(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，沈陽 110006)

分散性黏土概念的提出最早見于20世紀50年代，澳大利亞的水利工作者發(fā)現(xiàn)了這一土體對水利工程的破壞作用，70年代初期我國國內(nèi)開始對其有了認識。相關(guān)研究表明：土體中Na+、Ca2+、Mg2+的含量多寡和相對含量對黏土分散性有重要作用,蒙脫石的存在是黏土分散性的重要因素,河水對黏土分散性有顯著影響。分散性黏土的破壞原理為：在水或低含鹽水流作用下，土粒間斥力超過吸引力，相互排斥作用占優(yōu)勢，進而產(chǎn)生工程破壞。破壞形式主要有管涌、沖蝕裂縫、孔洞或在坡面形成溝槽等。

1 概 述

赤峰市東臺子水庫位于內(nèi)蒙古赤峰市林西縣新城子鎮(zhèn)半拉山村西拉木倫河干流上，距林西縣約70km，控制流域面積10764km2，總庫容3.26億m3，為大(2)型水庫。水庫按100年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核。開發(fā)建設(shè)的任務(wù)為防洪、灌溉、供水，兼顧水力發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游和改善生態(tài)環(huán)境等。水庫的主壩為黏土心墻堆石壩，心墻的填筑土料取自大壩附近的克德河西北側(cè)的紅土溝黏土料場。

與其他大型水利工程相似，東臺子水庫大壩黏土心墻土方用量較大，雖經(jīng)現(xiàn)場查勘初步判斷紅土溝黏土料場土料疑似為分散性土，可能增加工程處理投資，但綜合權(quán)衡比較替代方案后，仍決定采用該料場土料，并委托某設(shè)計院進行土料特性分析，為工程處理提供依據(jù)。

考慮到該工程重要程度，采用野外調(diào)查與分析和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法進行綜合鑒定，以室內(nèi)試驗為主、野外調(diào)查與分析為輔。野外調(diào)查與分析，主要是對料場區(qū)域下雨后路旁的水溝、水坑和河道里流水的顏色進行判別，如水流混濁、顏色呈黃色或咖啡色則土料為分散性黏土的可能性較大；反之較小。也可以根據(jù)枯水期水坑坑底留下的黏土沉積形態(tài)進行判別，如表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，則為分散性黏土的可能性較大。

野外調(diào)查與分析在本文中不作過多介紹，本文重點針對東臺子水庫大壩黏土心墻料場開展的室內(nèi)檢測方法進行說明。分散性土室內(nèi)檢測方法目前國際上應(yīng)用較多的有針孔試驗、雙比重計試驗、孔隙水溶液試驗、碎塊試驗4種。相關(guān)研究成果表明：雖然針孔試驗對于模擬壓力水頭下土體的滲透變形及接觸沖刷等有獨特的優(yōu)勢，但其對土體類別的誤判率也較高，目前尚不太適合工程應(yīng)用；孔隙水溶液試驗雖然對于分散性土的破壞機理模擬較有針對性，但由于不同土體的化學(xué)成分差別較大，其試驗結(jié)果僅能作為定性參考，應(yīng)用于工程也尚需時日。而雙比重計試驗和碎塊試驗雖也存在一定的弊端和不足，但其工程應(yīng)用較多，技術(shù)也較為成熟，遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院對于此兩項試驗方法的熟練程度及經(jīng)驗分析能力也相對較好，因此東臺子水庫黏土心墻土料分析中采用了雙比重計試驗和碎塊試驗兩種方法進行分析，本文對兩種試驗方法的操作步驟及注意事項進行簡要說明，供同仁參考。

2 雙比重計試驗

2.1 試驗原理

雙比重計試驗是國內(nèi)外普遍采用的鑒別分散性黏土的試驗方法。其試驗原理是利用土樣溶液在添加化學(xué)藥劑前后比重的變化，根據(jù)公式推求土樣的分散度。其理論基礎(chǔ)認為分散性土遇水后土的團粒會分散成原級顆粒，而非分散性土遇水后則能保持其團粒結(jié)構(gòu)。

2.2 試驗步驟

該試驗步驟主要為兩大步，每一大步中又分若干小步。

第一步：取30g風(fēng)干后試驗土樣，將其放在盛有200mL蒸餾水的抽濾瓶中，用真空泵去除瓶中氣體使得土樣與蒸餾水充分混合，然后將溶解后的土懸液沖洗到1000mL量筒中，加蒸餾水至1000mL。用密封蓋蓋好量筒，快速倒轉(zhuǎn)量筒30次，搖晃的目的是使土體中黏粒水化分散，靜置1min。打開量筒密封蓋，用乙種比重計分別測得1min、5min、30min、120min、180min溶液的密度，根據(jù)密度值、量測溫度、土樣比重(一次試驗中為固定值)，按照《土工試驗標準》7.2中的計算公式求得試驗土樣的黏粒含量。此方法也稱不加化學(xué)試劑法、不用機械振動法。

第二步：另取30g風(fēng)干后試驗土樣，將土樣放在盛有200mL蒸餾水的容量瓶中，將容量瓶放置于砂浴皿上，加熱60min，待容量瓶中的溶液冷卻至常溫后，將容量瓶中的土懸液沖洗到1000mL量筒中，向量筒內(nèi)加入六偏磷酸鈉溶液(4%)10mL，加蒸餾水至1000mL，用攪拌棒或攪拌器充分攪拌，靜置1min。用乙種比重計分別測得1min、5min、30min、120min、180min溶液的密度，根據(jù)密度量測值、量測溫度、土樣比重(一次試驗中為固定值)按照《土工試驗方法標準》7.2中的計算公式求得試驗土樣的黏粒含量。此方法也稱加化學(xué)試劑法。

試驗土樣的分散度可利用以上兩組試驗成果采用下式進行計算：

(黏粒含量為粒徑小于0.005mm的百分含量)

2.3 成果分析

根據(jù)美國材料試驗學(xué)會推薦鑒定標準：分散度小于30%屬于非分散性土；在30%～50%之間的屬于過渡性土；大于50%為分散性土。東臺子水庫大壩黏土心墻料場檢測試驗的6組土樣測定的分散度范圍為48.7%～49.7%，在30%～50%之間，單項評定結(jié)論為過渡型分散土。土樣外觀描述為：紅黃色、含有砂礫、有微量結(jié)核(見圖1)。

圖1 雙比重計試驗情況

2.4 注意事項

a.第一步中量筒倒轉(zhuǎn)前須確保量筒密封蓋的堅實、密閉。否則如在倒轉(zhuǎn)過程中造成試驗溶液泄露將直接影響試驗結(jié)果的準確度，甚至?xí)拐麄€試驗失敗。

b.比重計測量時間的掌握。試驗數(shù)據(jù)是從量筒停止倒轉(zhuǎn)操作，放置于試驗操作平臺上開始計時起，靜置1min后測得的，測量的時間非常重要，不同的時間內(nèi)土粒下沉的速度不同。

c.第二步中容量瓶冷卻方法應(yīng)采用自然冷卻法。必要時也可用水冷，切忌采取冰鎮(zhèn)、冷凍等快速降溫方式，以免造成容量瓶損壞，影響試驗。

3 碎塊試驗

3.1 試驗原理

碎塊試驗的試驗原理是：利用分散土與非分散土水解后不同的分散特征，通過表象觀察進行定性判斷，區(qū)分土體是分散性土、過渡型土或非分散性土。其理論基礎(chǔ)是以膠體化學(xué)的基本觀點出發(fā)的，黏性土在水中水解的原因是膠體顆粒的析出，以膠體析出的不同程度作為評判標準。

3.2 試驗步驟

碎塊試驗大體分三步。

第一步：按照《土工試驗方法標準》10.0，做擾動樣的擊實試驗，測得土的最優(yōu)含水量和最大干密度。

第二步：利用最優(yōu)含水量那組土樣制成1/4～3/8英寸的(立方體)土塊，體積約1cm3。

第三步：用容積為250mL的燒杯盛蒸餾水150mL，將土樣放入水中，浸放5～10min并觀察記錄，待土塊完全水解后拍照記錄土粒在杯底的分散形狀。

3.3 成果分析

根據(jù)美國材料試驗學(xué)會推薦的鑒定標準，碎塊試驗評價標準見下頁表。

碎塊試驗評價土的分散性表

東臺子水庫大壩黏土心墻料場檢測試驗土樣共有6組，測定的土樣最優(yōu)含水量在17.0%～18.8%之間，最大干密度在1.70～1.72g/cm3之間。

6組土塊放入燒杯中，土塊周圍水體即出現(xiàn)輕微渾濁現(xiàn)象，隨著土塊下沉(試驗中建議用鑷子夾住土塊平緩放至杯底)，渾濁水體不斷變大，隨著時間推移，下層土塊周圍水體變得越發(fā)混濁，上層水體逐漸變清，至觀察時間結(jié)束(本次試驗為10min)，土塊完全溶解，絕大多數(shù)土粒沉積在土塊周圍，少量漂浮在底層溶液中。土塊完全溶解狀態(tài)見圖2。

經(jīng)對6組土樣碎塊試驗單項評定，確定該料場土料為過渡型分散土。

3.4 注意事項

a.試驗土塊必須均為與最優(yōu)含水量同組的試樣。這是因為室內(nèi)試驗應(yīng)是模擬大壩建設(shè)完成后土體狀況(在最優(yōu)含水量下進行壓實)，而現(xiàn)場取回的擾動土，與擊實后最優(yōu)含水量的土樣制備試樣有一定差距，將影響試驗的準確性。

b.土塊放入燒杯中建議用鑷子夾住緩慢放至燒杯底部。根據(jù)經(jīng)驗，從水平直接拋置試塊與用鑷子放入，試驗結(jié)果有一定差別，這是因為拋置試塊易造成試塊與杯底的撞擊，人為加速試塊溶解，進而影響試驗結(jié)果。

4 結(jié) 語

a.目前國際上流行的四種鑒定方法即孔隙水溶液試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、針孔試驗等，各有其優(yōu)缺點和適應(yīng)性，對于該工程可能碎塊試驗和雙比重計試驗更加合適，但對于其他工程還應(yīng)具體問題具體分析，靈活運用。

b.分散性土檢測方法及判別標準目前我國尚無統(tǒng)一標準，多數(shù)試驗及評定中經(jīng)驗仍是不可或缺的因素，因此在注重室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)提高對現(xiàn)場查勘重要性的認識，與當(dāng)?shù)厮ぷ髡呒叭罕姵浞纸涣鳎苊饫碚撁撾x實際。

c.分散性土在工程中的應(yīng)用處理本文中未有涉及，但目前國際流行的處理方法也很多，如：土料中摻白灰及在壩體背水側(cè)設(shè)置反濾的方法等。土工試驗的目的不僅是為工程提供參考，還應(yīng)對工程具有指引作用，因此根據(jù)不同類型分散性土及不同檢測指標的分散性土給出建議處理模式，并盡可能用試驗數(shù)據(jù)說話，將是該領(lǐng)域未來發(fā)展的一個重要方向，還需要所有水利工作者特別是土工試驗工作者共同努力。