某心墻壩土料分散性判別與石灰改性土的性能規(guī)律分析

劉彬 楊偉 王寧遠(yuǎn) 文軍 何建新 楊武

關(guān)鍵詞：分散性土；改性試驗(yàn)；石灰摻量；陳化時(shí)間；物理力學(xué)性能

分散性土是一種特殊的黏土，在低含鹽量水或純水中易分解成細(xì)小土顆粒使水體渾濁，應(yīng)用于大壩心墻中會(huì)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞導(dǎo)致工程失事。20世紀(jì)50年代，澳大利亞土工科技人員首先發(fā)現(xiàn)分散性土，而后美國工程師發(fā)現(xiàn)分散性黏土?xí)?duì)壩體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞并開始研究。我國在20世紀(jì)80年代初在黃河小浪底河段中發(fā)現(xiàn)分散性土的存在。由于許多用分散性土修筑的水利工程在運(yùn)行后短時(shí)間內(nèi)就會(huì)失事，包括分散性黏土心墻破壞引起的滲漏而導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)破壞，因此分散性土的改性研究變得尤為重要。

目前，關(guān)于分散性土改性方法的相關(guān)研究有很多，包括粉煤灰、水泥、石灰、木質(zhì)素、羥基鋁溶液、仿巖溶碳酸氫鈣，都可將分散性土改性為非分散性土。一些改性材料受高成本、不易拌和、運(yùn)輸條件差等限制，在實(shí)際工程中運(yùn)用較少；石灰是一種經(jīng)濟(jì)有效的土質(zhì)改良材料，產(chǎn)量大、取材便利、價(jià)格便宜，很多工程選擇石灰作為分散性土改性材料。然而，摻人石灰后的分散性土物理力學(xué)性能將隨拌和后靜置時(shí)間（以下稱陳化時(shí)間）的延長(zhǎng)會(huì)發(fā)生一定的變化，為此本文以壩址區(qū)天然河道河水（以下稱天然河水）與石灰作為改性材料，探究其對(duì)土樣分散性的抑制效果，以及不同石灰摻量與陳化時(shí)間對(duì)改性土界限含水率、擊實(shí)、壓縮、剪切性能的影響，以期為采用石灰改性分散性土的施工方法提供理論及參考。

1土樣性質(zhì)

1.1土樣的基本性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自新疆伊犁地區(qū)某大壩壩料填筑料場(chǎng)，包含4個(gè)鉆孔，共15組土樣，土樣呈淺黃色。經(jīng)測(cè)定，15組土樣的基本物理、化學(xué)性能指標(biāo)均值分別見表1、表2。

1.2土樣的分散性

采用美國水土保持局（SCS）提出的雙比重計(jì)試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)3種方法進(jìn)行研究，結(jié)合土樣的分散機(jī)理，碎塊試驗(yàn)適用于所有的細(xì)粒土，針孔、雙比重計(jì)試驗(yàn)適用于黏粒（粒徑<0.005mm）含量大于等于12%和塑性指數(shù)大于4的細(xì)粒土．黏粒含量為12%是細(xì)粒土產(chǎn)生物理性和化學(xué)性分散的界限。在分散性判別中，以碎塊試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)的判別結(jié)果作為綜合判別依據(jù)，以雙比重計(jì)試驗(yàn)作為分散機(jī)制的解釋性試驗(yàn)。具體方法是，對(duì)土樣先進(jìn)行密度計(jì)試驗(yàn)，當(dāng)黏粒含量小于12%時(shí)，屬于物理性分散土（可稱之為低黏聚性土），物理性分散土是土顆粒之間黏粒含量小引起的分散，它與化學(xué)性分散土最大的不同就是分散顆粒大小不同，物理性分散土雖然抗沖蝕能力低，但是其顆粒以粉粒為主，宜采用碎塊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)：當(dāng)土體黏粒含量大于12%時(shí)，屬于化學(xué)性分散土或物理一化學(xué)復(fù)合型分散土，需要用碎塊試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)共同判別：當(dāng)碎塊試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)判別結(jié)果不一致時(shí)，從工程安全的角度考慮，取分散性較強(qiáng)的結(jié)果作為最終判別結(jié)果。因此，由表3得到上述15組土樣分散性的最終判別結(jié)果（見表4）。

從表4可以看出，15組土樣中含有分散性土，使用該土料進(jìn)行壩體填筑后，含分散性土的部分抗沖蝕能力很低，在運(yùn)行中遇到流動(dòng)的純水或低含鹽量水易發(fā)生崩解并被帶走，因而有許多用分散性黏土修筑的土壩、渠道及堤防工程在降雨或滲流作用下會(huì)產(chǎn)生沖蝕裂隙，在土體中形成孔洞，對(duì)工程造成嚴(yán)重破壞，需對(duì)其進(jìn)行改性處理，以天然河水及石灰對(duì)土樣進(jìn)行改性研究。

2天然河水對(duì)分散性土的影響

結(jié)合實(shí)際工程情況，首先選取天然河水進(jìn)行改性研究，探究天然河水對(duì)土樣分散性的抑制效果：從上述15組試樣中選取4組分散性較強(qiáng)的土樣，采用蒸餾水與河水兩種不同水質(zhì)進(jìn)行土樣試驗(yàn)，河水的主要化學(xué)成分見表5。分別用蒸餾水、河水進(jìn)行針孔沖蝕試驗(yàn)，并將河水作為浸泡溶液進(jìn)行碎塊試驗(yàn)，分析河水對(duì)土料分散性的抑制效果，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，在針孔試驗(yàn)中用河水不能抑制土樣的分散性，相比蒸餾水制樣與沖蝕，采用河水可以降低其流量、減小孔徑：碎塊試驗(yàn)中河水能將在蒸餾水中表現(xiàn)為分散性、過渡性的土樣全部改性為非分散性土；綜合針孔、碎塊兩種試驗(yàn)，河水在針孔試驗(yàn)過程中，改性不明顯，在碎塊試驗(yàn)中改性效果較好。由于河水中含有少量的鈣、鎂等陽離子，會(huì)置換土顆粒表面的鈉離子，使雙電層變薄，增加了土顆粒之間的吸引力，從而降低土樣的分散性。由于河水改性效果不佳，因此應(yīng)采用石灰對(duì)分散性土進(jìn)行改性研究。

3石灰對(duì)土樣分散性的影響

石灰是一種常用的改性材料，本試驗(yàn)所用石灰產(chǎn)白新疆博樂某公司，主要成分為Ca（OH）2。針對(duì)料場(chǎng)備選土料，選出與上述相同的4組土樣進(jìn)行改性研究，稱取一定量試樣，分別摻人灰土質(zhì)量比為1%、2%、3%、5%和10%的石灰并拌和均勻，加蒸餾水至最優(yōu)含水率再次拌勻，浸潤(rùn)24h后按0.96壓實(shí)度進(jìn)行制樣。從碎塊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰摻量為1%時(shí)，可以消除其分散性。在針孔試驗(yàn)中，當(dāng)石灰摻量為1%時(shí)．2組土樣被改性為非分散性土，2組被改性為過渡性土；當(dāng)石灰摻量為3%、5%、10%時(shí)，土樣均被改性為非分散性土，見表7。第10組土樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖1～圖3所示，從3圖中可以看出，石灰對(duì)分散性土的改性效果明顯，原因是石灰中含有足夠的鈣離子，易與分散性土中的鈉離子進(jìn)行交換，從而使雙電層變薄，增加土顆粒之間的吸引力，抑制了土樣的分散。

對(duì)比天然河水與石灰兩種材料進(jìn)行改性試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：在碎塊試驗(yàn)中，河水與石灰均能將分散性土改性為非分散性土：在針孔試驗(yàn)中，河水改性效果不明顯，石灰改性效果顯著，因此把石灰作為改性材料進(jìn)行后續(xù)的物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究。采用上述4組土樣進(jìn)行拌和后，分別摻人1%、2%、3%、5%、10%的石灰，拌勻后加入適量水再次拌勻，密封陳化不同時(shí)間，按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)。

4石灰摻量及陳化時(shí)間對(duì)分散性土界限含水率的影響

按上述試驗(yàn)方法，分別陳化2、10、24、48、72、120、240、480h，結(jié)果見圖4～圖6。從圖4—圖6中可以看出，當(dāng)土樣摻人不同質(zhì)量石灰后，液限增大，當(dāng)陳化時(shí)間為2h時(shí)，由26.7%增大至29.2%～30.1%，塑限略有增大：當(dāng)陳化時(shí)間24 h時(shí)，土樣的液限增大至32.1%～33.0%，塑限隨著陳化時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大；當(dāng)陳化時(shí)間為240、480h時(shí)，液限分別增大至34.10～10～34.8%、34.6%～36.2%，塑限分別增大至21.6%～23.4%、22.8%～24.6%。改性前后塑性指數(shù)在不同陳化時(shí)間內(nèi)均介于10.7%～16.4%：隨著石灰摻量的增加，液限上升，最終趨于某一固定值，塑性指數(shù)變化較小，與楊志強(qiáng)研究的低液限黏土加入石灰后的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由于摻入石灰后，使其中的鈣離子與分散性土顆粒表面的陽離子發(fā)生交換，增加了土顆粒之間的吸引力，小顆粒迅速靠攏，并聚集成團(tuán)粒，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，聚集效果更明顯，需要更多的水進(jìn)行軟化分解，從而使改性土液限、塑限值增大。

5石灰摻量及陳化時(shí)間對(duì)分散性土擊實(shí)性能的影響

按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)后，得出不同石灰摻量的土樣最大干密度與最優(yōu)含水率（見表8）；受材料限制，僅選取不同石灰摻量土樣的最優(yōu)含水進(jìn)行配置并拌勻，密封陳化時(shí)間分別為0、1、2、4、6、8、10、12、24、48、72、120、240、480h，最大干密度試驗(yàn)結(jié)果見圖7。當(dāng)土樣中未摻加石灰時(shí)，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)變化不明顯；當(dāng)土樣摻人石灰后，最大干密度立即降低，并隨石灰摻量的增加呈降低趨勢(shì)：同一石灰摻量下，陳化24h內(nèi)無明顯變化，當(dāng)陳化時(shí)間超過24h時(shí)，最大干密度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低、120h后降低速率減緩。土樣摻入石灰后，土體中的細(xì)顆粒之間形成團(tuán)粒，增大了孔徑，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)發(fā)展，從而導(dǎo)致土樣的最大干密度降低。可以看出，在相同石灰摻量下，陳化時(shí)間對(duì)土的壓實(shí)性影響顯著，在施工過程中，石灰摻入分散性土后宜在24h內(nèi)完成碾壓。

6石灰摻量及陳化時(shí)間對(duì)分散性土壓縮、剪切性能的影響

采用擊實(shí)后的成型試樣，按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行壓縮、直剪試驗(yàn)，壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可以看出，未摻人石灰的原土壓縮系數(shù)、壓縮模量隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)無明顯變化；摻入石灰后，壓縮系數(shù)、壓縮模量在72h內(nèi)變化不明顯，當(dāng)陳化時(shí)間超過72h時(shí)，壓縮性開始增強(qiáng)。石灰摻人土樣后，與土顆粒發(fā)生反應(yīng)，改變了土的顆粒級(jí)配，降低試樣的干密度，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，干密度降低，孔隙增大，導(dǎo)致壓縮性提高。

直剪試驗(yàn)結(jié)果見圖10、圖11，從二圖中可以看出，當(dāng)土樣摻人石灰后，黏聚力明顯增大，內(nèi)摩擦角減小：且隨著石灰摻量的增加黏聚力增大、內(nèi)摩擦角減小。試樣加入石灰后，石灰中的Ca2+與吸附在土粒周圍的低價(jià)陽離子發(fā)生離子交換使得Ca2+約束在土粒表面，土顆粒的雙電層被減薄，改變了土的帶電狀態(tài)，交換的結(jié)果使得土顆粒迅速靠攏，小顆粒聚集成大顆粒并相互膠合，從而提高了黏聚力。隨著石灰摻量的增加，土體中Ca2+含量升高，這種離子交換作用更明顯，并隨陳化時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)反應(yīng)，到120h后開始趨于平緩。

7結(jié)論

1）黏粒含量為12%是土樣產(chǎn)生物理性和化學(xué)性分散的界限；當(dāng)黏粒含量大于等于12%時(shí)，以針孔、碎塊試驗(yàn)的結(jié)果為依據(jù)，當(dāng)兩者結(jié)果不一致時(shí)，以分散性較強(qiáng)的結(jié)果為準(zhǔn)：當(dāng)黏粒含量小于12%時(shí)，以碎塊試驗(yàn)的結(jié)果為準(zhǔn)。綜合分析，15組土樣中分散性土占46.7%。

2）天然河水中鈣、鎂等高價(jià)離子含量較低，對(duì)土樣的分散性有部分抑制效果，但不能徹底抑制；石灰是一種有效抑制土樣發(fā)生分散的材料，當(dāng)石灰摻量大于等于3%時(shí)可完全消除分散性。

3）加入石灰后會(huì)提高分散性土的液限、塑限、含水率、壓縮系數(shù)、壓縮模量和黏聚力，且隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，液限、塑限、黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小；擊實(shí)性在24h內(nèi)無明顯變化，而后變差，分散性土宜在加入石灰后的24h內(nèi)完成碾壓。