吉林西部分散性土改性處理試驗研究

朱艷寶，于仲離，鄭健，蘇安雙，王宇

1.中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080

0 引言

20世紀30年代美國土壤保持局土壤學者率先認識到分散性土的存在并提出分散性土的概念。但直到20世紀50年代澳大利亞、美國等國家修建的一些土壩由于分散性土管涌破壞而垮壩[2]，才引起工程界對分散性土研究的重視。我國黑龍江省70～80年代興建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程時，因采用分散性土填筑而導致輸水渠道出現大量雨水淋蝕洞穴和管涌破壞[3-4]，系我國首次發現分散性土對工程產生的嚴重破壞，并就此開展了較為系統的研究。此后，在我國吉林、海南、浙江、山東、寧夏、新疆等省和自治區相繼都有發現[5-10]，分散性土的判定、治理和工程應用研究得到了進一步豐富和發展。

按照現行《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)中相關規定，分散性土不宜作為壩的防滲體填筑料，不得不采用時應根據其特性對采取的相應處理措施進行論證；經處理改性的分散性黏土僅可用于填筑3級堤壩的防滲體。因此，吉林西部松原地區蓄水調蓄工程采用改性分散性土填筑2級均質土壩屬于突破行業規范規定的創新設計，其改性處理效果直接影響整個工程的成敗。本文采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，對不同膠凝材料摻配組合的改性效果進行分析評價，提出土料篩選、膠凝材料優選及配合比優化建議，為分散性土治理和工程應用提供理論依據和科學指導。

1 材料與方法

1.1 原材料及配合比

試驗所用原材料包括L1、L2料場土樣，以及熟石灰、生石灰和粉煤灰等備選膠凝材料，其中L1料場土樣4種，包括L1-1強分散性土、L1-2強分散性土、L1-3強分散性土和L1-4分散性土，見圖1；L2料場土樣2種，包括L2-1分散性土、L2-2分散性土，見圖2；熟石灰4種，包括熟石灰1(A廠)、熟石灰2(A廠)、熟石灰3(B廠)和熟石灰4(C廠)，見圖3；生石灰1種(C廠)，見圖4；一級粉煤灰1種，見圖5。

圖1 L1料場土樣

圖2 L2料場土樣

圖3 熟石灰

圖4 生石灰

圖5 粉煤灰

以設計提出的現場碾壓控制參數作為試驗制樣干密度和含水率，其中L1料場土樣：干密度1.72 g/cm3，含水率15.8%；L2料場土樣：干密度1.68 g/cm3，含水率17.4%。采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，其中石灰和粉煤灰的質量摻比為1∶2，石灰和粉煤灰總摻量為6%、8%和10%[11]，配合比設計見表1。

表1 分散性土改性處理配合比設計

1.2 針孔試驗方法

針孔試驗[11-12]按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SL251—2015)和《Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test》(ASTM D4647/D4647M-13)的相關要求和方法步驟執行，用蒸餾水沿土樣1 mm針孔從水平方向進行50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm四級水頭滲透試驗，模擬土體裂隙在水流作用下的沖刷過程，根據水色、流量和孔徑的變化判別土樣在控制干密度和含水率條件下的分散性，判別標準見表2，試驗裝置見圖6。

表2 針孔試驗評價土的分散性標準

圖6 針孔試驗裝置

1.3 滲透試驗方法

滲透試驗[13]按照《土工試驗方法標準》(GB50123—2019)中16.3變水頭滲透試驗相關要求和方法步驟執行，按預定時間間隔測記水頭、時間的變化和水口的溫度，連續測記2～3次，變換水頭管水位高度，重復試驗5～6次，測定土樣在控制干密度和含水率條件下的滲透系數。

2 結果與分析

2.1 不同膠材組合對分散性土的改性效果

表3～表5分別為膠凝材料總摻量為6%、8%和10%的改性分散性土針孔試驗結果。由表3～表5可知，L1、L2料場的6種分散性土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合下，只有L1-4-1、L1-4-2、L1-4-3、L2-2-生土樣判定為非分散性土，達到預期改性效果，見圖6。其余土樣未加載到1 020 mm水頭就已發生沖蝕破壞，水色渾濁、水量超標、針孔變大，判定為高分散性土、分散性土或過渡性土。試驗結果表明，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3能夠有效抑制L1-4土樣的分散性；對于L2-2土樣，生石灰比熟石灰的改性效果更為明顯。

2.2 不同膠材總摻量對分散性土的改性效果

由表3～表5可知，同種膠凝材料摻配組合隨著總摻量的增加，L1-1、L1-2、L1-3土樣的分散性沒有發生明顯變化，判定為高分散性土或過渡性土；L1-4土樣始終判定為非分散性土；L2-1、L2-2土樣的分散性有所減弱，由分散性土D2或過渡性土ND4轉變為過渡性土ND3。試驗結果表明，摻加6%的膠凝材料就能夠有效抑制L1-4土樣的分散性，達到預期改性效果；對于L2-1、L2-2土樣，相較于繼續增加膠凝材料總摻量，采用生石灰替代熟石灰能夠獲得更高的改性效率。

表3 改性分散性土針孔試驗結果(總摻量6%)

表4 改性分散性土針孔試驗結果(總摻量8%)

表5 改性分散性土針孔試驗結果(總摻量10%)

圖7 針孔試驗結束時土樣孔徑和水色(總摻量6%)

2.3 改性分散性土的滲透性能

表6為膠凝材料總摻量為6%、8%和10%的改性分散性土滲透試驗結果。由表6可見，L1、L2料場的6種分散性土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合下，滲透系數均小于1×10-4cm/s，滿足填筑土料設計要求；同種膠凝材料摻量組合隨著總摻量的增加，其滲透性能沒有發生明顯變化，大部分試樣的滲透系數還保持在同一量級。試驗結果表明，通過摻加膠凝材料進行改性處理對分散性土的滲透性能影響甚微。

表6 改性分散性土滲透試驗結果

3 結論

(1)在室內實驗條件下，采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，膠凝材料總摻量控制在6%時，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3均能有效抑制L1-4土樣的分散性，達到預期改性效果。

(2)對于L2-1、L2-2土樣，相較于繼續增加膠凝材料總摻量，采用生石灰替代熟石灰進行改性處理，可在最低膠凝材料總摻量下達到預期改性效果，其改性效率更高。

(3)鑒于其它土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合和總摻量(6%、8%、10%)下，改性效果都欠佳，不建議作為填筑土料使用。

(4)本次試驗成果，應用于吉林西部松原地區蓄水調蓄工程分散性土的改性處理，處理效果良好，為類似工程分散性土的改性處理提供了可靠的基礎資料。