鹽漬土分散性試驗(yàn)的研究

鹽漬土分散性試驗(yàn)的研究

1新疆工程地區(qū)粘土的研究分散的粘土在世界各地都發(fā)現(xiàn)，而且在一些地區(qū)也很常見。20世紀(jì)50年代，首先在澳大利亞發(fā)現(xiàn)，70年代在我國(guó)的黑龍江也發(fā)現(xiàn)了分散性粘土。在進(jìn)行了幾年試驗(yàn)研究后，才逐漸地為工程界所認(rèn)識(shí)。1983年10月在全國(guó)水利工程滲流學(xué)術(shù)討論會(huì)上，劉杰認(rèn)為：粘性土是指塑性指數(shù)大于7，粘粒含量大于10%的土，有分散性和非分散性兩大類。90年代新疆在水利工程實(shí)踐中，遇到了粘土分散性問題，亦開始進(jìn)行其研究工作。由于新疆地區(qū)干旱，各工程筑壩土料基本上都是由風(fēng)化層經(jīng)水流搬運(yùn)至洼地及風(fēng)化的沉積土料，經(jīng)蒸發(fā)形成受高鈉影響的鹽漬土，故對(duì)土料的分散性研究有著其獨(dú)特性。本文從新疆的十幾個(gè)地區(qū)土料中，選取了5個(gè)大型水庫(kù)筑壩土料進(jìn)行分散性研究，著重分析了鹽漬土對(duì)分散性評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。2土料沖蝕和土粒間排斥作用的關(guān)系從國(guó)外資料看，分散性粘土在塑性圖上位置都在A線以上（圖1），屬粘質(zhì)土，分布范圍從低液限粘土（CL）到高液限粘土（CH），根據(jù)《土工原理與計(jì)算》中提供的“我國(guó)特殊土在塑性圖上的分布”圖，新疆5個(gè)工程的土料試驗(yàn)值，所處位置見圖1。依據(jù)新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的幾個(gè)工程的試驗(yàn)資料，絕大部分土的液限WL在20%～35%之間，塑性指數(shù)IP在7～25之間，即在塑性圖上的位置A線以上，絕大部分土料屬低液限粘土CL范圍內(nèi)。粉粒含量大都在40%～75%范圍內(nèi)，因此，決定了新疆土料在判定分散性的沖蝕問題上，要區(qū)別受鹽漬土影響的粉土的沖蝕問題。分散性粘土是土中含有Na蒙脫石的土，蒙脫石由于同晶置換的結(jié)果產(chǎn)生負(fù)電性，要吸附陽離子來平衡電荷，吸附陽離子的蒙脫顆粒在水中的引力與斥力同時(shí)存在，引力不受水中鹽濃度影響，但顆粒表面的雙電層隨著水中鹽濃度的增高而受到壓縮，加上其它因素，斥力隨水中鹽濃度的增大而顯著地減小，在鹽濃度低的水中，Na蒙脫的斥力大于吸力，使Na蒙脫產(chǎn)生分散，在鹽濃度高的水中，斥力隨鹽濃度的增加而減小，但吸引力卻保持不變，在鹽濃度達(dá)到一定程度以后，斥力小于吸力，Na蒙脫就由分散轉(zhuǎn)變?yōu)椴环稚?。土在水中分散?shí)質(zhì)上是土粒間的連結(jié)在水的作用下破壞的過程，也是土料間斥力超過吸引力，使得相互排斥作用占優(yōu)勢(shì)的結(jié)果。在土-水體系中，土粒間排斥作用與土粒表面擴(kuò)散雙電層的發(fā)育程度密切相關(guān)，當(dāng)雙電層充分?jǐn)U展土粒間勢(shì)能較高時(shí)，土-水體系由動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)均不穩(wěn)定的狀態(tài)，變成基本上相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，處于這種穩(wěn)定狀態(tài)的分散土?？梢噪S流水移動(dòng)，為土體的滲透變形和破壞提供了條件。由于分散性土是一種特殊性土，它的性質(zhì)與粘土的物理、化學(xué)狀態(tài)和土顆粒表面的電化學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，用常用的土工試驗(yàn)方法是無法鑒定的。目前，筆者遵循第一次世界性關(guān)于分散性土鑒定學(xué)術(shù)會(huì)議建議的方法，并依據(jù)水利水電工程《天然建筑材料勘察規(guī)程》，對(duì)本地區(qū)土料按4種方法進(jìn)行分散性研究。3新疆地區(qū)土料主要理化性質(zhì)新疆深居內(nèi)陸，地形封閉，氣候干燥，鹽漬土分布廣為。而鹽漬土是指當(dāng)土層內(nèi)所積聚的鹽分開始影響土的物理力學(xué)性質(zhì)時(shí)稱為鹽漬土。鹽漬土隨含鹽量大于30g/kg左右時(shí)，土的物理力學(xué)性質(zhì)將主要取決于鹽的種類及其含量。土本身的顆粒組成將居于次要地位。由表1匯總表可看出，新疆地區(qū)土料基本上屬于氯（亞氯）鹽漬土和硫酸（亞硫酸）鹽漬土。在氯（亞氯）鹽漬土中，各種氯鹽在其含量超過一定的臨界含鹽量時(shí)以晶體狀態(tài)析出，同時(shí)，對(duì)土粒產(chǎn)生膠結(jié)作用。當(dāng)氯鹽含量小于臨界溶解含鹽量時(shí)，則以離子狀態(tài)存在于水中，氯鹽漬土由于土內(nèi)含有較多的一價(jià)鈉離子，因其水解半徑大，水化膨脹力強(qiáng)，故其周圍可形成較厚的水化薄膜。硫酸（亞硫酸）鹽漬土最主要的特性是它的膨脹性，含有硫酸鹽的鹽漬土，在低溫時(shí)，溶解度下降吸水結(jié)晶，體積增大，促使土體膨脹，溫度升高時(shí)，硫酸鹽又脫水，體積變小，致使土體疏松。由表1可知：新疆土料易溶鹽含量為3.1～77.0g/kg，易溶鹽含量較高，pH=7.28～8.7，偏堿性。鈉離子百分比在55%以上，由于高鈉離子的存在，這些都具備了分散性粘土產(chǎn)生的條件。4堿性土壤對(duì)分散的影響4.1．壩堤淋蝕、沖蝕現(xiàn)象嚴(yán)重從表1可知：新疆大部分地區(qū)屬低液限粘土，個(gè)別地區(qū)屬中液限和高液限粘土，塑性指數(shù)大部分在7以上，粘粒含量在10%以上，個(gè)別土料粘粒含量在30%～60%。這些都與東北分散土料較為相似。但在現(xiàn)場(chǎng)中，東北典型分散性土筑成的壩堤淋蝕、沖蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，并形成大小洞穴，表土呈雞爪狀；而新疆土料淋蝕、沖蝕現(xiàn)象不明顯，特別是新疆土料孔隙水中陽離子含量及鈉離子含量是典型分散性土的10倍之多的高鈉土，在土塊試驗(yàn)中無大量的膠體霧狀。新疆筑壩土料基本物理性質(zhì)見表2，將其與東北典型分散性土對(duì)比，見表3。4.2工程地質(zhì)和礦物特征粘土礦物（蒙脫石、高嶺石、伊利石等）是土中物理化學(xué)性質(zhì)活躍的物質(zhì)。由于土中不同類型的粘土礦物，具有不同的晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)，也就決定其具有不同的性質(zhì)。伊利石類粘土礦物屬于2:1型礦物，故其晶層牢固，晶格無擴(kuò)展性，其分散性和脹縮性較蒙脫石??；高嶺石類礦物屬于1:1型粘土礦物，兩片間靠氫鍵結(jié)合在一起，因而其晶層牢固，晶格無擴(kuò)展性，無分散性和脹縮性；蒙脫石礦物屬于2:1型粘土礦物，其層間聯(lián)結(jié)弱，晶格具有擴(kuò)展性，具有較大的分散性（鈉蒙脫石）和脹縮性（Ca蒙脫石）；綠泥石是2:1:1型粘土礦物，由于風(fēng)化作用等因素，使水鎂石層的部分OH-與H+變?yōu)镠2O形成不完整的水鎂石層，因此，具有一定的膨脹性。新疆5個(gè)工程的土料成因不同，因而其成土母巖粘土礦物成份也不相同?！?35”工程土料中鈉蒙脫石占主導(dǎo)作用，自由膨脹率為30%～80%，對(duì)土料的分散起到了重要的促進(jìn)作用。其余4個(gè)工程土料中主要是以伊利石或綠泥石起主導(dǎo)作用，自由膨脹率為5%～60%，土料膨脹力較弱，對(duì)土料的分散無促進(jìn)作用。4.3土料中陽離子含量對(duì)土粒表面雙電層分布的影響在土的固相成分中，粘土礦物是影響分散性特征的重要因素，而孔隙溶液是土-水體系中的分散介質(zhì)，它的成分、濃度及pH值等對(duì)土粒表面雙電層的發(fā)育起著重要作用。當(dāng)孔隙溶液離子成分中Na+離子占優(yōu)勢(shì)時(shí)，交換反應(yīng)使土粒上吸附的Na+離子數(shù)量增大，促使土粒表面雙電層發(fā)育，并向分散性增強(qiáng)的方向發(fā)展。當(dāng)孔隙溶液離子成分中Ca2+離子占優(yōu)勢(shì)時(shí)，則會(huì)壓抑土粒表面雙電層，使之向絮凝方向變化。5個(gè)工程的土料中，Na+離子含量占陽離子總量55%以上，土料呈現(xiàn)分散特征?？紫度芤褐须x子總量（TDS）即電解質(zhì)濃度，也決定著土粒表面雙電層發(fā)育程度和土粒間排斥作用的強(qiáng)弱。一定量的電解質(zhì)濃度，使土粒間排斥勢(shì)能減小，抑制分散。同時(shí)，高pH值有利于土粒表面雙電層發(fā)育和分散作用。5個(gè)工程土料孔隙溶液電解質(zhì)濃度為80～1626.2×10-3mol/L,pH=7.5～8.7，雖然，pH值不高，具有一定量的溶液濃度，但因其鈉離子百分比（PS）大于55%，高鈉離子的存在，不能抑制土粒表面雙電層的發(fā)育，而表現(xiàn)出分散特征。4.4土的物理性質(zhì)性質(zhì)由表1知，5個(gè)工程土料分散度為0～46.5%，易溶鹽含量較高，分散度低，土塊試驗(yàn)無霧狀。但它們之間又有區(qū)別，“635”工程土料粘粒含量為32.7%～60%，易溶鹽含量為3.1～10.2g/kg，土的物理力學(xué)性質(zhì)取決于土本身的顆粒組成及礦物性質(zhì)，同時(shí)，易溶鹽不斷地提供Ca2+，抑制雙電層的發(fā)育，因而，其抗沖蝕能力較強(qiáng)。其他4個(gè)工程土料粘粒含量在13%～25%左右，粉粒含量在40%～70%左右，易溶鹽含量為6.2～77.0g/kg，土的物理力學(xué)性質(zhì)主要取決于鹽的種類及其含量，同時(shí)受到粉粒被沖刷的影響，雖然，土料中易溶鹽也不斷提供Ca2+，但不能抵御鹽漬及粉粒破壞的影響，使土料抗沖蝕能力差。4.5土樣分散特征選取典型代表性土樣：500水庫(kù)，“635”工程的土樣進(jìn)行原樣洗鹽（即降低土樣的含鹽量），加入3%NaCl,5%NaCl分別用蒸餾水、河水進(jìn)行分散性對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表4，取用的河水水質(zhì)分析結(jié)果為：由表4可以看出，(1)隨著易溶鹽增加（加入3%NaCl,5%NaCl）土樣的分散特征較原來的過渡型（或分散性）更顯著，最終水頭降低，抗沖蝕能力較原來更弱。(2)隨著易溶鹽含量的降低（洗鹽），500水庫(kù)土樣分散特征消失，抗沖蝕能力也較原來增強(qiáng)?！?35”工程土樣易溶鹽降低后，土樣分散特征變化不大，說明土樣不受低鹽漬影響，而受土料自身礦物—鈉蒙脫石的影響產(chǎn)生分散特征。(3)土樣無論原樣、洗鹽或加入NaCl，采用河水試驗(yàn)時(shí)，鈉離子百分比都比采用蒸餾水試驗(yàn)時(shí)降低，沖蝕水頭提高，流量減小，抗沖蝕能力提高，河水中Ca2+離子含量占陽離子總量的41%，置換了土粒吸附的Na+離子，對(duì)土料分散起到了抑制作用。(4)土樣無論原樣、洗鹽或加入NaCl，土塊試驗(yàn)均無霧狀。5新疆土料分散性土料成因分析(1）處于干旱地區(qū)的新疆土料，鹽漬含量較高，由于本地區(qū)河流源頭都是融化雪水，水質(zhì)純凈，因受地層溶蝕影響鈣離子含量占陽離子總量的50%左右，甚至更大，同時(shí)本地區(qū)石膏較發(fā)育及可溶性鈣化物的溶解，能使土料中保持一定數(shù)量的鈣離子，抑制土料分散。所以，應(yīng)當(dāng)以工程實(shí)際情況，通過試驗(yàn)研究來確定土樣在實(shí)際所處環(huán)境影響下分散性土料成因條件，更好地為工程設(shè)計(jì)提供確切的試驗(yàn)依據(jù)。(2）由于新疆土料受高鈉離子影響，鈉離子百分比含量高，因而，其土料賦存的地理環(huán)境及成土母巖的礦物組成是促進(jìn)土料分散的