新疆某工程分散性土的綜合判別方法

楊 偉，楊海華，高鵬展，王寧遠(yuǎn)，文 軍

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710016；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

分散性土是一種特殊土，在低含鹽量水或純水中細(xì)顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部消失，呈團(tuán)聚體的土體自行分散成原級(jí)的黏土顆粒[1-3]。分散性土遇低含鹽量的滲流水時(shí)，易產(chǎn)生管涌破壞[4-5]，作為黏土心墻壩的心墻填料時(shí)，蓄水初期防滲體可能會(huì)發(fā)生沖蝕破壞，以及后期堤壩、水渠等結(jié)構(gòu)內(nèi)部也可能發(fā)生沖溝等破壞，影響壩體的正常運(yùn)行，給工程帶來嚴(yán)重危害并造成較大損失[6-9]。在分散性土判定過程中，目前普遍認(rèn)可的是美國(guó)水土保持局提出的5項(xiàng)鑒別分散性土的室內(nèi)試驗(yàn)方法，即雙比重計(jì)試驗(yàn)[10]、碎塊試驗(yàn)[11]、針孔試驗(yàn)[12]、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)[13]及交換性鈉離子百分比試驗(yàn)[14]。由于我國(guó)對(duì)分散性土的研究時(shí)間較短，關(guān)于分散性土的判定尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。樊恒輝[15]在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各鑒別方法的特點(diǎn)，分別賦予上述5種鑒別方法不同的權(quán)重值，進(jìn)行綜合判別土樣的分散性；巨娟麗[16]采用統(tǒng)計(jì)分析的方法賦予上述5種鑒別方法不同權(quán)重后，并給出定量化的綜合判定準(zhǔn)則；陶然[17]以黏粒含量為界，指出當(dāng)黏粒含量低于10%時(shí)，采用泥球試驗(yàn)的判別結(jié)果作為依據(jù)；當(dāng)黏粒含量不低于10%時(shí)，以泥球試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)的結(jié)果共同判別；王啟東[18]采用多數(shù)法(針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)結(jié)果中分散性、過渡性、非分散性出現(xiàn)頻率最多的分散等級(jí)作為土樣的分散性等級(jí))判別土樣的分散性；在SL 251—2000《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)范》[19]中，采用針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)4種方法進(jìn)行判別；師智勇等[20]采用針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)4種方法對(duì)土料的分散性進(jìn)行鑒別。

目前，關(guān)于分散性土的判定尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文以新疆某工程土樣為研究對(duì)象，室內(nèi)測(cè)試其基本性能，并通過分散性鑒別試驗(yàn)判定土樣的分散性。由于在分散性土判定過程中，前人采用不同數(shù)量的鑒別方法，以及在各類鑒別方法中由于分散等級(jí)的劃分不完全相同，在進(jìn)行綜合判定時(shí)較為混亂，以及未考慮鑒別結(jié)果為高分散性土對(duì)綜合判定的影響，從而易導(dǎo)致誤判。本文采用目前普遍認(rèn)可的5種鑒別方法，即針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)，將各試驗(yàn)的鑒別結(jié)果統(tǒng)一劃分為高分散性、分散性、過渡性、非分散性4個(gè)等級(jí)，并對(duì)各分散等級(jí)進(jìn)行量化賦分，再根據(jù)不同鑒別方法的試驗(yàn)原理賦予相應(yīng)權(quán)重，結(jié)合權(quán)重和分散等級(jí)，綜合判定土料的分散性。

1 土樣的基本性質(zhì)

土料取自新疆伊犁地區(qū)霍城縣境內(nèi)，屬于溫帶大陸性氣候，年均降水量420.6mm，降水較少且主要集中在每年7、8月份，以蒸發(fā)作用為主。本次取地表以下2m土樣作為研究對(duì)象，土樣呈淺黃色，共計(jì)6組，按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]測(cè)定土樣的基本性能，結(jié)果見表1。

表1 土樣的基本性能

可以看出，6組土樣均以粉粒為主，占比在83.4%～86.5%之間，砂粒含量較少。液限、塑限、塑性指數(shù)分別介于26.4%～29.4%、16.7%～18.4%、9.6～12.2之間，均屬于低液限粉土。

2 土樣的分散性鑒別試驗(yàn)

分散性土的鑒別應(yīng)從野外調(diào)查開始，包括孔洞、沖溝、水色等現(xiàn)象進(jìn)行初步判斷，若在野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)土樣疑似有分散的特性，可進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)加以鑒別，主要包括針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)。

由于不同鑒別方法判別土樣分散的原理不同，導(dǎo)致相同土樣采用不同鑒別方法得到的結(jié)果可能存在差異，是否具有分散性需采用一種綜合性的判別方式進(jìn)行分析。有學(xué)者采用統(tǒng)計(jì)的方法，或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同鑒別方法賦予相應(yīng)的權(quán)重后進(jìn)行土樣的分散性綜合評(píng)價(jià)。如樊恒輝[22]、DB21/T 3145—2019《黏土分散性針孔試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[23]在鑒別分散性土的方法中，將針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)的結(jié)果劃分為強(qiáng)分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土4個(gè)等級(jí)；而在SL 251—2000中，將針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)的結(jié)果劃分為分散性土、過渡性土、非分散性土3個(gè)等級(jí)；前者在分散性鑒別結(jié)果中提出強(qiáng)分散性土，對(duì)土樣的分散性做了更細(xì)致的劃分，而在雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)中，均將土樣劃分為分散性土、過渡性土、非分散性土3個(gè)等級(jí)；在交換性鈉離子百分比試驗(yàn)中，樊恒輝[22]、彭文明等[7]將分散性土劃分為強(qiáng)分散性土，中等分散土以及非分散性土3個(gè)等級(jí)。由于不同鑒別方法的等級(jí)劃分不同，并忽視了強(qiáng)分散性土對(duì)分散性綜合判別的影響，其判定后得到的結(jié)果不一定可靠。本文將5種鑒別方法的結(jié)果統(tǒng)一劃分為強(qiáng)分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土4級(jí)。

2.1 雙比重計(jì)試驗(yàn)

雙比重計(jì)試驗(yàn)根據(jù)土樣在不同介質(zhì)環(huán)境中的分解情況，分別取30g試樣進(jìn)行兩次密度計(jì)試驗(yàn)，第一次采用非常規(guī)顆粒分析試驗(yàn)(不加分散劑不煮沸)，第二次采用常規(guī)顆粒分析試驗(yàn)(加分散劑煮沸)，按照GB/T 50123—2019進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，計(jì)算黏粒(<0.005mm)含量。根據(jù)分散度D(非常規(guī)顆分試驗(yàn)所得黏粒含量/常規(guī)顆分試驗(yàn)所得黏粒含量比值的百分?jǐn)?shù))判定土樣的分散性，并將分散度大于等于70%的土樣劃定為強(qiáng)分散性土，分散度大于等于50%且小于70%的土樣定義為分散性土，分散度大于等于30%且小于50%的土樣定義為過渡性土，分散度小于30%的土樣定義為非分散性土，判定標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)結(jié)果分別見表2—3。

表2 雙比重計(jì)試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)

從表3可以看出，6組土樣的分散度均小于50%，其中，2#、4#土樣為非分散性土，1#、3#、5#、6#土樣為過渡性土。

表3 雙比重計(jì)試驗(yàn)判定結(jié)果 單位：%

2.2 針孔試驗(yàn)

該試驗(yàn)由美國(guó)工程師謝拉德(J.L.Sherard)提出，從滲透理論出發(fā)，當(dāng)水流經(jīng)過土壤孔隙時(shí)，將動(dòng)能傳輸給土壤顆粒，通過模擬不同水頭下針孔受水流的沖蝕情況，包括孔徑、流量、水色，判斷試樣的分散性。本次試驗(yàn)采用重塑土，將土樣制成直徑為37mm、長(zhǎng)38.1mm的圓柱形試樣，在中心穿1mm直徑的軸向細(xì)孔，觀察試樣在不同水頭下針孔受水流沖蝕的情況。圖1為試樣的沖蝕結(jié)果，表4—5分別為針孔試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 針孔沖蝕結(jié)果

表4 針孔試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)

從表5中可以看出，3#土樣為強(qiáng)分散性土，1#、4#、6#土樣為分散性土，2#、5#土樣為過渡性土。

表5 針孔試驗(yàn)結(jié)果

2.3 碎塊試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用膠體化學(xué)分析的觀點(diǎn)，將針孔試驗(yàn)結(jié)束后的試樣切至體積為1cm3左右的正方體土塊，取200mL蒸餾水注入燒杯中，并使溫度控制在20℃左右。將試樣放入燒杯，觀察試塊的崩解狀況及溶液渾濁程度，以此判斷土樣的分散性。判定標(biāo)準(zhǔn)見表6，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示、判定結(jié)果見表7。

圖2 土樣的崩解情況

表6 碎塊試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)

表7 碎塊試驗(yàn)現(xiàn)象及判別結(jié)果

從圖2可以看出，試樣放入蒸餾水中時(shí)發(fā)生崩解，60min后的現(xiàn)象幾乎不再發(fā)生變化，3#、4#試樣周圍可觀察到云霧狀，且在杯底擴(kuò)散10mm左右。從表7中判別結(jié)果可以看出，6組試樣中有2組為分散性土，3組過渡性土，1組非分散性土。

2.4 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)

孔隙水可溶鹽試驗(yàn)是農(nóng)業(yè)土壤學(xué)中的一個(gè)基本試驗(yàn)，將土樣加水調(diào)至液限狀態(tài)，靜置24h后采用離心機(jī)提取孔隙水溶液，進(jìn)行離子測(cè)定，計(jì)算孔隙水溶液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量以及陽離子總量(TDS)與鈉百分比(PS)。以TDS為橫坐標(biāo)，PS為縱坐標(biāo)，根據(jù)TDS與PS的關(guān)系，在原判定的基礎(chǔ)上，從半對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸中劃分一個(gè)S區(qū)，如圖3所示，并將其定義為強(qiáng)分散性土。根據(jù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸關(guān)系圖中所處位置進(jìn)行判定，判別結(jié)果見表8。

圖3 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)

表8 孔隙水可溶鹽試驗(yàn)結(jié)果及判別結(jié)果

2.5 交換性鈉離子百分比試驗(yàn)

交換性鈉離子百分比是指土體中可交換性的鈉離子(Na+)含量與孔隙水溶液中可交換性陽離子總量(CEC)比值(ESP)的百分?jǐn)?shù)，采用醋酸鈉火焰光度法對(duì)試樣中交換性鈉離子含量進(jìn)行測(cè)試。判別標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)結(jié)果見表9—10。

表9 交換性鈉離子百分比試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表10試驗(yàn)結(jié)果表明，6組土樣中，2組分散性土、1組過渡性土、3組非分散性土。

表10 交換性鈉離子百分比試驗(yàn)判別結(jié)果

3 土樣分散性的綜合判別

從以上5種鑒別方法可以看出，針孔試驗(yàn)?zāi)M了土體孔隙在不同水頭下受水流沖刷是否發(fā)生破壞的過程，直觀地鑒別土體孔隙的抗沖蝕性，在動(dòng)水條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其可信度最高；碎塊試驗(yàn)通過觀察試樣在介質(zhì)溶液中的崩解情況及膠體顆粒析出情況，定性分析土樣的分散程度，可靠性較針孔試驗(yàn)次之；雙比重計(jì)試驗(yàn)是將試樣放入不同介質(zhì)溶液中，用密度計(jì)測(cè)試顆粒級(jí)配的變化，由于粒組級(jí)配變化是評(píng)判土體分散性的重要指標(biāo)，可信度與碎塊試驗(yàn)相當(dāng)；孔隙水可溶鹽試驗(yàn)與交換性鈉離子百分比試驗(yàn)反映了土體中離子含量的化學(xué)關(guān)系，可信度次于碎塊試驗(yàn)。

本次綜合判別根據(jù)前人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析方法，分別對(duì)針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)及交換性鈉離子百分比試驗(yàn)賦予40%、20%、20%、10%、10%的權(quán)重，并對(duì)分散等級(jí)為強(qiáng)分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土分別賦予4分、3分、2分、1分。根據(jù)各試驗(yàn)權(quán)重與賦分值綜合判別土樣的分散性，見表11。

表11 不同鑒別方法的賦分與權(quán)重值

通過表11，將分散性土不同鑒別試驗(yàn)的加權(quán)后分值進(jìn)行累加，當(dāng)總分S≥3.5時(shí)，記為強(qiáng)分散性土；總分S大于等于2.5且小于3.5時(shí)，記為分散性土；總分S大于等于1.5且小于2.5時(shí)，記為過渡性土；總分S<1.5時(shí)，記為非分散性土。通過此方法對(duì)土樣進(jìn)行綜合判別，結(jié)果見表12。

表12 土樣綜合判別

通過表12的綜合判定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6組土樣中，3組分散性土，2組過渡性土，1組非分散性土。將6組土樣采用樊恒輝權(quán)重分析法[15]發(fā)現(xiàn)，除第2組土樣判別結(jié)果不同，其余結(jié)果一致；與多數(shù)法[18]的判別結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除第6組結(jié)果不同外，其余結(jié)果均相同。由此得出，本文的綜合判別方法適用性較好。

4 結(jié)論

(1)將針孔、碎塊、雙比重計(jì)、孔隙水可溶鹽、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)5種鑒別方法統(tǒng)一劃分為強(qiáng)分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土4個(gè)等級(jí)，可有效解決在綜合判定過程中各試驗(yàn)等級(jí)劃分不一致問題。

(2)通過不同試驗(yàn)鑒別新疆土樣的分散性，發(fā)現(xiàn)鑒別結(jié)果有些不一致，采用綜合判別土樣分散性的方法。根據(jù)不同鑒別方法的原理賦予不同權(quán)重，并對(duì)土樣的分散性等級(jí)進(jìn)行賦分，將各試驗(yàn)的賦分值加權(quán)后進(jìn)行累加；通過綜合判別后發(fā)現(xiàn)，6組試樣中有3組分散性土，2組過渡性土，1組非分散性土。