水利工程土样分散性综合判别试验研究

王晓明，赵顺利，2，张晓英，2

(1.江河工程检验检测有限公司，河南 郑州 450003；2.黄河勘测规划研究院有限公司，河南 郑州 450003)

随着水利工程参建各方对勘测设计质量的重视程度日益提高[1]，水利工程中的特殊土类的勘察也日益精细。分散性土作为一种典型的、危害性巨大的土，在实际的工程实践中，通过一系列的工程地质勘察和室内试验等手段，明确工程区的分散性土性质和范围，对于保障工程安全稳定运行具有重要意义[2]。

分散性土的分散特性与土颗粒表面的特殊电化学性质有关，在低含盐量水中，离子间的斥力超过引力，导致土体颗粒迅速分散。分散性土鉴定方法通常是通过野外鉴定和室内试验2种方式来进行，由于野外鉴定分散性土时存在较多的不确定性，具体的分散性土依旧需要结合室内试验做进一步判别[3]。目前国内外常用的分散性土鉴定试验方法主要有碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验、交换性钠百分比试验、旋转圆筒试验、ζ-电位法等[4- 7]，但是单一试验方法均存在一定的局限性，不同试验得出的结果存在较多不一致的情况，因此通过不同试验结果进行分散性土的综合判别则具有更为重要的工程意义[8]。

在具体的国内工程实践中，由于分散性土试验规程的缺乏，导致在具体的试验方法选择和判定标准方面存在较多的不一致，以单一试验方法的分散性土分级而言，存在三分法、四分法、五分法等[9- 10]。对于水利工程而言，GB 50487《水利水电工程地质勘察规范》明确了碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验等4种试验，并强调了综合判别的重要性[11]，进一步的SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》中提出通过三分法，即分散性土、过渡性土、非分散性土进行分类，但是同样未进一步分析综合判别方法[12]。对于具体的水利工程而言，分散性土分为3个级别，基本可以满足工程需求，过多分级容易造成分散性土分析的难度。

鉴于此，针对水利工程规范中明确的试验种类和鉴定级别，在系统分析室内鉴定试验方法的原理和适用特征基础之上，为解决不同试验对分散性判别结果的差异，引入分散性综合判别方法，对土样的分散性进行综合判别，确定土样的分散性级别。并通过10组土样分别开展碎块试验、针孔试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验等室内鉴定试验，进行分散性土综合判别，为工程建设提供技术支撑。

1 分散性土的鉴定方法及适用性

GB 50487明确的试验方法为碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验，为了更适用于水利工程，在4种室内试验具体判断分散性时，按照SL 251—2015制定[11- 12]。

1.1 碎块试验

碎块试验是通过约1cm3的土块在水中的分散现象进行分散性鉴定[4]。具体操作时，可选择纯水，也可选用不同含盐浓度的河水和水库水，综合研究水质对分散性的影响。碎块试验，简单方便，再现性较好，但只是定性的试验手段，准确判断分散性时，需依赖工程师的丰富经验。相关研究结果表明，针对黏粒含量少(<12%)和塑性指数偏低(≤8)的黏性土，适用性较差。由于碎块试验本身的局限性，具体进行分散性土鉴定应用时，通常和其他鉴定方法一起进行综合判别。

1.2 针孔试验

针孔试验通过特制的试验装置进行，典型的装置如图1所示。在不同水头下，依次进行试验要求用水条件下的渗透试验，观察圆柱土样中直径1.0mm针孔在水流情况下的冲蚀特征、水流流量和水流颜色，根据水流和冲蚀特性，进行土样的分散性判别[5]。

图1 针孔试验装置示意图

水利工程中，分散性土的危害更多是渗透水流的作用，针孔试验是这一情况的直观模拟，是动水作用下试样的分散特性和黏粒抗冲蚀性的直接反映，通常被认为是最可靠的鉴定方法。但是对于粉粒、砂粒等含量较多的土而言，由于颗粒间胶结强度较弱，抗冲蚀性较低，通过针孔试验进行试验时，可能存在将其误判为分散性土的可能。此外，由于针孔试验本身并未考虑水利工程中具体构筑物的尺寸、运行状态等特征，也未运用形似理论，因此试验中的数据(流量、冲蚀量、冲蚀形貌)并不能直接为工程使用，主要作为分散性土的判定依据。

1.3 双比重计试验

黏性土以团粒结构为主，遇水不易分解，为获得完整的颗粒分布，颗粒分析试验需采用煮沸+分散剂的方法，使其完全分散。区别于常规黏土，分散性土极易分散，针对此差别，设计了定量的鉴定方法—双比重计试验[6]。具体试验时通过是否采用分散剂和煮沸的方法，进行2次比重计试验来对比颗粒级配。典型的分散剂+煮沸得到的颗粒级配曲线和不加分散剂+不煮沸得到的颗粒级配曲线如图2所示。根据公式(1)计算土样的分散度，并根据分散度进行土样分散性的判断。对于盐渍土而言，含有大量的可溶盐，可溶盐本身的絮凝作用，会导致双比重计试验的误差较大。

(1)

图2 双比重计试验颗粒级配曲线图

1.4 孔隙水可溶盐试验

分散性土的分散特性和其内部的电化学性质直接相关，通过孔隙水可溶盐的性质可以较好地反映土颗粒表面的电化学特性[3]。具体而言就是测定孔隙水中4种阳离子(Ca2+、Mg2+，Na+，K+)，以1/nmmol/L计，计算出阳离子参数，如公式(2)所示。

(2)

式中，TDS—孔隙水中阳离子总量，1/nmmol/L；SAR—钠吸附比；PS—钠百分比，%。

根据试验结果绘制PS—TDS关系曲线图，如图3所示，如果土样的点落在A区，属于分散性土；落在B区，属于非分散性土；落在C区，属于过渡性土。

图3 土的分散性与TDS、PS的关系

2 土样分散性综合判别方法

工程实践中，不同试验方法的进行分散性鉴定的结论并不完全一致，针对试验间的差异，需要进行综合判定。研究结果表明，按照标准化的程序进行综合判定，可明显提升分散性土的判别的准确性。现有的综合判别方法有主要由权重法、评分法、经验公式法等[9]，其中权重法和评分法的效果最佳。但是现有的综合评价方法涉及的试验种类和分级方法与水利工程现行规范并不一致，限制了综合判别方法的应用。以水利工程为切入点，对国内外应用较广泛的综合判别方法进行改良，基于综合判别方法的简便性，过分复杂且参数较多的模型不予采纳，构建的3个综合判别方法如下。

(1)改良后的樊恒辉权重分析(以下简称SFHH权重分析)：原分析方法中，双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换钠离子试验的权重值分别为20%、20%、40%、10%、10%[3]。具体的判别标准：①分散性的权重>50%，则土样判定为分散性土。②分散性的权重=50%，过渡性的权重≥20%，判定为分散性土；反之，为过渡性土。③分散性的权重<50%，“过渡性+分散性”权重≥50%，则为过渡性土，反之，为非分散性土。

水利工程中的部分规范，未涉及交换钠离子试验，考虑到其和孔隙水可溶盐均属于化学方法，将其权重分配给孔隙水可溶盐，修正后的SFHH权重，为双比重计试验20%、碎块试验20%、针孔试验40%、孔隙水可溶性阳离子试验20%。

(2)修正后的Bell和Walker评分表(以下简称SBW评分表)：该评分表将分散性等级分为分散、中等分散、轻微分散、非分散，具体的评分参数涉及针孔试验、交换性钠离子试验、碎块试验、孔隙水可溶性阳离子试验(SAR)、孔隙水可溶性阳离子试验(TDS-PS)[13]。其中分散性等级为四分法，不适用于水利工程，且交换性钠离子试验水利工程中的部分规范未涉及。具体应用时，为和SL 251—2015对应，修正后的SBW评分见表1。

表1 修正后的分散性土BW评分表

具体的评分判别标准修改为:①当总分≥8时，土样属于分散性土。②当总分介于5～7时(包括5和7)，土样属于过渡性土。③当总分≤4时，土样属于非分散性土。

(3)多数一致原则，该分析方法主要针对3～4项试验，超过2组以上测试结果相同，按对应的检测结果判别。此种方法没有考虑不同试验的差异特征，即每个试验权重相等，具体判别时，可按SFHH权重分析的判别标准展开。

3 土样分散性鉴定试验

3.1 土样基本物理力学特性研究

土的基本性质指标是土体分散性研究的基础，可为分散性机理研究提供必要的支撑。对现场所取的10组土样的基本性质试验成果见表2。选取的10组土样均为低液限黏土，结合10组土样的基本性质，4种室内试验鉴定方法均基本适用。

表2 土样物理性质试验成果表

3.2 土样4种室内试验鉴定

对典型10组土样，分别开展碎块试验、针孔试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验。

3.2.1碎块试验

试验所用样品为现场取样后制成的约1cm3的原状土块，最大程度的保持土样的结构与含水率。试验成果表见表3。

表3 土样碎块试验分散性鉴定成果表

10组试样中，2组分散性土，1组过渡性土，7组非分散性土。2组土分散性土样编号分别为F3和F6。F3土样在浸水后土样周围产生云雾状现象，且较为明显；F6土样在水解的过程中产生浑浊水，且较长时间后水色不清。典型分散性土碎块试验如图4所示。

图4 分散性土碎块试验

3.2.2 针孔试验

典型的10组土样针孔试验结果见表4。

由表4可知，10组土样中有2组判别为过渡性土，其余土样均判别为非分散性土。过渡性土样的编号分别为F4和F8，这2组土样的终级水头均为380mm，流出水的颜色轻微浑浊，孔径变大不明显，土样在终级水头下的流量较大，分别为1.80和2.00mL/s，已达到了过渡性土的判别标准。

表4 土样针孔试验分散性鉴定成果表

3.2.3 双比重计试验

双比重计的试验成果表见表5，10组土样中有5组判别为过渡性土，5组判别为分散性土。过渡性土分散度D范围值为32%～48%，分散性土分散度D的范围值为51%～63%。

表5 土样双比重计试验分散性鉴定成果表

3.2.4 孔隙水可溶盐试验

孔隙水可溶盐试验成果见表6，非分散性土钠离子百分比PS范围值为20%～35.8%，共5组，过渡性土钠离子百分比PS范围值为42.0%～56.4%，共5组。

3.3 土样分散性综合判别

通过对选取的10组土样分别进行4种室内试验鉴定，不同判别方法给出的结果差异明显，其中碎块试验和针孔试验鉴定出来的分散特性较弱，双比重计和孔隙水可溶盐试验鉴定出来的分散性更强。在具体的工程应用时，需要结合水利工程的特点提出较为明确的分散性判别结论。按照提出的分散性综合判别的方法对10组典型土样进行综合判别，判别结果见表7。

表6 土样孔隙水可溶盐试验分散性鉴定成果表

表7 壤土层土样分散性综合判别汇总表

具体而言SFHH权重分析和SBW评分法的结论基本一致，多数一致原则的结果差异性较大，根本原因在于多数一致原则忽略了方法上的差异，其中，编号F8的土样，2种方法鉴定结果不一致，从工程安全的角度出发，判别为过渡性土。通过研究发现，综合判别方法中SFHH权重分析和SBW评分法可在水利工程中联合使用，当未开展针孔试验时，优先选用SBW的评分法。实践证明，综合鉴定标准具有较强的可行性，能够减少人为因素的影响，可以科学、定量地综合鉴定土料的分散性。

4 结语

针对水利工程中，分散性土分级特点和鉴定试验特证，构建了土的分散性综合判别方法，解决了碎块试验、针孔试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验等单一分散性鉴定试验的局限性。综合判别方法中，多数一致原则忽略了方法上的差异，可通过SFHH权重分析和SBW评分法在水利工程中联合使用，当未开展针孔试验时，优先选用SBW的评分法。目前分散性土的研究中，开展了大量的分散性土改性研究，部分改性手段对分散性土的综合判别的影响本文未充分考虑，在具体的应用时，可结合改性方法的不同，进一步开展改性土的分散性综合判别研究。