20世纪50年代,澳大利亚首次发现分散性土的存在,因其在水的作用下会出现土体颗粒分散的显著特点而被称为分散性土^[1-2].分散性土会引起溃坝、路基失稳、管涌等工程危害,如美国俄克拉何马与密西西比两州的土坝^[3]、西班牙的圣胡安水库大坝^[4]、黑龙江引嫩工程^[5]、海南省三亚市的岭落水库^[6]、山西上马水库土坝^[7]都因使用了分散性土作为筑坝土料,从而发生洞穴、管涌及溃坝的危害.因此对分散性土的研究成为近些年岩土工程领域的重要课题之一.

鉴别分散性土的等级是研究这种特殊土的重要前提.目前,由于我国对分散性土的研究起步较晚,尚未进行统一的试验判别标准,用国内常规的土工试验并不能区分非分散性土和分散性土,因此鉴别土的分散等级主要根据美国材料与试验协会(ASTM)制定的试验规程和美国分散性土协会提出的方法来鉴定,即双比重计试验^[8],针孔试验^[9]和碎块试验^[10],交换性钠离子百分比试验^[11]和孔隙水可溶性阳离子试验^[12].众多学者利用这五种判别方法进行分散性土的研究,提出许多宝贵的意见和结论.DJOKOVICC^'等^[13]考虑了土壤压实对分散特性的影响,用针孔法在不同压实度下获得的分散性试验表明压实度对其分散性等级没有显著影响.SIVAPULLAIAH等^[14]通过使用双比重计、收缩龄期极限和无侧限压缩试验后得出后一种方法更准确,通常可用于评估土壤的分散性.PREMKUMAR等^[15]通过针孔试验和碎屑试验测定添加褐煤粉煤灰(BFA)土壤样品的分散特性发现BFA是一种可行的粘合剂,可用于稳定分散性土壤提高其抗侵蚀性.魏迎奇等^[16]通过对试验资料的综合分析得出黏土样的分散性与其物理性指标无关, 但与土的 pH 值有明显关系.樊恒辉等^[17]鉴定了室内四种试验研究方法并得出若四种试验方法鉴定结果出现相互矛盾时应当从土的物理化学性质、矿物成分作进一步的分析.樊恒辉等^[18]根据通过判别分散性土的各种试验方法的特点赋予其不同的权重计算出土样的分散性、过渡性、非分散性的权重来综合判别土的分散性.岳婵等^[19]通过五项分散性鉴别试验以及标准吸湿含水率和pH值的测定得到具有含钠蒙脱石的含量高同时满足土壤发生分散的物质基础和环境条件时土壤才会发生分散.樊恒辉等^[20]应用五种试验方法对大坝心墙土样进行了多种方案的分散性试验及长期渗流条件下的渗透变形试验和盐分运移试验得出的结果表明土样中钠离子和钙镁离子含量多寡和相对含量对粘土分散性具有重要的作用.

众多学者为确定土的分散等级做了大量的工作,其中针孔试验方法能直观地模拟土体在渗透水流的作用下产生的冲蚀现象,定量的判别土样的分散性,具有一定的工程现实意义,被认为是较为可靠的鉴别方法^[21].因此,基于以上研究,本文以陕西泾阳某地区土样为研究对象,利用针孔试验和综合判别标准确定土的分散性.

本研究对50 mm水头下的三组重复试验进行结果分析,拍摄实物土样在固定水头作用固定时间后的侵蚀破坏形态,对侵蚀后孔径尺寸进行观测,记录烧杯所呈溶液分别在侧视、顶视下的浑浊程度,最终进行分散性判别,如表2所示.

50mm水头下的三组试验开始5 min后,水流体积分别为175 mL,180 mL和130 mL,流量分别为0.6 mL/s、0.6 mL/s、0.4 mL/s,远未达到1.0～1.4 mL/s,因此进行下一个5 min.在10 min末,土样1流量达到0.9 mL/s,水流颜色轻微浑浊; 土样2流量达到0.4 mL/s,水流颜色浑浊; 土样3流量达到0.01 mL/s,是因为土样发生了孔道堵塞,但此时水流颜色变得浑浊,因此停止试验.切开试样后测量孔径,土样1、2、3的孔径分别为3～4 mm、4 mm、1.5～2 mm,大于原来孔径的1.5倍,依照第2节的判别标准,将本试验用土列为分散土(D2等级).

表2 针孔试验结果记录表
Tab.2 Record sheet of pinhole test results

从前一章节的试验结果可知,本试验用土为分散土(D2等级).但单一的试验判别难免缺乏说服力,因此为得到更严谨的结论,笔者采用了相同的土样进行孔隙水可溶性阳离子试验,判别结果如表3所示.

表3 孔隙水可溶性阳离子判别结果
Tab.3 Discrimination results of soluble cations in pore water

判别结果依下列公式计算而得.

TDS=C_Na⁺+C_K⁺+C_1/2Ca²⁺+C_1/2Mg²⁺ (1)

PS=C_Na⁺/TDS (2)

式中:C_Na⁺为钠离子含量,mmol/L; C_K⁺为钾离子含量,mmol/L; C_1/2Ca⁺为孔隙水中钙离子含量,1/2mmol/L; C_1/2Mg⁺为孔隙水中镁离子含量,1/2mmol/L; TDS为孔隙水中阳离子含量,mmol/L; PS为钠百分比,%.

以TDS为横坐标,PS为纵坐标在半对数坐标图中绘制PS与TDS关系曲线图.

如图4所示,若土样落在A区,为分散性土; 落在B区,为非分散性土; 落在C区,为过渡性土.因此可以判别本试验用土为分散性土.

图4 土的分散性与TDS、PS的关系
Fig.4 Relationship between the soil dispersion and TDS, PS

为了使针孔试验判别更具说服力,笔者参照了其他学者的试验结果,采用物理性质相近的土样进行比对.若干试验结果列于表4.

结合表格归纳可得针孔试验具有代表性,其工程现实意义十分重要,前人所完成的大部分试验,无论土样差异如何,选用单一的判别方法或综合判别(已有较多不同的试验方法所得结果不完全相符的现象^[26]),都以针孔试验结果为最重要指标之一.

表4 其他试验结果
Tab.4 Other test results

表格所摘取的试验所用土样物理性质与本试验接近,具有对照意义.上述试验判别为过渡性土或非分散性的土样分组中,钠离子的析出浓度及其在可溶性阳离子中的占比低,而本试验土样的钠离子占比高,接近87%,在此笔者认为土中钠离子含量与土体分散性有密切联系.以往一些学者在土体组成影响分散机制上做了大量工作,提出了一系列解释.一类观点是:土体中含有一定量的特定矿物成分,且少胶结物质同时具有较强碱性^[27].笔者认为,这类分散机制解释仍有待完善之处,表格所摘取的试验亦有矿物成分分析,但未发现某种特定矿物对于分散性的决定性意义,相反,矿物成分相差大的土样却表现出相近的分散性.同时,判别为分散性土样的大多具有较强碱性,根据孔隙水阳离子试验分析结果,土体呈碱性与高钠土联系紧密^[28],因而,钠离子对分散机制的影响本质值得进一步探究.也有学者从物理性质及化学性质两个不同的方面来分析分散机制,并认为化学性质的影响在分散性判别中发挥了更强的作用,物理性质则是在非分散性中更为明显,两者作用程度相近时结果为过渡性土,提供了一个更为全面的研究视角.与这类解释相似的是:土体的某些物理组成提供了有利于土体在水中发生分散的,具有一定pH值的液体环境,并且含有大量可交换钠离子等因素^[29],进而加速分散过程^[30]; 矿物组成对分散性的影响不能以含量多少来线性考虑,土体所处液体环境具备一定的pH值与高Na⁺为加剧分散性的本质要素^[31].

本试验对所用土样进行了物理性质分析,且在50 mm水头下进行了多组针孔试验及孔隙水可溶性阳离子成分分析,即得到明晰的判别结果,对照物理性质、钠离子含量相近的其他试验,结果相差不大,同时我们也发现有些试验分组被判别为过渡性或非分散性土.在一定意义上可以说明钠离子占比高、土体呈强碱性是更为重要的影响因素,物理性质不能作为决定性的影响因素,高浓度钠离子的存在及有利于离子交换的矿物组成、化学环境,使得土体颗粒间的排斥势能显著增大.于是,加速了与水体的接触和反应,水体的物理剥蚀及化学侵蚀也得以更快更充分地进行^[32].采取这类解释较为契合本试验结果.本试验仍然具有局限性,针孔试验虽然有效模拟了一定条件下的工程实际情况,但却难以反映最为主要的影响因素,分散机制需要对照大量的相似或对比试验来加以探究.

以陕西泾阳某地区黄土为例进行一系列的针孔试验,判断其分散性,得出以下主要结论:

(1)本次针孔试验选取具有代表性50 mm水头下的三组重复试验结果进行分析,由于流量在试验过程中难以测量准确,所以,在鉴定标准中有时可以不用考虑流量的变化,本次试验仅对水流颜色和针孔侵蚀破坏形态进行分析.三组试验均呈现侧视较浑浊,顶视浑浊程度深,最终孔径为原来的1.5倍,由此得出该土样为D2等级的分散性土;

(2)孔隙水可溶性阳离子试验表明土体在水中分散时,可交换钠离子含量高,达到86.9%,在TDS-PS分区图中划归为分散性土.可能的原因为钠离子含量高时土体颗粒间电子层增厚,排斥力大于粘聚力等吸引力;

(3)针孔试验具有分散性影响因素不凸显,分散机制需要大量对照组加以解释等局限性,应结合更多物理化学成分分析或结合碎块试验、双比重计试验等进行综合分析较宜.孔隙水阳离子试验具有试验结果明确,但同时在分散性土与过渡性土间的区别力度不够,需同其他类型试验相佐证;

(4)本试验中土样分散机制的最重要因素为高浓度可交换钠离子及强碱性环境,矿物组成等其他物理性质不能作为决定性因素,但其创造了合适的化学环境以加快土体在水中的分散过程.