水中發(fā)生分散的，具有一定pH值的液體環(huán)境，并且含有大量可交換鈉離子等因素[29]，進而加速分散過程[30]；礦物組成對分散性的影響不能以含量多少來線性考慮，土體所處液體環(huán)境具備一定的pH值與高Na+為加劇分散性的本質(zhì)要素[31].

本試驗對所用土樣進行了物理性質(zhì)分析，且在50 mm水頭下進行了多組針孔試驗及孔隙水可溶性陽離子成分分析，即得到明晰的判別結(jié)果，對照物理性質(zhì)、鈉離子含量相近的其他試驗，結(jié)果相差不大，同時我們也發(fā)現(xiàn)有些試驗分組被判別為過渡性或非分散性土.在一定意義上可以說明鈉離子占比高、土體呈強堿性是更為重要的影響因素，物理性質(zhì)不能作為決定性的影響因素，高濃度鈉離子的存在及有利于離子交換的礦物組成、化學(xué)環(huán)境，使得土體顆粒間的排斥勢能顯著增大.于是，加速了與水體的接觸和反應(yīng)，水體的物理剝蝕及化學(xué)侵蝕也得以更快更充分地進行[32].采取這類解釋較為契合本試驗結(jié)果.本試驗仍然具有局限性，針孔試驗雖然有效模擬了一定條件下的工程實際情況，但卻難以反映最為主要的影響因素，分散機制需要對照大量的相似或?qū)Ρ仍囼瀬砑右蕴骄?

4 結(jié)論與展望

以陜西涇陽某地區(qū)黃土為例進行一系列的針孔試驗，判斷其分散性，得出以下主要結(jié)論：

(1)本次針孔試驗選取具有代表性50 mm水頭下的三組重復(fù)試驗結(jié)果進行分析，由于流量在試驗過程中難以測量準(zhǔn)確，所以，在鑒定標(biāo)準(zhǔn)中有時可以不用考慮流量的變化，本次試驗僅對水流顏色和針孔侵蝕破壞形態(tài)進行分析.三組試驗均呈現(xiàn)側(cè)視較渾濁，頂視渾濁程度深，最終孔徑為原來的1.5倍，由此得出該土樣為D2等級的分散性土；

(2)孔隙水可溶性陽離子試驗表明土體在水中分散時，可交換鈉離子含量高，達到86.9 %，在TDS-PS分區(qū)圖中劃歸為分散性土.可能的原因為鈉離子含量高時土體顆粒間電子層增厚，排斥力大于粘聚力等吸引力；

(3)針孔試驗具有分散性影響因素不凸顯，分散機制需要大量對照組加以解釋等局限性，應(yīng)結(jié)合更多物理化學(xué)成分分析或結(jié)合碎塊試驗、雙比重計試驗等進行綜合分析較宜.孔隙水陽離子試驗具有試驗結(jié)果明確，但同時在分散性土與過渡性土間的區(qū)別力度不夠，需同其他類型試驗相佐證；

(4)本試驗中土樣分散機制的最重要因素為高濃度可交換鈉離子及強堿性環(huán)境，礦物組成等其他物理性質(zhì)不能作為決定性因素，但其創(chuàng)造了合適的化學(xué)環(huán)境以加快土體在水中的分散過程.