分散性土的鑒別方法與處理措施

張 蕊，李亞軍，徐鐵錚

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 712000）

1 前言

分散性土屬于一種遇水反應較為敏感的特殊土,目前認知范圍內(nèi)此類土廣泛分布在干旱或者半干旱地區(qū)。自20 世紀50年代在美國發(fā)現(xiàn)了分散性土后,國內(nèi)外研究人員對分散性土的產(chǎn)生原因、如何評價、工程特點與應用做了大量的工作,對于分散性土有了一定的認識。本文依托陜西省水利計劃項目《筑壩黃土料的分散性試驗研究》,以陜西省廣泛分布的黃土為研究對象,在大量的試驗數(shù)據(jù)基礎上,重點研究分散性土的野外與室內(nèi)試驗方法,分析鑒別分散性土。從分散性土的機理入手,研究分散性土的改性問題。

2 分散性土的鑒別方法

2.1 野外調(diào)查

確定料場是否為分散性土的第一步要進行野外調(diào)查,野外調(diào)查要通過細致的觀察、問詢以及結(jié)合前期資料綜合分析。一般分散性土在野外有以下特征：下過雨的淺洼地或者少量存水的地方,雨水渾濁且經(jīng)久依然保持渾濁,呈黃色或者咖啡色,水干后底部出現(xiàn)大量黏粒沉積,完全干涸后易產(chǎn)生龜裂；邊坡或有坡度的地方產(chǎn)生會產(chǎn)生沖溝、孔洞、沖槽等異常表面現(xiàn)象；在坡底滲出物中近處為粉粒,遠處為黏粒；在草木茂盛的護坡面上,雨水過后依然會出現(xiàn)孔洞,且孔洞的直徑一般大于10 cm。

當然,僅有野外調(diào)查還不能證明料場土一定是分散性土,還需要進行室內(nèi)試驗分析。

2.2 分散性土室內(nèi)試驗鑒別

判別是否為分散性土目前最常用的的方法有：針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗。前兩個試驗在于判別土是否具有分散性,后三個試驗說明分散性原因。

2.2.1 針孔試驗

針孔試驗是模擬動水環(huán)境下土的抗沖蝕能力,通過4 級水頭下,水經(jīng)過1.0 mm 針孔,通過觀察水的流量、顏色以及針孔孔徑的變化來綜合判別土是否具有分散性（針孔試驗示意圖見圖1,判別標準見表1）。

表1 針孔試驗判別分散性土標準

圖1 針孔試驗示意圖

圖2 土的分散性與TDS、PS 的關系

圖3 黏性土雙電層示意圖

本試驗的優(yōu)點在于能夠模擬不同的動水壓力下水對于土的作用,易于操作。缺點在于試驗用水是純水,而實際壩體或者渠道水是環(huán)境水,而室內(nèi)試驗無法模擬出作用在筑壩材料的環(huán)境水。在試驗過程中時常會因為礫石使用時間較長而產(chǎn)生石粉,影響到觀測水的顏色,還會因裝入的礫石過多而擾動土體表面產(chǎn)生誤判。在對陜北粉砂土進行針孔試驗時發(fā)現(xiàn),裝置的礫石實際上會產(chǎn)生反濾料的作用,而影響到結(jié)果。在試驗時建議：（1）將出水端上方也設置測壓管,目的在于更好地排出空氣,空氣排完立即夾住,減少影響空氣在試驗過程中的影響。（2）將出水口礫石去掉,在距離針孔邊界3 mm～4 mm 邊沿環(huán)狀涂抹502 膠體作為新思路進行試驗,既能消除出水端因礫石偶爾的堵塞問題,還能減少擾動造成的誤判。（3）將針的末尾磨成直徑小于等于1.0 mm,一次性直接穿過土體,減少抽拉過程中的擾動以及帶回部分顆粒到試驗孔中。

2.2.2 碎塊試驗

碎塊試驗是在模擬靜水環(huán)境下,觀察邊長為15 mm 的正方形土塊在水中膠體顆粒的析出情況來鑒別是否為分散性土。碎塊試驗的關鍵在于當土塊放置水中時,土塊表面附近或周圍產(chǎn)生膠粒懸液形成渾濁水,視覺上為“云霧狀”,依據(jù)云霧狀的大小或范圍來劃分分散性土、過渡性土以及非分散性土（判別標準見表2）。

表2 碎塊試驗判別分散性土標準

此種方法判斷分散性土是五種方法中最簡單又最快捷的方法,它也可在工地現(xiàn)場直接進行。缺點在于碎塊試驗只能定性的鑒別,沒有量的指標,而且在鑒定時因個人理解不同,常常因“云霧狀”程度把握不夠,而容易將分散性土判斷成過渡性土或?qū)⑦^渡性土判斷成分散性土。

2.2.3 雙比重計試驗

雙比重計試驗來自斯托克斯定律,原理是顆粒直徑與距離的平方根成正比,與顆粒沉降的時間的平方根成反比,即只要測得顆粒沉降的時間和距離就可以計算顆粒直徑。雙比重計試驗是對土樣進行兩次比重計試驗來測定黏粒（＜5 μm）含量,第一次比重計試驗就是常規(guī)的比重計試驗,在土樣中加分散劑、煮沸、攪拌的方法,得到一條曲線；第二次不加分散劑、抽氣,然后把土水懸液沖洗到量筒中,加純凈水至1000 mL,采用倒轉(zhuǎn)量筒來回搖晃30 次,得到另一條曲線。將兩次測得的黏粒含量以分散度（分散度為非常規(guī)試驗測定的黏粒（＜0.005 mm）含量與常規(guī)試驗測定的黏粒含量的比值）來判斷是否為分散性土,分散度越大越分散。

需要注意的是,土的酸堿度不同則需采用不同的分散劑,酸性土（pH＜6.5）采用氫氧化鈉、中性土（6.5＜pH＜7.5）采用草酸鈉、堿性土（pH＞7.5）采用六偏磷酸鈉,對于pH＞8.0 的堿性土則采用焦磷酸鈉作為分散劑。相關文獻中并沒有指出分散劑的濃度,故采用何種濃度來進行試驗有待進一步研究。

2.2.4 孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比

這兩種方法是從化學的角度來分析分散性土的定量特征,在黏土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)中,前者根據(jù)PS（鈉百分比）和TDS（孔隙水中陽離子總量）之間的關系鑒定。橫坐標為TDS縱坐標為PS 在半對數(shù)坐標紙中繪制PS 和TDS 關系曲線圖,若土樣的點在A 區(qū),屬于分散性土；在B 區(qū),屬于非分散性土；在C 區(qū),屬于過渡性土。

后者根據(jù)ESP（Exchangeable Sodium Percent,交換性鈉離子百分比,即交換性鈉離子含量與陽離子交換量的比值）值來判斷是否為分散性土。ESP 為7%～10%時,屬于分散性土且為中等分散性土；當ESP 大于15%時,屬高分散性土,既有嚴重管涌的可能性。

2.2.5 綜合分析土的分散性

針孔試驗、碎塊試驗分別模擬在動水和靜水環(huán)境下通過試驗現(xiàn)象來判別土樣是否具有分散性。若兩者均為分散性,則土樣一般為分散性土；若碎塊試驗和針孔試驗結(jié)果不一致時,應以最不利的判別結(jié)果作為最終判別結(jié)果,但是要注意低凝聚性土（黏粒含量低于10%的土）；兩者均為非分散性,土即為非分散性土。雙比重計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗均為解釋土的分散性機理。另外,注意雙比重計對于鹽漬土不適用。

3 分散性土分散機理及處理措施

3.1 分散機理

分散性土的分散性是其固有特征,土的常規(guī)物理、力學試驗中并不能很好地體現(xiàn)出特有的分散性質(zhì)。它的分散性特征是一種復雜的物理化學相互作用的結(jié)果,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),分散性土的形成機理存在幾個條件：①黏粒含量較低；②土體中的鈉離子存在較多；③土體呈堿性；④低含鹽水或純水為介質(zhì)。

3.1.1 黏粒含量低

黏粒由于顆粒比較細小,表面積大,黏結(jié)力強,因此具有膠結(jié)作用,可以將土顆粒膠結(jié)起來形成抗蝕性較強的團聚結(jié)構。若黏粒含量較多,土體遇水也很難將其團粒結(jié)構打開,故黏粒含量高就具有較強的抗水侵蝕性。相反,如果黏粒含量較低,則遇水后抗水蝕能力較低,易分散。

3.1.2 土體中的鈉離子存在較多和呈堿性

黏性土結(jié)構單位是硅氧四面體和鋁氧八面體,由于Si4+離子和Al3+離子被低價的陽離子替代等原因,使其表面帶負電荷,負電荷在吸附陽離子的過程中會產(chǎn)生吸附層和擴項層這兩個雙電層。土中的陽離子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等,從土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)的雙電層理論（見圖1）可知,土中含有的Na+在電解質(zhì)系統(tǒng)中的雙電層較厚,易使得吸引力小于排斥力而分散。土體呈堿性可使土顆粒表面的負電荷增多,在一定程度上吸附更多的陽離子,導致雙電層越厚,使得原級土顆粒之間的斥力大于吸引力,而發(fā)生分散的現(xiàn)象。

3.1.3 低含鹽水或純水為介質(zhì)

水作為介質(zhì),是致工程土體分散的重要外因。相關研究表明,較純凈的雨水或河水是土體發(fā)生沖蝕破壞的主要因素,含有較多溶解物的河水則對土的分散性具有一定的抑制作用。這也就揭示了某些大壩筑壩用的是分散性土而仍在安全運行的原因。

總而言之,分散性土的分散機理是一個復雜的物理化學綜合作用的結(jié)果,從單一某種角度并不能很好判斷其分散與否。

3.2 處理措施

目前對分散性土的處理措施有物理方法、化學方法、綜合處理方法等。

3.2.1 物理方法

主要是通過使用物理隔水或者防止細粒土流失的原理,既然分散性土遇水分散,如果將具有分散性的土與水隔開,就能防止發(fā)生分散現(xiàn)象；再者可使用適當級配的反濾料防止細粒流失也是一種很好的方法。目前最常用的有土工膜、反濾料等。物理方法在原理上可解決實際問題,但也要考慮工程經(jīng)濟問題。

3.2.2 化學方法

主要使用的原理是使用水泥、粉煤灰、石灰等改良土的級配,或者通過對水中加入石膏對水質(zhì)進行改良。通過碳酸鹽反應、水解反應、陽離子交換等化學反應來解決土分散性問題。目前化學方法改良是效果最好的改良方法。

3.2.3 綜合方法

這個方法主要是將物理和化學方法共同使用來達到處理分散性土的效果,綜合考慮環(huán)境污染、能源消耗、水泥、粉煤灰增加土體脆性以及運輸問題。

4 結(jié)語

分散性土是一種復雜的物理化學作用的結(jié)果,分散機理研究考慮的影響因素不夠全面。目前國內(nèi)對分散性土判別的仍需多種方法共同來評判。在實際的鑒別試驗過程中,經(jīng)常出現(xiàn)各種方法鑒別的結(jié)論不一致的情況,綜合鑒別的結(jié)論很難確定,或確定缺乏一定的原則性,對此,還應繼續(xù)進行探索探討,建議可重點從分散性土的破壞演變過程進行研究。目前分散性土的處理措施也在探索階段,又因工程經(jīng)濟、環(huán)境、方案難易程度等問題的制約,也沒有統(tǒng)一的處理原則或方案指導,故處理措施研究的重點要進行綜合分析再下定論。