某大壩防滲土料分散性試驗研究

　　分散性土是一種在低含鹽量水（或純凈水）中，由于離子相互排斥力超過相互吸引力而導致土體顆粒分散的粘性土［1］。它的發(fā)現(xiàn)和研究始于20世紀50年代的澳大利亞和美國。隨后，世界上許多國家都對其進行研究。我國于20世紀70年代首先在黑龍江發(fā)現(xiàn)了分散性粘土，隨后在新疆［2］、山東［3］、山西［4］等省的工程實踐中都曾遇到，并對它進行了深入的試驗研究。分散性粘土的性質(zhì)與粘土的物理化學狀態(tài)和土顆粒表面的電化學性質(zhì)有關，但工程上常用的土工試驗方法不能反映出土的化學狀態(tài)和土顆粒表面的電化學性質(zhì)，所以無法鑒定。鑒于目前國內(nèi)尚無鑒定分散性土的試驗規(guī)程，本次試驗主要參照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL251-2000）中介紹的雙比重計法、針孔試驗、碎塊試驗、孔隙水陽離子試驗等4種試驗方法和美國材料與試驗協(xié)會制定的雙比重計法（ASTM D4221-99）、針孔試驗（ASTM D4647-93（1998））、碎塊試驗（ASTM D6572-00）等3種試驗規(guī)程，采用雙比重計法、針孔試驗、碎塊試驗、孔隙水可溶鹽陽離子試驗和全土的交換性鈉百分比試驗5種試驗方法來綜合判別土樣的分散性。但這幾種方法的測定結(jié)果往往由于土的特殊性而不一致。本文試圖通過對某擬建大壩防滲土料分散性的研究，從分散性機理和判斷標準來分析這5種方法不相吻合的原因。

1 土樣的基本物理性質(zhì)

　　試驗土樣選取某擬建水利工程大壩心墻土料，土樣的物理性質(zhì)列于表1。由表1可見，9組土樣的比重為2.64～2.72，液限為24.3%～38.0%，塑限為12.8%～24.2%，塑性指數(shù)為8.7～16.6，均為低液限粘土（CL）。在顆粒組成上，9組土樣都以粉粒（0.075～0.005mm）為主，其含量56.0%～66.0%，粘粒（

2 土樣的基本化學性質(zhì)

　　土樣化學性質(zhì)列于表2。由表2可見，這9組土樣的易溶鹽含量為0.234～0.533g/kg，在陰離子中，HCO3-含量大，在陽離子中，Ca2+含量大。中溶鹽含量為0.33～0.95g/kg;難溶鹽含量在11.41～148.79g/kg，其中土樣1、3、6、7、8、9號較高，超過100g/kg，其余3組土樣較低;有機質(zhì)含量為2.25～39.07g/kg，其中土樣1、3、6、7、8、9號較低，低于10g/kg，其余3組土樣較高。土樣pH值為7.98～9.07，呈堿性。

3 土樣的粘土礦物成分

　　不同類型的粘土礦物，具有不同的晶格結(jié)構(gòu)，同時也就決定了其具有不同的性質(zhì)。如蒙脫石是2∶1型礦物，晶層間聯(lián)結(jié)弱，結(jié)合力小，晶格具有擴展性。伊利石也是2∶1型礦物，但是由于伊利石層間有K+聯(lián)結(jié)，晶層聯(lián)結(jié)較牢固，其分散性和脹縮性較蒙脫石弱。高嶺石屬于1∶1型礦物，層間結(jié)合牢固，晶格無擴展性，其分散性和脹縮性最小。因此，在鑒定土的分散性時，也應當分析土的礦物成分，從微觀角度來分析土的分散性產(chǎn)生的內(nèi)在因素。

　　土樣的粘土礦物成分分析試驗結(jié)果見表3。由表3可見，這9組土樣的粘土礦物類型是沒有多大區(qū)別的，主要成分均是伊利石，其含量占全土的12.4%～26.3%，少量伊利石以伊利石—蒙脫石混層礦物形式存在。蒙脫石的含量較伊利石的少，其含量占全土的4.7%～8.7%，且以伊利石—蒙脫石混層礦物形式存在。其中2、4號中蒙脫石的含量相對較大，分別為8.7%和7.5%，其余7組土樣的含量較少。土中蒙脫石的存在是產(chǎn)生分散性的前提條件，從礦物化學角度來說，由于2、4號中蒙脫石的含量較大，所以2、4號土樣的分散性應大于其它幾組土樣。

4 結(jié)果與討論

　　根據(jù)當前通用的關于分散性粘土鑒定的5種方法，對9組土樣進行試驗，試驗方法參見文獻［5～7］，試驗結(jié)果見表4。根據(jù)判定標準，將5種試驗的判斷結(jié)果列于表5。5種方法判定的結(jié)果不盡相同，而且與粘土礦物鑒定結(jié)果出現(xiàn)分歧。經(jīng)過分析，可以從以下幾個方面來進行解釋。

　　注:土樣分散性判斷標準:①雙比重計試驗。非分散土，SCS1時，非分散土，PS13。

　　4.1 從分散性土的分散性機理考慮

　　分散性土能在純凈水中大部分或全部自行分散成原級顆粒。土在水中分散的實質(zhì)是土粒間的連接在水的作用下破壞的過程，也是土粒間斥力超過引力，使得相互排斥作用占優(yōu)勢的結(jié)果。在土水體系中，土粒間排斥作用與土粒表面擴散雙電層的發(fā)育程度密切相關。當雙電層充分擴展、土粒間勢能較高時，土水體系由動力學和熱力學均不穩(wěn)定的狀態(tài)變成基本上相對穩(wěn)定的狀態(tài)。處于這種穩(wěn)定狀態(tài)的分散土?？梢噪S水流動，為土體的滲透變形和破壞提供了條件。一般認為土具有分散性的3個條件是:

?。?）含有一定量的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的粘土礦物，即蒙脫石。蒙脫石類粘土礦物也屬于2∶1型礦物，即由2個硅氧四面體夾1個鋁氧8面體形成3層礦物，但是片與片之間無K+聯(lián)結(jié)，水可以進入片層之間，使晶體產(chǎn)生很大的體積改變。同時蒙脫石同晶置換較多，產(chǎn)生的負電也較多，需吸附較多的陽離子來平衡多余的負電。故蒙脫石類晶層間聯(lián)結(jié)弱，晶格具有擴展性，具有較大的分散性（Na蒙脫石）和脹縮性（Ca蒙脫石）［8］。

　?。?）膠結(jié)物含量不足以抑制膨脹和分散作用。土壤中的膠結(jié)物質(zhì)種類很多，歸納起來，大致有3類，粘粒、有機物質(zhì)和一些簡單的無機膠體［9］。粘粒是一種無機膠體，具有很大的表面積，粘接力很強，如果土體中粘粒含量少，則土體抗沖刷能力低，易分散。有機物質(zhì)也是一種膠體，往往和粘粒以復合體的形式存在，可以促進團粒的形成，粘粒的分散性隨有機質(zhì)含量的增加而降低。簡單的無機膠體主要是氧化鐵、氧化鋁及其他無機物。它們成膠膜包在土粒的表面，當它們由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z時，把土粒膠結(jié)在一起。

　?。?）高pH的堿性介質(zhì)環(huán)境。酸堿度（pH）是土的主要環(huán)境因素之一，對土中粘土礦物的形成有一定的影響，一般具堿性或微堿性的土壤環(huán)境有利于蒙脫石類粘土的形成，而酸性的條件則易于生成高嶺石類粘土礦物。土呈堿性時，土粒表面易于形成擴散雙電層使顆粒趨于分散，這種土一般分散度較高，塑性較大，遇水易于膨脹，失水易于收縮［10］。

　　土樣中與分散性機理有關的測定結(jié)果見表6。由表6可見，2、4、5號蒙脫石的含量多，分別為8.7%、7.5%、7.2%，其余幾組中蒙脫石的含量少，為4.3%～7.1%。按照土的分散性機理的第1個條件來說，蒙脫石越多，其分散性應該越大，但由于在2、4、5號其粘粒含量、有機質(zhì)含量較高，而且pH值較其他幾組土樣低，這幾種因素綜合作用，使得土樣具有較強的團聚作用，分散性較低，可以抵抗水流的沖蝕，在針孔試驗和碎塊試驗中顯示出非分散性土（2號土樣為過渡性土）的特征，其余幾組則顯示出分散性土或過渡性土的特征。

　　4.2 從判斷標準來考慮

　　針孔試驗表示分離顆粒所需要的力，碎塊試驗和雙比重計試驗表示顆粒的大小和團粒的多少，土的化學試驗則表示顆粒之間雙電層相互作用。雙電層相互作用受礦物成分和土內(nèi)孔隙水的化學性質(zhì)的影響，而它又影響分離顆粒所需要的力及顆粒的大小。交換作用力的特性可以用孔隙水的化學指數(shù)來表示，如用鈉吸附比和鈉百分比表示。美國學者謝拉德指出［7］:更好地了解某些例外情況是特別重要的，即有些低鈉粘土處于分散性狀態(tài)，而另一些高鈉粘土卻是非分散的。這可能是由于土中雖然含有大量的鈉離子，促使土樣發(fā)生分散，但是土樣中同時存在大量的鈣鎂離子和膠結(jié)物質(zhì)，抑制了土樣分散，兩者相互對土體發(fā)生作用，當鈣鎂離子和膠結(jié)物質(zhì)的抑制作用超過了鈉離子的分散作用時，土樣呈過渡性或非分散性現(xiàn)象。一些學者研究認為，這種現(xiàn)象主要與其粘土礦物中蒙脫石的種類有關，只有Na蒙脫石具有強分散性，Ca蒙脫石具有部分分散性。

　　雙比重計試驗（表5）表明，土樣處于非分散性或過渡性;碎塊試驗和針孔試驗結(jié)果一致，土樣分別屬于分散性土、過渡性土和非分散性土;交換性鈉百分比和孔隙水陽離子試驗表明，土樣屬于非分散性土。碎塊試驗和針孔試驗的結(jié)果完全一致，這有3方面的原因，首先是由于碎塊試驗的土樣的含水率和密度與針孔試驗的完全相同，其次碎塊試驗的目的是研究土樣在靜水中的分散狀況，而針孔試驗的目的是研究土樣在水流沖刷作用下抗沖刷的能力，后者應包括前者，另外，從分散機理來講，兩者皆是由于土樣的膠結(jié)物和酸堿度作用而引起的。由于針孔試驗模擬了土體在集中滲透水流作用下所承受的沖蝕條件，被認為是最可靠的鑒定方法，所以用針孔試驗的結(jié)果作為最后的判定結(jié)果，4、5號土樣為非分散性土，2、6、9號為過渡性土，1、3、7、8號為分散性土。

5 結(jié)論

　?。?）由于分散性土發(fā)現(xiàn)僅有幾十年的時間，在國內(nèi)，其鑒定方法尚不成熟，無一標準規(guī)范可依，鑒定標準中的化學指標是否適用尚待繼續(xù)研究討論。在目前的幾種鑒定方法中，由于針孔試驗模擬了土體在集中滲透水流作用下所承受的沖蝕條件，被認為是最可靠的鑒定方法，所以用針孔試驗的結(jié)果作為最后的判定結(jié)果，4、5號土樣為非分散性土，2、6、9號為過渡性土，1、3、7、8號為分散性土。

　?。?）目前通用的5種試驗鑒定結(jié)果，往往會出現(xiàn)不相吻合的現(xiàn)象，尤其是孔隙水可溶鹽的分散性鑒定結(jié)果，對此，目前主要的做法是從分散性的機理找原因，從而得到比較合理的解釋。在今后的試驗當中，應當加強對分散性土性質(zhì)的研究，進一步嚴格規(guī)范各種不同分散性土的分散性判斷標準，促進分散性土鑒定試驗規(guī)程的制定與實施。

　?。?）中國分散性土分布較普遍，黑龍江、新疆、江蘇、陜西、山西等省在工程實踐中都曾遇到，使用分散性土作為筑壩土料不可避免，只要采取正確的保護措施，能夠保證大壩的安全運行。一般來說，保護措施有以下幾種:①把大壩包起來，即把低含鹽量水和分散性土隔離開來，避免水進入分散性土體內(nèi);②改性壩體土質(zhì)，通過加入石灰等化學物質(zhì)使得分散性土或過渡性土變?yōu)榉欠稚⑿酝?③在防滲體（分散性土）后設置適當級配的砂反濾，以截住壩體細顆粒，使其不流出壩體。在以后工作中，應當重視土—水系統(tǒng)關系研究。

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　　作者簡介: 巨娟麗，女，西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，工程師，碩士研究生。