挡土墙设计之探讨

分散性土是一种在低含盐量水（或纯净水）中，由于离子相互排斥力超过相互吸引力而导致土体颗粒分散的粘性土［1］。它的发现和研究始于20世纪50年代的澳大利亚和美国。随后，世界上许多国家都对其进行研究。我国于20世纪70年代首先在黑龙江发现了分散性粘土，随后在新疆［2］、山东［3］、山西［4］等省的工程实践中都曾遇到，并对它进行了深入的试验研究。分散性粘土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有关，但工程上常用的土工试验方法不能反映出土的化学状态和土颗粒表面的电化学性质，所以无法鉴定。鉴于目前国内尚无鉴定分散性土的试验规程，本次试验主要参照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2000）中介绍的双比重计法、针孔试验、碎块试验、孔隙水阳离子试验等4种试验方法和美国材料与试验协会制定的双比重计法（ASTM D4221-99）、针孔试验（ASTM D4647-93（1998））、碎块试验（ASTM D6572-00）等3种试验规程，采用双比重计法、针孔试验、碎块试验、孔隙水可溶盐阳离子试验和全土的交换性钠百分比试验5种试验方法来综合判别土样的分散性。但这几种方法的测定结果往往由于土的特殊性而不一致。本文试图通过对某拟建大坝防渗土料分散性的研究，从分散性机理和判断标准来分析这5种方法不相吻合的原因。
1 土样的基本物理性质
　　试验土样选取某拟建水利工程大坝心墙土料，土样的物理性质列于表1。由表1可见，9组土样的比重为2.64～2.72，液限为24.3%～38.0%，塑限为12.8%～24.2%，塑性指数为8.7～16.6，均为低液限粘土（CL）。在颗粒组成上，9组土样都以粉粒（0.075～0.005mm）为主，其含量56.0%～66.0%，粘粒（
2 土样的基本化学性质
　　土样化学性质列于表2。由表2可见，这9组土样的易溶盐含量为0.234～0.533g/kg，在阴离子中，HCO3-含量大，在阳离子中，Ca2+含量大。中溶盐含量为0.33～0.95g/kg;难溶盐含量在11.41～148.79g/kg，其中土样1、3、6、7、8、9号较高，超过100g/kg，其余3组土样较低;有机质含量为2.25～39.07g/kg，其中土样1、3、6、7、8、9号较低，低于10g/kg，其余3组土样较高。土样pH值为7.98～9.07，呈碱性。
3 土样的粘土矿物成分
　　不同类型的粘土矿物，具有不同的晶格结构，同时也就决定了其具有不同的性质。如蒙脱石是2∶1型矿物，晶层间联结弱，结合力小，晶格具有扩展性。伊利石也是2∶1型矿物，但是由于伊利石层间有K+联结，晶层联结较牢固，其分散性和胀缩性较蒙脱石弱。高岭石属于1∶1型矿物，层间结合牢固，晶格无扩展性，其分散性和胀缩性最小。因此，在鉴定土的分散性时，也应当分析土的矿物成分，从微观角度来分析土的分散性产生的内在因素。
　　土样的粘土矿物成分分析试验结果见表3。由表3可见，这9组土样的粘土矿物类型是没有多大区别的，主要成分均是伊利石，其含量占全土的12.4%～26.3%，少量伊利石以伊利石—蒙脱石混层矿物形式存在。蒙脱石的含量较伊利石的少，其含量占全土的4.7%～8.7%，且以伊利石—蒙脱石混层矿物形式存在。其中2、4号中蒙脱石的含量相对较大，分别为8.7%和7.5%，其余7组土样的含量较少。土中蒙脱石的存在是产生分散性的前提条件，从矿物化学角度来说，由于2、4号中蒙脱石的含量较大，所以2、4号土样的分散性应大于其它几组土样。
4 结果与讨论
　　根据当前通用的关于分散性粘土鉴定的5种方法，对9组土样进行试验，试验方法参见文献［5～7］，试验结果见表4。根据判定标准，将5种试验的判断结果列于表5。5种方法判定的结果不尽相同，而且与粘土矿物鉴定结果出现分歧。经过分析，可以从以下几个方面来进行解释。
　　注:土样分散性判断标准:①双比重计试验。非分散土，SCS1时，非分散土，PS13。
　 　4.1 从分散性土的分散性机理考虑
　　分散性土能在纯净水中大部分或全部自行分散成原级颗粒。土在水中分散的实质是土粒间的连接在水的作用下破坏的过程，也是土粒间斥力超过引力，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水流动，为土体的渗透变形和破坏提供了条件。一般认为土具有分散性的3个条件是:
　（1）含有一定量的结构不稳定的粘土矿物，即蒙脱石。蒙脱石类粘土矿物也属于2∶1型矿物，即由2个硅氧四面体夹1个铝氧8面体形成3层矿物，但是片与片之间无K+联结，水可以进入片层之间，使晶体产生很大的体积改变。同时蒙脱石同晶置换较多，产生的负电也较多，需吸附较多的阳离子来平衡多余的负电。故蒙脱石类晶层间联结弱，晶格具有扩展性，具有较大的分散性（Na蒙脱石）和胀缩性（Ca蒙脱石）［8］。
　　（2）胶结物含量不足以抑制膨胀和分散作用。土壤中的胶结物质种类很多，归纳起来，大致有3类，粘粒、有机物质和一些简单的无机胶体［9］。粘粒是一种无机胶体，具有很大的表面积，粘接力很强，如果土体中粘粒含量少，则土体抗冲刷能力低，易分散。有机物质也是一种胶体，往往和粘粒以复合体的形式存在，可以促进团粒的形成，粘粒的分散性随有机质含量的增加而降低。简单的无机胶体主要是氧化铁、氧化铝及其他无机物。它们成胶膜包在土粒的表面，当它们由溶胶转变为凝胶时，把土粒胶结在一起。
　　（3）高pH的碱性介质环境。酸碱度（pH）是土的主要环境因素之一，对土中粘土矿物的形成有一定的影响，一般具碱性或微碱性的土壤环境有利于蒙脱石类粘土的形成，而酸性的条件则易于生成高岭石类粘土矿物。土呈碱性时，土粒表面易于形成扩散双电层使颗粒趋于分散，这种土一般分散度较高，塑性较大，遇水易于膨胀，失水易于收缩［10］。
　　土样中与分散性机理有关的测定结果见表6。由表6可见，2、4、5号蒙脱石的含量多，分别为8.7%、7.5%、7.2%，其余几组中蒙脱石的含量少，为4.3%～7.1%。按照土的分散性机理的第1个条件来说，蒙脱石越多，其分散性应该越大，但由于在2、4、5号其粘粒含量、有机质含量较高，而且pH值较其他几组土样低，这几种因素综合作用，使得土样具有较强的团聚作用，分散性较低，可以抵抗水流的冲蚀，在针孔试验和碎块试验中显示出非分散性土（2号土样为过渡性土）的特征，其余几组则显示出分散性土或过渡性土的特征。
　　 4.2 从判断标准来考虑
　　针孔试验表示分离颗粒所需要的力，碎块试验和双比重计试验表示颗粒的大小和团粒的多少，土的化学试验则表示颗粒之间双电层相互作用。双电层相互作用受矿物成分和土内孔隙水的化学性质的影响，而它又影响分离颗粒所需要的力及颗粒的大小。交换作用力的特性可以用孔隙水的化学指数来表示，如用钠吸附比和钠百分比表示。美国学者谢拉德指出［7］:更好地了解某些例外情况是特别重要的，即有些低钠粘土处于分散性状态，而另一些高钠粘土却是非分散的。这可能是由于土中虽然含有大量的钠离子，促使土样发生分散，但是土样中同时存在大量的钙镁离子和胶结物质，抑制了土样分散，两者相互对土体发生作用，当钙镁离子和胶结物质的抑制作用超过了钠离子的分散作用时，土样呈过渡性或非分散性现象。一些学者研究认为，这种现象主要与其粘土矿物中蒙脱石的种类有关，只有Na蒙脱石具有强分散性，Ca蒙脱石具有部分分散性。
　　双比重计试验（表5）表明，土样处于非分散性或过渡性;碎块试验和针孔试验结果一致，土样分别属于分散性土、过渡性土和非分散性土;交换性钠百分比和孔隙水阳离子试验表明，土样属于非分散性土。碎块试验和针孔试验的结果完全一致，这有3方面的原因，首先是由于碎块试验的土样的含水率和密度与针孔试验的完全相同，其次碎块试验的目的是研究土样在静水中的分散状况，而针孔试验的目的是研究土样在水流冲刷作用下抗冲刷的能力，后者应包括前者，另外，从分散机理来讲，两者皆是由于土样的胶结物和酸碱度作用而引起的。由于针孔试验模拟了土体在集中渗透水流作用下所承受的冲蚀条件，被认为是最可靠的鉴定方法，所以用针孔试验的结果作为最后的判定结果，4、5号土样为非分散性土，2、6、9号为过渡性土，1、3、7、8号为分散性土。
5 结论
　　（1）由于分散性土发现仅有几十年的时间，在国内，其鉴定方法尚不成熟，无一标准规范可依，鉴定标准中的化学指标是否适用尚待继续研究讨论。在目前的几种鉴定方法中，由于针孔试验模拟了土体在集中渗透水流作用下所承受的冲蚀条件，被认为是最可靠的鉴定方法，所以用针孔试验的结果作为最后的判定结果，4、5号土样为非分散性土，2、6、9号为过渡性土，1、3、7、8号为分散性土。
　　（2）目前通用的5种试验鉴定结果，往往会出现不相吻合的现象，尤其是孔隙水可溶盐的分散性鉴定结果，对此，目前主要的做法是从分散性的机理找原因，从而得到比较合理的解释。在今后的试验当中，应当加强对分散性土性质的研究，进一步严格规范各种不同分散性土的分散性判断标准，促进分散性土鉴定试验规程的制定与实施。
　　（3）中国分散性土分布较普遍，黑龙江、新疆、江苏、陕西、山西等省在工程实践中都曾遇到，使用分散性土作为筑坝土料不可避免，只要采取正确的保护措施，能够保证大坝的安全运行。一般来说，保护措施有以下几种:①把大坝包起来，即把低含盐量水和分散性土隔离开来，避免水进入分散性土体内;②改性坝体土质，通过加入石灰等化学物质使得分散性土或过渡性土变为非分散性土;③在防渗体（分散性土）后设置适当级配的砂反滤，以截住坝体细颗粒，使其不流出坝体。在以后工作中，应当重视土—水系统关系研究。
　　参考文献:
　　［1］ SL251—2000.水利水电工程天然建筑材料勘察规程.
　　［2］ 邓铭江，周小兵，万金平等.“635”水利枢纽大坝心墙防渗土料分散性鉴定及改性试验研究.岩土工程学报，2000，22（6）.
　　［3］ 马秀缓，徐又建.青岛市官路水库分散性粘土工程特性及改性试验研究.岩土工程学报，2000，（7）.
　　［4］ 岳宝蓉，金耀华.山西上马水库土坝裂缝原因与防治措施.防渗技术，1998，4（3）.
　　［5］ 王观平，张来文，阎仰中.分散性粘土与水利工程.北京:中国水利水电出版社.1999.
　　［6］ 钱家欢.分散性土作为坝料的一些问题.岩土工程学报，1981，3（1）.
　　［7］ 黑龙江省水利勘测设计院.分散性粘土译文集.1982.
　　［8］ 王观平.粘土矿物与分散性粘土.黑龙江水专学报，1994，（3）.
　　［9］ 朱祖祥.土壤学.北京:农业出版社，1983.
　　［10］ 高国瑞.近代土质学.南京:东南大学出版社，1990.
　　作者简介: 巨娟丽，女，西北农林科技大学水利与建筑工程学院，工程师，硕士研究生。