以粉粒為主的風積成因防滲土料分散性研究

胡亞東，李青春，張 旭

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

分散性黏土在低含鹽量水中(或純凈水中)細顆粒之間的黏聚力會大部分甚至全部消失，呈團聚體存在的顆粒體自行分散成原級的黏土顆粒。分散性土在我國東北、西北、華南等地的水利水電工程、交通工程建設中有揭示，其抗沖蝕能力差，容易造成沖蝕、淋蝕及滲透破壞，嚴重時可造成堤壩管涌、路基失穩等，工程危害較大，在項目前期的勘測設計過程中，準確判別土料的分散性是關鍵。

目前，主要通過室內試驗判別黏土的分散性，例如雙比重計試驗、土塊試驗、針孔試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗等。上述試驗均存在一定的局限性，雙比重計試驗未反映流動水流對土體產生的剪切作用，土塊試驗缺乏定量指標，針孔試驗不適用于未經擾動的高敏感性土，孔隙水可溶鹽試驗中孔隙水的抽取技術影響了試驗精度。同時對于粉土，上述試驗的適宜性尚不明確。

某水電工程初擬壩型為碎石土心墻壩，周邊防滲土料較為匱乏，防滲土料初選為距離壩址約80 km的風積成因土料，該地區風積成因土料具有粉粒含量高(大于95%)、黏粒含量低(8%～10%)的特點。本文通過土料野外調查與識別、基本特性(包括礦物構成、化學成分)、分散性評價試驗等三方面研究以粉粒為主的風積成因土料分散性，提出基于地質分析土的分散性綜合判別法(具體判別流程見圖1)，對粉粒為主的風積成因土料分散性進行綜合判別，為工程規劃設計提供技術支撐。

圖1 基于地質分析土的分散性綜合判別法流程

1 野外調查與識別

該地區風積粉土均直接出露于地表，現場部分地段有開挖形成的斷面，有利于分散性現象的野外調查?，F場地質調查顯示，現場開挖形成的露頭經過多個雨季的沖刷，未見明顯沖溝、孔洞及“犁痕”現象，料場范圍內沖溝、溝水較為清澈，少見渾濁現象。根據野外調查初步分析認為，該地區風積土料無明顯分散性土特征。

2 土料基本特性

2.1 土料物理性質

該土料場進行了大量土的物理性質試驗工作，相關試驗成果見表1。土料天然含水率12.5%～13.7%，塑性指數13.28～13.4，比重2.69～2.70。大于5 mm(P5)含量0.01%～0.20%，粉粒含量96.80%～98.58%，黏粒含量9.14%～10.66%。從土料的物理性質來看，該風積土料以粉粒為主，粉粒含量平均97.71%，黏粒含量平均10%，黏粒含量不高。

表1 某土料場各區物理性質試驗成果

2.2 土料化學性質

土料化學分析試驗成果見表2。土樣中SiO2含量最高，為53.32%～54.95%，有機質含量為0.37%～0.68%，易溶鹽含量0.06%～0.09%，硅鋁率為3.50～3.75，pH值為7.6～8.2，呈弱堿性。

表2 某土料場化學分析試驗成果

2.3 土料礦物成分

X衍射礦物分析試驗顯示，土料礦物組成主要為伊利石和石英，伊利石含量為19%～48%，平均值為35%。石英含量為19%～60%，平均值為35%。而蒙脫石含量較低，為4%～8%，平均值為6%。

3 土料分散性試驗

除常見的四種土料分散性試驗方法，即:針孔法、孔隙水溶液陽離子、土塊法和雙比重計外，交換鈉離子百分比也是評價土的分散性的方法之一。

本文試驗研究以上述五種方法對土料分散性開展試驗。

3.1 試驗方法簡介

3.1.1 雙比重計法

雙比重計試驗是對土樣進行兩次比重計試驗來測定黏粒(小于0.005 mm)含量，第1次是常規的加分散劑、煮沸、攪拌；第2次不加分散劑測定。根據試驗結果按下式求出分散度，分散度大于50%認為是分散性土。

3.1.2 針孔試驗法

針孔試驗是在特制的針孔試驗裝置中(見圖2)，將土樣用擊實儀擊實到干密度達到最大干密度的95%以上，在試樣的中部穿一直徑1 mm的軸向細孔，然后用蒸餾水(或試驗要求用水) 進行沖蝕試驗，分別在不同水頭下觀察針孔受水沖蝕的情況。該法模擬了土體在集中滲透水流的作用下所承受的沖蝕條件，因而被認為是最可靠的鑒定方法。

圖2 針孔試驗法示意

3.1.3 碎塊試驗法

碎塊試驗的試驗原理是從膠體化學的基本觀點出發，認為某些黏性土在水中產生分散的原因是膠體顆粒的析出，將保持天然含水量的土塊或室內針孔試驗后的土樣制成1 cm3左右的土塊放入盛蒸餾水的燒杯中，浸放5～10 min后觀察土塊中膠粒的分散性狀。

3.1.4 孔隙水可溶鹽試驗

孔隙水可溶鹽試驗，原來為農業土壤的一個標準試驗，現在也用來作為鑒定分散性土的試驗方法。該試驗方法是把土與蒸餾水拌和到接近液限的程度，用有過濾設備的真空吸水器抽出孔隙水樣，測定孔隙水樣的鈣、鎂、鈉、鉀四種金屬陽離子總量，也稱為TDS，并求出其中鈉離子含量的百分數，根據鈉離子百分數與TDS的關系來判別其分散性。

3.1.5 交換鈉離子試驗

交換性鈉百分比試驗。測定全土中交換性陽離子總量(CEC)和交換性Na+含量，求出交換性鈉百分比(ESP)。

3.2 試驗結果與討論

對土料開展五種方法的分散性試驗，土樣分散性試驗結果見表3，結合前述各類試驗方法分散性判別標準，五種試驗方法分散性判別統計見表4。

表3 某土料場風積土料分散性試驗成果

表4 土料分散性試驗成果統計

試驗研究成果表明，雙比重計法10組土樣中，有7組分散度D在53.3%～85.8%，為分散性土，有2組分散度D在37.1%～46.7%，為過渡型土，1組分散度D在15.6%，為非分散性土，分散性土占比約70%。針孔法10組土樣中，1組為分散性土，5組為過渡型土，4組為非分散性土，分散性土占比10%，非分散性-過渡型土占比約90%。土塊法試驗中，有9組無分散出膠粒的反應，土塊水解后在量杯底部以細粒平堆，水是清澈，為非分散性土，1組土塊水解后四周水有混濁現象，但擴散范圍小，為過渡型土?？紫端芤宏栯x子法試驗10組土樣中，有2組為分散性土，有5組為過渡型土，有3組為非分散性土，分散性土占比20%，非分散性-過渡型土占比約80%。交換鈉離子百分比(ESP)試驗中，ESP≥15%的有1組，為高分散性土，7組為非分散性土，2組為過渡型土。分散性試驗成果統計如圖3所示。

圖3 不同方法分散性試驗成果統計

不同試驗方法的試驗結果有差異，在以往不同類型的土體分散性試驗中也有體現。分析其原因，主要是這些試驗方法與判別標準是通過大量試驗統計分析得出，對常規的土樣5種試驗結果能夠基本互相印證，但部分特殊土體受其性質差異影響，其試驗成果往往不一致。

雙比重計法是利用分散性土遇水后分散成原級顆粒，而非分散性土遇水后則能保持其團粒結構的區別開展試驗。對于黏粒含量較低的風積成因粉土來說，其物質組成多以粉粒為主，難以保持團粒結構，遇水后在水中基本完全分散，表現出類似分散性土特性，加分散性后的黏粒含量提高有限，故試驗獲取的分散度多大于50%，分析認為對于低黏粒含量的土來說，雙比重計試驗判斷其分散性適宜性差，可靠度較低。

針孔試驗運用滲流理論模擬了土體在集中滲透水流作用下的抗沖蝕條件，采用定量和定性指標鑒定土樣的分散性能和膠粒的抗沖蝕性能。該試驗方法是鑒別分散性土各種試驗方法中最直接可靠，可信度相對較高。

根據該地區風積風土的自身特點，試驗結果分析認為，雙比重計法不適用于黏粒含量低的土體，在分散性試驗判別中應不考慮其試驗成果，以針孔試驗成果為基礎，需要結合其他試驗方法進行綜合判斷。

4 土料分散性綜合判別

土料分散性判別過程中，試驗成果是重要研究內容，同時，需要結合現場地表調查的分散性現象、土體物質組成和礦物成分等開展綜合判別。

通過現場地表調查，料場未發現明顯沖溝、孔洞現象，料場范圍內沖溝、溝水較為清澈，少見渾濁現象，野外調查初步分析認為，該地區風積土料無明顯分散性土特征。

從礦物成分分析，蒙脫石類礦物結構晶架都由兩個硅氧片和一個水鋁片重疊而成，屬2：1型礦物，硅氧體和鋁氧體之間無K+離子聯結，水可以進入片層之間，容易使晶體產生很大的體積改變，其晶層間聯結弱，晶格具有擴展性，具有較大的分散性。該土料礦物組成主要為伊利石和石英，伊利石含量為19%～48%，平均值為35%。蒙脫石含量4%～8%，平均值為6%，相對較低，該風積土料產生分散性的可能性不大。

由于雙比重計法試驗不能適用于黏粒含量低的土體，從針孔試驗、土塊法、孔隙水溶液陽離子試驗和交換性鈉離子百分比4種方法的試驗成果來看，土料場料源以非分散性-過渡型為主，少量具有分散性。

從現場調查、礦物成分和室內分散性試驗綜合分析，該料場以粉粒為主的土料為非分散性-過渡型，部分試驗產生的分散性現象是黏粒含量偏少而呈現出的一種物理性質的分散性特性。

5 結 論

(1)對于以粉粒為主，黏粒含量較低的風積粉土來說，其分散性判別應通過現場地質調查、礦物成分和室內分散性試驗綜合分析，室內試驗方法選取應注意其適宜性，雙比重計法用于低黏粒含量的土分散性判別適宜性差，可靠度較低。

(2)經綜合分析，該土料場料源為非分散性-過渡型土，部分試驗產生的分散性現象是黏粒含量偏少而呈現出的一種物理性質的分散性特性。

(3)礦物成分是影響土體分散性的重要指標，下一步需要對土料中的蒙脫石吸附的陽離子組成進行研究，以進一步分析土體分散性。