土料分散特性试验研究

土料分散特性试验研究
任瑞平;杨秀娟;余佳辉;樊恒辉
【摘要】分散性土具有遇水分散流失的特性，容易造成堤坝等水利工程的破坏。

采用双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶性阳离子和交换性钠离子百分比等5种
试验方法，对宁夏某水电站大坝防渗土料分散性进行了研究分析，认为该防渗土料属于过渡性土。

但是值得注意的是，4组土样的权重分析中分散性占的比重比较大，在设计中应注意当土样周围环境发生变化时（如河水水质）对土样分散性判别结果的影响。

%With dispersion characteristics ,dispersive soil lost with
water ,and likely to cause the destruction of dams and other water projects .Using the double-hydrometer test ,pinhole test ,crumb test ,pore water soluble salt cation test and the percent-age of exchangeable sodium ions test ,the dispersibility of soil samples obtained from a hydraulic power plant in Ningxia were studied .It was showed that the soil samples were the transitional soils .But it was worth noting that the dispersive weighting analysis of soil samples were relatively more ,the attention should be paid on the design if the surrounding environment chan-ges ,such as river water .
【期刊名称】《杨凌职业技术学院学报》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】4页(P7-10)
【关键词】分散性土;物理化学性质;针孔试验;碎块试验;双比重计实验
【作者】任瑞平;杨秀娟;余佳辉;樊恒辉
【作者单位】杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100;西北农林科技大学，陕西杨
凌712100;西北农林科技大学，陕西杨凌712100;西北农林科技大学，陕西杨凌712100
【正文语种】中文
【中图分类】TU41
0 前言
从渗透破坏的角度出发，将黏性土分为三类，即分散性土、过渡性土和和非分散性土[1]。

分散性土是一种在低含盐量水中(或纯净水中)离子相互的排斥力超过相互吸引力，导致土体的颗粒分散的黏性土[2]。

因此，在土-水混合体系中土粒间的排斥作用可使土颗粒之间的距离增大，在水流的作用下分散的土粒随水流动，为土体的渗透变形和破坏提供了条件，导致事故的发生。

分散性土的发现可追溯到20世纪50年代，主要是在农业领域； 20世纪60年代澳大利亚发现分散性土对水利工程具有破坏作用，并对其进行了研究。

随后，分散性土逐渐引起工程界的注意，许多国家对其进行研究，如美国、加拿大、西班牙和印度等。

我国分散性土主要分布在东北和西北等地区，20世纪70年代首先在黑龙江引嫩工程中发现，随后在新疆、青海、陕西、山西等省的工程实践中都曾遇到。

因此，在水利工程设计和施工中应对其予以重视。

本文应用双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶盐阳离子和全土的交换性钠百分比等5种试验方法，对宁夏某水电站大坝防渗土料的分散性进行了判别，以分析研究土样的分散性能，为工程设计、施工和管理提供科学依据。

1 土样的基本物化性质
1.1 土样的物理性质
土样物理性质试验结果见表1。

表1表明， 4组土样的液限在23.6%～25.0%之间，塑限在15.0%～16.0%之间，塑性指数在8.0～9.6之间。

颗粒组成以粉粒(0.075～0.005 mm)为主，其含量在67.8%～72.2%之间，粘粒(<0.005 mm)含量在13.2%～16.8%之间。

击实试验表明，4组土样的最优含水率在12.5%～13.4%之间，最大干密度在1.82 g/cm3～1.85 g/cm3之间。

按照《土工试验规程》(SL237-1999)分类，这4组土样均属于低液限粉土(ML)。

1.2 土样的化学性质
土样的基本化学性质列于表2。

从表2中可看出，4组土样的易溶盐在0.6 g/kg～1.0 g/kg之间，pH值在8.71～9.44之间，呈强碱性(>8.5)。

SiO2在62.3%～66.0%之间， Fe2O3在3.0%～3.6%之间，Al2O3在11.5%～16.6%之间。

SiO2/R2O3在5.88～7.65之间。

表1 土样物理性质土样编号比重Gs颗粒组成(%)>0.075 mm0.075 ～0.005 mm<0.005 mm液限WL(%)塑限WP(%)塑性指数Ip最优含水率(%)最大干密度(g/cm3)土壤分类按塑性图12.7117.469.413.223.615.08.613.41.84低液限粉土(ML)22.7114.968.316.824.013.41.8413.21.82低液限粉土
(ML)32.7117.367.814.925.013.21.8212.51.85低液限粉土
(ML)42.7113.172.214.725.012.51.8512.81.85低液限粉土(ML)
表2 土样化学性质
土样编号易溶盐(g/kg)pH值SiO2(%)Fe2O3(%)Al2O3(%)SiO2/R2O310.69.09 62.33.611.57.6521.09.40 63.53.213.76.8631.09.44 66.03.312.97.4640.98.71 64.23.016.65.88
2 分散性土判别试验方法
由于分散性土较广泛分布的湿陷性黄土[3] 等特殊土发现比较晚，现有的工程上常
用的土工试验方法不能反映出土的分散特征。

目前，我国尚未颁布鉴定分散性土的试验规程。

本次试验参照了《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251-2000)中介绍的双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶盐阳离子等4种试验方法，并结合
美国材料与试验协会制定的双比重计法(ASTM D4221-11)[4]、针孔试验(ASTM
D4647-06)[5]、碎块试验(ASTM D6572-06)[6]等3种试验规程，采用双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶性阳离子和交换性钠离子百分比等5种试验方法来综合
判别土样的分散性。

5种试验的方法，可参考文献 [4～7]。

3 试验结果与分析
对4组土样进行了双比重计、针孔、碎块、孔隙水可溶盐阳离子和交换性钠百分
比等5种试验，试验结果见表3～表5，图1和图2。

3.1 5种试验判别结果
(1)从表3可以看出，双比重计试验结果表明，4组土样的分散度在2.7%～4.7%
之间，均小于30%，属于非分散性土。

在碎块试验中，土样1和土样4放入水中
后具有轻微反应，土块水解后四周有微量浑浊，但扩散范围小，属于过渡性土；土样2和土样3放入水中后，反应严重，土块水解后呈浑浊状，并且土很快扩散到
整个量杯底部，水呈雾状，经久不清，属于分散性土。

针孔试验结果表明，土样1在50 mm水头作下持续10 min，水色浑浊，最终孔径大于1.5倍，属于分散性土；其余3组土样在180 mm水头作下持续5 min，水色浑浊，最终孔径大于
1.5倍，属于过渡性土。

(2)从表4可以看出，交换性钠百分比试验结果表明，土样1和土样4的ESP均小于7%，属于非分散性土；土样2和土样3的ESP大于7%，属于分散性土。

孔隙水可溶盐阳离子试验结果表明，土样1 的PS(钠百分比) < 40%，属于非分散性土；土样2和土样3的PS > 60%。

属于分散性土；土样4的PS在40%～60%之间，属于过渡性土。

3.2 5种试验判别结果
5种试验方法鉴定结果列于表6。

从表6中可看出，5种试验方法判别的结果具有一定的离散性，因此采用单一的试验结果难以对土样的分散性进行正确的鉴定。

樊恒辉等[6]通过研究认为，赋予双比重计、碎块、针孔、孔隙水可溶性阳离子和交
换钠离子百分比的权重值，其值分别取20%、20%、40%、10%、10%，计算土样的分散性、过渡性、非分散性权重。

判别准则：①如果分散性的权重大于50%，土样属于分散性土。

②分散性的权重等于50%时，如果过渡性的权重大于等于20%，则属于分散性土；反之，则属于过渡性土。

③分散性的权重小于50%时，
如果“过渡性+分散性”的权重大于等于50%，则为过渡性土，否则属于非分散
性土。

实践证明，权重分析法可以比较合理的判别黏性土的分散性。

根据以上判别准则，通过计算土样的分散性、过渡性、非分散性权重，发现4组
土样的分散性权重小于50%，而且“过渡性+分散性”的权重大于50%，所以4
组土样均属于过渡性土。

但是值得注意的是，4组土样的权重分析中分散性占的比重比较大(见表7)，在设计中应注意当土样周围环境发生变化时(如河水水质)对土
样分散性判别结果的影响。

表3 土样分散性试验判别结果(1)
土样编号双比重计试验<0.005 mm常规方法颗粒含量非常规方法分散度(D,%)碎
块试验针孔试验干密度(g/cm3)水头(mm)持续时间(min)终了孔径(倍)终了流量(mL/s)水色113.20.43.0微量浑浊1.7550102～30.29浑浊216.80.74.2浑浊
1.7318052～50.96浑浊314.90.74.7浑浊1.7618052～51.25浑浊414.70.4
2.7
微量浑浊1.7618052～30.67浑浊
注：(1)双比重计试验：非分散土，D(分散度) < 30%；过渡性土，D=30%～50%；分散性土，D> 50% 。

(2)碎块试验：Ⅰ、非分散性土，土块水解后在量杯底部以细颗粒状平堆，水色是
清的，或稍浑浊后很快又变清；Ⅱ、过渡性土，土块水解后四周有微量浑浊，但扩散范围小；Ⅲ、分散性土，土块水解后浑浊，土很快扩散到整个量杯底部，水呈雾状，经久不清。

(3)针孔试验：非分散土，在1020 mm 水头下针孔不扩大，出水流很清；过渡性土，在180～380 mm 水头下针孔冲蚀较慢，出水流稍浑浊；分散性土，在50 mm 水头下针孔迅速扩大，出水流浑浊。

表4 土样分散性试验判别结果(2)
土样编号交换性钠离子百分比试验交换性钠离子含量cmol/kg交换性阳离子总量cmol/kg交换性钠离子百分比ESP ( %)孔隙水可溶性阳离子试验
Na+K+Ca2+(1/n mmol/l )Mg2+阳离子总量钠百分比PS( % )10.21 5.37 3.81.1 0.0 0.9 1.5 3.5 31.3 20.65 6.13 10.6 13.2 0.0 1.0 2.9 17.2 77.0 30.65 5.97 10.9 14.2 0.0 1.2 3.2 18.6 76.4 40.21 6.02 3.5 8.5 0.0 3.8 8.8 21.0 40.3
注：(1)交换性离子钠百分比试验：ESP (交换性离子钠百分比)= 7 ～ 10，属中等
分散性土；ESP≥15，属高分散性土，即有严重管涌的可能性。

(2)孔隙水可溶性阳离子试验：根据TDS和PS判断，非分散性土，PS(钠百分比) < 40%；过渡性土，PS=40%～60%；分散性土，PS > 60%。

表5 土样分散性试验综合判别结果土样编号双比重计试验碎块试验针孔试验孔隙
水可溶性阳离子试验交换性钠离子百分比试验权重(%)非分散性过渡性分散性试验综合判别结果1非分散性土过渡性土分散性土非分散性土非分散性土402040过
渡性土2非分散性土分散性土过渡性土分散性土分散性土204040过渡性土3非
分散性土分散性土过渡性土分散性土分散性土204040过渡性土4非分散性土过
渡性土过渡性土过渡性土非分散性土30700过渡性土
图1 碎块试验照片
图2 针孔试验照片
4 结语
(1)物理性质试验结果表明，4组土样的液限在23.6%～25.0%之间，塑限在
15.0%～16.0%之间，塑性指数在8.0～9.6之间。

颗粒组成以粉粒(0.075～0.005 mm)为主，其含量在67.8%～72.2%之间，粘粒(<0.005 mm)含量在13.2%～16.8%之间。

最优含水率在12.5%～13.4%之间，最大干密度在1.82 g/cm3～
1.85 g/cm3之间。

4组土样均属于低液限粉土(ML)。

(2)化学性质试验结果表明，4组土样的易溶盐在0.6 g/kg～1.0 g/kg之间，pH
值在8.71～9.44之间，呈强碱性(>8.5)。

SiO2在62.3%～66.0%之间， Fe2O3
在3.0%～3.6%之间，Al2O3在11.5%～16.6%之间。

SiO2/R2O3在5.88～7.65之间。

(3)根据双比重计试验、针孔试验、碎块试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性
钠离子百分比试验等5种试验方法对土样的分散性进行了鉴定，4组土样均属于过渡性土。

但是值得注意的是，4组土样的权重分析中分散性占的比重比较大，在设计中应注意当土样周围环境发生变化时(如河水水质)对土样分散性判别结果的影响。

参考文献:
[1] 王观平,张来文,阎仰中,等.分散性黏土与水利工程[M].北京:中国水利水电出版社, 1999:7-8.
[2] 苟和平.湿陷性黄土地基处理方案之比较[J].杨凌职业技术学院学报.
2009,8(4):11-12.
[3] SL251-2000,水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S].
[4] ASTM D4221-11, Standard Test Method for Dispersive Characteristics of Clay Soil by Double Hydrometer[S].
[5] ASTM D4647-06, Standard Test Method for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test[S].
[6] ASTM D6572-06, Standard Test Methods for Determining Dispersive Characteristics of Clayey Soils by the Crumb Test[S].
[7] 樊恒辉, 孔令伟. 分散性土研究[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2012.。