陜北筑壩黃土的分散性判別及其改性研究

任冠洲，李亞軍，張 蕊，徐鐵錚，杜 飛，樊恒輝

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710000；3.西北農林科技大學 巖土工程研究所/特殊巖土博物館，陜西 楊凌 712100)

陜北黃土高原是國家能源化工重要基地，但由于水資源的分布不均，缺水成為制約國民經濟發展的主要因素。因此，發展水利是解決水資源供需矛盾的重要措施。自新中國成立以來，陜西省修建了大量的水利工程，其中均質壩或土石壩大多采用當地廣泛存在的黃土作為防滲材料，但限于當時的科學技術水平，對筑壩黃土的分散性研究并不多。由于近年水利工程管涌、潰壩及其他病害現象的增多，筑壩土料的分散性逐步引起工程界的重視。同時，隨著黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略的實施，水利工程建設迎來了一個快速良好的發展契機。所以，研究黃土的分散性對于指導今后水利工程的設計、施工等具有非常的必要性。

從抗水沖蝕及滲透穩定的角度出發，將細粒土分為分散土、過渡土和非分散土[1]。分散土的抗沖蝕能力很低，在低含鹽量水或純凈水中細顆粒土間的黏聚力大部分甚至全部喪失，土顆粒體自行分散為原級黏土顆粒，易發生表層降水侵蝕和內部管涌破壞等危害[2-5]。有關研究表明[6,7]，細粒土的分散性有內因和外因兩個方面。內因是由土的物理化學性質決定的，物理性質主要是土體中的黏粒含量較低(可稱之為物理性分散)；化學性質主要是土體中含有大量的鈉離子，而且土體呈強堿性，這兩個因素缺一不可(可稱之為化學性分散)；外因是沖蝕水的化學組分和濃度[8-11]。陜北黃土中黏粒含量比較少，主要以粉粒為主[12]，同時由于地下水強烈蒸發的作用，部分黃土出現鈉鹽漬化的特征，引起土體的化學成分及雙電層厚度發生變化，進而導致土體的抗沖蝕性大大降低。已有工程實踐表明，在黃土區的黃河小浪底水庫[13]、王瑤水庫[14]、南坪水庫[15]、黑河水庫[16]、引額濟克(烏)工程[17]、文家溝水庫[18]等防滲土料具有一定的分散性。由此來看，具有分散性的黃土分布比較廣泛，在工程實踐中值得重視與研究，尤其是在黏粒含量較低的陜北區域，更應重視黃土的分散性。

本文采用野外調查分析、經驗公式判別、室內試驗研究等方法對位于陜北黃土區的7座水庫10組筑壩黃土土樣的分散性進行了判別，通過測定土料的黏粒含量、孔隙水可溶性陽離子含量、交換性鈉離子百分比含量和對比分析庫水對土的分散性的影響，闡明分散土產生分散的機理，并采用石灰對其中4組分散性較強的土樣進行改性處理，探討石灰劑量和養護齡期對改性效果的影響。研究結果對于系統了解陜北黃土的分散性并采取合理的處置措施具有重要的理論意義與工程實踐指導價值。

1 試驗材料與研究方法

1.1 土樣的基本性質

土樣的基本物理化學與黏土礦物含量見表1。表1表明，10組土樣的顆粒組成以粉粒為主，黏粒含量較低。從界限含水率來看，都屬于低液限黏土(CL)。X射線衍射分析表明，10組土樣的黏土礦物成分主要為伊利石，占全土的6.7%～13.6%，部分伊利石以伊利石-蒙脫石混層礦物形式存在，蒙脫石含量占全土的1.9%～6.9%，且以伊利石-蒙脫石混層礦物形式存在。

表1 土樣物理化學性質及黏土礦物成分

1.2 水樣的基本性質

庫水水樣化學性質見表2。表2表明，采自2、3、7土樣修建的水庫庫水中含有大量的可溶性鹽分，礦化度較高，酸堿度呈強堿性(8.5～9.5)；其他幾組土樣修建的水庫庫水中礦化度相比來說比較低，酸堿度呈強堿性(8.5～9.5)、堿性(7.5～8.5)或中性(6.5～7.5)。

表2 水樣性質

1.3 研究方法

(1) 土樣的分散性采用野外調查分析[19]、經驗公式判別[6]、室內試驗研究等方法進行。其中室內試驗包括泥球試驗[20]和針孔試驗方法[21]。

(2) 土的分散機理研究試驗采用雙密度計試驗[22]、孔隙水可溶性陽離子含量[23]、交換性鈉離子百分比含量[24]等試驗方法。

2 土的分散性判別

細粒土的分散性評價方法，根據工程的進展程度與重要性，一般可依據野外調查法、經驗公式判別法和室內試驗判別法。

2.1 野外調查分析

分散土的鑒定應當從野外調查開始。分散土的野外調查是初步了解土料特性的必要手段，也是室內試驗判別結果的佐證。如果野外調查的結果與室內試驗結果有出入時，應以室內試驗結果為最終鑒定結果。

分散土分布的地區，下雨后路旁的水溝、水坑和河道里流的水都是渾濁的。水坑里的水長期渾濁，呈黃色或咖啡色。水坑干涸后坑底會留下很細的黏土沉積，干后出現龜裂。分散土坡面在降雨作用下，容易出現沖溝和孔洞等異常沖蝕形式的表面跡象，如通過分散土地區的防洪和灌溉用的挖方渠道以及自然河道，邊坡容易受到沖蝕，溝底容易被掏蝕變深；道路的路基邊坡也容易在雨水的作用下受到侵蝕，表面形成沖溝。在料場如果可看到新鮮的土層斷面或土塊在雨水的作用下仍然基本上保持完好，則土料可能為非分散土。表層土有可能在多年的雨水淋溶和植物覆蓋作用下，其物理化學性質發生變化，如含有較多的有機質，其分散性較弱，表現為非分散土的特征。因此，自然土坡的表層一般不具有分散性。由于分散土的分布有可能呈層狀出現，表層土沒有表面沖蝕跡象并不能保證整個剖面的土體就是非分散土。

對7座水庫筑壩黃土土料場的野外調查分析見圖1。從野外調查來看，這些土料場雖然出現明顯的水土流失特征，但是沒有出現分散土的典型特征，即下雨后路旁的水溝、水坑和河道里流的水雖然渾濁，但是很快就澄清。這些水力侵蝕特征屬于一種黏粒含量較低的土在降雨徑流作用下發生的面蝕或溝蝕。依照野外調查分析，這些土樣應屬于一種過渡土或非分散土。

圖1 部分水庫土料場沖蝕調查照片

2.2 經驗公式判別

樊恒輝等[25]基于細粒土的分散機理，構建了判別細粒土分散性的經驗公式，并提出了物理性分散土(或稱之為低凝聚性土)和化學性分散土的分類。物理性分散土屬于一種由于黏粒含量低引起的分散；化學性分散土是由于土體中含有鈉離子和酸堿度呈堿性引起的分散。根據黏性土分散性的經驗判別公式可對土樣的分散性進行初步判別，并可分析其分散機理。經驗判別公式見下式:

F1=4-0.01(2WL+Pc)

(1)

F2=4-0.01(2WL+Pc-Ps)

(2)

F3=4-0.01(2WL+Pc-Ps)+0.1pH

(3)

式中：Fn為土的分散值；WL為液限，%；Pc為黏粒(<0.005 mm)含量，%；Ps為鈉百分比，%；pH為酸堿度。

土樣分散性經驗判別結果見表3。由表3可看出，土樣2號、3號、4號、5號、9號和10號的F1值大于3.26，因此屬于物理性分散土。剩余的1號、6號、7號和8號土樣的F2值介于3.16和4.06之間，不能確定；F3值介于4.00和4.50之間，可判別為過渡土。由此來看，這10組土樣應屬于物理性分散土或過渡土。

表3 土的分散性經驗公式判別結果表

判別標準：①如果F1值大于3.26，則土樣屬于物理性分散土(或低凝聚性土)；如果F1值小于等于3.26，則繼續引入鈉離子百分比計算F2值。②如果F2值大于4.06，土體屬于分散土；如果小于3.16，屬于非分散土；如果在3.16和4.06之間，不能確定，則繼續引入酸堿度計算F3值。③如果F3值大于4.50，可判別為化學性分散土；介于4.00和4.50之間，可判別為過渡性土；小于4.00，可判別為非分散土。

2.3 室內試驗判別

根據野外調查分析和經驗公式判別，發現筑壩黃土具有物理分散性或過渡性。為了準確判別土樣的分散性，需要通過室內的泥球試驗和針孔試驗做進一步判別。泥球試驗適用于所有細粒土，針孔試驗僅適用于黏粒含量不低于10%的細粒土。當黏粒含量低于10%時，采用泥球試驗的判別結果作為判別依據；當黏粒含量不低于10%時，以泥球試驗和針孔試驗的判別結果做為綜合判別依據；若泥球試驗和針孔試驗出現判別結果不一致時，從工程安全的角度來考慮，取分散性最強的判別結果作為最終判別結果[7]。

此外，根據細粒土的分散機理，將分散土分為物理性分散土、化學性分散土、物理-化學復合性分散土?；瘜W分散土是由于土體中含有大量的鈉離子和酸堿度呈堿性，導致雙電層厚度增大，因此土顆粒分散成原級顆粒；物理性分散土是由于土體中黏粒含量較少，土顆粒間缺乏足夠的膠結物質，導致遇水后出現類似于砂土的特性；物理-化學復合性分散土是兩者兼而有之。為了避免工程界對“分散土”一詞的敏感性，將“物理性分散土”稱之為“低凝聚性土”。

判別分散土的類型，可采用兩種方法進行確定。第一種方法是根據黏粒含量進行區分，即黏粒含量10%是細粒土產生物理性分散的大致界限。當黏粒含量低于10%，如果泥球試驗有分散性，稱之為物理-化學復合性分散土，反之稱之為物理性分散土；當黏粒含量大于10%時，泥球試驗表現為分散性，則稱之為化學分散性土。第二種方法是根據泥球試驗和針孔試驗的結果來區分，當泥球試驗表現為非分散性且針孔試驗表現為分散性時稱之為物理性分散土，當泥球試驗表現為分散性時稱之為化學性分散土。如果土樣為化學性分散土，且黏粒含量低于10%，稱之為物理-化學復合性分散土。

(1) 泥球試驗。土樣泥球試驗結果見圖2、表4。圖2是選取的幾組有代表性的照片。在泥球崩解過程中，土樣3和10在泥球放入水中后崩解速度迅速，土很快擴散到整個杯底，水呈霧狀，經久不清，屬于分散土；土樣2和5在崩解后四周僅有微量渾濁，擴散范圍較小，屬于過渡土；土樣1、4和6、7、8、9沒有分散出膠粒反應，土塊崩解后在杯底以細顆粒狀平堆，水色澄清，屬于非分散土。

(2) 針孔試驗。土樣針孔試驗結果見圖3、表4。圖3是選取的幾組有代表性的照片。由于針孔試驗是模擬在動水作用下土體的抗水蝕狀況，而黏粒含量低于10%的土本身黏聚性較差，很容易被流動的水流帶走流失，所以針孔試驗不適宜于黏粒含量低于10%的土樣。因此，對于黏粒含量低于10%的2、3和7、8、9、10號土樣雖然也做了針孔試驗，但判別結果僅作為參考，不參與綜合判別，僅對黏粒含量大于10%的1、4、5和6號土樣進行判別。在針孔試驗沖蝕過程中，土樣1和6在1 020 mm的水頭下，針孔沒有變化，水樣清澈，屬于非分散土；土樣4和5分別在180 mm、380 mm的水頭下，針孔擴大數倍，水樣渾濁，屬于過渡土。

圖2 土樣泥球試驗照片(純水)

圖3 土樣針孔試驗判別結果(純水)

依據前述的綜合判別準則，在黏粒含量大于10%的1、4、5和6號土樣中，土樣1、6的泥球試驗和針孔試驗的結果均表現為非分散性，所以屬于非分散土；5號土樣的泥球試驗和針孔試驗均表現為過渡性，因此屬于過渡土；4號土樣泥球試驗和針孔試驗不一致，分別表現為分散性和過渡性，該土的黏粒含量10.2%，正好處于物理性分散土的界限，根據前述的第二種判別分散土類型的方法，將4號土樣劃分為低凝聚性土(物理性分散土)。在黏粒含量小于10%的2、3、7、8、9和10號土樣中，土樣3和10由于泥球試驗表現為分散性特征，屬于物理-化學復合性分散土；2號土樣的泥球試驗表現為過渡性，因此屬于過渡土；7、8和9號土樣泥球試驗表現為非分散性土，劃分為低凝聚性土(物理性分散土)。

表4 土樣分散性綜合判別結果(純水)

3 土樣分散機理分析

細粒土產生分散的機理有內因和外因兩個方面，內因主要是土中黏粒含量與土體中鈉離子和酸堿度作用，外因是環境水和土體壓實度的作用。土中的黏土礦物類型與含量和黏土的分散性沒有必然關系[25]。

3.1 土樣分散機理內在因素分析

土的分散性與土體的物理化學性質有直接的關系，主要與黏粒含量、鈉離子和酸堿度等致散因子有關。從物理指標分析，由于黏粒顆粒細小，具有很大的表面積，黏接力很強，可提高土顆粒之間的黏聚性。如果土體中的黏粒含量較低，土顆粒大部分呈單個顆粒形式的存在，當遇到水流沖蝕時，就表現出類似于細砂分散的性質。從化學角度分析，當土體中含有較多的鈉離子且酸堿度呈堿性時，土顆粒帶的負電荷增加，吸附的鈉離子越多，雙電層越厚，土顆粒間的排斥力大于吸引力，凈勢能表現為斥力，懸浮液中顆粒的分散傾向就越大。

表5為10 組土樣的雙密度計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗、交換性鈉離子百分比試驗和酸堿度試驗結果。雙密度計試驗適用于黏粒含量不小于10%的細粒土，孔隙水可溶性陽離子試驗、交換性鈉離子百分比試驗適用于所有細粒土。因此，對于黏粒含量低于10%的土樣，雖然進行了雙密度計試驗，但是未計算分散度，試驗數據僅作為參考。

表5 土樣分散機理內在因素試驗結果

依據分散性判別結果可知，土樣3和10屬于物理-化學復合性分散土。從表5中可知，這兩組土樣的黏粒含量分別是3.6%、5.9%，土體中的鈉百分比分別是87.8%、93.6%，交換性鈉離子百分比分別是29.6%、6.4%，pH值分別是9.11、8.93。由于黏粒含量低于10%，具有物理分散土的特征，同時鈉離子含量很高，而且酸堿度呈強堿性。在泥球試驗中，這2組土樣均表現為分散土特征，因此，這兩組土樣屬于物理-化學復合性分散土。

與呈物理-化學復合性分散的土樣3和10相比較而言，土樣1、2、5、6鈉離子含量比較低，或者酸堿度含量偏堿性，或者黏粒含量高，因此，引起的分散性有限，使得土樣2、5呈過渡性，土樣1、6呈非分散性。由于4、7、8、9土樣黏粒含量低于或略大于10%，土顆粒之間缺少黏聚性，屬于低凝聚性土(物理性分散土)。

從雙密度計試驗結果來看，土樣1、5和6分散度分別為24.4%、19.3%、21.9%，表明這幾組土遇水后自行分散成原級顆粒的能力較低。但是，土樣4的分散度為93.5%，遇水后分散成原級顆粒的能力比較高。出現此狀況，一方面與孔隙水陽離子中鈉離子含量高有關，另一方面可能是因為該土的黏粒含量略大于10%，與雙密度計方法不適用于黏粒含量小于10%的規定有關。

3.2 土樣分散機理外在因素分析

(1) 泥球試驗結果分析

土樣泥球試驗判別結果(庫水)見圖4。

圖4 土樣泥球試驗判別結果(庫水)

(2) 針孔試驗。土樣針孔試驗結果見圖5、表6。圖5是選取的幾組有代表性的照片，與圖3對比可明顯發現，在庫水的沖蝕作用下，黏粒含量大于10%的1、4、5和6號土樣沖蝕狀況沒有改變，依舊分別表現為非分散土、過渡土、過渡土和非分散土。相對而言，黏粒含量小于10%的部分土樣在針孔試驗中，表現為抗水蝕的水頭增大，水流顏色變淺，即抗蝕能力有所增強，但特征不顯著，如土樣3、9。

圖5 土樣針孔試驗判別結果(庫水)

依據泥球試驗和針孔試驗的綜合判別規則可知，在庫水作用下，原呈物理-化學復合性分散土的3、10號土樣由于泥球試驗表現為非分散性，但是由于黏粒含量低于10%，因此轉變為低凝聚性土。同樣，原呈過渡土的2、5號土樣由于泥球試驗表現為非分散性，但由于2號土樣的黏粒含量低于10%，因此也轉變為低凝聚性土；5號土樣的黏粒含量大于10%且針孔試驗表現為過渡性，因此5號土樣仍為過渡土。原呈非分散土的1、6號土樣依舊屬于非分散土。原呈物理性分散土(低凝聚性土)的4、7、8、9號土樣沒有變化。由此來看，在庫水作用下，有1組土樣表現為過渡性，2組土樣表現為非分散性，其他7組土樣均為低凝聚性土。

表6 土樣分散性綜合判別結果(庫水)

由表2可知，7座水庫的庫水中溶解有較多的可溶性鹽分，礦化度較高，尤其是2、3、10號土樣修建水庫的庫水，水樣礦化度在2 033.8 mg/L～5 898.2 mg/L之間。根據雙電層理論可知，高礦化度的庫水使得土顆粒間的雙電層厚度減小，分散性減弱。因此，庫水下泥球試驗均表現為非分散土。相比較而言，針孔試驗的改性程度不是非常明顯，這是因為泥球試驗和針孔試驗分別模擬了靜、動水作用下土的分散與沖蝕特性，兩個試驗反應的特性不同而不同。值得特別說明的是，這也是某些大壩的筑壩土料為什么是分散土而大壩仍在安全運行的原因。

4 石灰改性土試驗

工程實踐表明，石灰加入土中后通過陽離子交換作用、碳酸鈣作用和火山灰作用等，可增強土顆粒間的黏聚力，提高抗水蝕性，對分散土具有良好的改性效果。為了進一步探索石灰處理土樣分散性的效果，本研究選取屬于物理-化學復合性分散的3號和10號土樣、屬于過渡土的2號土樣以及屬于低凝聚土的4號土樣，分析了石灰劑量和養護齡期對改性影響的試驗研究，其結果見圖6—圖8。

4.1 石灰改性土泥球試驗

4組土樣在摻入石灰后，所有劑量和養護齡期下改性土樣的泥球試驗均無膠粒分散出，水色清澈，屬于非分散土。以3號土樣的養護齡期0 d(即攪拌后)為例(見圖6)，可以看出，在靜水條件下，石灰可有效降低土的分散性，由分散土(圖2(b))轉變為非分散土。

圖6 石灰改性土的泥球試驗結果(養護齡期0 d)

4.2 石灰改性土針孔試驗

圖7、圖8為石灰改性的針孔試驗結果?？梢钥闯?，隨著石灰摻量和齡期的增加，4組土樣的改性效果愈發顯著，針孔大小沒有變化，水流清澈。以土樣3為例，當石灰劑量為1%和2%時，在養護齡期達到7 d時還沒有改性效果；當劑量在3%時，養護齡期從0 d增至3 d、7 d，土樣由分散土轉變為過渡土、非分散土；當劑量在4%時，養護齡期在0 d和3 d

圖7 石灰改性土的針孔試驗結果

圖8 石灰改性劑量和齡期與改性效果關系

時土樣為過渡土，7 d轉變為非分散土；劑量5%時，養護齡期在0 d時土樣變為過渡土，3 d、7 d為非分散土。

由石灰改性土的泥球試驗和針孔試驗結果可看出，石灰對分散土及過渡土和低凝聚性土具有很好的改性增強效果，能夠大大提高抗水蝕特性。另外，若以7 d養護齡期的改性結果來評價石灰劑量的大小，則土樣2、3、4、10的石灰最優劑量分別為1%、3%、1%、1%。土樣3摻加石灰劑量多的原因可能和土的顆粒級配、活性二氧化硅、陽離子含量、有機質含量、酸堿度、黏土礦物含量等物理化學及礦物學成分有關，值得進一步研究。

5 結 論

(1) 陜北筑壩黃土大部分由于黏粒含量低而表現為低凝聚性土(物理性分散土)，一部分表現為物理-化學復合性分散土、過渡土及非分散土。同時，由于庫水中礦化度含量較高，有效地抑制了土體的分散性，提高了抗沖蝕性。因此，雖然有些筑壩土料具有一定的分散性，但是在實際情況下，分散性減弱甚至消失，壩體得以安全運行。

(2) 石灰是一種較好的分散土或低凝聚性土改性劑。在新建或病險庫維修改造時，考慮到工程實際施工建設情況，可摻加劑量1%～3%的石灰進行進行改性處理，尤其是在與壩肩接觸、埋置管道等重要部位進行改性換填。

(3) 分散土屬于一種水敏性的特殊土，其分散產生原因既有內部因素又有外部因素，既有物理作用又有化學作用，應分析土-水-電解質系統中各部分的關系，深入研究物理性分散土與化學性分散土對水質的不同響應特征、對反濾層級配大小的影響，以便更好指導工程實踐。