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另外,在《土工原理与计算》[4]中,将分散性土作为一种特殊土补充于其中,分散性土所占的位置介于黄土与膨胀土之间,有小部分与黄土重叠。
图1.1我国特殊土在塑性图上的分布
已有研究表明,分散性土除具有抗剪强度低、抗渗性能差的性质外,最为明显的一个特性就是分散性,即易被水冲蚀的性质。
分散性土遇到盐浓度低的水,土体表面颗粒会逐渐依次脱落,成为悬液;
如果遇到流动的水,分散性土脱落的土粒会被带走。
根据国外资料[1],当流速大于10cm/s时就会发生冲蚀,冲蚀现象有时比细砂或粉土还严重。
中国水利水电科学研究院岩土所在分散性土的研究成果中也指出“以抗冲刷流速而言,各种类型的分散性土之间并无明显差别,其原因是分散性土颗粒都处于分散状态,被冲刷的颗粒大小基本相同,所以抗冲刷速度也基本相同。
”
分散性土的分散性质主要是由土体自身因素及外部环境因素决定的。
大多数分散性土中含有蒙脱石成分,蒙脱石由于同晶置换的结果会在土体颗粒表面产生负电荷,这样就需要吸附阳离子来平衡电荷,吸附阳离子的蒙脱石颗粒(钠蒙脱)之间引力和斥力同时存在,引力通常不受盐浓度的影响,颗粒表面的双电层随着水中盐浓度的增高而受到压缩,斥力随水中盐浓度的增大而显著减小,但引力却保持不变,在盐浓度达到一定程度以后,斥力小于引力,钠蒙脱土就由分散转为不分散。
然而在盐浓度低的水中,钠蒙脱土的斥力大于引力,使得土颗粒产生分散。
中国水利水电科学研究院岩土所在研究黑龙江省南部引嫩工程的分散性土时,将土分别泡在蒸馏水和北京的自来水中,泡在蒸馏水中的土全部变成浑浊的悬液,而泡在北京自来水中的土两天后现象几乎没有变化,其主要原因是北京的自来水中含盐量较高,而且主要是钙盐。
国内外研究现状
上世纪60年代,在雨水等外部环境因素的作用下,分散性土地区修建的许多水利工程破坏现象严重,这一现象受到了工程界的广泛关注。
澳大利亚率通过大量的调查研究,首次从机理上对分散性土的分散特性进行了阐述。
之后,美国在1971~1972年也开展了广泛的调查研究,研究中提出分散性土的性质与土的物理化学性质及土颗粒表面的电化学性质直接相关;
并指出工程上常用的土工试验方法不能够反映土的化学状态和土颗粒表面的电化学性质,制定出了多种简易有效的分散性土鉴别试验方法(碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验),这些方法对于判别土体是否分散起到了至关重要的作用。
我国于20世纪70年代在黑龙江省松嫩平原水利工程上也发现了分散性土的存在,在深入试验研究的基础上,结合具体工程问题提出了多种防治措施。
综上所述,从国内外已有的研究成果来看主要集中于鉴别方法、分散机理以及工程处理措施三个方面。
1.3.1分散性土鉴别方法研究
分散性土的鉴别,通常是通过野外鉴别和室内试验两方面来进行的。
通过野外调查来鉴别分散性土具有重要作用。
在美国举行的“分散性土管涌及冲蚀”专题讨论会上,专家一致认为鉴别分散性土应当从野外调查开始,通过分散性土地区土体的表观现象作出初步判别。
大量的野外调查研究表明,降雨过后,分散性土地区路旁的水沟、水坑和河道里的水都是浑浊的,水坑里的水很久都不会澄清;
水坑干涸以后坑底会留下很细的粘粒沉积,干燥后呈现龟裂;
有坡度的地方会出现冲沟、孔洞等异常冲蚀形成的表面迹象。
澳大利亚在野外查勘识别分散性土时也总结了一些经验:
“池塘中水如呈蓝色,四周土即为非分散性土;
如呈黄色或者咖啡色,即为胶体溶液,四周土被认为是分散性土;
若池塘边坡上冲沟很多,土也可能具有分散性。
”我国学者王观平结合黑龙江省南部引嫩工程中观察到的一些分散性土的现场特征也做了一些总结:
(1)分散性土地区的集水沟,原本十分整齐的边坡棱角线遭到破坏,出现了大小不同的豁口。
(2)降雨过后,分散性土地区的坝坡出现孔洞和深冲沟。
(3)雨水从坝顶的干缩裂缝、冻缩裂缝和施工各工段接头等薄弱环节处渗入坝体,在坝脚出口处流出物中,较近处为粉粒,较远处为粘粒。
(4)一些草皮护坡坡面,草长得很茂盛,但雨后仍会出现一些孔洞,且孔洞直径一般大于10cm。
以上是分散性土地区野外鉴别时常见表观现象的总结。
但是没有出现上述的表观象并不能够保证土体就是非分散的,还需要结合室内试验做进一步的判别。
早期澳大利亚在分散性土的研究中曾将可交换钠离子百分比作为鉴别分散性土的一种方法,并给出了相关的判别标准,这种方法曾是农业土壤的一种常规试验方法。
20世纪70年代,在分散性土的大量研究中,美国提出了至今国内外一直借鉴与沿用的分散性土鉴别试验方法,主要有碎块试验[5]、针孔试验[6]、双比重计试验[7]和孔隙水可溶盐试验[1]、交换性钠百分比试验、旋转圆筒试验、ζ-电位法等。
其中碎块试验[5]、针孔试验[6]、双比重计试验[7]和孔隙水可溶盐试验[1]是最为常用的方法。
以上这些方法都有给定的判别标准。
我国一些学者在国外研究的基础上对其中的试验方法(主要是针孔试验)结合工程实际也提出了自己的见解。
秦曰章[8-9](1981、1984)提出将针孔试验的原4级水头改为9级水头,认为土的分散性与土的物理指标有着明显的关系,并提出用钠量比判别土的分散性。
1989年,吴中伟[10]提出用高分子材料护面改进针孔试验方法以判别低凝聚性土(这种土易于出现类似分散土的分散性现象)。
樊恒辉[11-13](2001,2003,2005)提出试验用水对针孔试验结果有一定的影响,认为应当在实验室模拟工程实际情况来研究土料的分散性;
研究结果表明,土样冲蚀用水对土样的分散性将产生显著影响,而制样用水则影响较少,并对分散性土专用改性剂作了一定的研究工作。
2003年,杨昭[14]研究了氯盐渍土、硫酸盐渍土对针孔试验的影响,认为前者因其胶结作用,孔径和流量变化不大,但是后者由于膨胀作用,孔径和流量减小。
2008年,魏迎奇[15]通过资料的分析,探讨了目前常用的试验方法的局限性,并提出了提高针孔试验方法的一些建议措施。
1.3.2分散性土分散机理的研究
对于土体的分散机理研究,国内外学者主要是研究土体分散性的影响因素。
目前对土体分散性的影响因素主要集中在土体中的钠离子和蒙脱土两方面。
蒙脱土的矿物晶格是由两片SiO2内夹一片Al2O3所组成2:
1的三层定向排列组构,晶格间以O2-基相连接。
因此,晶格层间结合力极弱,有很大的活动性,水分子可自由进入层间。
另外,钠离子的存在,使土颗粒表面扩散双电层厚度增大,颗粒间斥力大于引力,最终导致土颗粒分散。
对于土体分散的具体影响因素,各国学者都提出了自已的研究成果。
美国研究学者认为,土体的分散主要是由于土体中钠离子导致的;
澳大利亚学者英格尔斯、艾奇逊等则认为,导致土体分散的原因不是钠离子而是与可交换钠离子有关;
以色列关于分散性土机理方面的研究,观点与澳大利亚学者基本一致。
然而,谢拉德认为土体的分散机理不只是由一种因素决定的,而是与土颗粒表面的电化学性质有关。
我国学者对于土的分散性机理也进行了一些研究。
研究结果表明,分散性土的分散,主要是由土中钠离子与蒙脱石相结合生成钠蒙脱石的不稳定结构造成的。
钠蒙脱石具有高度分散性,在水中无需经过任何处理就会很容易地分散成极薄的片,几乎可以接近一个或几个晶胞的厚度。
例如,黑龙江省南部引嫩工程是我国分散性土比较典型的地区,在对其机理研究中发现,土体中蒙脱石矿物成分含量为37%~43%,平均为40.5%,矿物成分以蒙脱石为主;
且大量试验结果表明,90%以上的试样,分散性土孔隙水中钠离子含量在80%以上;
约70%的试样,钠离子含量在90%以上。
例如,武汉地质学院的试验结果是钠离子含量在97%~99%,中国科学院南京土壤研究所对南部引嫩工程17号坝土样的试验结果是钠离饱和土[1]。
另外,研究发现分散性土矿物成分不全是以蒙脱土为主,也有以伊利土为主或伊利土加蒙脱土为主,如棘洪滩水库高塑性土和黑龙江南部引嫩工程分散性土。
就微观结构来说,伊利土与蒙脱土一样,也是2:
1三层定向排列组构,通常伊利土层间结合不是O2-基,而是K+基。
K+连接在晶格中间,虽然连接力比蒙脱土较为牢固,但伊利土是不稳定的中间过渡产物,它可以通过晶层间的扩散或晶格破裂而释放出K+,如土体长期遭淋溶或耕作都能释放出钾。
如果伊利土全部脱钾,其性质与蒙脱土一样,部分脱钾就部分具有蒙脱土性质。
关于分散性土的其它影响因素,国内学者刘杰认为高pH值的碱性介质环境会对分散性土的分散产生促进作用。
王观平认为Ca2+和Mg2+会抑制土体的分散。
1.3.3分散性土工程处理措施研究
分散性土修建的水利工程一旦发生破坏,就会给当地人民的生命及财产安全带来巨大威胁。
如何防范灾难发生,国内外工程人士对其工程处理措施作了积极的探索,结合分散性土的分散机理,从防止分散性土破坏的内外因角度提出了各种有效的方法。
水利工程中对于分散性土的工程处理措施通常有以下四种。
第一,工程隔离措施。
采用防渗土工膜、塑料、橡皮制品等隔水材料,也可以用非分散性土将大坝进行包裹。
第二,水质改造。
将低溶盐库水改造成高溶盐库水,以此来确保大坝安全。
如澳大利亚墨尔本城建局在维多利亚洲卡迪尼亚河修建的大型新的城市供水水库,就是用分散性土筑成的坝。
另外,美国一些工程也曾采用类似的方法对分散性土进行处理。
第三,土质改良。
主要是向土中掺加石灰(消石灰Ca(OH)2或生石灰CaO)或掺加硫酸铝(Al2(SO4)3)等化学药品。
美国俄克拉何马州和密西西比州通过在分散性土中掺加石灰,把分散性土改造成非分散性土,并经过8年的运用,证明是成功的。
此外,工程处理措施还有反滤措施。
主要是在坝后设置砂反滤层来阻止坝体的集中渗流破坏。
1.4土工试验中在的问题
1土工试验的问题
解决土工问题的一般步骤是:
论文单位提出比较原则的要求,论文人员接受土工任务后,向勘探和试验单位下达勘探取样和试验任务。
钻探取样人员往往按照勘测规范的一般要求进行勘探和取样,然后把了解到的情况写成报告连同土样送交试验室。
试验人员则按照《试验规程》来完成试验任务的,而论文和试验人员很少与勘探人员一起参加部分野外鉴别工作,试验计划也不是三方共同制订,这样就会出现一些问题,勘探人员对土层的变化了解的多,但由于对工程情况知道得不多,因此,容易忽略其中很薄的、但对该工程却颇为重要的土层。
在试验过程中,论文人员不是经常到试验室去了解试验方法是否与所采用的论文计算方法相协调或试验细节是否需要改造,他们主要从勘探报告中了解地层情况,从试验报告中选择土性指标作为论文依据建立在这样基础上的论文,难免出差错。
岩土自身的不均匀性,取样、运输过程中的扰动以及试验仪器和操作方法的差异及试验人员的素质不同,使得土工试验中测试的结果存在这样那样的问题,导致测试结果失真,在一定程度上影响工程论文的准确性。
不论是哪个工程,碰到的土都可能有特殊性质,或可能要求进行特种试验,而勘探取样、试验项目和方法都基本相同,试验重点也不太明确。
因此,在某一项工程的土工试验之前,应制订好试验规划,决定哪一些土是主要研究对象,需要测定哪些性质指标,采用哪几种试验才能测得这些指标,选择哪种试验方法最能反映实际情况,至少应进行多少数量的试验,在必要时甚至可推荐《试验规程》中尚未规定的,但更适合该工程的新试验项目,其目的是使试验成果既具有要求的精度,又与论文计算方法相配合,试验计划制订得切合实际,不但能大大提高试验成果的质量,而且可省掉许多不必要的试验工作量。
2土的物理试验问题
2.1在土的物理试验中,比重、密度、含水量是三个最基本的实测指标,用它们可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等指标。
它们的变化,不仅影响其它指标的变化,而且将使土的一系列力学性质随之而异。
因此,准确测定这三项指标,有着重要的意义。
在这三个基本指标中,比重是一个相对稳定的值,它决定于土的矿物成分,一般砂土为2.6~2.69,粉土2.70~2.71,粉质粘土为2.72~2.73,粘土为2.74~2.76,同一地区同一类型的比重基本相同。
值得注意的是当土中含有有机质时,土的比重可降到2.4以下,此时应改用中性液体测定,如煤油、汽油甲苯和二甲苯,并采用抽气法排气。
含水量是最不稳定的,不同的土有不同的含水量,而且由于各种因素,如土层的不均匀,取样不标准,取土器和筒壁的挤压,土样在运输和存放期间保护不当等等,都会影响成果的准确度。
在这些影响因素中,有的属于土样客观存在,有的属于人为造成。
无论属于哪种,都需要试验人员结合实际情况,克服不利因素,准确测出这一指标。
土的密度指标,虽然也是一个变化值,不同的土样密度值不同,但对于某一个土样来说,它的值比较稳定和易于准确测定。
要注意在开土过程中,减少人为因素,保证这项指标试验的准确度。
2.2土的液限与塑限。
液限、塑限分别是细粒土处于可塑状态的上限和下限含水量。
对于工程来说,土的液限、塑限有着比较重要的实用意义,用它可计算塑性指数和液性指数,评价细粒土地基的容许承载力,并可按塑性指数或塑性图进行土质分类。
而当前对土的液限、塑限的测定,存在不少问题。
如:
测定土的液限、塑限时如何选取标准样的问题,规程上大多规定土要过0.5mm的筛孔,才能进行试验。
在实际操作中,有一些土用眼睛观察含有较多砂粒,一旦过0.5mm筛后做试验,测出的土塑性指数可能很大,不能反映土的实际情况。
因此,对于这种土最好能采用筛分法确定砂粒含量,如果砂粒含量已达到确定该土为砂土的标准,那么就不必再做液、塑限试验,反之则可进行相应的液、塑限试验来确定土的名称。
再比如,对于塑性指数小于10的土,以前叫做轻亚粘土、砂土等,而新规程统称粉土。
这种土存在是否会产生液化的问题,就需要根据工程要求,进行相关的粘粒含量测定。
2.3土的物性指标之间的对比分析。
土的物理指标间是相互关联的,因此,当测出这些指标以后,可将其放到一起,进行综合的分析,对其准确性进行判别。
比如,在有些成果中,会出现饱和度超过100%的现象,这就说明,在某些试验数据中,存在误差或者错误,需要根据实际情况进行调整,必要时要重做试验。
再如本来在开土的时候描述土是处在坚硬状态,而测试结果却是土处在流塑状态,液性指数>
1,这种情况,就要对含水量、液限、塑限的测定结果进行复核。
通过一系列对物性指标间关系的统一分析,可使试验成果的精度进一步提高,为工程建设提供准确的数据。
3土的力学试验问题
土的力学试验主要有固结试验和抗剪强度试验。
其测定的力学性指标如粘聚力、内摩擦角、压缩模量和渗透系数等等,用于计算土体强度、变形、渗透及稳定性,是地基基础论文、深基坑边坡支护等论文中很重要的参数值,直接影响论文的可靠、合理及工程的安全和造价。
3.1土的固结试验是测定土体在压力作用下产生变形的过程。
首先要抓好土样的取样、验收和管理工作,注意观察试样是否扰动。
在试验过程中,要严格按国标进行操作,消除各种不利因素。
一旦出现问题要及时解决。
如果在开土记录中写到土质均匀,测出的含水量较低,液性指数<
0.25为硬塑土,而测出的压缩系数却偏大,压缩模量偏小。
这说明试验操作中有错误或误差,要及时查找原因,包括读数记录及仪器设备方面等原因。
如果查不出原因,应通知野外技术人员进行补样。
3.2土的抗剪强度试验是测定土体在外力作用下抵抗剪切破坏的极限能力。
土的抗剪强度是土的重要力学性质之一,粘聚力和内摩擦角是土的抗剪强度指标。
抗剪强度的试验方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压试验。
室内抗剪试验测出c值有时出现异常情况,如c为负值,主要原因在于取标准样时,所取试样的性质相差太大所致,故开样时尽量取同一种性质的土进行试验。
另外,应减少土样在采取、运输、保管及安装仪器等各环节中的扰动。
3.3土的固结试验成果和抗剪强度之间也有着一定的关系。
一般情况下,土的压缩性越高,压缩模量越低,而它的快剪强度则越小。
利用这种关系可以直接判断压缩结果和抗剪结果是否准确。
如要求做固结快剪,这种结果可能就不成立,需按实际测出的强度情况判断。
1.5土的分散性研究中存在的不足
各种鉴别试验方法对于土体是否分散的判定及分散性土分散机理的理论研究都取得了比较丰富的研究成果。
但是分散性土的发现是在20世纪60年代,且分散性土体本身的物理力学性质与一般土体有很大的不同。
因此,土的分散性研究,目前仍然处于起步阶段,本文在总结前人研究成果的基础上,发现以下方面还有待进一步研究和探讨。
(1)分散性土常用鉴别方法的适用条件还不十分清楚。
目前国内外常用的鉴别分散性土的试验方法有碎块试验、针孔试验、双比重计试验和孔隙水可溶盐试验。
各种鉴别试验方法从不同角度都有自己的鉴别标准,就单一试验方法而言,用于鉴别土体是否分散都是可行的。
但在实际鉴别试验过程中,经常会出现各种试验方法鉴别结论不一致,最终综合鉴别结论很难确定,或确定缺乏原则。
因此,很有必要对各种鉴别试验方法的适用条件做进一步的探讨。
(2)分散性土分散机理研究考虑的影响因素不够全面,研究手段还有待丰富。
目前分散性土分散机理的研究主要考虑的是土体本身矿物成分(蒙脱石)和阳离子(钠离子)的影响,对于其它影响因素研究的还较少。
另外,对影响因素的研究通常都是采用地区分散性土进行的。
由于各种影响因素相互掺合在一起,单一因素对分散性的影响很难通过地区分散性土来获取。
因此,采取其它研究手段研究单一因素对土体的分散作用是必要的。
1.6技术路线
本课题的技术路线图如下:
图1.1土样分散性研究技术路线图
2土样的基本性质试验
通过土工试验得到地区天然土样的基本物理化学及矿物成分指标,将其与已有研究成果中分散性土的各项指标进行对比分析,从而对地区天然土样的分散性情况做出初步判定;
同时,地区天然土样的基本性质试验也为最终土样鉴定结果及分散机理研究提供了可靠依据。
2.1土样的基本物理性质及化学性质
(1)土样的基本物理性质
土样的基本物理指标是土样分散性研究的基础,且为后面土样的分散机理研究提供了必要的支撑。
本次试验所选用的土样为黑龙江、新疆等水利工程地区的土样。
土样编号、取土位置及说明如表2-1所示。
表2-1土样外观描述
土样编号
土样位置
土样描述
T1
东北
表观呈黑色,无明显杂质,草根
T2
新疆西郊水库附近
表观呈浅黄色,无明显杂质草根
T3
新疆某地区砖厂附近
呈灰褐色,无明显杂质、草根
表2-2给出了土样的基本物理性质试验结果。
表2-2地区土样基本物理性质试验结果
比重(Gs)
颗粒组成(%)
液限wL(%)
塑限wP(%)
塑性指数(IP)
最优含水率(%)
最大干密度(g/cm3)
自由膨胀率(%)
>
0.075mm
0.075~0.005mm
<
0.005mm
2.71
0.7
70.8
28.5
42.3
20.5
21.8
18.6
1.64
45
2.79
13.7
41.7
44.6
37.8
19.0
18.8
16.9
1.72
5
2.75
7.3
48.1
41.5
19.7
1.67
20
从表2-2中可以看出三种土样的粘粒含量在28.5%~48.1%之间。
各土样的颗粒分析曲线如图2.1所示,从土的液限和塑性指数来看,属于低液限土,其中T1土样的自由膨胀率为45%,大于40%,具有弱膨胀性。
而T2和T3土样的自由膨胀率较小,土样膨胀率较弱。
图2.1各土样的颗粒级配曲线
国内外一些水利工程中分散土的物理性质指标如表2-3所示。
表2-3国内外水利工程分散性土物理性质汇总
工程名称
粘粒含量(%)(<
0.005mm)
黑龙江南部引嫩工程
2.67~2.71
15.0~46.5
20~42
16~24
7~20
—
风城北高水库
14.5~43
22.7~38.9
13.3~18.2
8.9~17
某围涂工程和水库
2.67~2.73
28.2~60.4
28.7~45.7
13.7~22.1
8.2~23.9
非洲巴尔德拉工程
2.69~2.71
19~38
24~37
8~19
山东棘洪滩工程
2.77
42.5~57
43~45.8
26
17~19.8
新疆东大龙口
2.75~2.76
15~18
24~25
8~10
黑龙江安照新河
2.69~2.72
19~26
24~28
10~13
某大坝
2.70~2.72
15.8~25.0
24~2
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