楊 偉，楊海華，高鵬展，王寧遠，文 軍

(1.中國水電建設(shè)集團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)害防治重點實驗室，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顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部消失，呈團聚體的土體自行分散成原級的黏土顆粒[1-3]。分散性土遇低含鹽量的滲流水時，易產(chǎn)生管涌破壞[4-5]，作為黏土心墻壩的心墻填料時，蓄水初期防滲體可能會發(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，影響壩體的正常運行，給工程帶來嚴重危害并造成較大損失[6-9]。在分散性土判定過程中，目前普遍認可的是美國水土保持局提出的5項鑒別分散性土的室內(nèi)試驗方法，即雙比重計試驗[10]、碎塊試驗[11]、針孔試驗[12]、孔隙水可溶鹽試驗[13]及交換性鈉離子百分比試驗[14]。由于我國對分散性土的研究時間較短，關(guān)于分散性土的判定尚未形成統(tǒng)一的標準。樊恒輝[15]在實踐經(jīng)驗和統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各鑒別方法的特點，分別賦予上述5種鑒別方法不同的權(quán)重值，進行綜合判別土樣的分散性；巨娟麗[16]采用統(tǒng)計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則；陶然[17]以黏粒含量為界，指出當(dāng)黏粒含量低于10%時，采用泥球試驗的判別結(jié)果作為依據(jù)；當(dāng)黏粒含量不低于10%時，以泥球試驗和針孔試驗的結(jié)果共同判別；王啟東[18]采用多數(shù)法(針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶鹽試驗和交換性鈉離子百分比試驗結(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作為土樣的分散性等級)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、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶鹽試驗4種方法進行判別；師智勇等[20]采用針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、交換性鈉離子百分比試驗4種方法對土料的分散性進行鑒別。

目前，關(guān)于分散性土的判定尚未形成統(tǒng)一的標準，本文以新疆某工程土樣為研究對象，室內(nèi)測試其基本性能，并通過分散性鑒別試驗判定土樣的分散性。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的劃分不完全相同，在進行綜合判定時較為混亂，以及未考慮鑒別結(jié)果為高分散性土對綜合判定的影響，從而易導(dǎo)致誤判。本文采用目前普遍認可的5種鑒別方法，即針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶鹽試驗、交換性鈉離子百分比試驗，將各試驗的鑒別結(jié)果統(tǒng)一劃分為高分散性、分散性、過渡性、非分散性4個等級，并對各分散等級進行量化賦分，再根據(jù)不同鑒別方法的試驗原理賦予相應(yīng)權(quán)重，結(jié)合權(quán)重和分散等級，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土樣作為研究對象，土樣呈淺黃色，共計6組，按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[21]測定土樣的基本性能，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

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，可進行室內(nèi)試驗加以鑒別，主要包括針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶鹽試驗、交換性鈉離子百分比試驗。

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行分析。有學(xué)者采用統(tǒng)計的方法，或根據(jù)工程經(jīng)驗對不同鑒別方法賦予相應(yīng)的權(quán)重后進行土樣的分散性綜合評價。如樊恒輝[22]、DB21/T 3145—2019《黏土分散性針孔試驗標準》[23]在鑒別分散性土的方法中，將針孔試驗、碎塊試驗的結(jié)果劃分為強分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土4個等級；而在SL 251—2000中，將針孔試驗、碎塊試驗的結(jié)果劃分為分散性土、過渡性土、非分散性土3個等級；前者在分散性鑒別結(jié)果中提出強分散性土，對土樣的分散性做了更細致的劃分，而在雙比重計試驗、孔隙水可溶鹽試驗中，均將土樣劃分為分散性土、過渡性土、非分散性土3個等級；在交換性鈉離子百分比試驗中，樊恒輝[22]、彭文明等[7]將分散性土劃分為強分散性土，中等分散土以及非分散性土3個等級。由于不同鑒別方法的等級劃分不同，并忽視了強分散性土對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)一劃分為強分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土4級。

2.1 雙比重計試驗

雙比重計試驗根據(jù)土樣在不同介質(zhì)環(huán)境中的分解情況，分別取30g試樣進行兩次密度計試驗，第一次采用非常規(guī)顆粒分析試驗(不加分散劑不煮沸)，第二次采用常規(guī)顆粒分析試驗(加分散劑煮沸)，按照GB/T 50123—2019進行顆粒分析試驗，計算黏粒(<0.005mm)含量。根據(jù)分散度D(非常規(guī)顆分試驗所得黏粒含量/常規(guī)顆分試驗所得黏粒含量比值的百分數(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，判定標準及試驗結(jié)果分別見表2—3。

表2 雙比重計試驗判定標準

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 雙比重計試驗判定結(jié)果 單位：%

2.2 針孔試驗

該試驗由美國工程師謝拉德(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，將動能傳輸給土壤顆粒，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。本次試驗采用重塑土，將土樣制成直徑為37mm、長38.1mm的圓柱形試樣，在中心穿1mm直徑的軸向細孔，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分別為針孔試驗判定標準及試驗結(jié)果。

圖1 針孔沖蝕結(jié)果

表4 針孔試驗判定標準

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

表5 針孔試驗結(jié)果

2.3 碎塊試驗

該試驗采用膠體化學(xué)分析的觀點，將針孔試驗結(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。判定標準見表6，試驗現(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 碎塊試驗判定標準

表7 碎塊試驗現(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

孔隙水可溶鹽試驗是農(nóng)業(yè)土壤學(xué)中的一個基本試驗，將土樣加水調(diào)至液限狀態(tài)，靜置24h后采用離心機提取孔隙水溶液，進行離子測定，計算孔隙水溶液中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，PS為縱坐標，根據(jù)TDS與PS的關(guān)系，在原判定的基礎(chǔ)上，從半對數(shù)坐標軸中劃分一個S區(qū)，如圖3所示，并將其定義為強分散性土。根據(jù)在半對數(shù)坐標軸關(guān)系圖中所處位置進行判定，判別結(jié)果見表8。

圖3 孔隙水可溶鹽試驗判定標準

表8 孔隙水可溶鹽試驗結(jié)果及判別結(jié)果

2.5 交換性鈉離子百分比試驗

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)的百分數(shù)，采用醋酸鈉火焰光度法對試樣中交換性鈉離子含量進行測試。判別標準及試驗結(jié)果見表9—10。

表9 交換性鈉離子百分比試驗判定標準

根據(jù)表10試驗結(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?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，在動水條件下進行實驗，其可信度最高；碎塊試驗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，可靠性較針孔試驗次之；雙比重計試驗是將試樣放入不同介質(zhì)溶液中，用密度計測試顆粒級配的變化，由于粒組級配變化是評判土體分散性的重要指標，可信度與碎塊試驗相當(dāng)；孔隙水可溶鹽試驗與交換性鈉離子百分比試驗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。

本次綜合判別根據(jù)前人的實踐經(jīng)驗與統(tǒng)計分析方法，分別對針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶鹽試驗及交換性鈉離子百分比試驗賦予40%、20%、20%、10%、10%的權(quán)重，并對分散等級為強分散性土、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的加權(quán)后分值進行累加，當(dāng)總分S≥3.5時，記為強分散性土；總分S大于等于2.5且小于3.5時，記為分散性土；總分S大于等于1.5且小于2.5時，記為過渡性土；總分S<1.5時，記為非分散性土。通過此方法對土樣進行綜合判別，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、孔隙水可溶鹽、交換性鈉離子百分比試驗5種鑒別方法統(tǒng)一劃分為強分散性土、分散性土、過渡性土、非分散性土4個等級，可有效解決在綜合判定過程中各試驗等級劃分不一致問題。

(2)通過不同試驗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，并對土樣的分散性等級進行賦分，將各試驗的賦分值加權(quán)后進行累加；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。