盐渍土分散性试验的研究

盐渍土分散性试验的研究

1新疆工程地区粘土的研究分散的粘土在世界各地都发现，而且在一些地区也很常见。20世纪50年代，首先在澳大利亚发现，70年代在我国的黑龙江也发现了分散性粘土。在进行了几年试验研究后，才逐渐地为工程界所认识。1983年10月在全国水利工程渗流学术讨论会上，刘杰认为：粘性土是指塑性指数大于7，粘粒含量大于10%的土，有分散性和非分散性两大类。90年代新疆在水利工程实践中，遇到了粘土分散性问题，亦开始进行其研究工作。由于新疆地区干旱，各工程筑坝土料基本上都是由风化层经水流搬运至洼地及风化的沉积土料，经蒸发形成受高钠影响的盐渍土，故对土料的分散性研究有着其独特性。本文从新疆的十几个地区土料中，选取了5个大型水库筑坝土料进行分散性研究，着重分析了盐渍土对分散性评价指标的影响。2土料冲蚀和土粒间排斥作用的关系从国外资料看，分散性粘土在塑性图上位置都在A线以上（图1），属粘质土，分布范围从低液限粘土（CL）到高液限粘土（CH），根据《土工原理与计算》中提供的“我国特殊土在塑性图上的分布”图，新疆5个工程的土料试验值，所处位置见图1。依据新疆水利水电勘测设计研究院的几个工程的试验资料，绝大部分土的液限WL在20%～35%之间，塑性指数IP在7～25之间，即在塑性图上的位置A线以上，绝大部分土料属低液限粘土CL范围内。粉粒含量大都在40%～75%范围内，因此，决定了新疆土料在判定分散性的冲蚀问题上，要区别受盐渍土影响的粉土的冲蚀问题。分散性粘土是土中含有Na蒙脱石的土，蒙脱石由于同晶置换的结果产生负电性，要吸附阳离子来平衡电荷，吸附阳离子的蒙脱颗粒在水中的引力与斥力同时存在，引力不受水中盐浓度影响，但颗粒表面的双电层随着水中盐浓度的增高而受到压缩，加上其它因素，斥力随水中盐浓度的增大而显著地减小，在盐浓度低的水中，Na蒙脱的斥力大于吸力，使Na蒙脱产生分散，在盐浓度高的水中，斥力随盐浓度的增加而减小，但吸引力却保持不变，在盐浓度达到一定程度以后，斥力小于吸力，Na蒙脱就由分散转变为不分散。土在水中分散实质上是土粒间的连结在水的作用下破坏的过程，也是土料间斥力超过吸引力，使得相互排斥作用占优势的结果。在土-水体系中，土粒间排斥作用与土粒表面扩散双电层的发育程度密切相关，当双电层充分扩展土粒间势能较高时，土-水体系由动力学和热力学均不稳定的状态，变成基本上相对稳定的状态，处于这种稳定状态的分散土粒可以随流水移动，为土体的渗透变形和破坏提供了条件。由于分散性土是一种特殊性土，它的性质与粘土的物理、化学状态和土颗粒表面的电化学性质直接相关，用常用的土工试验方法是无法鉴定的。目前，笔者遵循第一次世界性关于分散性土鉴定学术会议建议的方法，并依据水利水电工程《天然建筑材料勘察规程》，对本地区土料按4种方法进行分散性研究。3新疆地区土料主要理化性质新疆深居内陆，地形封闭，气候干燥，盐渍土分布广为。而盐渍土是指当土层内所积聚的盐分开始影响土的物理力学性质时称为盐渍土。盐渍土随含盐量大于30g/kg左右时，土的物理力学性质将主要取决于盐的种类及其含量。土本身的颗粒组成将居于次要地位。由表1汇总表可看出，新疆地区土料基本上属于氯（亚氯）盐渍土和硫酸（亚硫酸）盐渍土。在氯（亚氯）盐渍土中，各种氯盐在其含量超过一定的临界含盐量时以晶体状态析出，同时，对土粒产生胶结作用。当氯盐含量小于临界溶解含盐量时，则以离子状态存在于水中，氯盐渍土由于土内含有较多的一价钠离子，因其水解半径大，水化膨胀力强，故其周围可形成较厚的水化薄膜。硫酸（亚硫酸）盐渍土最主要的特性是它的膨胀性，含有硫酸盐的盐渍土，在低温时，溶解度下降吸水结晶，体积增大，促使土体膨胀，温度升高时，硫酸盐又脱水，体积变小，致使土体疏松。由表1可知：新疆土料易溶盐含量为3.1～77.0g/kg，易溶盐含量较高，pH=7.28～8.7，偏碱性。钠离子百分比在55%以上，由于高钠离子的存在，这些都具备了分散性粘土产生的条件。4碱性土壤对分散的影响4.1．坝堤淋蚀、冲蚀现象严重从表1可知：新疆大部分地区属低液限粘土，个别地区属中液限和高液限粘土，塑性指数大部分在7以上，粘粒含量在10%以上，个别土料粘粒含量在30%～60%。这些都与东北分散土料较为相似。但在现场中，东北典型分散性土筑成的坝堤淋蚀、冲蚀现象严重，并形成大小洞穴，表土呈鸡爪状；而新疆土料淋蚀、冲蚀现象不明显，特别是新疆土料孔隙水中阳离子含量及钠离子含量是典型分散性土的10倍之多的高钠土，在土块试验中无大量的胶体雾状。新疆筑坝土料基本物理性质见表2，将其与东北典型分散性土对比，见表3。4.2工程地质和矿物特征粘土矿物（蒙脱石、高岭石、伊利石等）是土中物理化学性质活跃的物质。由于土中不同类型的粘土矿物，具有不同的晶格结构，同时，也就决定其具有不同的性质。伊利石类粘土矿物属于2:1型矿物，故其晶层牢固，晶格无扩展性，其分散性和胀缩性较蒙脱石小；高岭石类矿物属于1:1型粘土矿物，两片间靠氢键结合在一起，因而其晶层牢固，晶格无扩展性，无分散性和胀缩性；蒙脱石矿物属于2:1型粘土矿物，其层间联结弱，晶格具有扩展性，具有较大的分散性（钠蒙脱石）和胀缩性（Ca蒙脱石）；绿泥石是2:1:1型粘土矿物，由于风化作用等因素，使水镁石层的部分OH-与H+变为H2O形成不完整的水镁石层，因此，具有一定的膨胀性。新疆5个工程的土料成因不同，因而其成土母岩粘土矿物成份也不相同。“635”工程土料中钠蒙脱石占主导作用，自由膨胀率为30%～80%，对土料的分散起到了重要的促进作用。其余4个工程土料中主要是以伊利石或绿泥石起主导作用，自由膨胀率为5%～60%，土料膨胀力较弱，对土料的分散无促进作用。4.3土料中阳离子含量对土粒表面双电层分布的影响在土的固相成分中，粘土矿物是影响分散性特征的重要因素，而孔隙溶液是土-水体系中的分散介质，它的成分、浓度及pH值等对土粒表面双电层的发育起着重要作用。当孔隙溶液离子成分中Na+离子占优势时，交换反应使土粒上吸附的Na+离子数量增大，促使土粒表面双电层发育，并向分散性增强的方向发展。当孔隙溶液离子成分中Ca2+离子占优势时，则会压抑土粒表面双电层，使之向絮凝方向变化。5个工程的土料中，Na+离子含量占阳离子总量55%以上，土料呈现分散特征。孔隙溶液中离子总量（TDS）即电解质浓度，也决定着土粒表面双电层发育程度和土粒间排斥作用的强弱。一定量的电解质浓度，使土粒间排斥势能减小，抑制分散。同时，高pH值有利于土粒表面双电层发育和分散作用。5个工程土料孔隙溶液电解质浓度为80～1626.2×10-3mol/L,pH=7.5～8.7，虽然，pH值不高，具有一定量的溶液浓度，但因其钠离子百分比（PS）大于55%，高钠离子的存在，不能抑制土粒表面双电层的发育，而表现出分散特征。4.4土的物理性质性质由表1知，5个工程土料分散度为0～46.5%，易溶盐含量较高，分散度低，土块试验无雾状。但它们之间又有区别，“635”工程土料粘粒含量为32.7%～60%，易溶盐含量为3.1～10.2g/kg，土的物理力学性质取决于土本身的颗粒组成及矿物性质，同时，易溶盐不断地提供Ca2+，抑制双电层的发育，因而，其抗冲蚀能力较强。其他4个工程土料粘粒含量在13%～25%左右，粉粒含量在40%～70%左右，易溶盐含量为6.2～77.0g/kg，土的物理力学性质主要取决于盐的种类及其含量，同时受到粉粒被冲刷的影响，虽然，土料中易溶盐也不断提供Ca2+，但不能抵御盐渍及粉粒破坏的影响，使土料抗冲蚀能力差。4.5土样分散特征选取典型代表性土样：500水库，“635”工程的土样进行原样洗盐（即降低土样的含盐量），加入3%NaCl,5%NaCl分别用蒸馏水、河水进行分散性对比试验，试验成果见表4，取用的河水水质分析结果为：由表4可以看出，(1)随着易溶盐增加（加入3%NaCl,5%NaCl）土样的分散特征较原来的过渡型（或分散性）更显著，最终水头降低，抗冲蚀能力较原来更弱。(2)随着易溶盐含量的降低（洗盐），500水库土样分散特征消失，抗冲蚀能力也较原来增强。“635”工程土样易溶盐降低后，土样分散特征变化不大，说明土样不受低盐渍影响，而受土料自身矿物—钠蒙脱石的影响产生分散特征。(3)土样无论原样、洗盐或加入NaCl，采用河水试验时，钠离子百分比都比采用蒸馏水试验时降低，冲蚀水头提高，流量减小，抗冲蚀能力提高，河水中Ca2+离子含量占阳离子总量的41%，置换了土粒吸附的Na+离子，对土料分散起到了抑制作用。(4)土样无论原样、洗盐或加入NaCl，土块试验均无雾状。5新疆土料分散性土料成因分析(1）处于干旱地区的新疆土料，盐渍含量较高，由于本地区河流源头都是融化雪水，水质纯净，因受地层溶蚀影响钙离子含量占阳离子总量的50%左右，甚至更大，同时本地区石膏较发育及可溶性钙化物的溶解，能使土料中保持一定数量的钙离子，抑制土料分散。所以，应当以工程实际情况，通过试验研究来确定土样在实际所处环境影响下分散性土料成因条件，更好地为工程设计提供确切的试验依据。(2）由于新疆土料受高钠离子影响，钠离子百分比含量高，因而，其土料赋存的地理环境及成土母岩的矿物组成是促进土料分散的