某心墙坝土料分散性判别与石灰改性土的性能规律分析

刘彬 杨伟 王宁远 文军 何建新 杨武

关键词：分散性土；改性试验；石灰掺量；陈化时间；物理力学性能

分散性土是一种特殊的黏土，在低含盐量水或纯水中易分解成细小土颗粒使水体浑浊，应用于大坝心墙中会使土体结构发生破坏导致工程失事。20世纪50年代，澳大利亚土工科技人员首先发现分散性土，而后美国工程师发现分散性黏土会对坝体结构产生破坏并开始研究。我国在20世纪80年代初在黄河小浪底河段中发现分散性土的存在。由于许多用分散性土修筑的水利工程在运行后短时间内就会失事，包括分散性黏土心墙破坏引起的渗漏而导致坝体结构破坏，因此分散性土的改性研究变得尤为重要。

目前，关于分散性土改性方法的相关研究有很多，包括粉煤灰、水泥、石灰、木质素、羟基铝溶液、仿岩溶碳酸氢钙，都可将分散性土改性为非分散性土。一些改性材料受高成本、不易拌和、运输条件差等限制，在实际工程中运用较少；石灰是一种经济有效的土质改良材料，产量大、取材便利、价格便宜，很多工程选择石灰作为分散性土改性材料。然而，掺人石灰后的分散性土物理力学性能将随拌和后静置时间（以下称陈化时间）的延长会发生一定的变化，为此本文以坝址区天然河道河水（以下称天然河水）与石灰作为改性材料，探究其对土样分散性的抑制效果，以及不同石灰掺量与陈化时间对改性土界限含水率、击实、压缩、剪切性能的影响，以期为采用石灰改性分散性土的施工方法提供理论及参考。

1土样性质

1.1土样的基本性质

试验土样取自新疆伊犁地区某大坝坝料填筑料场，包含4个钻孔，共15组土样，土样呈浅黄色。经测定，15组土样的基本物理、化学性能指标均值分别见表1、表2。

1.2土样的分散性

采用美国水土保持局（SCS）提出的双比重计试验、针孔试验、碎块试验3种方法进行研究，结合土样的分散机理，碎块试验适用于所有的细粒土，针孔、双比重计试验适用于黏粒（粒径<0.005mm）含量大于等于12%和塑性指数大于4的细粒土．黏粒含量为12%是细粒土产生物理性和化学性分散的界限。在分散性判别中，以碎块试验和针孔试验的判别结果作为综合判别依据，以双比重计试验作为分散机制的解释性试验。具体方法是，对土样先进行密度计试验，当黏粒含量小于12%时，属于物理性分散土（可称之为低黏聚性土），物理性分散土是土颗粒之间黏粒含量小引起的分散，它与化学性分散土最大的不同就是分散颗粒大小不同，物理性分散土虽然抗冲蚀能力低，但是其颗粒以粉粒为主，宜采用碎块试验结果进行评价：当土体黏粒含量大于12%时，属于化学性分散土或物理一化学复合型分散土，需要用碎块试验和针孔试验共同判别：当碎块试验和针孔试验判别结果不一致时，从工程安全的角度考虑，取分散性较强的结果作为最终判别结果。因此，由表3得到上述15组土样分散性的最终判别结果（见表4）。

从表4可以看出，15组土样中含有分散性土，使用该土料进行坝体填筑后，含分散性土的部分抗冲蚀能力很低，在运行中遇到流動的纯水或低含盐量水易发生崩解并被带走，因而有许多用分散性黏土修筑的土坝、渠道及堤防工程在降雨或渗流作用下会产生冲蚀裂隙，在土体中形成孔洞，对工程造成严重破坏，需对其进行改性处理，以天然河水及石灰对土样进行改性研究。

2天然河水对分散性土的影响

结合实际工程情况，首先选取天然河水进行改性研究，探究天然河水对土样分散性的抑制效果：从上述15组试样中选取4组分散性较强的土样，采用蒸馏水与河水两种不同水质进行土样试验，河水的主要化学成分见表5。分别用蒸馏水、河水进行针孔冲蚀试验，并将河水作为浸泡溶液进行碎块试验，分析河水对土料分散性的抑制效果，试验结果见表6。

从表6可以看出，在针孔试验中用河水不能抑制土样的分散性，相比蒸馏水制样与冲蚀，采用河水可以降低其流量、减小孔径：碎块试验中河水能将在蒸馏水中表现为分散性、过渡性的土样全部改性为非分散性土；综合针孔、碎块两种试验，河水在针孔试验过程中，改性不明显，在碎块试验中改性效果较好。由于河水中含有少量的钙、镁等阳离子，会置换土颗粒表面的钠离子，使双电层变薄，增加了土颗粒之间的吸引力，从而降低土样的分散性。由于河水改性效果不佳，因此应采用石灰对分散性土进行改性研究。

3石灰对土样分散性的影响

石灰是一种常用的改性材料，本试验所用石灰产白新疆博乐某公司，主要成分为Ca（OH）2。针对料场备选土料，选出与上述相同的4组土样进行改性研究，称取一定量试样，分别掺人灰土质量比为1%、2%、3%、5%和10%的石灰并拌和均匀，加蒸馏水至最优含水率再次拌匀，浸润24h后按0.96压实度进行制样。从碎块试验中发现，当石灰掺量为1%时，可以消除其分散性。在针孔试验中，当石灰掺量为1%时．2组土样被改性为非分散性土，2组被改性为过渡性土；当石灰掺量为3%、5%、10%时，土样均被改性为非分散性土，见表7。第10组土样试验结果对比如图1～图3所示，从3图中可以看出，石灰对分散性土的改性效果明显，原因是石灰中含有足够的钙离子，易与分散性土中的钠离子进行交换，从而使双电层变薄，增加土颗粒之间的吸引力，抑制了土样的分散。

对比天然河水与石灰两种材料进行改性试验后发现：在碎块试验中，河水与石灰均能将分散性土改性为非分散性土：在针孔试验中，河水改性效果不明显，石灰改性效果显著，因此把石灰作为改性材料进行后续的物理力学性能试验研究。采用上述4组土样进行拌和后，分别掺人1%、2%、3%、5%、10%的石灰，拌匀后加入适量水再次拌匀，密封陈化不同时间，按《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行界限含水率试验、击实试验。

4石灰掺量及陈化时间对分散性土界限含水率的影响

按上述试验方法，分别陈化2、10、24、48、72、120、240、480h，结果见图4～图6。从图4—图6中可以看出，当土样掺人不同质量石灰后，液限增大，当陈化时间为2h时，由26.7%增大至29.2%～30.1%，塑限略有增大：当陈化时间24 h时，土样的液限增大至32.1%～33.0%，塑限随着陈化时间延长逐渐增大；当陈化时间为240、480h时，液限分别增大至34.10～10～34.8%、34.6%～36.2%，塑限分别增大至21.6%～23.4%、22.8%～24.6%。改性前后塑性指数在不同陈化时间内均介于10.7%～16.4%：随着石灰掺量的增加，液限上升，最终趋于某一固定值，塑性指数变化较小，与杨志强研究的低液限黏土加入石灰后的试验结果基本一致。由于掺入石灰后，使其中的钙离子与分散性土颗粒表面的阳离子发生交换，增加了土颗粒之间的吸引力，小颗粒迅速靠拢，并聚集成团粒，随着陈化时间的延长，聚集效果更明显，需要更多的水进行软化分解，从而使改性土液限、塑限值增大。

5石灰掺量及陈化时间对分散性土击实性能的影响

按《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行轻型击实试验后，得出不同石灰掺量的土样最大干密度与最优含水率（见表8）；受材料限制，仅选取不同石灰掺量土样的最优含水进行配置并拌匀，密封陈化时间分别为0、1、2、4、6、8、10、12、24、48、72、120、240、480h，最大干密度试验结果见图7。当土样中未掺加石灰时，随着陈化时间的延长变化不明显；当土样掺人石灰后，最大干密度立即降低，并随石灰掺量的增加呈降低趋势：同一石灰掺量下，陈化24h内无明显变化，当陈化时间超过24h时，最大干密度随着时间的延长而降低、120h后降低速率减缓。土样掺入石灰后，土体中的细颗粒之间形成团粒，增大了孔径，随着时间的延长持续发展，从而导致土样的最大干密度降低。可以看出，在相同石灰掺量下，陈化时间对土的压实性影响显著，在施工过程中，石灰掺入分散性土后宜在24h内完成碾压。

6石灰掺量及陈化时间对分散性土压缩、剪切性能的影响

采用击实后的成型试样，按《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行压缩、直剪试验，压缩试验结果如图8、图9所示。从图8、图9可以看出，未掺人石灰的原土压缩系数、压缩模量随着陈化时间的延长无明显变化；掺入石灰后，压缩系数、压缩模量在72h内变化不明显，当陈化时间超过72h时，压缩性开始增强。石灰掺人土样后，与土颗粒发生反应，改变了土的颗粒级配，降低试样的干密度，随着陈化时间的延长，干密度降低，孔隙增大，导致压缩性提高。

直剪试验结果见图10、图11，从二图中可以看出，当土样掺人石灰后，黏聚力明显增大，内摩擦角减小：且随着石灰掺量的增加黏聚力增大、内摩擦角减小。试样加入石灰后，石灰中的Ca2+与吸附在土粒周围的低价阳离子发生离子交换使得Ca2+约束在土粒表面，土颗粒的双电层被减薄，改变了土的带电状态，交换的结果使得土颗粒迅速靠拢，小颗粒聚集成大颗粒并相互胶合，从而提高了黏聚力。随着石灰掺量的增加，土体中Ca2+含量升高，这种离子交换作用更明显，并随陈化时间的延长持续反应，到120h后开始趋于平缓。

7结论

1）黏粒含量为12%是土样产生物理性和化学性分散的界限；当黏粒含量大于等于12%时，以针孔、碎块试验的结果为依据，当两者结果不一致时，以分散性较强的結果为准：当黏粒含量小于12%时，以碎块试验的结果为准。综合分析，15组土样中分散性土占46.7%。

2）天然河水中钙、镁等高价离子含量较低，对土样的分散性有部分抑制效果，但不能彻底抑制；石灰是一种有效抑制土样发生分散的材料，当石灰掺量大于等于3%时可完全消除分散性。

3）加入石灰后会提高分散性土的液限、塑限、含水率、压缩系数、压缩模量和黏聚力，且随着陈化时间的延长，液限、塑限、黏聚力增大，内摩擦角减小；击实性在24h内无明显变化，而后变差，分散性土宜在加入石灰后的24h内完成碾压。