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黑龍江地區(qū)渠道基土工程性質(zhì)試驗(yàn)分析

2018-05-18 03:25:44樊恒輝車雯方趙宏偉
關(guān)鍵詞:碎塊針孔分散性

張 路, 樊恒輝, 車雯方, 張 勇, 孟 雷, 趙宏偉

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2. 湯原縣水務(wù)局, 黑龍江 佳木斯 157400; 3. 農(nóng)墾紅興隆管理局水務(wù)局, 黑龍江 雙鴨山 155811)

黑龍江省是我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省,多年來修建了大量的渠道工程用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),對(duì)確保我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全發(fā)揮了重要作用。要保證渠道工程安全運(yùn)行,前提和關(guān)鍵就是保證渠基和渠坡的穩(wěn)定[1]。與其他建筑物或者邊坡不同,渠道工程的主要任務(wù)是輸水,水對(duì)渠基和渠坡的影響非常大[2]。在渠道工程建設(shè)中常遇到的有水敏性的特殊土主要是膨脹土和分散性土[3-6]。膨脹土是一種黏粒成分主要由親水礦物組成,同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的黏性土[7];分散性土是一種在低含鹽量水中(或純水中)由于離子相互間排斥力超過吸引力,導(dǎo)致土體顆粒分散的黏性土,具有抗沖蝕性低、遇水分散流失的特性[8]。這些土對(duì)水有特殊的敏感性,通常會(huì)使渠基承載力顯著降低,渠坡發(fā)生明顯變形,甚至出現(xiàn)裂縫,極易引起各種工程危害[9-12],所以在渠道工程建設(shè)中應(yīng)對(duì)其工程性質(zhì)進(jìn)行深入研究分析。

本文以黑龍江省龍頭橋灌區(qū)、蛤蟆通灌區(qū)和引湯灌區(qū)3個(gè)灌區(qū)渠基土為研究對(duì)象,在分析土樣物化性質(zhì)和礦物成分的基礎(chǔ)上,采用自由膨脹率、碎塊、針孔、雙比重計(jì)、孔隙水可溶性陽離子、交換性鈉離子百分比和直剪等試驗(yàn)方法,分析土壤組成、鹽含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH值、礦物成份及其含量、膨脹性、分散性和強(qiáng)度特性,并探討生石灰對(duì)分散性和膨脹性土的處理效果,為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),以便提出可靠的工程處理措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用土取自黑龍江省龍頭橋、蛤蟆通和引湯灌區(qū),取土深度在表層土以下30~50 cm。試驗(yàn)采用的純生石灰,產(chǎn)于天津市百世化工有限公司,CaO含量大于等于98%。

土樣的物化性質(zhì)試驗(yàn)、礦物成分試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)范》(SL237—1999)進(jìn)行操作。土樣的膨脹性判別以自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),并以土樣的礦物成分和陽離子交換量作為參考。試驗(yàn)具體步驟參見《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)。土樣的分散性判別采用雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)和交換性鈉百分比試驗(yàn)進(jìn)行綜合判別[13],同時(shí)結(jié)合樊恒輝等提出的黏性土分散性的經(jīng)驗(yàn)判別式進(jìn)行驗(yàn)證[14]。試驗(yàn)具體步驟參見文獻(xiàn)[15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土樣的物化性質(zhì)和礦物成分

2.1.1土樣物化性質(zhì) 土樣的物化性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。從表1和表2中可以看出,5組土樣的天然含水率為26.6%~30.1%,顆粒相對(duì)密度2.65~2.70,液限49.9%~61.9%,塑限26.5%~37.4%,塑性指數(shù)19.1~24.5。顆粒組成以粉粒(0.075~0.005 mm)、黏粒(<0.005 mm)為主,粉粒含量為38.3%~52.1%,黏粒含量為45.2%~61.0%。土樣最大干密度為1.48~1.60 g/cm3,最優(yōu)含水率為24.5%~28.2%。按照塑性圖分類,土樣5屬于低液限黏土(CL),其余4組土樣均屬于高液限粉土(MH)。土樣的鹽含量不高,易溶鹽含量0.1~0.3 g/kg,中溶鹽含量0.6~0.8 g/kg,難溶鹽含量0.1~ 0.8 g/kg,有機(jī)質(zhì)含量3.8~15.3 g/kg,pH值5.37~7.75。值得注意的是,土樣1,2和3的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于土樣4和5,而pH值明顯低于土樣4和5。

表1 土樣物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil sample

表2 土樣化學(xué)性質(zhì)Tab.2 Chemical properties of soil sample

2.1.2土樣礦物成分 土樣的礦物組成試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出,黏土礦物中的伊利石和蒙脫石主要以伊-蒙混層的形式存在,按照混層比計(jì)算,發(fā)現(xiàn)土體中的伊利石含量為18.7%~21.6%,蒙脫石含量為14.3%~19.0%。雖然5組土樣中的蒙脫石主要是以伊-蒙混層的形式存在,但其含量也非??捎^。已有研究發(fā)現(xiàn),如果土體中的蒙脫石含量超過5%,則對(duì)土體的工程性能產(chǎn)生顯著影響[16]。從礦物成分來分析,5組土樣具有一定的膨脹性和分散性。

表3 土樣礦物成分Tab.3 Mineral composition of soil sample

2.2 土樣膨脹性

土樣自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量的試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可見,5組土樣的自由膨脹率為41%~90%,其中土樣1,4和5的自由膨脹率為40%~65%,屬于弱膨脹土;土樣3的自由膨脹率為65%~90%,屬于中膨脹土;土樣2的自由膨脹率≥90%,屬于強(qiáng)膨脹土。土體蒙脫石含量為14.3%~19.0%。土體中的陽離子交換量為17.74~25.22 cmol/kg。根據(jù)膨脹土自由膨脹率與蒙脫石含量、陽離子交換量的關(guān)系可知,這5組土樣都具有一定的膨脹潛勢(shì),屬于膨脹土。

表4 土樣膨脹性Tab.4 Expansibility of soil sample

2.3 土樣分散性

2.3.1分散性試驗(yàn)判別 土樣分散性試驗(yàn)結(jié)果見表5,土樣的針孔碎塊試驗(yàn)照片見圖1。從表5可見,土樣1,2,3的分散度小于30%,屬于非分散性土;土樣4分散度大于50%,屬于分散性土;土樣5分散度為30%~50%,屬于過渡性土。碎塊試驗(yàn)結(jié)果表明,土樣1崩解后在燒杯底部以細(xì)顆粒狀平堆,水色清澈。土樣2沒有崩解,土樣1和2屬于非分散性土;土塊3,4和5崩解后擴(kuò)散到整個(gè)燒杯底部,水色明顯渾濁。針孔試驗(yàn)結(jié)果表明,土樣1,2,3,5在1 020 mm水頭下針孔不擴(kuò)大,水流清澈,屬于非分散性土;土樣4在50 mm水頭下針孔迅速擴(kuò)大,水流渾濁,孔徑擴(kuò)大2~3倍,屬于分散性土??紫端扇苄躁栯x子試驗(yàn)結(jié)果表明,5組土樣的孔隙水可溶性陽離子總量(TDS)在1.67~4.77 1/n mmol/l之間,鈉百分比(PS)為1.6%~15.6%。根據(jù)土的分散性與TDS,PS的關(guān)系可看到,5組土樣均屬于非分散性土。交換性鈉離子百分比試驗(yàn)結(jié)果表明,5組土樣的交換性鈉百分比(ESP)含量均小于10%,屬于非分散性土。

5種試驗(yàn)方法的判別標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)雙比重計(jì)試驗(yàn)。分散度小于30%,為非分散性土;分散度為30%~50%,為過渡性土;分散性土大于50%,為分散性土。

(2)碎塊試驗(yàn)。土塊崩解后在燒杯底部以細(xì)顆粒狀平堆,不出現(xiàn)渾濁或稍混濁后很快變清,為過渡性土,土塊崩解后四周有微量渾濁,但擴(kuò)散范圍小,為非分散性土;土塊崩解擴(kuò)散到整個(gè)燒杯底部,水呈霧狀、渾濁,為分散性土。

(3)針孔試驗(yàn)。380~1 020 mm水頭下針孔不擴(kuò)大,水流很清,為非分散土; 180~380 mm水頭下針孔沖蝕較慢,水流稍渾濁,孔徑大于1.5倍,為過渡性土;50 mm水頭下針孔迅速擴(kuò)大,水流渾濁,孔徑大于1.5倍,為分散性土。

(4)交換性鈉離子百分比試驗(yàn)。ESP=7%~10%,為中等分散性土;ESP≥15%,為高分散性土。

(5)孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)。PS<40%,為非分散性土;PS=40%~60%,為過渡性土;PS>60%,為分散性土。

表5 土樣分散性Tab.5 Dispersibility of soil samples

圖1 針孔碎塊試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Photos of pinhole and crumb tests

2.3.2分散性判別經(jīng)驗(yàn)式 樊恒輝等結(jié)合黏性土分散機(jī)理研究,提出了判別分散性土的經(jīng)驗(yàn)式[14]。根據(jù)黏性土分散性經(jīng)驗(yàn)判別式的判別結(jié)果見表6。從表6可見,由于5組土樣的F1值均小于3.26,無法確定其分散性,引入鈉百分比,繼續(xù)計(jì)算F2值。5組土樣F2值均小于3.16,均屬于非分散性土。為了更加準(zhǔn)確判別,繼續(xù)引入pH值計(jì)算F3值。5組土樣的F3值小于4.00,所以根據(jù)F3值的判別結(jié)果,可得出:5組土樣均屬于非分散性土。因此,從黏性土分散性判別的經(jīng)驗(yàn)式來評(píng)價(jià),5組土樣均屬于非分散性土。

表6 黏土分散性經(jīng)驗(yàn)式判別結(jié)果Tab.6 Results of dispersion clay’s experience formula

2.3.3分散性的綜合判別 根據(jù)分散性判別試驗(yàn)進(jìn)行綜合判別結(jié)果見表7??梢?,土樣4的分散性權(quán)重為80%,大于50%,所以土樣4屬于分散性土。其余4組土樣的分散性權(quán)重小于50%,且土樣5“過渡性+分散性”的權(quán)重小于50%,所以分散性試驗(yàn)表明土樣1,2,3和5均屬于非分散性土。結(jié)合分散性經(jīng)驗(yàn)判別式,確定土樣1,2,3和5均屬于非分散性土,土樣4屬于分散性土。與分散性判別的經(jīng)驗(yàn)式得到的結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)除土樣4有不同,其余一致。值得說明的是,土樣3和5的碎塊試驗(yàn)表現(xiàn)出分散性的特征,故在雨水浸濕作用下,其抗水蝕性較差,在工程中應(yīng)予重視。

表7 分散性的綜合判別Tab.7 Comprehensive discrimination of dispersion

2.4 土樣抗剪強(qiáng)度

土樣直剪試驗(yàn)結(jié)果見圖2和3。從圖2可以看出,隨著剪切位移的增大,剪應(yīng)力先增大后平緩或持續(xù)增大,沒有明顯峰值,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型,取剪切位移值為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度??辜魪?qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系見圖3。隨著垂直壓力的增大,抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖2 剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線Fig.2 Relationships between shear stress and shear displacement

圖3 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between shear strength and vertical pressure

圖4 抗剪強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系曲線Fig.4 Relationships between shear strength and organic content

在圖3中添加趨勢(shì)線,該線截距即為土體的黏聚力c值,該線與水平線夾角即為土體的內(nèi)摩擦角φ值,得到1~5號(hào)土樣黏聚力分別為25.78,47.49,49.60和3.47 kPa,內(nèi)摩擦角分別為3.5°,1.5°,1.0°,24.5°和12.0°。可見,5組土樣的黏聚力為13.62~47.49 kPa,內(nèi)摩擦角為1.0°~24.5°。

2.5 抗剪強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系

土樣抗剪強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系見圖4。從圖4可見,土樣1,2和3的黏聚力高于土樣4和5,而內(nèi)摩擦角低于土樣4和5。這與土體中的有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。由于有機(jī)質(zhì)具有膠結(jié)作用,因此有機(jī)質(zhì)含量越高,土顆粒之間的黏聚力增大,內(nèi)摩擦角減小。

2.6 改性后的工程性質(zhì)

2.6.1改性土膨脹性 改性后土體的自由膨脹率與摻灰量和養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系見圖5和6。從圖5可見,隨著石灰摻量的增大,土樣自由膨脹率降低。從圖6可見,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,土樣自由膨脹率變化不大。所以,石灰對(duì)于膨脹土具有良好的改性效果,可以降低其膨脹性;養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改性土膨脹性的影響不明顯。

圖5 摻灰量與自由膨脹率的關(guān)系Fig.5 Relationships between lime content and free swelling ratio

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期與自由膨脹率的關(guān)系Fig.6 Relationships between curing age and free swelling ratio

2.6.2改性土分散性 由于土樣4屬于分散性土,所以對(duì)改性后的土樣4做了針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)。土樣3和5的碎塊試驗(yàn)表現(xiàn)為分散性特征,屬于抗蝕性差的土,所以對(duì)土樣3和5也做了改性后的碎塊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖7。圖7僅列出了摻加1%石灰改性土的針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)照片。從圖7可以看出,土樣中加入石灰后,經(jīng)過3 d的養(yǎng)護(hù)齡期,土體的分散性就減弱,在碎塊試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)中呈現(xiàn)非分散性土的特性。由此可見,石灰不僅對(duì)土的膨脹性具有良好的改性效果,對(duì)于分散性也具有很強(qiáng)的改性作用。

圖7 改性土的針孔碎塊Fig.7 Modified soil’s pinhole tests and crumb tests

3 結(jié) 語

(1)龍頭橋灌區(qū)土樣具有膨脹性,有強(qiáng)有弱;蛤蟆通灌區(qū)土樣既具有弱膨脹性,又具有分散性;引湯灌區(qū)土樣具有弱膨脹性??紤]現(xiàn)場(chǎng)施工的不確定性,建議在施工過程中添加3%石灰進(jìn)行處理,消除土樣的膨脹性和分散性。

(2)3個(gè)灌區(qū)5組渠基土的抗剪強(qiáng)度不高,黏聚力c值為13.62~49.60 kPa,內(nèi)摩擦角φ值為1.0°~24.5°,由于龍頭橋灌區(qū)土樣有機(jī)質(zhì)含量很高(12.3~15.3 g/kg),該灌區(qū)渠基土土樣的黏聚力比其他兩個(gè)灌區(qū)高,而內(nèi)摩擦角比其他兩個(gè)灌區(qū)低。

參 考 文 獻(xiàn):

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