我国特殊土在塑性图上的分布已有研究表明
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1.绪论 1.1 研究目的及意义1.1.1 土力学常规试验对土工试验中出现的试验问题、物理试验问题、力学试验问题进行分析论述，旨在 把影响试验的各种质量隐患消除于萌芽中，方能保证测试成果的最终质量。 土工试验是为岩土工程勘察工作，提供有效测试结果的手段之一，而测试结果的准 确程度与否，直接影响着工程质量和使用安全。当然，由于土体自身存在的复杂性，在 试验中，经常出现一些异常现象，这就需要本着实事求是的态度，将土的物理和力学性 质紧密结合起来，对可疑数据进行综合分析，查找原因，采取补救措施。提交合理准确 的土工试验报告，这是每个土工试验工作者必须做到的。1.1.2 分散性土分散性土是在低含盐量水中（或纯净水中）土颗粒间离子排斥力超过吸引力， 进而导致土颗粒分散的粘性土。分散性土具有抗剪强度低、抗冲蚀能力差的性质。因 此，在雨水充足的情况下，分散性土地区水利工程能够发生罕见的冲蚀、淋蚀及渗透破 坏。典型的有美国的韦斯特坝、澳大利亚莫韦尔坝等；另外，我国黑龙江省南部引嫩工 程在尚未蓄水的情况下，曾发现大量被雨水淋蚀的洞穴。这些工程的破坏给国家和人民 带来巨大经济损失的同时，也引起了国内外学者和工程技术人员的密切关注。 分散性土的常用鉴定方法有碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试 验，但各种鉴定方法之间均有一定的局限性，并且适用条件仍不明晰。这样就导致分散 性土鉴定时几种方法同时使用，不仅浪费人力、物力，而且当采用不同方法得到的鉴定 结果相互矛盾时又缺乏综合鉴定的原则。另外，关于分散性土分散机理研究方面，研究 中更多关注的是蒙脱石及钠离子在土体分散过程中的分散主导作用，对于其它因素（K+、 Ca2+、Mg2+、土体酸碱性等）进行系统研究的还较少。 综上所述，本课题的研究目的是探讨分散性土不同鉴定方法的适用性，研究分散性 土的分散机理及其与工程破坏形式之间的关系。对分散性土的分散机理开展深入的试验 研究和理论探讨对于分散性土地区的论文、施工以及解决工程中出现的问题具有重要的 意义。1.2 土工试验简介第1页共 62页&&&&土是一种自然环境下生成的堆积物，不同地区不同位置土的性质存在差异，有的甚 至差异很大。各类建筑物的地基是土体，土石坝是由土体筑成的。土是一种材料，具有 强度，在荷载作用下产生应力变形甚至破坏。土的性质极为复杂，远不同于常用的钢 材、木材或其他人工合成材料。 土力学是研究土的物理性质以及在荷载作用下土体内部的应力变形和强度规律，从而 解决工程中土体变形和稳定问题的一门学科。1.3 分散性土的简介及性质分散性土分布范围广泛，在世界各地均有发现，除了澳大利亚、美国等普遍发现有 分散性土以外，在以色列、委内瑞拉、加纳、墨西哥、巴西、南非、泰国和越南等国家 都已发现许多分散性土的沉积层。我国国内分散性土也很普遍，仅在工程上发现的就有 黑龙江、新疆、海南、山东、山西、青海等省（区）。 国内外的试验资料[1-3]表明，分散性土在塑性图上的位置都在 A 线以上（见图 1.1），属于粘性土，分布范围从低液限土(CL)到中液限土(CI)，个别为高液限土 （CH）。另外，在《土工原理与计算》[4]中，将分散性土作为一种特殊土补充于其中，分 散性土所占的位置介于黄土与膨胀土之间，有小部分与黄土重叠。图 1.1 我国特殊土在塑性图上的分布已有研究表明，分散性土除具有抗剪强度低、抗渗性能差的性质外，最为明显的一 个特性就是分散性，即易被水冲蚀的性质。分散性土遇到盐浓度低的水，土体表面颗粒 会逐渐依次脱落，成为悬液；如果遇到流动的水，分散性土脱落的土粒会被带走。根据 国外资料[1]，当流速大于 10cm/s 时就会发生冲蚀，冲蚀现象有时比细砂或粉土还严重。第2页共 62页&&&&中国水利水电科学研究院岩土所在分散性土的研究成果中也指出“以抗冲刷流速而言， 各种类型的分散性土之间并无明显差别，其原因是分散性土颗粒都处于分散状态，被冲 刷的颗粒大小基本相同，所以抗冲刷速度也基本相同。” 分散性土的分散性质主要是由土体自身因素及外部环境因素决定的。大多数分散性 土中含有蒙脱石成分，蒙脱石由于同晶置换的结果会在土体颗粒表面产生负电荷，这样 就需要吸附阳离子来平衡电荷，吸附阳离子的蒙脱石颗粒（钠蒙脱）之间引力和斥力同 时存在，引力通常不受盐浓度的影响，颗粒表面的双电层随着水中盐浓度的增高而受到 压缩，斥力随水中盐浓度的增大而显著减小，但引力却保持不变，在盐浓度达到一定程 度以后，斥力小于引力，钠蒙脱土就由分散转为不分散。然而在盐浓度低的水中，钠蒙 脱土的斥力大于引力，使得土颗粒产生分散。中国水利水电科学研究院岩土所在研究黑 龙江省南部引嫩工程的分散性土时，将土分别泡在蒸馏水和北京的自来水中，泡在蒸馏 水中的土全部变成浑浊的悬液，而泡在北京自来水中的土两天后现象几乎没有变化，其 主要原因是北京的自来水中含盐量较高，而且主要是钙盐。国内外研究现状上世纪 60 年代，在雨水等外部环境因素的作用下，分散性土地区修建的许多水利工 程破坏现象严重，这一现象受到了工程界的广泛关注。澳大利亚率通过大量的调查研 究，首次从机理上对分散性土的分散特性进行了阐述。之后，美国在
年也开 展了广泛的调查研究，研究中提出分散性土的性质与土的物理化学性质及土颗粒表面的 电化学性质直接相关；并指出工程上常用的土工试验方法不能够反映土的化学状态和土 颗粒表面的电化学性质，制定出了多种简易有效的分散性土鉴别试验方法（碎块试验、 针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验），这些方法对于判别土体是否分散起到 了至关重要的作用。我国于 20 世纪 70 年代在黑龙江省松嫩平原水利工程上也发现了分 散性土的存在，在深入试验研究的基础上，结合具体工程问题提出了多种防治措施。 综上所述，从国内外已有的研究成果来看主要集中于鉴别方法、分散机理以及工程处 理措施三个方面。1.3.1 分散性土鉴别方法研究分散性土的鉴别，通常是通过野外鉴别和室内试验两方面来进行的。 通过野外调查来鉴别分散性土具有重要作用。在美国举行的“分散性土管涌及冲 蚀”专题讨论会上，专家一致认为鉴别分散性土应当从野外调查开始，通过分散性土地 区土体的表观现象作出初步判别。大量的野外调查研究表明，降雨过后，分散性土地区第3页共 62页&&&&路旁的水沟、水坑和河道里的水都是浑浊的，水坑里的水很久都不会澄清；水坑干涸以 后坑底会留下很细的粘粒沉积，干燥后呈现龟裂；有坡度的地方会出现冲沟、孔洞等异 常冲蚀形成的表面迹象。澳大利亚在野外查勘识别分散性土时也总结了一些经验 ：“池 塘中水如呈蓝色，四周土即为非分散性土；如呈黄色或者咖啡色，即为胶体溶液，四周 土被认为是分散性土；若池塘边坡上冲沟很多，土也可能具有分散性。”我国学者王观 平结合黑龙江省南部引嫩工程中观察到的一些分散性土的现场特征也做了一些总结： （1）分散性土地区的集水沟，原本十分整齐的边坡棱角线遭到破坏，出现了大小不同的 豁口。（2）降雨过后，分散性土地区的坝坡出现孔洞和深冲沟。（3）雨水从坝顶的干 缩裂缝、冻缩裂缝和施工各工段接头等薄弱环节处渗入坝体，在坝脚出口处流出物中， 较近处为粉粒，较远处为粘粒。（4）一些草皮护坡坡面，草长得很茂盛，但雨后仍会出 现一些孔洞，且孔洞直径一般大于 10cm。 以上是分散性土地区野外鉴别时常见表观现象的总结。但是没有出现上述的表观象 并不能够保证土体就是非分散的，还需要结合室内试验做进一步的判别。早期澳大利亚 在分散性土的研究中曾将可交换钠离子百分比作为鉴别分散性土的一种方法，并给出了 相关的判别标准，这种方法曾是农业土壤的一种常规试验方法。20 世纪 70 年代，在分散 性土的大量研究中，美国提出了至今国内外一直借鉴与沿用的分散性土鉴别试验方法， 主要有碎块试验[5]、针孔试验[6]、双比重计试验[7]和孔隙水可溶盐试验[1]、交换性钠百分 比试验、旋转圆筒试验、ζ -电位法等。其中碎块试验[5]、针孔试验[6]、双比重计试验[7]和 孔隙水可溶盐试验[1]是最为常用的方法。以上这些方法都有给定的判别标准。我国一些学 者在国外研究的基础上对其中的试验方法（主要是针孔试验）结合工程实际也提出了自 己的见解。秦曰章[8-9]（）提出将针孔试验的原 4 级水头改为 9 级水头，认为 土的分散性与土的物理指标有着明显的关系，并提出用钠量比判别土的分散性。1989 年，吴中伟[10]提出用高分子材料护面改进针孔试验方法以判别低凝聚性土（这种土易于 出现类似分散土的分散性现象）。樊恒辉[11-13]（，2005）提出试验用水对针孔 试验结果有一定的影响，认为应当在实验室模拟工程实际情况来研究土料的分散性；研 究结果表明，土样冲蚀用水对土样的分散性将产生显著影响，而制样用水则影响较少， 并对分散性土专用改性剂作了一定的研究工作。2003 年，杨昭[14]研究了氯盐渍土、硫酸 盐渍土对针孔试验的影响，认为前者因其胶结作用，孔径和流量变化不大，但是后者由 于膨胀作用，孔径和流量减小。2008 年，魏迎奇[15]通过资料的分析，探讨了目前常用的 试验方法的局限性，并提出了提高针孔试验方法的一些建议措施。第4页共 62页&&&&1.3.2 分散性土分散机理的研究对于土体的分散机理研究，国内外学者主要是研究土体分散性的影响因素。目前对 土体分散性的影响因素主要集中在土体中的钠离子和蒙脱土两方面。蒙脱土的矿物晶格 是由两片 SiO2 内夹一片 Al2O3 所组成 2：1 的三层定向排列组构，晶格间以 O2-基相连接。 因此，晶格层间结合力极弱，有很大的活动性，水分子可自由进入层间。另外，钠离子 的存在，使土颗粒表面扩散双电层厚度增大，颗粒间斥力大于引力，最终导致土颗粒分 散。 对于土体分散的具体影响因素，各国学者都提出了自已的研究成果。美国研究学者 认为，土体的分散主要是由于土体中钠离子导致的；澳大利亚学者英格尔斯、艾奇逊等 则认为，导致土体分散的原因不是钠离子而是与可交换钠离子有关；以色列关于分散性 土机理方面的研究，观点与澳大利亚学者基本一致。然而，谢拉德认为土体的分散机理 不只是由一种因素决定的，而是与土颗粒表面的电化学性质有关。 我国学者对于土的分散性机理也进行了一些研究。研究结果表明，分散性土的分 散，主要是由土中钠离子与蒙脱石相结合生成钠蒙脱石的不稳定结构造成的。钠蒙脱石 具有高度分散性，在水中无需经过任何处理就会很容易地分散成极薄的片，几乎可以接 近一个或几个晶胞的厚度。例如，黑龙江省南部引嫩工程是我国分散性土比较典型的地 区，在对其机理研究中发现，土体中蒙脱石矿物成分含量为 37%~43%，平均为 40.5%，矿 物成分以蒙脱石为主；且大量试验结果表明，90%以上的试样，分散性土孔隙水中钠离子 含量在 80%以上；约 70%的试样，钠离子含量在 90%以上。例如，武汉地质学院的试验结 果是钠离子含量在 97%~99%，中国科学院南京土壤研究所对南部引嫩工程 17 号坝土样的 试验结果是钠离饱和土[1]。 另外，研究发现分散性土矿物成分不全是以蒙脱土为主，也有以伊利土为主或伊利 土加蒙脱土为主，如棘洪滩水库高塑性土和黑龙江南部引嫩工程分散性土。就微观结构 来说，伊利土与蒙脱土一样，也是 2：1 三层定向排列组构，通常伊利土层间结合不是 O2-基，而是 K+基。K+连接在晶格中间，虽然连接力比蒙脱土较为牢固，但伊利土是不稳定的 中间过渡产物，它可以通过晶层间的扩散或晶格破裂而释放出 K+，如土体长期遭淋溶或 耕作都能释放出钾。如果伊利土全部脱钾，其性质与蒙脱土一样，部分脱钾就部分具有 蒙脱土性质。 关于分散性土的其它影响因素，国内学者刘杰认为高 pH 值的碱性介质环境会对分散 性土的分散产生促进作用。王观平认为 Ca2+和 Mg2+会抑制土体的分散。第5页共 62页&&&&1.3.3 分散性土工程处理措施研究分散性土修建的水利工程一旦发生破坏，就会给当地人民的生命及财产安全带来巨 大威胁。如何防范灾难发生，国内外工程人士对其工程处理措施作了积极的探索，结合 分散性土的分散机理，从防止分散性土破坏的内外因角度提出了各种有效的方法。 水利工程中对于分散性土的工程处理措施通常有以下四种。第一，工程隔离措施。采用 防渗土工膜、塑料、橡皮制品等隔水材料，也可以用非分散性土将大坝进行包裹。第 二，水质改造。将低溶盐库水改造成高溶盐库水，以此来确保大坝安全。如澳大利亚墨 尔本城建局在维多利亚洲卡迪尼亚河修建的大型新的城市供水水库，就是用分散性土筑 成的坝。另外，美国一些工程也曾采用类似的方法对分散性土进行处理。第三，土质改 良。主要是向土中掺加石灰（消石灰 Ca（OH）2 或生石灰 CaO）或掺加硫酸铝（Al2（SO4）3）等化学药品。美国俄克拉何马州和密西西比州通过在分散性土中掺加石灰，把分散性土改造成非分散性土，并经过 8 年的运用，证明是成功的。此外，工程处理措施还有反 滤措施。主要是在坝后设置砂反滤层来阻止坝体的集中渗流破坏。1.4 土工试验中在的问题1 土工试验的问题解决土工问题的一般步骤是：论文单位提出比较原则的要求，论文人员接受土工任 务后，向勘探和试验单位下达勘探取样和试验任务。钻探取样人员往往按照勘测规范的 一般要求进行勘探和取样，然后把了解到的情况写成报告连同土样送交试验室。试验人 员则按照《试验规程》来完成试验任务的，而论文和试验人员很少与勘探人员一起参加 部分野外鉴别工作，试验计划也不是三方共同制订，这样就会出现一些问题，勘探人员 对土层的变化了解的多，但由于对工程情况知道得不多，因此，容易忽略其中很薄的、 但对该工程却颇为重要的土层。在试验过程中，论文人员不是经常到试验室去了解试验 方法是否与所采用的论文计算方法相协调或试验细节是否需要改造，他们主要从勘探报 告中了解地层情况，从试验报告中选择土性指标作为论文依据建立在这样基础上的论 文，难免出差错。岩土自身的不均匀性，取样、运输过程中的扰动以及试验仪器和操作 方法的差异及试验人员的素质不同，使得土工试验中测试的结果存在这样那样的问题， 导致测试结果失真，在一定程度上影响工程论文的准确性。不论是哪个工程，碰到的土 都可能有特殊性质，或可能要求进行特种试验，而勘探取样、试验项目和方法都基本相 同，试验重点也不太明确。因此，在某一项工程的土工试验之前，应制订好试验规划，第6页共 62页&&&&决定哪一些土是主要研究对象，需要测定哪些性质指标，采用哪几种试验才能测得这些 指标，选择哪种试验方法最能反映实际情况，至少应进行多少数量的试验，在必要时甚 至可推荐《试验规程》中尚未规定的，但更适合该工程的新试验项目，其目的是使试验 成果既具有要求的精度，又与论文计算方法相配合，试验计划制订得切合实际，不但能 大大提高试验成果的质量，而且可省掉许多不必要的试验工作量。2 土的物理试验问题2．1 在土的物理试验中，比重、密度、含水量是三个最基本的实测指标，用它们可以 换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等指标。它们的变化，不仅影响其它指标的 变化，而且将使土的一系列力学性质随之而异。因此，准确测定这三项指标，有着重要 的意义。在这三个基本指标中，比重是一个相对稳定的值，它决定于土的矿物成分，一 般砂土为 2.6~2.69，粉土 2.70~2.71，粉质粘土为 2.72~2.73，粘土为 2.74~2.76，同一 地区同一类型的比重基本相同。值得注意的是当土中含有有机质时，土的比重可降到 2.4 以下，此时应改用中性液体测定，如煤油、汽油甲苯和二甲苯，并采用抽气法排气。含 水量是最不稳定的，不同的土有不同的含水量，而且由于各种因素，如土层的不均匀， 取样不标准，取土器和筒壁的挤压，土样在运输和存放期间保护不当等等，都会影响成 果的准确度。在这些影响因素中，有的属于土样客观存在，有的属于人为造成。无论属 于哪种，都需要试验人员结合实际情况，克服不利因素，准确测出这一指标。土的密度 指标，虽然也是一个变化值，不同的土样密度值不同，但对于某一个土样来说，它的值 比较稳定和易于准确测定。要注意在开土过程中，减少人为因素，保证这项指标试验的 准确度。 2．2 土的液限与塑限。液限、塑限分别是细粒土处于可塑状态的上限和下限含水量。 对于工程来说，土的液限、塑限有着比较重要的实用意义，用它可计算塑性指数和液性 指数，评价细粒土地基的容许承载力，并可按塑性指数或塑性图进行土质分类。而当前 对土的液限、塑限的测定，存在不少问题。如：测定土的液限、塑限时如何选取标准样 的问题，规程上大多规定土要过 0.5mm 的筛孔，才能进行试验。在实际操作中，有一些 土用眼睛观察含有较多砂粒，一旦过 0.5mm 筛后做试验，测出的土塑性指数可能很大， 不能反映土的实际情况。因此，对于这种土最好能采用筛分法确定砂粒含量，如果砂粒 含量已达到确定该土为砂土的标准，那么就不必再做液、塑限试验，反之则可进行相应 的液、塑限试验来确定土的名称。再比如，对于塑性指数小于 10 的土，以前叫做轻亚粘 土、砂土等，而新规程统称粉土。这种土存在是否会产生液化的问题，就需要根据工程第7页共 62页&&&&要求，进行相关的粘粒含量测定。 2．3 土的物性指标之间的对比分析。土的物理指标间是相互关联的，因此，当测出这 些指标以后，可将其放到一起，进行综合的分析，对其准确性进行判别。比如，在有些 成果中，会出现饱和度超过 100%的现象，这就说明，在某些试验数据中，存在误差或者 错误，需要根据实际情况进行调整，必要时要重做试验。再如本来在开土的时候描述土 是处在坚硬状态，而测试结果却是土处在流塑状态，液性指数&1，这种情况，就要对含 水量、液限、塑限的测定结果进行复核。通过一系列对物性指标间关系的统一分析，可 使试验成果的精度进一步提高，为工程建设提供准确的数据。3 土的力学试验问题土的力学试验主要有固结试验和抗剪强度试验。其测定的力学性指标如粘聚力、内 摩擦角、压缩模量和渗透系数等等，用于计算土体强度、变形、渗透及稳定性，是地基 基础论文、深基坑边坡支护等论文中很重要的参数值，直接影响论文的可靠、合理及工 程的安全和造价。 3．1 土的固结试验是测定土体在压力作用下产生变形的过程。首先要抓好土样的取 样、验收和管理工作，注意观察试样是否扰动。在试验过程中，要严格按国标进行操 作，消除各种不利因素。一旦出现问题要及时解决。如果在开土记录中写到土质均匀， 测出的含水量较低，液性指数&0.25 为硬塑土，而测出的压缩系数却偏大，压缩模量偏 小。这说明试验操作中有错误或误差，要及时查找原因，包括读数记录及仪器设备方面 等原因。如果查不出原因，应通知野外技术人员进行补样。 3．2 土的抗剪强度试验是测定土体在外力作用下抵抗剪切破坏的极限能力。土的抗 剪强度是土的重要力学性质之一，粘聚力和内摩擦角是土的抗剪强度指标。抗剪强度的 试验方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压试验。室内抗剪试验测出 c 值有时出现异常情况，如 c 为负值，主要原因在于取标准样时，所取试样的性质相差太 大所致，故开样时尽量取同一种性质的土进行试验。另外，应减少土样在采取、运输、 保管及安装仪器等各环节中的扰动。 3．3 土的固结试验成果和抗剪强度之间也有着一定的关系。一般情况下，土的压缩性 越高，压缩模量越低，而它的快剪强度则越小。利用这种关系可以直接判断压缩结果和 抗剪结果是否准确。如要求做固结快剪，这种结果可能就不成立，需按实际测出的强度 情况判断。1.5 土的分散性研究中存在的不足第8页共 62页&&&&各种鉴别试验方法对于土体是否分散的判定及分散性土分散机理的理论研究都取得 了比较丰富的研究成果。但是分散性土的发现是在 20 世纪 60 年代，且分散性土体本身 的物理力学性质与一般土体有很大的不同。因此，土的分散性研究，目前仍然处于起步 阶段，本文在总结前人研究成果的基础上，发现以下方面还有待进一步研究和探讨。 （1）分散性土常用鉴别方法的适用条件还不十分清楚。目前国内外常用的鉴别分散 性土的试验方法有碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验。各种鉴别 试验方法从不同角度都有自己的鉴别标准，就单一试验方法而言，用于鉴别土体是否分 散都是可行的。但在实际鉴别试验过程中，经常会出现各种试验方法鉴别结论不一致， 最终综合鉴别结论很难确定，或确定缺乏原则。因此，很有必要对各种鉴别试验方法的 适用条件做进一步的探讨。 （2）分散性土分散机理研究考虑的影响因素不够全面，研究手段还有待丰富。目前 分散性土分散机理的研究主要考虑的是土体本身矿物成分（蒙脱石）和阳离子（钠离 子）的影响，对于其它影响因素研究的还较少。另外，对影响因素的研究通常都是采用 地区分散性土进行的。由于各种影响因素相互掺合在一起，单一因素对分散性的影响很 难通过地区分散性土来获取。因此，采取其它研究手段研究单一因素对土体的分散作用 是必要的。1.6 技术路线本课题的技术路线图如下：第9页共 62页&&&&土样及水样取样基本性质试验鉴别试验冲蚀破坏试验分散机理物 理 化 学 性 质 试 验矿 物 分 析 试 验化 学 分 析 试 验双 比 重 计 试 验针 孔 试 验碎 块 试 验孔 隙 水 可 溶 盐 试 验针 孔 冲 蚀 试 验粘 粒 含 量矿 物 成 分值阳 离 子PH环 境 水土样的各性质指标及 与典型分散性土各指 标对比分析土样的综合鉴定结果 及鉴别试验方法的适 用性分析土体分散的各影响因 素分析常见破坏形式及工程 处理措施总结结论与建议图 1.1 土样分散性研究技术路线图2 土样的基本性质试验通过土工试验得到地区天然土样的基本物理化学及矿物成分指标，将其与已有研究 成果中分散性土的各项指标进行对比分析，从而对地区天然土样的分散性情况做出初步 判定；同时，地区天然土样的基本性质试验也为最终土样鉴定结果及分散机理研究提供 了可靠依据。2.1 土样的基本物理性质及化学性质（1）土样的基本物理性质第10 页共 62页&&&&土样的基本物理指标是土样分散性研究的基础，且为后面土样的分散机理研究提供 了必要的支撑。 本次试验所选用的土样为黑龙江、新疆等水利工程地区的土样。土样编号、取土位 置及说明如表 2-1 所示。表 2-1 土样外观描述土样编号 T1 T2 T3土样位置 东北 新疆西郊水库附近 新疆某地区砖厂附近土样描述 表观呈黑色，无明显杂质，草根 表观呈浅黄色，无明显杂质草根 呈灰褐色，无明显杂质、草根表 2-2 给出了土样的基本物理性质试验结果。表 2-2 地区土样基本物理性质试验结果土样 编号 比重 (Gs) &0.075mm T1 T2 T3 2.71 2.79 2.75 0.7 13.7 7.3 0.075~0.005mm 70.8 41.7 44.6 &0.005mm 28.5 44.6 48.1 42.3 37.8 41.5 20.5 19.0 19.7 21.8 18.8 21.8 颗粒组成（%） 液限 wL(%) 塑限 wP(%) 塑性指 数(IP) 最优含 水率 (%) 18.6 16.9 18.8 最大干 密度 (g/cm3) 1.64 1.72 1.67 自由 膨胀 率(%) 45 5 20从表 2-2 中可以看出三种土样的粘粒含量在 28.5%~48.1%之间。各土样的颗粒分析曲 线如图 2.1 所示，从土的液限和塑性指数来看，属于低液限土，其中 T1 土样的自由膨胀 率为 45%，大于 40%，具有弱膨胀性。而 T2 和 T3 土样的自由膨胀率较小，土样膨胀率 较弱。第11 页共 62页&&&&100 90小于某粒径的百分含量（% ）80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 1 0.1 0.01 0.001土样T1 土样T2 土样T3土粒直径（mm ）图 2.1 各土样的颗粒级配曲线国内外一些水利工程中分散土的物理性质指标如表 2-3 所示。表 2-3 国内外水利工程分散性土物理性质汇总工程名称 黑龙江南部 引嫩工程 风城北高水 库 某围涂工程 和水库 非洲巴尔德 拉工程 山东棘洪滩 工程 新疆东大龙 口 黑龙江安照 新河 某大坝 非洲索马里 某经援工程 2.69~2.72 2.70~2.72 — 19~26 15.8~25.0 24~52 24~28 24~26.5 21.1~55.2 2.75~2.76 15~18 24~25 2.77 42.5~57 43~45.8 26 17~19.8 2.69~2.71 19~38 24~37 2.67~2.73 28.2~60.4 28.7~45.7 13.7~22.1 8.2~23.9 2.67~2.71 15.0~46.5 20~42 16~24 7~20 比重(Gs) 粘粒含量(%) (&0.005mm) 液限 wL(%) 塑限 wP(%) 塑性指数 (IP) 最优含水率 (%) — 最大干密度 (g/cm ) —3—14.5~.913.3~18.28.9~17—————8~19—————8~10——— 14.2~16.3 14.2~~12 6.9~25.6— — —— — —第12 页共 62页&&&&工程名称 海南岭落水 库 青岛官路水 库 青海斑多水 库 新疆某工程 陕西黑河引 水金盆工程 浙江天子岗 工程 宁夏马家树 水库 宁夏南坪水 库 青海宁木特 水库 山西上马水 库 宁夏文家沟 水库比重(Gs)粘粒含量(%) (&0.005mm)液限 wL(%)塑限 wP(%)塑性指数 (IP) 8.1~20.3最优含水率 (%) —最大干密度 (g/cm ) —3—15.5~35.521.5~38.011.7~18.0—22~32—————— — —10~25 14.5~28.5 24.0~27.528.4~29.6 — 38.5~.6 — 21.5~24.412~13 9.2~11.7 16.6~17.013.5~15.5 — —1.72~1.81 — —2.67~2..422.4~37.213.7~20.57.2~16.8———16~.6~16.410.2~11.8——2..5~.512.5~13.313.2~13.51.85~1.892.7~2.~29.412.8~16.18.7~16.6——2.72~2..826.3~50.316.0~25.210.3~25.1——2.71~2..5~28.212.6~13.813.6`14.213.8~15.01.75~1.78表 2-3 中数据表明，具有分散性土的比重在 2.67~2.76 之间，粘粒含量为 10%~60.4%。从界限含水率来看，液限含水率为 20%~55.2%，塑限含水率为 11.7%~32%，塑性指数为 6.9~25.6，其中粘粒含量和塑性指数区间跨度范围较大。 将 T1、T2、T3 三种土样的物理性质指标与已有文献中汇总的物理性质指标进行对 比，如表 2-4 所示。表 2-4 三种试验土样物理性质指标与已有文献中汇总物理性质指标对比名称 文献汇 总数据 T1 T2 T3 2.67~2.76 2.71 2.79 2.75 10%~60.4% 28.5 44.6 48.1 20%~55.2% 42.3 37.8 41.5 11.7%~32% 20.5 19.0 19.7 6.9~25.6 21.8 18.8 21.8 比重 粘粒含量 (&0.005mm) 液限 wL(%) 塑限 wP(%) 塑性指数 (IP) 最优含 水率(%) — 18.6 16.9 18.8 最大干密度 (g/cm ) — 1.64 1.72 1.673自由膨 胀率(%) — 45 5 20从表 2-4 中可知，三种土样各物理性质指标中的粘粒含量、界限含水率、塑性指数均在 文献汇总的分散性土各指标范围内。三种土样中 T2 土样的自由膨胀率与 T1 和 T3 土样有第13 页共 62页&&&&明显差别，其它各项指标相差不大，仅从物理性质指标看，可初步判断 T2 土样与 T1、 T3 土样的分散性会有所不同。 （2）土样的化学性质 土样的化学性质指标包括易溶盐总量及各离子含量、中溶盐、难溶盐、有机质和 PH 值等。已有研究表明，土样的化学性质与其分散性密切相关，其中 Na+对于土样分散性的 促进作用以及 Ca2+、Mg2+对于土样分散性的抑制作用，已有定性的认识。表 2-5 给出了土 样的化学性质试验成果。表 2-5 地区土样化学分析结果各化学成分含量（g/kg） 土样 编号 易溶盐含 量 （g/kg） T1 T2 T3 0.3 26.7 27.4 0 0 0 0.15 0.268 0.293 0.023 4.383 10.595 0.043 4.365 2.871 0.034 2.348 1.458+中 CO32HCO3ClSO42Ca2+ Mg2+ Na+ K+ 溶 盐 0.01 0.233 1.449 0.052 9.684 9.8442+难 溶 盐 — — —有 机 质 13.9 4.7 5.7pH0 0.029 0.0722+— — —7.25 8.60 8.58从表 2-5 可以看出，T1 土样阳离子中 Na 的含量最大，Ca 、Mg 离子含量次之，但是 Ca2+、Mg2+离子的总含量与 Na+含量进行比较，两者相差不大，而 K+的含量为零；有机质作 为土中胶结物之一，三者相比较而言，T1 土样中有机质含量最大；从土的酸碱程度上 看，T1 土样属于碱性偏弱的土。T2、T3 土样中 Na+的含量要明显偏高，T2 土样中 Na+、K+ 的总含量与 Ca2+、Mg2+离子比值在三种土样中最高，T2 土样的 PH 值较大，属于强碱性 土，有机质的含量是三种土样中最低的。 国内外水利工程中分散性土的化学性质汇总如表 2-6 所示。表 2-6 国内外水利工程地区分散性土化学性质汇总表易溶盐含 工程名称 量 （g/kg） 非洲巴尔 德拉工程 山东棘洪 滩工程 某工程 新疆东大 龙口工程 黑龙江安 — Ca2+ （g/kg ） — Mg2+ （g/kg ） — Na+ （g/kg ） — K+ （g/kg ） — 中溶盐 （g/kg ） — 难溶盐 （g/kg） 有机质 （g/kg）PH值——9.36~ 10.34 8.56~ 9.17 8.23~ 8.44 8.55~ 8.72 8.61~— 5.5~ 12.4 — —— 0.474~ 3.004 — —— 0.109~ 0.141 — —— 0.075~ 1.873 — —— 0.071~ 0.094 — —— 1.68~ 30.25 — —— 116.2~ 130.4 — —— 8.9~ 12.2 — —第14 页共 62页&&&&照新河 东北南部 引嫩工程 青海斑多 水库 陕西黑河 引水金盆 工程 宁夏马家 树水库 宁夏南坪 水库 青海宁木 特 山西上马 水库 宁夏文家 沟水库 0.55~ 1.49 3.03~ 8.46 0.234～ 0.44 0.59～0.9 0.655～ 2.671 0.02~ 0.07 0.148~ 0.262 0.044～ 0.073 — 0.012～ 0.028 0.01~ 0.05 0.013~ 0.249 0.009～ 0.031 — 0.005～ 0.032 0.13~ 0.28 0.156~ 2.329 0.005～ 0.014 — 0.258～ 0.818 0~0.04 0.007~ 0.014 0.002～ 0.005 — 0.2~1.9 98.5~ 112.9 — 103.23～ 148.79 1.8～21.7 2~3.5 0.1 — — — — — — 3.6~6.7 1.06~ 3.42 1.786~ 2.056 0.021~ 0.033 0.032~ 0.044 0.01~ 0.03 0.02~ 0.044 0.367~ 1.439 0.532~ 0.556 0.003~ 0.146 0.017~ 0.027 — 0.83~ 1.67 — 165.86~169 .65 — 1.95~ 2.819.81 9.39~ 10.09 9.17~ 9.46 8.08~ 8.23 9.09~ 9.62 8.51~ 9.28 8.66～ 9.07 7.2～ 7.8 9.06~ 9.261.5~6.6 0.5～ 0.66 — 0.54～ 0.751.9~3.1 2.25～ 4.02 5.6～10.50～0..1表 2-6 中给出的易溶盐的含量范围为 0.1g/kg~12.4g/kg，可见分散性土中既可能为 非盐渍土，也有可能为盐渍土；对于土的分散性起到一定抑制作用的 Ca2+、Mg2+离子的含 量分别在 0.012g/k~3.004g/kg 和 0.005g/k~0.249g/kg 之间，起到分散促进作用的 Na+含 量在 0.005g/k~2.329g/kg 之间；K+含量在 0~0.146g/kg 之间，有机质含量则为 1.83g/k~12.2g/kg，PH 值为 7.2~10.34。 T1、T2、T3 三种土样的各化学性质指标与相关工程中分散性土的指标对比情况如表 2-7 所示。表 2-7 三种土样化学性质指标与相关工程分散性土相应指标的对比名称 Ca （g/kg） 0.012~3.004 0.034 2.348 1.4582+Mg （g/kg） 0.005~0.249 0.01 0.233 1.4492+Na （g/kg） 0.005~2.329 0.052 9.684 9.8442+ 2++K+（g/kg）有机质 （g/kg） PH 7.2~10.34 7.25 8.60 8.58文献汇总值 T1 T2 T30~0.146 0 0.029 0.072+ +1.83~12.2 13.9 4.7 5.7由表 2-7 可知，T1 土样中各阳离子（Ca 、Mg 、Na 、K ）的含量均在文献汇总值范 围以内，有机质的含量略高于汇总值的上限值，PH 值基本与汇总下限值相当；T2、T3 土 样中 Na+离子含量要远高于文献汇总数据中的最大值，同时 T3 土样中 Mg2+含量也较高。因 此，从化学性质上看，T2 土样的分散程度与 T1 和 T3 土样相比要大一些。第15 页共 62页&&&&2.2 土样的矿物成分一些典型矿物类型，比如蒙脱石类、伊利石类、高岭石类等是土体中物理化学性质 活跃的物质，对于土的工程性质有着显著的影响[1]；同样，土样中的矿物成分也是影响土 体分散的重要因素。因此，分析土样的各矿物成分，有助于从微观角度研究土体分散性 的内在因素。 土样的矿物成分试验主要包括土样中粘土矿物及非粘土矿物的类型和含量。试验测 试结果见表 2-8。表 2-8 地区取土矿物成分分析结果各种成分在全土中含量/% 土样编号 蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石 石英与其它 非粘土矿物 含量 T1 T2 T3 4 2 2 12 15 18 0 17 21 4 16 19 80 50 40表中数据表明，三种土样粘土矿物成分中伊利石的含量占据主导地位，分别占全土 的 12%、15%、18%。在非粘土矿物中主要以石英和长石为主，T1、T2、T3 土样中蒙脱石 和伊利石的总含量基本一致。 表 2-9 给出了国内水利工程分散性土矿物成分汇总表。第16 页共 62页&&&&表 2-9 国内水利工程分散性土矿物成分汇总工程名称 东北南部引嫩工 程 山东棘洪滩 青海斑多水库 陕西黑河引水金 盆工程 浙江天子岗水库 宁夏马家树水库 宁夏南坪水库 青海宁木特 山西上马水库 宁夏文家沟水库 某围涂工程和水 库 某水利工程 1 某水利工程 2 某水利工程 3蒙脱石（％） 4～38.0 2.72～4.84 — 6.8～10.4 0 2.2～2.8 0.4～5.6 4.3～5.7 0.91～3.54 7.0～9.5 0 1.4~3.5 0 4.3～5.7伊利石（％） 3～55.7 43.75～57.38 14.6～14.8 5.7～5.8 6.5～16.5 14.8～18.3 18.1～20.1 12.4～15.0 7.35～20.06 11.2～13.3 6.5～27.0 2.4~3.4 13.9～14.6 12.4～15.0高岭石（％） 17.0～28.6 15.26～29.02 2.1～2.5 0.5～0.7 0～5.6 2.4～3.1 1.5～3.9 1.5～2.3 0.98～4.43 2.2～2.6 0～5.6 0.3~0.6 2.0～2.9 1.5～2.3绿泥石（％） — 11.39~25.41 3.1～3.2 0 0～3.4 4.3～5.0 2.7～7.5 2.8～3.6 — 3.4～3.9 0～14.9 0.3~0.8 4.3～4.9 2.8～3.6表 2-9 表明，分散性土中典型的矿物成分蒙脱石，并非在各个水利工程中都是高含 量，从数据上看，在蒙脱石含量很低的情况下，通常粘土矿物伊利石的含量较高。如山 东棘洪滩工程，蒙脱石含量仅为 2.72%~4.84%，但是伊利石含量却高达 43.75%~57.38%。 三种土样各粘土矿物成分与国内相关工程分散性土粘土矿物成分对比如表 2-10 所 示。表 2-10 三种试验土样各粘土矿物成分与国内相关工程分散性土粘土矿物成分的对比名称 文献汇总数据 T1 T2 T3 17 页蒙脱石(%) 0~38 4 2 2伊利石(%) 3~57.38 12 15 18高岭石(%) 0~29.02 0 17 21绿泥石(%) 0~25.41 4 16 19第共 62页&&&&从表 2-10 可以看出，T1、T2、T3 三种土样的蒙脱石含量在汇总界限范围内数值偏 低，伊利石的含量基本处于中间偏下的程度。粘土矿物成分满足分散土中对于蒙脱石含 量的要求，但仅从矿物成分角度考虑，三种土样中矿物成分对土样产生分散性的效果可 能不明显。2.3 水样的化学成分自然干燥状态下的分散性土，一般不会对工程产生危害，其分散性通常是在遇到水 的情况下才得以体现。从外因上考虑，水是导致分散性土产生分散的主要因素，研究分 散性机理，水样化学成分的研究必不可少。本文主要研究黄河水对土体的分散性影响。 试验结果见表 2-11。表 2-11 黄河水样化学分析结果水样编 号 黄河水矿化度 （g/L） 0.38 K++Na+ 0.048 Ca2+ 0.051各化学成分含量（g/kg） Mg2+ 0.028 Cl0.064 SO420.097 HCO30.184 CO320pH 8.14黄河水中二价的 Ca2+＋Mg2+离子含量在整个阳离子总量中含量较大，为 Ca2++Mg2+/K++Na++Ca2++Mg2+=62.2%。从以往的资料分析看，二价的 Ca2+与 Mg2+对于土中颗粒 的崩解分散是起一定的抑制作用的。因此，可通过改变水样，研究水样对土体分散的影 响程度。2.4 本章小结本章主要在汇总国内外典型工程分散性土基本性质指标的基础上，通过室内试验得 到三种地区土样的物理化学性质指标以及黄河水的化学性质指标。通过以上试验，结合 前人的研究成果，得出如下结论。 （1）总结了国内外相关工程分散性土的物理化学性质及矿物成分指标范围。从汇总 的文献资料来看，粘粒含量（&0.005mm）在 10%~60.4%之间，Ca2+含量为 0.012g/kg~3.004g/kg，Mg2+为 0.005g/kg~0.249g/kg，Na+为 0.005g/kg~2.329g/kg，K+为 0~0.146g/kg，有机质为 1.83g/kg~12.2g/kg，PH 值为 7.2~10.34，蒙脱石 0~38%，伊利 石 3%~57.38%。本课题研究所取三种土样的物理化学性质及矿物成分指标基本在国内外典 型工程分散性土的各指标范围内。 （2）从物理性质指标上看，T1 土样具有一定的膨胀性，但是膨胀性较小；PH 值在 三种土样中较低，与统计的国内工程分散性土 PH 值相比，位于下限值附近；Na+含量较第18 页共 62页&&&&低；有机质的含量较大，为 13.9g/kg，不仅在三种土中数值最大，而且也超出了统计数 据上限值 12.2g/kg。因此，初步判定 T1 土样分散的可能性不大。 （3）从化学分析结果上看，T2 土样中 Na+和 K+的含量较高，而 Ca2+和 Mg2+的含量相对 偏小。基于此，初步判定 T2 土样分散的可能性较大。 （4）三种土样矿物成分分析中，蒙脱石的含量均不高，伊利石含量相对较大，但是 T1、T2、T3 土样中蒙脱石+伊利石的含量相差不大。从矿物成分（蒙脱石、伊利石）来 说，矿物成分对三种土样的分散性影响程度相差不大。 （5）作为试验制样用水的黄河水中，二价 Ca2+、Mg2+占整个阳离子 （K +Na +Ca +Mg ）的 62.2%，因此，在后面章节针孔鉴别试验中，可以通过黄河水制样 与蒸馏水制样的对比试验来研究阳离子特别是二价 Ca2+、Mg2+的对土样分散性的影响程 度。+ + 2+ 2+3 土工试验（列举） 3.1 比重试验土的颗粒比重是在 105-110 摄氏度下烘至衡量时的质量与土粒间体积 4 摄氏度纯水 质量的比值。 按照土粒粒径的不同，分别用下列方法进行比重测定。 1. 粒径小于 5mm 的土，用比重瓶法测定。 2. 粒径大于 5mm 的土，其中含粒径大于 20mm 颗粒小于 10%时，用浮称法进行; 含粒径大于 20mm 颗粒大于 10%时，用虹吸筒法进行，取其加权平均值作为土 粒比重。 一般土粒的比重用纯水测定对含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土，须用中性液 体（如煤油）测定。3.2 颗粒分析试验颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法，借以明了颗 粒大小分布情况，供土的分类及概略判断土的工程性质及选料之用。 根据土的颗粒大小及级配情况，分别采用以下 4 种方法： 1. 筛析法：适用于粒径大于 0.075mm 的土。 2. 密度计法：适用于粒径小于 0.075mm 的土。 3. 移液管法：适用于粒径大于 0.075mm 的土。第19 页共 62页&&&&4. 若土中粗细兼有，则联合使用筛析法及密度计法或移液管法。3.3 黄土湿陷试验黄土湿陷是黄土在一定的压力、浸水及渗流长期作用下，产生压缩、湿陷及渗透溶滤 变形的全过程。 本实验的目的是测定黄土变形和压力的关系，以计算压缩变形系数、湿陷变形系数、 渗透溶滤系数、自重湿陷系数等黄土压缩性指标，测定项目根据未处理的和预先浸水处 理过的场地工程实际情况，选定试验程序来确定。3.4 膨胀率试验膨胀率是指试样在有侧限条件下膨胀的增量与初始高度之比值。根据加载条件可分 为：无荷载膨胀率试验和有荷载膨胀率试验。3.5 固结试验本实验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的 关系，变形和时间的关系，以便计算土的压缩系数、压缩指数、回弹指数、压缩模量、 固结系数及原状土的先期固结压力等。测定项目视工程需要而定。4 土的分散性鉴定对于分散性土的鉴定可通过两种方式来实现。一是野外查勘，借助分散性土工程地 质特征对土体进行初步的判别，这种方式对于分散性土的鉴定研究具有重要的不可替代 的作用。二是室内鉴别，通过几种室内试验方法进行土体分散与否的判断。以下分别从 上述两方面来进行介绍。4.1 分散性土的工程地质特征下面从分散性土地区的地形地貌特征、岩性特征、地下水特征、沉积环境、分布规 律以及土体分散性表观特征等方面进行介绍。1、地形地貌特征分散性土地区的地形地貌控制着地表水、地下水的径流运动，同时决定着土壤水盐 分的运移和累积。通常在分散性土地区，地势低平开阔，地面相对高差不大；地表径流 条件较差，排水不畅，形成了众多的积水洼地，为水盐胶体提供了物质来源。2、岩性特征第20 页共 62页&&&&分散性土中典型矿物蒙脱石通常赋存于新生代的第三系，中生代的白垩系、侏罗 系，而上古生代地层中很少能够见到。3、地下水特征地下水中阳离子的种类和浓度对当地土是否分散及分散程度起着很大的促进及抑制 作用。具有分散性土的地区，地下水通常具有重碳酸钙的成分，这种水对于分散性土中 粘土矿物蒙脱石交换化合物的形成及长期保持不变的碱性介质环境影响极大。研究表 明，重碳酸钙水是分散性土形成和保存的必要条件之一。4、沉积环境国内外学者通过对分散性土地区的大量地质调查研究表明，分散性土大部分都是由 洪积、坡积、湖相沉积和黄土沉积形成的冲积土。另外，某些地区由海相沉积而成的粘 土岩和页岩，它们的残积土通常也是分散性土。然而，由岩浆岩和变质岩就地风化而成 的所有细粒土以及由石灰岩风化而成的土通常都是非分散性土。5、分布规律分散性土的分布规律与地形地貌的关系十分密切，与碱性盐渍土的分布基本一致。 通常在地势平坦低洼、地下水埋藏较浅的低平原的一级阶地及河漫滩区，分散性土的分 布比较普遍，这些地区的成土过程以盐碱化作用为主，并以苏打（Na2CO3）成分起主导 作用。此外分散性土在分布空间上还具有一定的特点，呈斑块状分布，从已建工程建筑 物破坏上可以明显看出来，即在同一堤坝上，有的地段分散破坏，有的却未遭到破坏。 分散性土通常在垂向上变化也较大，一般随着土壤深度增加，分散性土的分散程度降 低。6、分散性土表观特征通过已有工程中分散性土所呈现出的表观现象来看，分散性土地区通常会具有明显 的冲沟、孔洞以及雨后久不见清澈的水流等表观现象。这些表观现象对于野外查勘时初 步鉴别分散性土具有很好的帮助作用。分散性土典型地表现象如图 3.1 所示。第21 页共 62页&&&&图 4.1 分散性土地区的地表现象4.2 分散性土鉴定方法4.2.1 试验方法介绍在分散土的鉴定试验中，采用从不同角度考虑的四种常用鉴定试验方法（碎块试 验、针孔试验、双比重计试验与孔隙水可溶盐试验）对土样进行鉴定。以下分别对四种 鉴定试验方法进行简要介绍。 1、碎块试验 碎块试验的试验原理是从胶体化学的基本观点出发，认为某些粘性土在水中产生分 散的原因是胶体颗粒的析出。这种试验方法简便易行，在室内或者野外都能进行，可以 模拟各种含盐浓度的河水和水库水。 碎块试验的具体操作是将保持天然含水率的土块或室内针孔试验结束后的试样制成 1cm3 左右的土块，放入盛有约 200ml 蒸馏水的烧杯中，浸放 5~10 分钟后观察土块中胶体 的分散现象以鉴定土样的分散性。土样中胶体在一定条件下能够分散在介质中，呈溶胶 状态；有时土壤胶体又可以相互凝聚，呈凝胶状态，这种凝聚一般是由土中阳离子的作 用而产生的。不同阳离子的凝聚能力是不一样的（Fe3+&Al3+&Ca2+&Mg2+&NH4+&Na+&Li+）。由 于碎块试验以胶体颗粒的析出作为粘性土产生分散性的原因，因而采用胶体析出的程度 作为判别的标准。碎块试验的评价标准分为以下四个等级，具体判定标准见表 3-1，表 3-2。其中，表 3-2 为《水电水利工程天然建筑材料勘察规程 SL251-2000》（中华人民共 和国电力行业标准）关于分散性土鉴别中碎块试验的判定标准。本课题碎块试验以上述 两种标准相结合作为参考。第22 页共 62页&&&&表 4-1 碎块试验鉴别土的分散性的判定标准（1）等级划分类别 非分散性 土浸水后特征 没有反应。土粒崩解，水解和扩散，但在水中没有由于胶粒 悬液而出现的浑浊或稍浑浊后很快又变清。所有土颗粒在 1h 内均保持原状。 轻微反应。在土崩解的表面附近或周围有轻微的肉眼可见的等级Ⅰ等级Ⅱ过渡性土胶粒悬液产生。如果“云雾状”明显，则划分为第Ⅲ等级； 如果“云雾状”不明显，则划分为第Ⅰ等级。等级Ⅲ分散性土中等反应。在土颗粒周围或表面可以明显地看到粘粒悬液产 生的云雾状。云雾状离土块在杯底扩散 10mm 左右。 严重反应。在整个杯底大量的浓粘粒悬液呈云雾状出现。有 时，由于土粒的分散而无法看到原来土块的表面。通常，在 烧杯的各个方向均可容易的看见土粒胶粒悬液。等级Ⅳ高分散性 土表 4-2 碎块试验鉴别土的分散性的判定标准（2）类别 分散性土 过渡性 非分散性土 2、针孔试验浸水后土块特征 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 土块水解后四周有微量浑浊水，但扩散范围很小 无分散出胶粒的反应，土块水解后在量杯底以细致颗粒状平堆，水色 清，或稍浑浊后很快又变清。针孔试验由美国著名工程师谢拉德首先提出来，是模拟在一定的水头作用下，土样空 隙壁上的颗粒所具有的承受一定动能水流的冲蚀能力。根据渗透理论可知，要使土壤颗 粒分散需要能量配合。当水流经过土壤孔隙时，能将其动能传输给土壤颗粒，从而使土 壤胶体得到分散。针孔试验的试验方法和判别标准是通过对大量的样品试验得到的，这 些样品来自堤坝、渠道和其它地方的具有分散性和抗冲蚀性的土壤。 针孔试验在实际操作时，试验装置中将土样按试验要求压实到最大干密度，在试样中 部穿一直径为 1.0mm 的轴向细孔，然后用蒸馏水进行冲蚀试验，在各级水头（50mm、 180mm、380mm、1020mm）下观察针孔受水流冲蚀的情况、水流的流量和颜色，进行土样 的分散性鉴定。第23 页共 62页&&&&针孔试验仪主要由进口部分、中间过水部分及出口部分三部分组成。针孔试验实物装 置如图 3.2，剖面示意图如图 3.3 所示。图 4.2 针孔试验装置图 3.3 针孔试验装置示意图针孔试验中，土样的制作是最为关键的一环。有些研究报告中明确指出，试验时必须 保持土样的天然含水量，在试验前不允许土样风干，干燥和受潮都会造成土颗粒间相互 作用力暂时失去平衡条件，某些土可能是部分的永久失去平衡条件，这样在针孔试验中 会得出不同的结果，尤其是加水前用粉碎机械干燥土时更为明显。 在早期的针孔试验中，曾尝试用过各种直径的针孔，针孔直径变化范围为 0.406mm~2.54mm。各种孔径得出的结果基本相同，但当针孔小于 1.0mm 时，针孔的孔径第24 页共 62页&&&&常被堵塞；大于 1.0mm 时，针孔流量大，对保持水头稳定不利；1.0mm 的针孔很少被堵 塞，而且流量不大，便于保持一定的水头，量测通过土样的流量也方便。因此，针孔试 验规定标准孔径为 1mm。针孔试验关于土的分散性分类标准[1]如下。 （1）分散性土：D1、D2 D1—高分散性土，在 50mm 水头下流出的水很浑浊，10min 后轴向孔径等于或大于原 针孔孔径的 3 倍。 D2—分散性土，在 50mm 水头下流出的水很浑浊，10min 后孔径超过原针孔孔径的 2 倍。 （2）过渡性土：DN4、DN3 DN4、DN3—过渡性土，在 50 mm 和 180 mm 的水头下变浑浊，但经 10min，孔径不超 过原针孔孔径的 1.5 倍。 （3）非分散性土：DN2、DN1 DN2—非分散土，在 380 mm 或 1020 mm 水头作用下，水轻微浑浊，但胶质颗粒很少。 DN1—高抗冲蚀土。在 1020 mm 水头作用下不冲蚀，水自始至终很清，针孔未有任何 变化。 表 3-3 是《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2000）中关于分散性土针 孔试验的评价标准。表 4-3 针孔试验评价土的分散性标准在某一水头 类别 水头 mm 下的试验持 续时间 （min） 分散性土 50 50 50 过渡性土 180 380 非分散土
10 10 5 5 5 5 1.0~1.4 1.0~1.4 0.8~1.0 1.4~2.7 1.8~3.2 ＞3 ＜3 浑浊 较浑浊 稍浑浊 较透明 较透明 稍透明 透明 ≥1.5 ＜1.5 1.0 ≥2.0 ＞1.5 ≤1.5 最终流量 （mL/s） 流出水的浑 浊情况 最终孔径 mm第25 页共 62页&&&&上述标准，基本是按照国外针孔试验最初提出的鉴别标准而制定的。在鉴别时，结果 的判定，参考了上述的两种标准。 3、双比重计试验 双比重计试验是美国水土保持局推荐使用的一种方法。该方法是对土样进行两次比重 计试验来测定粘粒（&0.005mm）的含量，求出它的比值及分散度。第一次是常规的加分 散剂煮沸的方法（详见《土工试验规程》SL237-1999），得到一条颗粒级配曲线。第二 次是不煮沸不加分散剂，先将土样放在盛有一定量蒸馏水的过滤瓶中，并与真空泵相连 接，抽气 10min，然后把土-水悬液冲洗到量筒中，加蒸馏水至 1000mL，倒转量筒来回摇 晃一分钟约 30 次，让土颗粒自行水化分散，得到另一条颗粒级配曲线，求得两次的粘粒 （&0.005mm）含量，用式（3-1）求分散度。分散度 ? 不加分散剂的粘粒含量 ? 100 % 加分散剂的粘粒含量（3-1）表 3-4 为（《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2000）中关于双比重计 试验的判断标准。表 4-4 双比重计试验判定标准类别 分散性土 过渡性土 非分散性土 4、孔隙水可溶盐试验分散度判别指标（D） &50% 30%~50% &30%孔隙溶液中的阳离子与土粒上吸附的阳离子之间存在着动态平衡关系，二者不断进 行着可逆的交换反应，并且一般都服从于质量守恒定律。当孔隙溶液离子成分中 Na+占优 势时，由于交换反应土粒上吸附的 Na+数量便会增大，从而促使土粒表面双电层发育，并 向分散性增强的方向发展。反之，孔隙溶液中高价离子如 Ca2+离子占优势，则会压抑土粒 表面双电层，使之向絮凝方向变化。所以，土粒表面双电层的发育程度与溶液中阳离子 的成分及其含量有关。 孔隙水可溶盐试验，原来为农业土壤的一个标准试验，现在也用来作为鉴定分散性 土的一种试验方法。该试验方法是把土与蒸馏水拌和到接近液限的程度，用有过滤设备 的真空吸水器抽出孔隙水样，测定孔隙水样的钙、镁、钠、钾四种金属阳离子，总量称第26 页共 62页&&&&为 TDS，以每升1 mmol 计，并求出其中钠离子含量的百分数。判断标准见图 3.4，图中横 n坐标是 TDS（K++Na++Ca2++Mg2+），纵坐标是钠离子的百分数。图 4.4 孔隙水可溶盐试验评价土的分散性图图 3.4 中 A 区是分散性土，B 区是非分散性土，C 区是侵蚀缓慢的中间状态土。图中 的分区线经大量的试验证明是正确可靠的，但是也有少数土样用针孔试验鉴定是分散性 土，却落在 B 区。对于这种情况，澳大利亚的英格尔斯教授指出，对落在 B 区的土样建 议用 K 指标来验证，K 指标由公式（3-2）求得。K? Na ? ? K ? Ca 2? ? Mg 2?（3-2）1 式中，阳离子的单位均为 mmol /L，K&0.3 的土属于分散性土，K&0.3 的土属于非分 n散性土。4.2.2 试验目的四种鉴定试验的试验目的是通过四种分散性鉴定试验方法获取每种方法的鉴定指标。 （1）碎块试验是从胶体化学的角度对于土体是否分散进行简易快速的判定，最终得到土 块崩解过程中肉眼可观察并作为判别依据的试验现象；（2）针孔试验是模拟工程中水流 对土体的冲蚀情况，获取一定时间内水色、流量、针孔孔径等试验指标；（3）双比重计 试验是测定土在添加分散剂与不加分散剂的情况下，干土中粘粒含量（&0.005mm）占该 土总质量的百分数，以得到两种方式下粘粒含量的比值及分散度；（4）孔隙水可溶盐试第27 页共 62页&&&&验是测定土中 Ca2+、Mg2+、Na+、K+四种阳离子的含量 TDS，得出 Na+占 TDS 的百分比。本课 题结合土样的物理化学性质及矿物成分以及试验过程中实际遇到情况的研究，对四种鉴 定试验方法的适用性作出归纳总结。最后，根据各方法适用性，得出各土样的综合鉴定 结果。4.2.3 试验方案1、碎块试验 碎块试验方案最初采用针孔试验后的土块，其原因是考虑到如果土壤一旦含水率过 低，当土块放入水中时，大量的气泡集中冒出水面，带动土的胶体颗粒，使得水体浑 浊，造成误判。最后，根据实际情况，采用原土样和针孔后土样相结合的方式，将土样 用小刀切成 1cm3 大小的土块，小心放入盛有蒸馏水的杯中，观察水中颜色等指标的变 化。 2、针孔试验 首先将击实制作的土样放入养护容器中进行养护 24 小时；进行针孔试验前，试件中 心嵌入带有 1.0mm 左右针孔的小锥体（防止穿孔时土体的扰动破坏）；然后借助注射器 用针，在试件中心穿 1.0mm 左右的针孔；最后在不同水头作用下，观测水色、浑浊程 度、冲蚀后针孔孔径大小等，用以鉴定各土样的分散性。 地区天然土 T1 、T2 和 T3 土样的制样含水率取塑限，密度按各土样最大干密度的 95%控制，土样 分五层击实，每种土样制作 3 个试样。 配制土 （1）T1+蒙脱土+NaCl 配制过程为：T1 土样中加入一定比例的蒙脱土及足量的 NaCl，含水率参考 T1 土样 的塑限，以小型喷雾器均匀喷洒蒸馏水进行配土，充分混合后静置一周，使得离子之间 的交换反应有一个相对充裕的时间，并保证加水后土的均匀性。T1 土样中原有的粘粒含 量为 28.5%，配制土的粘粒含量参照国内外分散性土粘粒含量的大致范围来控制。T1＋蒙 脱土+NaCl 配制土的基本情况如表 3-5 所示。第28 页共 62页&&&&表 4-5 T1＋蒙脱土+NaCl 配土情况土样编号 MD1 MD2 MD3 MD4配制前土样原粘粒含量（％）配制后土样粘粒含量（％）
30制样密度采用 T1 土样最大干密度的 95%，制样完成后养护 24 小时；由于蒙脱土的 膨胀量较大，所以在试件穿孔时，适当增大了针孔的孔径，采用 1.2mm 直径的针进行穿 孔；然后按照上述地区天然土的鉴别试验方法及施加的各级水头进行鉴别试验。 （2）T1+伊利土+NaCl 配制方法及粘粒含量及制样密度的控制比例，同 T1+蒙脱土+NaCl。具体配土情况见 表 3-6。表 4-6 T1＋伊利土+NaCl 配土情况T1＋蒙脱土＋NaCl 土样编号 YD1 YD2 YD3 YD4 （3）T1+蒙脱土、T1+蒙脱土+KCl 和 T1+蒙脱土+NaCl 之间的比较 配制目的是为了弄清 K+对于土体分散的影响程度。配制过程：T1:蒙脱土按 1：1 比 例配制，作为第一份配制土（T1+蒙脱土）；在第一份配制土基础上加入足量 KCl 配制成 第二份土（T1+蒙脱土+KCl）；同样，加入足量 NaCl，配制为第三份土（T1+蒙脱土 +NaCl）。具体见表 3-7。表 4-7 T1＋蒙脱土与另外两种配土情况配制前土样原粘粒含量（％）配制后土样粘粒含量（％）
30T1＋蒙脱土 T1：蒙脱土 KCl NaCl 1：1 无 无T1＋蒙脱土＋KCl 1：1 足量 无T1＋蒙脱土＋NaCl 1：1 无 （与 KCl 同量）（4）蒸馏水配土与黄河水配土比较第29 页共 62页&&&&配制过程：配土采用 T1+蒙脱土+NaCl，蒙脱土加入量按粘粒含量 30%控制，Nacl 按 足量加入。配制水一份按蒸馏水进行配制，另一份按黄河水进行配制。配土含水率以 T1 土样塑限为参考，制样密度按 T1 土样击实试验获得的最大干密度的 95%进行。具体情况 见表 3-8。表 4-8 蒸馏水配土与黄河水配土情况蒸馏水配土 配土成分 粘粒含量（％） 3、双比重计试验 T1+蒙脱土+NaCl 30黄河水配土 T1+蒙脱土+NaCl 30试验用土主要是针对地区天然土，试验方法按照标准试验进行，试验用水为蒸馏 水。 4、孔隙水可溶盐试验 根据孔隙水可溶盐试验的特点，采用蒸馏水将地区天然土拌合到接近液限的程度(见 图 3.5)，并用真空泵抽出过滤水样(见图 3.6)，然后测定孔隙水的金属阳离子含量。图 4.5 拌和土样图 4.6 提取孔隙水4.2.4 试验结果与分析1、碎块试验 T1 土样试验现象：土块沉入水底，土粒缓慢崩解，扩散，水中未出现任何浑浊现 象，水质保持清澈透明。经过一小时后观察仍保持水质清澈，没有出现混浊现象（如图 3.7 所示）。由碎块试验可以断定，T1 土样为非分散性土；T2 土样放入蒸馏水中后，坍 铺在杯底的土块周围出现微量的浑浊，且浑浊现象久久不散，判定为过渡性土（如图 3.8第30 页共 62页&&&&（右）所示）；T3 土样试验现象类似于 T1 土样（如图 3.8（左）所示）。三种土样碎块 试验判定结果见表 3-9。图 3.7 T1 土样碎块试验图 3.8 T2（右）、T3（左）土样碎块试验表 4-9 碎块试验鉴别结果试样编号 T1 T2 T3 2、针孔试验（1）地区天然土鉴定结果碎块试验现象描述 土块沉入杯底，很快崩解摊开，但是无任何混浊现象，水色 清澈透明 土块崩解后，水色微混浊，且扩散范围不大 土块在杯底散开，无任何混浊现象产生判定结果 非分散土 过渡性土 非分散土地区天然土鉴定结果如表 3-10 所示。第31 页共 62页&&&&表 4-10 地区天然土针孔试验鉴定结果蒸馏水制样＋蒸馏水冲蚀 试样编 号 T1 干密度 ? d （g/cm3） 1.64 水头 （mm） 1020 最终流量 （ml/s） 1.29 最终孔径 (倍) 1 水色 鉴定结 果 非分散 土 过渡性 土 非分散 土清澈透明T21.～2微浑浊T31.清亮透明为了更加直观的了解试验过程中冲蚀水颜色的变化，图 3.9 给出了 T2 土样冲蚀后水 样与蒸馏水样的颜色对比图。从图中可以看出，冲蚀后的水样颜色明显要比冲蚀前水样 颜色重，接近浑浊。图 4.9 T2 土样冲蚀后水样与蒸馏水样对比 （图左为蒸馏水样，图右为试验冲蚀后水样）从上述三种地区天然土针孔试验结果可知，T1、T3 为非分散性土，T2 为过渡性土。 下面从土体分散的主要影响因素—矿物成分、阳离子及 PH 值三方面对三种地区天然土样 32 页第共 62页&&&&的分散性做简要阐述。具体各影响因素是如何对土体的分散性产生影响的，见分散机理 章节所述。从三种土样的基本性质试验中可以知道，1）三种土样矿物成分中蒙脱土及伊 利土的含量相差不大。因此，矿物成分对三种土样的影响程度相差不大；2）T1 土样中阳 离子 Na+含量与 Ca2+、Mg2+离子含量比值相差不大；T2、T3 土样中 Na+的含量要明显偏高， T2 土样中 Na+、K+的总含量与 Ca2+、Mg2+离子比值在三种土样中最高。因此，从阳离子对三 种土样分散性影响来看，T2 土样的分散性要比 T1 和 T3 土样明显；3）三种土样中 T2 土 样 PH 值相比 T1 和 T3 土样来说是最高的，属强碱性土。因此，从 PH 值对三种土样分散 性影响来看，T2 土样的分散性也要比 T1 和 T3 土样明显。综合上述，从土体分散性的三 种主要影响因素考虑，T2 土样的分散性要比 T1 和 T3 土样明显。 （2）配制土鉴别结果 1）T1+蒙脱土+NaCl T1+蒙脱土+NaCl 的鉴定结果见表 3-11。表 4-11 T1+蒙脱土+NaCl 针孔试验分散性鉴定结果土样编号 MD1 MD2 MD3 MD4终了水头 （mm） 180 180 180 180终了孔径 （倍） 2～4 1.5～2 1.5～2 1.5终了流量 （mL/s） 1.85 1.58 1.36 1.28水色 白色 微白 微白 微白判定结果 过渡性 过渡性 过渡性 过渡性从表中可以看出，在保证 Na+足量的情况下，蒙脱土按照一定的比例与 T1 土样掺和 后，从终了孔径、终了流量及流出水的颜色上看，基本符合过渡性土的判别标准，土样 由原来的非分散性土变为过渡性土，由此可见，蒙脱土的分散性能较为显著。 2）T1+伊利土+NaCl T1+伊利土+NaCl 的鉴定结果见表 3-12。第33 页共 62页&&&&表 4-12T1+伊利土+NaCl 针孔试验分散性鉴定结果土样编号 YD1 YD2 YD3 YD4终了水头 （mm） 20 1020终了孔径 （倍） 1～2 1 1 1终了流量 （mL/s） 2.80 2.87 2.78 2.65水色 微白 清亮，透明 清澈，透明 清亮，透明判定结果 不分散 不分散 不分散 不分散从表中可以看出，在 Na+足量的情况下，不同比例的伊利土与 T1 土样掺和后，从针 孔试验的各项判定指标上看，土样的分散性没有得到改变，也就是说伊利土的分散性能 不明显。对于有些文献中提到蒙脱土含量较低，伊利土含量较高情况下，土体呈现出分 散性的特征，可能与土体形成的环境有很大关系。 3）T1+蒙脱土、T1+蒙脱土+NaCl 与 T1+蒙脱土+KCl 之间的比较 T1+蒙脱土、T1+蒙脱土+NaCl 与 T1+蒙脱土+KCl 三种配制土的试验结果如表 3-13 所 示。表 4-13 三种配制土分散性鉴定结果名称 终了水头 （mm） 终了孔径 （倍） 终了流量 (mL/s) 水色 判定结果T1＋蒙脱土 180T1＋蒙脱土＋NaCl 180T1＋蒙脱土＋KCl ～32～31.46 泛白，不透明 过渡性1.67 微混浊，不透明 过渡性1.64 微混浊，不透明 过渡性从表 3-13 中可以看出，其它条件相同的情况下，配土中加入 KCl 和 NaCl，与不加 KCl 和 NaCl 进行比较，针孔试验的各项试验指标都有所改变（如冲蚀终了孔径、终了流 量都有所增大，流出水的颜色也由泛白转变为微混浊），针孔试验鉴定结果均为过渡性 土；但加入 KCl 和 NaCl 的两种配土中，试验指标基本一致，无太大的差异，因此，就本 次试验而言，K+对土体所起的作用与 Na+是一样的，都对土体的分散起到一定的促进作 用。第34 页共 62页&&&&4）蒸馏水配土与黄河水配土的比较 蒸馏水配土与黄河水配土的针孔试验结果如表 3-14 所示。表 4-14 不同配制用水条件下针孔试验分散性鉴定结果蒸馏水配土，蒸馏水冲蚀 终了水头（mm） 终了孔径（倍） 终了流量(mL/s) 水色 判定结果 180 1.5 1.56 微白 过渡型土黄河配土，蒸馏水冲蚀 .3 微白 非分散土表 3-14 中蒸馏水配土与黄河水配土针孔试验结果表明，采用蒸馏水作为配制用水的 土样呈现出过渡性土特征，采用黄河水作为配土用水的土样呈现出非分散性土特征；从 针孔试验后切开的试样上看，采用蒸馏水配土的土样，针孔的孔径有明显增大的趋势， 为原孔径的 1.5 倍，而采用黄河水配土的土样，针孔基本无明显变化（见如图 3.10 和图 3.11）。出现上述现象的主要原因在于黄河水中的 Ca2+、Mg2+含量较高，在总的阳离子含 量中所占比例为 62.2%，而 Ca2+、Mg2+两种离子的存在对于土的分散起到了一定的抑制 作用。图 3.10 蒸馏水制样图 3.11 黄河水制样3、双比重计试验 T1、T2、T3 三种土样的试验结果见表 3-15 及图 3.12~图 3.14。第35 页共 62页&&&&表 4-15 双比重计试验结果粒径&0.005mm 颗粒含 土样编号 量% 不加分散剂 T1 T2 T3 26.7 30.7 28.9 加分散剂 28.5 44.6 48.1T1土样 100分散度 D(%) 94% 68.8% 60%试验用水判断蒸馏水 蒸馏水 蒸馏水分散性土 分散性土 分散性土小于某粒径的百分含量（% ）90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 0.1 0.01 0.001不加分散剂 加分散剂土粒直径（mm）图 4.12 T1 土样双比重计试验颗粒级配曲线第36 页共 62页&&&&T2土样 100小于某粒径的百分含量（% ）90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 1 0.1 0.01 0.001不加分散剂 加分散剂土粒直径（mm）图 4.13 T2 土样双比重计试验颗粒级配曲线T3土样 100小于某粒径的百分含量（% ）90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 1 0.1 0.01 0.001不加分散剂 加分散剂土粒直径（mm）图 4.14 T3 土样双比重剂试验颗粒级配曲线从表 3-15 及图 3.12~图 3.14 双比重计试验结果可以看出，三种土样均为分散性土， 尤其是 T1 土样，其双比重计试验颗粒级配曲线图中，加分散剂与不加分散剂的两条颗粒 级配曲线基本重合，分散度远远超过分散性土判别的临界指标。双比重计试验结果与前第37 页共 62页&&&&面针孔试验鉴定结果偏差很大，出现这种结果的原因主要是在进行试验的过程中均进行 了洗盐，人为造成了试验结果的偏大。 4、孔隙水可溶盐试验 孔隙水可溶盐试验的试验结果如表 3-16 所示。表 4-16 孔隙水可溶盐试验鉴试验结果土样编号 Na+ （1 mmol/L） nT1T2T30..858K+ （1 mmol/L） n0.050.+ 孔隙水性质 （1 mmol/L） n2.5Mg2+ （1 mmol/L） n0.TDS （1 mmol/L） n4.24 13.9 非分散646.271 87.8 分散909.328 63.4 分散钠百分比(%) 判别结果从表 3-16 中可以看出，三种土样中 T2 和 T3 土样孔隙水中阳离子含量很高，这两种 土样孔隙水中 Na+的百分比含量比 T1 土样孔隙水中 Na+的百分比含量明显要高，根据孔 隙水可溶盐试验的判定标准，T1 和 T3 土样为分散性土，T2 土样为非分散性土。3.2.5 鉴别试验方法的适用性分析及试验土样的综合鉴定 结果1、几种鉴别试验方法的适用性分析双比重计试验、碎块试验、孔隙水可溶盐试验及针孔试验为国际上通用的四种鉴别 土样是否分散的试验方法。这几种试验方法分别从土力学、胶体化学、分析化学和渗流第38 页共 62页&&&&理论四个不同角度对土样的分散效果进行了研究。通过本课题研究中试验结果的分析及 对其他学者鉴别试验方法方面研究成果的归纳和总结，给出了常用四种鉴别试验方法的 适用范围。 （1）双比重计试验 一般粘性土往往呈团粒结构，遇水不容易水解成单个粘粒，而分散性土的粘粒具有 在水中极易分散而被水流带走的特点，双比重计试验正是针对分散性土与普通粘性土的 差别而论文的。通过大量试验证明，双比重计试验分析方法比较符合客观实际。 双比重计试验的局限性：双比重计试验不能够反映水流对土体冲刷的性质，也不能 够反映对土体分散起促进作用的钠离子含量的多少，而且这种试验方法不适用于盐渍 土。在双比重计试验中，如果土样中可溶盐含量较高，不进行洗盐，则会由于可溶盐中 离子絮凝作用的影响，土颗粒很快聚沉，悬液澄清，造成试验结果不准确；如果进行洗 盐，则会由于洗盐过程中的多次搅拌、换水，促使土颗粒发生分散，进而使土样分散度 偏大。本次双比重计试验中，T2、T3 土均为为盐渍土，试验结果表明，双比重计试验结 果明显不符合实际情况。 （2）碎块试验 碎块试验是从胶体化学观点出发的，采用胶体析出程度作为判别标准。试验方法简 便易行，在野外和室内均可进行快速简单的操作，而且可以模拟各种含盐浓度的河水和 水库水，具有良好的再现性。 碎块试验的局限性：碎块试验的判定只是定性的判别，缺乏定量的指标，且在进行 定性判别时需要试验人员具备丰富的经验；另外，由于土中含水率过低时，大量的气泡 冒出水面，带动土的胶体颗粒，使水体浑浊，易于造成误判。因此，碎块试验不适用于 含水率过低的土壤。大量试验表明，碎块试验对于粘粒（&0.005mm）小于 12%和塑性指 数小于或等于 8 的土是不适宜的。 （3）孔隙水可溶盐试验 孔隙水可溶盐试验是从分析化学观点出发的，对影响分散性的关键性因素钠离子采 用钠百分比定量指标对土样是否分散进行判定。 孔隙水可溶盐试验局限性：孔隙水可溶盐试验中孔隙水的抽取技术影响了试验结果 的测量精度；另外，由于盐渍土中可溶盐的大量存在，孔隙水溶液中的阳离子与土颗粒 表面吸附的阳离子发生交换反应，使得试验结果不能确切地反映土体中孔隙水的实际情 况，因此，该试验方法也不适用于高钠盐渍土。第39 页共 62页&&&&（4）针孔试验 针孔试验运用渗流理论模拟了土体在集中渗透水流作用下的抗冲蚀条件，采用定量 和定性指标鉴定土样的分散性能和胶粒的抗冲蚀性能。该试验方法是鉴别分散性土各种 试验方法中最直接可靠的试验方法。 针孔试验的局限性：针孔试验不适用于粘粒很低和膨胀量很高的土；另外，对高灵 敏度土和抗冲蚀能力很低的粉土和壤土也不适用。2、本课题区域自然土的综合鉴定结果T1 土样为普通粘性土。该土样具有微膨胀性，但膨胀量不大，不会造成针孔直径明 显变小、阻塞等现象。因此，试验中的鉴别结论以针孔试验鉴定结果作为综合评判的主 要依据。 T2 和 T3 土样为盐渍土。T2 和 T3 土样采用双比重计试验和孔隙水可溶盐试验试验结 果会有较大误差；而碎块试验和针孔试验恰避免了这一局限性。因此，试验中的鉴定结 果以碎块试验和针孔试验为主要依据。 综合以上各种鉴定方法的适用性，考虑本次试验中区域自然土的物理化学性质及矿 物成分特点，给出综合鉴定结果如表 3-17 所示。表 4-17 地区取土分散性鉴定结果表土样编号 T1 T2 T3碎块试验 非分散土 过渡性土 非分散土针孔试验 非分散土 过渡性土 非分散土双比重计试验 分散性土 分散性土 分散性土孔隙水可溶盐试 验 非分散土 分散性土 分散性土综合评判 非分散土 过渡性土 非分散土上述试验结果的综合分析表明，在对土样的分散性进行鉴别前，首先要了解土的基 本性质，然后再结合各种鉴别试验方法的适用性，有针对性的进行方法上的选择，这样 做可为后续鉴别工作起到事半功倍的效果。5 分散性土的工程破坏形式及处理措施 5.1 常见的工程破坏形式目前工程上比较常见的破坏形式有两种：一种是管涌破坏，一种是雨水的冲蚀淋蚀 破坏。如美国的韦斯特坝、泰国的兰苏莱坝以及中国海南的岭落水库均是由于分散性土第40 页共 62页&&&&的存在而遭受管涌破坏的具体实例；美国委内瑞拉苏利亚河防洪堤以及我国的黑龙江南 部引嫩工程 17 号坝等工程则是雨水冲蚀淋蚀破坏的典型代表。 管涌破坏是两种破坏形式中发生率高、危害严重的一种破坏形式。用分散性土修筑 的堤坝，遇到低含盐量的水就会分散流失。因此，未设置合适出口反滤的堤坝很容易发 生突然的管涌破坏。这种破坏形式的发生与多种诱因有关，例如土的性质，包括土的种 类、可交换钠的含量、PH 值以及水中可溶盐含量等；此外，施工中不合理的碾压以及气 候干燥引起的裂缝均有可能引发最初的渗漏，进而导致管涌破坏的发生。5.2 土的冲蚀破坏试验目前的试验仪器不能够满足分散性土渗透破坏试验的破坏比降要求。因此，在本课 题研究的过程中，主要通过室内分散性土的冲蚀破坏试验来研究土的含水率、密度与冲 蚀率之间的关系。 试验中以 T2 土样（新疆西郊水库附近土样）为制样用土，工程现场土的冲蚀现象如 图 5.1 所示。图 5.1 T2 土样现场冲蚀现象5.2.1 试验简介冲蚀破坏试验采用针孔试验仪器作为冲蚀试验设备，冲蚀试验设备如图 5.2 所示。由 前面鉴定结果可知，T2 土样为过渡性土，冲蚀试验过程如下：（1）采用前面鉴定为过渡 性土的 T2 土样作为本次试验用土，制样前先测出装样段仪器和嵌入土样中的小锥体的重 量，制样完成称重，记录下试验数据，根据含水率算出试验前土样的干土重量。（2）试 验过程中，试验水头采用 1020mm 水头，在此水头下保持冲蚀时间 10 分钟。（3）10 分 钟后试验设备拆除，制样段仪器用纸巾或干燥软布擦干水分，称重，得到冲蚀后土样的第41 页共 62页&&&&湿土重量，然后将土样从制样段仪器中挤出，再测出冲蚀后土样的含水率，并计算冲蚀 后干土重。（4）通过冲蚀前后土样重量的改变，最后计算得出冲蚀率。（冲蚀率＝（冲 蚀前干土重量－冲蚀后干土重量）/冲蚀前干土重量）。图 5.2 冲蚀试验5.2.2 试验目的借助针孔冲蚀试验，研究土样初始含水率和密度的改变对于土样冲蚀率的影响。5.2.3 试验方案考虑不同含水率情况下，试验制样的可行性，试样密度分别按最大干密度的 90%和 85%控制；每个密度下拟定 5 组不同的含水率，每组含水率进行 4 次试验，共进行 40 个 试样的针孔冲蚀试验。但试验过程中由于制样原因导致某些试验失败，最终试验数为 32 个。5.2.4 试验结果及分析图 5.3 给出了冲蚀试验破坏前后土样的孔径对比图。从图中可以看出，试验过程中， 土样发生了明显的冲蚀破坏。第42 页共 62页&&&&图 5.3 试样冲蚀破坏前后对比（图左为冲蚀前试件，图右为冲蚀后试件）图 5.4 给出了本次试验中不同密度及含水率与冲蚀率之间的关系。图 5.4 冲蚀率与不同含水率关系曲线图中曲线 A 表示制样密度为最大干密度 90%条件下不同含水率与冲蚀率的关系曲 线，曲线 B 表示制样密度为最大干密度 85%条件下不同含水率与冲蚀率的关系曲线。从 上述曲线中可以看出，土样冲蚀率随着含水率的增大逐渐减小，当含水率接近塑限时， 冲蚀率达到最小值；之后，随着含水率进一步增大，冲蚀率又逐渐增大。另外，同一含 水率情况下，密度越大，土样的冲蚀率越小。因此，根据土样冲蚀试验结果，从工程施 工角度考虑，在用分散性土进行填筑施工中，不考虑其它因素，应使土料含水量达到或 比塑限略小，压实密度尽量达到最大干密度，以减小分散性土产生的冲蚀破坏影响。 冲蚀试验中出现的冲蚀破坏现象可以用分散机理章节中的 Lifshitz 理论及斥力、引力 与粒间距的关系图加以解释。同一密度下，含水率的增大，土颗粒周围的扩散双电层随 之增大，即土颗粒间的距离随着含水率的增大而增大。由 Lifshitz 理论可知颗粒间的引力第43 页共 62页&&&&是与其距离的四次方成反比的，相比斥力减小而言，引力减小的更快，由斥力、引力与 粒间距关系力可知，二者是以净势能的形式表现出来，净势能随着含水量的增大，逐渐 减小，冲蚀率逐渐减小。当含水率接近或达到塑限时，土颗粒扩散双电层达到最大，净 势能为零，冲蚀率达到最小值。当含水率进一步增大，土颗粒扩散双电层间存在自由 水，土颗粒间几乎没有引力存在，即几乎不能承受剪应力，即冲蚀率会增大。另外，在 相同含水率情况下，密度增加，土颗粒扩散层不变，但单位体积的土体孔隙体积减小， 密实度增加，土体整体粘聚力得到有效加强，从而提高了土体的抗冲蚀能力。5.3 分散性土工程处理措施分散性土在世界范围内广泛分布，起初由于对分散性土的性质缺乏了解，许多工程 因此失事，给当地造成了巨大的经济损失。如澳大利亚一个分散性土筑成的土坝，水库 里为低溶盐的库水（库水的阳离子浓度为 201 mmol/L），3 日内此坝失事。导致该坝的 n破坏主要原因是分散性土与低溶盐水的相遇，倘若这一情况得到有效的避免，破坏事故 就不会发生。另外，希腊某一用分散性土筑成的土坝，未经任何处理，坝体却始终安然 无恙。经调查研究，其主要原因是希腊的河水和湖水是高溶盐的（阳离子浓度为1 4~198 mmol/L），河水的溶盐量虽稍低，但河水是高钙含量的，可溶性钙百分数达 n55%。以上事例说明，分散性土修筑的坝体如果不与低溶盐水相遇，出现事故的概率是很 低的。 尽管分散性土存在着诸多弊端，但并非完全不能应用于工程中，以往的破坏都是在 不了解分散性土的性质和没有采取防治措施的情况下发生的。根据一些工程环境特点， 结合具体的工程条件，采取有效手段对分散性土进行隔离和土质改良，能够有效防止分 散性土对于坝体的破坏作用，同时从经济效益及长远发展来看具有重要积极意义。 经过国内外众多学者及工程人员的研究，对分散性土分散的机理有了较为深入的认 识。目前，针对分散性土的工程处理措施主要集中在水质改造、土质改良、工程隔离及 反滤措施等几个方面。 （1）水质改造。将低溶盐库水改造成高溶盐库水，以此来确保大坝安全。如澳大利 亚墨尔本城建局在维多利亚洲卡迪尼亚河修建的大型新的城市供水水库，就是用分散性 土筑成的坝。采用改造库水的方法保证大坝的安全，具体方法是向水库中投放钠盐和钙 盐的混合物，并在水库进口处投放生石膏。另外，美国一些工程也曾采用类似的方法对 分散性土进行处理。第44 页共 62页&&&&（2）土质改良。土质改良的目的是将分散性土改造成非分散性土，使坝体的安全得 到保证。土质改良所采取的方法是向土中掺加石灰（消石灰 Ca（OH）2 或生石灰 CaO） 或掺加硫酸铝（Al2（SO4）3）等化学药品。美国俄克拉何马州和密西西比州通过在分散 性土中掺加石灰，把分散性土改造成非分散性土，并经过 8 年的运用，证明是成功的。另 外，巴西某工程曾在土中掺加硫酸铝，将高度分散性土改造成非分散性土。 （3）工程隔离。工程隔离的目的是把低溶盐水和分散性土隔离开来，保证工程的安 全。可采用防渗土工膜、塑料、橡皮制品等隔水材料，也可以用非分散性土将大坝进行 包裹。这种方式，如果采用全部包裹的话，效果会更好，但是投资较大。从经济角度考 虑，也可以只在迎水面设置防水护坡，坝顶和背水坡作其他处理。 （4）反滤措施。这种措施是采用在坝后设置合适的反滤层来阻止坝体的集中渗流破 坏。具体做法是在分散性土筑成的坝后设置适当级配的砂反滤层，阻止细颗粒从坝体内 部流失。关于反滤措施的效果，美国和巴西都曾作过大量的试验并得出相同的结论： “有适当级配的砂反滤层，能有效控制分散性土的冲蚀，并及时堵塞集中渗流”。在所 有的细粒土层中，都有相当多的粉质颗粒（d=20~50 ?m ）和粘质颗粒（d&5 ?m ）混合在 一起，当发生集中渗流时，粉质颗粒与粘质颗粒会从坝体中冲走。从理论上讲，只要砂 的粒径合适，设置砂反滤层后，粉质颗粒与粘质颗粒就会在砂反滤层前积累，堵塞集中 渗流的通道，进而确保了大坝的安全。 在实际的工程处理中，以上方法之间相互结合可以起到更加良好的效果，下面简要 介绍一下我国黑龙江省南部引嫩工程第 17 号坝的工程处理情况。 南部引嫩工程中的第 17 号土坝由分散性土筑成，该坝采用了四种处理方案。方案 一：采用非分散性土将大坝包裹；方案二：改造库水。改变水中钙离子含量，向库水中 投入石膏；方案三：改良土质。将分散性土用硫酸铝改造成非分散土。方案四：综合改 良坝体土质和坝后反滤两种处理方法。坝顶用石灰土处理，其上再铺 10~15cm 防磨损 层；上游坝坡用石灰土进行处理，为了防寒，在水位波动范围内增加石灰土厚度；下游 坝坡主要考虑排水问题，采用当地细砂，细砂上再加覆盖层，以保护细砂不致因风吹雨 淋而流失；在坝脚做滤水坝址，以便把渗入坝体的水排出来。以上四种方案比较，第四 种方案最为经济，坝体采用方案四进行处理后，经实际运用情况表明，这种处理措施是 成功的。这一成功的处理措施在南部引嫩工程的第 18 号、第 19 号、第 20 号及大庆市西 大海水库等分散性土坝上得到了推广应用。5.4 本章小结第45 页共 62页&&&&本章首先介绍了分散性土的常见工程破坏形式；然后针对常见工程破坏形式之一的 冲蚀破坏，在室内进行破坏冲蚀试验研究；最后，对目前国内外常用的分散土工程处理 措施进行了总结。 （1）分散性土导致的水利工程破坏主要有两种形式：冲蚀破坏和管涌破坏。其中管 涌破坏造成的后果更为严重，国内外一些典型工程的失事也主要以这种破坏形式居多， 需引起足够重视。 （2）对取自新疆的过渡性 T2 土样进行了室内冲蚀破坏试验研究。试验结果表明， 土样冲蚀率随着含水率的增大逐渐减小，当含水率接近塑限时，冲蚀率达到最小值；之 后，随着含水率进一步增大，冲蚀率又逐渐增大。另外，在同一含水率情况下，密度越 大，土样的冲蚀率越小。因此，在用分散性土进行填筑的工程当中，不考虑其它因素， 应尽量使土料含水量达到塑限或比塑限略小，压实密度尽量达到最大干密度，以减小分 散性土产生的冲蚀破坏影响。 （3）总结了目前国内外常见的分散性土工程处理措施。分别从水质改造、土质改 良、工程隔离及反滤措施等四个方面进行了介绍，并举例进行说明，证明采用这四种方 法处理分散性土是成功的。最后，利用实例证明，根据工程实际情况，采用几种方法进 行综合处理是经济的、适宜的。6 分散性土的分散机理分散土的研究往往是在分散性土对工程安全产生威胁时，才会采取相应的补救措 施，开始进行相关研究。因此，目前分散性土的研究还不够系统，不够深入。在工程前 期勘察论文阶段，如果对于分散性土的分散机理以及影响因素能有比较深入的了解，就 会及时发现问题，采用相应处理措施，减少危害，进而避免不必要的损失。 通过查阅国内外已有资料及结合本课题的试验研究，归纳出影响分散性土分散机理 主要影响因素如下： 1、从土样自身性质考虑包括：（1）不足以抑制分散的胶结物的含量；（2）结构不 稳定的粘土矿物；（3）可交换性阳离子的存在；（4）土体酸碱度的介质环境。 2、从外部介质环境考虑包括：（5）水的化学成分中阳离子种类及含量。6.1 土体分散性的影响因素6.1.1 粘粒含量第46 页共 62页&&&&粘粒具有很大的比表面积，胶结力较强，可以促进团粒的形成。因此，当粘粒胶结 物含量很高时，会对土的分散起到一定的抑制作用；当土中的粘粒胶结物含量较低时会 对土的分散起到一定的促进作用。汇总国内外 23 个水利工程中分散性土的粘粒含量，得 到每个工程粘粒含量的界限范围，给出粘粒含量上下限的范围曲线及均值线（见图 4.1）。图中下限值曲线是各工程下限值含量连接而成的曲线，上限值曲线是各工程上限 值（与下限值一一对应）含量连接而成的曲线。70粘粒含量（%）MD160 粘粒下限 50MD2 T3 T2粘粒上限 下限均值 上限均值40MD3MD1T130MD4 MD5MD2 MD320MD4 T1 T 10 15 20 工程点 25T3 MD5图 6.1 国内外典型工程分散性土粘粒含量及各土样粘粒含量分布从统计资料看，土的粘粒含量大致在 10％～70％之间。区域天然土 T1、T2 及 T3 三 种土样，T2 及 T3 土样的粘粒含量不在上下限均值范围以内，位于上限均值线以上，但都 在统计资料的粘粒含量范围之间；配制土中 MD1 及 MD2 也位于上限均值线以上，MD1 土甚至超过了上限曲线的最高点粘粒含量值。 不同粒粒含量的区域天然土 T1、T2、T3 土样的分散性鉴定结果如表 4-1 所示。。第47 页共 62页&&&&表 6-1 地区土粘粒含量及针孔试验鉴定结果土样编号粘粒含量％ （&0.005mm） 28.5试验现象 终级水头下水清，透明；冲蚀后试 验孔径无明显变化 终级水头下水白色很重，接近浑 浊，冲蚀后针孔径明显变大 终级水头下水色清澈，透明，无悬试验结论T1非分散土T244.6过渡性土T348.1浮颗粒出现；试验后针孔孔径基本 无变化非分散土通过对非分散土 T1 土样，掺入适量蒙脱土后，得到不同粘粒含量的配制土样及分散 性鉴定结果如表 6-2 所示。表 6-2 配制土样粘粒含量及针孔试验鉴定结果土样编 号 MD1粘粒含量％ （&0.005mm） 65试验现象 终级水头下水色较白，渐近混浊； 冲蚀后试样孔径变化显著 终级水头下水色微白；冲蚀后孔径 变化明显 终级水头下水色微白；冲蚀后孔径 变化明显 终级水头下水色微白；冲蚀后试样 孔径变化较小 水清，透明；冲蚀后孔径完好，无试验结论过渡性土MD245过渡性土MD335过渡性土MD430过渡性土MD529变化非分散土从表 6-1 中三种土样粘粒含量的大小来看，T2 土样的粘粒含量要高于 T1 土样而小于 T3 土样，但是 T2 土样所呈现的分散程度大于 T1 和 T3。而从表 4-2 中发现，当控制粘粒 的比例大于 30%时，土呈现出一定的分散性，为过渡性土，但是当粘粒含量略小于 30% 时，土由过渡性转为不分散。以上试验结果均表明，不论是区域天然土还是配制土，粘 粒含量的增大对于土的分散性并没有体现出明显的抑制作用。第48 页共 62页&&&&综上所述，通过本次所取区域天然土和配制土样分散性鉴定结果来看，当土的粘粒 胶结物含量较低的时候，土样为非分散性土（如 T1 土样和 MD5 配制土样），当土的粘 粒含量较高时，有的土样为过渡性土（如 T2 土样和 MD1、MD2、MD3 和 MD4 配制土 样），有的则为非分散性土（如 T3 土样）。因此，粘粒含量作为分散机理的一种影响因 素，对于土的分散性起着一定的作用，是必要条件之一，鉴定土样是否分散还要结合其 它因素综合判断。6.1.2 矿物成分粘土矿物是粘土类土的一种主要组成成分，是影响土体结构状况的重要因素，具有 其它矿物所没有的特殊性质，包括土颗粒分散性、晶格的活动性、同晶置换、阳离子吸 附和交换作用等等。各种粘土矿物是由离子键连接成的四面体和八面体两种基本单位组 成。常见的粘土矿物有蒙脱石类、伊利石类、高岭石类，它们是粘土矿物中物理化学性 质活跃的物质，对于土体的分散性有着重要的影响。 粘土矿物结构的特征是原子呈层状排列，在层状构造中有两个基本单元。第一个基 本单元是硅-氧四面体，第二个基本单元是铝-氢氧八面体。四面体和八面体都联成片， 以不同的方式互相叠置，构成 1：1 型或 2：1 型的粘土矿物。 高岭石类属于 1：1 型的粘土矿物，即由一个硅-氧四面体和一个铝-氢氧八面体叠合 在一起的双层矿物。四面体与八面体单位的基本间隔尺寸几乎相等，所以四面体与八面 体可以紧密结合。高岭石中四面体层的 O2-与八面体层 OH-形成氢键，使得这两层通过 O2和 OH-形成的氢键结合在一起。在高岭石中同晶置换很少遇到，电荷基本上是平衡的，所 以高岭石晶层牢固，晶格无扩展性，无分散性和胀缩性，阳离子交换量也较低，属于惰 性粘土矿物。 蒙脱石属于 2：1 型的粘土矿物，即由两个硅-氧四面体和一个铝-氢氧八面体叠合在 一起形成的三层矿物。片与片之间无 K+连接，水可以进入片层之间，使晶体产生很大的 体积改变。同时蒙脱石具有同晶置换的特点，四面体或者八面体中的高价离子被低价离 子所代替，使得电荷不平衡，产生负电性，需要吸附阳离子来平衡负电性，吸附的阳离 子一般为 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。因此，蒙脱石晶层间连接弱，晶格具有扩展性，较大 的分散性（Na 蒙脱石）和胀缩性（Ca 蒙脱石），阳离子交换量也较高，通常含有蒙脱石 的土体工程性质是相当差的。 伊利石类也属于 2：1 型的粘土矿物，是由两个硅-氧四}