樊恒輝，張 路，楊秀娟，巨娟麗，陳 濤，康順祥

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

分散性土屬于一種水敏性的特殊土，抗水蝕能力很低，容易形成管涌、洞穴、沖溝破壞，對建筑物的安全性造成嚴重威脅。分散性土在世界各地特別是干旱半干旱地區(qū)分布廣泛，在澳大利亞、美國、泰國、印度、西班牙、加拿大、南非、伊朗等國均有發(fā)現(xiàn)，在我國黑龍江、山東、海南、新疆、青海、陜西、山西等地的工程實踐中也有發(fā)現(xiàn)。

人們很早就發(fā)現(xiàn)某些黏性土具有遇水分散的現(xiàn)象，在上個世紀的30年代當(dāng)時的農(nóng)學(xué)家就認識到具有自行分散的土壤存在[1]。分散性土在工程領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)與研究則相對較晚，美國俄克拉荷馬州Wister大壩在1949年第一次蓄水時發(fā)生了嚴重的管涌破壞，Casagrande研究認為該壩采用的防滲土料具有高度分散性[2]。這可能是關(guān)于分散性土修筑堤壩發(fā)生破壞的最早的報道。俄克拉荷馬州從1950年起，修建了1500多座防洪土壩，其中11座在剛蓄水就遭受破壞[3]；另外，該州修建的US 59公路道路路基在雨水作用下沖蝕破壞嚴重，Jeff[4]研究認為其原因是路基采用分散性土造成的。澳大利亞Cole等[5]對澳大利亞西部均質(zhì)壩的管涌情況進行了研究，調(diào)查表明10%以上的土壩事故是由于土體物理化學(xué)變化引起的，而這與土的分散性有關(guān)。Gutiérrez等[6]研究發(fā)現(xiàn)西班牙的San Juan水庫大壩遭受破壞的原因也是由于壩體防滲土料屬于分散性。Aramsri等[7]對泰國灌溉工程的分散性土分布進行了分析。Maharaj等[8-9]提出在南非的許多地區(qū)分布有分散性土，如果在使用前未準確識別并采取適當(dāng)?shù)母男源胧?，則道路路堤會發(fā)生管涌、沖溝和材料損失等嚴重的工程問題。Premkumar等[10]研究發(fā)現(xiàn)即使在路堤土中存在少量的分散性土，也會影響接觸侵蝕破壞。

國內(nèi)，最早開展分散性土的研究工作應(yīng)是黃河水利委員會水利科學(xué)研究所，在20世紀70年代秦曰章[11]采用針孔沖蝕法、化學(xué)浸提液法和崩解試驗三種方法研究了黃河小浪底水庫防滲土料的分散性。在80年代和90年代期間，黑龍江引嫩工程[12]、海南省嶺落水庫[13]發(fā)生洞穴、管涌及潰壩，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)筑壩土料屬于分散性土。從90年代初開始，由于水利工程的發(fā)展，科研工作者結(jié)合工程實踐對黏性土的分散性進行了大量的研究，如河南的陸渾大壩[14]、山西的上馬水庫[15]、新疆的引額濟克(烏)工程[16]、山東的官路水庫[17]、青海的寧木特水利樞紐工程[18]、浙江的天子崗水庫和山東青水庫[19-20]、寧夏的文家溝水庫[21]、馬家樹水庫[22]和南坪水庫[23]、內(nèi)蒙古的東臺子水庫[24]等。從目前的資料分析來看，分散性土在我國分布廣泛，多位于干旱半干旱地區(qū)土體呈堿性的區(qū)域。因此，在工程實踐中應(yīng)重視與研究分散性土。

自20世紀50年代在美國發(fā)現(xiàn)分散性土，并認識到它對堤壩、渠基、邊坡等具有破壞作用后，世界上許多國家的科研工作者對分散性土的產(chǎn)生原因、評價方法、工程特性與應(yīng)用做了大量細致的研究工作，取得了有價值的成果，為認識和評價分散性土提供重要的支撐。本文從分散性土的定義與內(nèi)涵、分散機理、鑒定方法、改性應(yīng)用等方面對近年來在分散性土研究方面的工作做一梳理，并提出研究中存在的若干問題及研究方向。

1 分散性土的定義與內(nèi)涵

分散性土具有遇水分散流失的特征，其抗沖蝕能力很低。分散性土在有的文獻中被稱之為“分散性黏土”。筆者認為可能“分散性土”更為恰當(dāng)，因為“黏土”一詞在土的工程分類中有明確的概念與含義。如果稱之為“分散性黏土”，就會認為“分散性土”屬于“黏土”。分散性土應(yīng)屬于一種“黏性土”，而不是“黏土”。通常所述的黏性土是指液限大于25%，塑性指數(shù)大于6，黏粒含量大于10%的黏質(zhì)土和粉質(zhì)土。為了不產(chǎn)生混淆，建議采用“分散性土”。

在不同的文獻中，分散性土定義與表述有所區(qū)別，不盡一致。如在ASTM標準[25]中，分散性土是一種在低含鹽濃度的水中，不需要明顯的機械輔助作用就能夠容易快速產(chǎn)生分散的土。Stumpf在災(zāi)害百科全書中如此描述：分散性土是易受地下水或表面水高度侵蝕的天然的富含黏粒含量的土[26]。Mohanty等[27]將與水接觸時很容易被迅速沖走的低鹽濃度土稱為分散性土。Djokovic等[28]給出分散性土的定義是：分散性土是一種特殊類型的細粒土，其中黏土顆粒在水的存在下分散(反絮凝)，形成膠體分散體系。

國內(nèi)許多專家學(xué)者亦從不同角度對其進行定義。秦曰章[11]、岳寶蓉等[15]從微觀力學(xué)角度，認為黏性土的分散性是指土體在緩慢流動的水中或在靜水中，由于土粒表面薄膜水的增厚，土粒之間排斥力超過吸引力(范德華力)，使得黏土膠粒進入懸液內(nèi)并產(chǎn)生隨水流沖蝕的現(xiàn)象；劉杰[29-30]、李春萬[31]和崔亦昊等[32]從崩解性質(zhì)角度，認為黏性土的分散性是指在純凈的水中呈團聚體的黏性土能全部或大部分散成原級顆粒的性能；盧雪清[33]等和黨進謙等[34]從工程破壞角度，認為分散性土具有雨水沖蝕流失特征，具體表現(xiàn)為堤壩在低含鹽量滲流水作用下發(fā)生管涌破壞，在雨水作用下發(fā)生淋蝕破壞。

在國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范中，分散性土的定義也有所區(qū)別。《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[35](DL/T 5395—2007)、《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[36](DL/T 5388—2007)和《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[37](SL 251—2000)給出分散性土的定義是：在低含鹽量水中(或純凈水中)離子相互的排斥力超過了相互吸引力，導(dǎo)致土體的顆粒分散的黏性土?！缎⌒退姽こ棠雺菏酵潦瘔卧O(shè)計規(guī)范》[38](SL 189—2013)、《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[39](SL 274—2001)和《巖土工程基本術(shù)語標準》[40](GB/T 50279—98)給出分散性土的定義是：遇水尤其是遇純水容易分散，鈉離子含量較高，大多為中、低塑性的黏土?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)程》[41](GB 50487—2008)給出分散性土的定義是：遇水后即分散成原級顆粒的土?！稁r土工程基本術(shù)語標準》[42](GB/T 50279—2014)給出分散性土的定義是：鈉、鉀離子含量較高，遇水尤其是純水容易分散成散粒結(jié)構(gòu)的土。

由黏性土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)中各組分之間的關(guān)系可知，黏性土顆粒在水介質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)凝聚與分散的現(xiàn)象是土顆粒間的斥力與引力此消彼長的結(jié)果，當(dāng)引力大于斥力時，表現(xiàn)為凝聚；當(dāng)斥力大于引力時，表現(xiàn)為分散。因此，筆者認為分散性土的定義應(yīng)包含以下內(nèi)涵：(1) 在低含鹽量水中或純凈水中表現(xiàn)出分散性；(2) 顆粒間的排斥力超過吸引力，導(dǎo)致顆粒分散；(3) 分散性土屬于黏性土范疇；(4) 在靜水或緩慢流動的水中具有遇水分散流失的工程特性。因此，分散性土的定義應(yīng)為：分散性土是一種在水力坡降很低條件下由于土顆粒間的排斥力超過吸引力而導(dǎo)致土體產(chǎn)生分散流失的黏性土。

2 黏性土的分散機理

分散性土遇水分散流失的特性是自身物理化學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，且受外界水的因素影響，因此它的分散機理比較復(fù)雜。研究表明，影響?zhàn)ば酝练稚⒌囊蛩赜袃?nèi)在因素和外在因素，其中內(nèi)在因素包括土體的含水率、密度等物理力學(xué)性質(zhì)以及陽離子含量與種類、酸堿度、膠結(jié)物、礦物成分等化學(xué)性質(zhì)；外在因素主要是水的離子種類和含量、酸堿度。在這些眾多的因素中，單一的因素在闡述黏性土的分散機理方面顯得“力不從心”，往往需要從多因素角度出發(fā)才能合理解釋黏性土的分散機理。這些因素依據(jù)屬性不同，可歸結(jié)為物理和化學(xué)作用兩個方面，并且在這些因素中還有主要因素和次要因素之分。

Flecther等對美國西南部亞利桑那州一條河谷的土壤流失原因進行了研究，發(fā)現(xiàn)是由于土壤中含有大量交換性的鈉離子而導(dǎo)致土壤產(chǎn)生分散[2]。Ingles等[43]認為，分散性土中的黏土礦物大部分由蒙脫石組成，并且具有高含量交換性鈉離子；孔隙水中所溶解的鈉離子同其他堿性陽離子(鈣和鎂)的相對數(shù)量是決定黏土產(chǎn)生分散管涌程度的一個主要因素；如果土中的黏土顆粒主要由蒙脫石組成，一般都具有高的交換性鈉離子百分比和管涌潛力，某些伊利土也是高度分散性的，在高嶺石組成的黏土中，具有高的交換性鈉離子百分比和高分散性的較少。Sherard等[44]認為，分散性土的分散機理是與土顆粒表面的電化學(xué)性質(zhì)有直接的關(guān)系，并認為分散性土中含有相當(dāng)量的蒙脫石，孔隙水中的鈉離子含量是決定土是否具有分散性的主要因素。Holmgren等[45]認為分散性土是高鈉土。Chorom等[46]認為酸堿度與分散度呈正相關(guān)關(guān)系。Gutiérrez等[6]在研究西班牙的San Juan水庫大壩心墻土料時認為高含量的交換性鈉離子百分比是導(dǎo)致黏性土分散性的原因。

隨著我國水利工程的發(fā)展，20世紀80年代發(fā)現(xiàn)了大量分散性土的存在，并對其進行了深入研究。洪有緯[47]對黑龍江省西部地區(qū)38個取土點采樣分析，發(fā)現(xiàn)分散性土破壞地段的出現(xiàn)與鹽漬土的出現(xiàn)有明顯的一致性，認為鈉離子的存在是分散性土產(chǎn)生分散的主導(dǎo)因素。裘孟辛[48]對黑龍江南引工程圍堤土料和桃山水庫壩料分析，認為鈉蒙脫石的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)會引起黏性土分散，高價離子和粒間膠結(jié)物會引起黏性土絮凝。王幼麟等[49]深入分析了黏土礦物組成、交換性鈉離子、孔隙溶液、pH和分散性的關(guān)系，認為蒙脫石類礦物、吸附性鈉離子含量、孔隙水中鈉離子含量、電解質(zhì)濃度和pH是決定土分散性的重要的物理化學(xué)因素。王觀平[50-52]提出分散性土的分散主要是由水和土兩方面決定。水的鹽濃度是外因，土的內(nèi)在礦物成分是內(nèi)因。只要含有一定量的蒙脫石(南部引嫩工程中蒙脫石含量只有全土的百分之十幾)，且有高含量可交換性鈉的土，就有可能是分散性土。陳式華等[20]、曹挺新[53]和曹敏等[54]研究發(fā)現(xiàn)脫鉀伊利石如果大量吸附鈉離子會具有鈉蒙脫石一樣的高分散性。鄧銘江等[16]、楊昭等[55]和于為等[56]對新疆筑壩土料研究，王立文等[57]對黑龍江水庫壩料研究，一致認為黏性土分散是因為含有一定量的鈉蒙脫石。魏迎奇等[58]認為土的分散性與其顆粒組成、土顆粒相對密度和界限含水率沒有直接關(guān)系，但與pH值有較密切的關(guān)系，分散性土的pH值明顯高于非分散性土，它可作為輔助性的鑒定指標。高明霞等[23]對寧夏南坪水庫筑壩土料進行分散性鑒定試驗，分析認為土樣產(chǎn)生分散的主要因素是蒙脫石和鈉離子較多、土體堿性較強、黏粒含量低。李洪良等[59]采用碎塊試驗研究介質(zhì)環(huán)境中陽離子和酸堿度變化對黏土分散性的影響，認為黏性土產(chǎn)生分散性的必要條件是土體中含有較多的鈉離子和呈強堿性，蒙脫石含量的高低不是分散性土的必要條件。趙高文等[60]應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論對實際工程中123組土樣的物理、化學(xué)和礦物學(xué)性質(zhì)以及土體分散性試驗結(jié)果進行分析，認為單純的高濃度鈉離子不是土體產(chǎn)生分散性的充分條件，不能單純的將鈉離子含量或蒙脫石含量作為預(yù)測和評價土體分散性的指標。

在水質(zhì)對黏性土的分散性研究方面，樊恒輝等[61]、孫曉明等[62]和田堪良等[63]認為土的分散性是決定分散破壞的內(nèi)因，水質(zhì)是決定分散破壞的外因。于潤波等[64]對黑龍江西部引嫩平原許多用分散性土修筑的水利工程進行研究，發(fā)現(xiàn)較純凈的雨水是土體發(fā)生沖蝕破壞的主要因素。這也就揭示了某些大壩的防滲土料為什么是分散性土而大壩仍在安全運行的原因。

由于單一的因素往往不能對出現(xiàn)分散特性的土樣做出合理的解釋，因此有部分專家學(xué)者對分散性土的分散機理從多因素角度進行分析研究。蔣國澄[65]認為分散性土大致要具備3個條件：(1) 含有一定數(shù)量的晶格不穩(wěn)定的鈉蒙脫石類黏土礦物，且交換性陽離子中以鈉為主；(2) 顆粒間沒有足夠抑制土粒分散和膨脹的膠結(jié)物，如有機質(zhì)、碳酸鹽以及游離鐵鋁氧化物等；(3) 不致促進土粒絮凝的堿性及低鹽濃度介質(zhì)環(huán)境。劉杰等[30]認為形成分散性的條件有3個：(1) 含有一定量的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的黏土礦物和交換性鈉離子，即鈉蒙脫；(2) 膠結(jié)物質(zhì)含量不足以抑制膨脹和分散作用；(3) 高pH值的堿性介質(zhì)環(huán)境。樊恒輝等[66]基于土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)的雙電層理論，對土的物理化學(xué)及礦物學(xué)性質(zhì)與分散性之間的關(guān)系進行了研究，認為分散性土的內(nèi)在因素主要有兩種情況，一種情況是土體的黏粒含量較低，由黏粒含量低引起的分散稱之為物理性分散；另一種情況是土體中含有較多的鈉離子和酸堿度呈堿性，而且這兩種因素缺一不可，這種原因引起的分散性稱之為化學(xué)性分散。黏粒含量低、鈉離子含量高和酸堿度呈堿性是黏性土產(chǎn)生分散性的主要原因，其他礦物成分、土體含水率與密度等因素只是表象，而不是主要原因。

綜上所述，分散性土的分散機理是極其復(fù)雜的。研究分散機理對于分散性土的鑒定方法、改性應(yīng)用具有非常重要的理論指導(dǎo)意義。對于物理分散性土而言，主要是土中的膠結(jié)物質(zhì)較低而導(dǎo)致的。土中的膠結(jié)物質(zhì)種類很多，歸納起來，大致有三類，黏粒、有機質(zhì)和一些簡單的無機膠體。黏粒具有很大的表面積，黏接力很強，在土壤的團粒形成中起著重要的作用。良好團粒結(jié)構(gòu)有一定的水穩(wěn)定性。有機質(zhì)同樣也是一種膠體，不僅促進團粒的形成，而且可以降低土體的酸堿度(pH值)。簡單的無機膠體主要是氧化鐵、氧化鋁、碳酸鈣(鎂)及其他無機物。它們成膠膜包在土粒的表面，當(dāng)它們由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z時，把土粒膠結(jié)在一起。在這三類膠結(jié)物中，其中黏粒含量影響最為顯著。黏粒顆粒細小，具有很大的表面積，黏接力很強，與土體的諸多性質(zhì)，如分散性、膨脹性、吸水性、滲透性等有關(guān)。對于化學(xué)性分散性土來說，其分散機理主要依照雙電層理論來解釋。當(dāng)黏土顆粒表面電荷恒定時，擴散層厚度與離子價成反比，與離子濃度的平方根成反比，而與介電常數(shù)和溫度的乘積的平方根成正比。在實際情況下，介電常數(shù)和溫度的變化對雙電層的厚度沒有多大影響，而溶液中離子的濃度和化合價對擴散雙電層的厚度具有明顯的影響。因此，離子價越高，離子濃度越大，擴散層的厚度越薄。一般來說，雙電層越薄，懸浮液中顆粒的絮凝傾向就越大，即顆粒分散性能就越弱。在自然界形成的土體中，陽離子一般包括Ca2+、Mg2+、Na+和K+，其中最重要的是Ca2+和Na+。在濃度、溫度等其它因素相同的條件下，一價Na+的雙電層厚度是二價Ca2+的2倍；此外，在土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)的溶液中水化鈉離子的半徑大于水化鈣離子的半徑。因此，若土樣中含有大量的鈉離子，使得土體顆粒間的排斥力大于吸引力，凈勢能表現(xiàn)為斥力，土體產(chǎn)生分散。酸堿度則通過影響土顆粒表層的電荷數(shù)來影響土顆粒表面的雙電層厚度，堿性越強，土顆粒表面的電荷數(shù)越多，吸附的鈉離子越多，導(dǎo)致雙電層越厚，顆粒間的間距越大，斥力大于引力，顆粒產(chǎn)生分散。因此，從雙電層理論來分析，土體中的鈉離子含量和酸堿度是導(dǎo)致雙電層厚度變化的主要原因，即分散性土產(chǎn)生分散與鈉離子和酸堿度是密不可分的。

需要注意的是，前面討論的分散機理均在靜水環(huán)境下。分散性土的典型工程性質(zhì)是抗沖蝕性差。分散性土遇水發(fā)生分散為原級的黏土顆粒，在水力坡降很低的緩慢流動的水中這些原級的黏土顆粒極易隨水流失，在堤壩內(nèi)部滲流水作用下會發(fā)生管涌破壞，在堤壩表面雨水沖刷作用下會發(fā)生沖蝕破壞，這是分散性土引發(fā)工程破壞的作用機理。目前，對水利工程中分散性土滲透破壞特別是土體內(nèi)部裂縫演變規(guī)律及表面沖蝕破壞研究的文獻較少。

3 分散性土的鑒定方法

常規(guī)的土力學(xué)參數(shù)，諸如顆粒相對密度、顆粒級配、界限含水率、黏聚力、摩擦角等不能反映土體的分散程度。由于分散性土的復(fù)雜性，單一的指標往往也不能準確地鑒定分散性土，目前多采用綜合鑒定方法。這些方法包括野外調(diào)查、室內(nèi)試驗和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷取?/p>

3.1 野外調(diào)查

分散性土的鑒定應(yīng)當(dāng)從野外調(diào)查開始。有分散性土分布的地區(qū)，下雨后路旁的水溝、水坑和河道里流的水都是渾濁的，水流過后水坑里的水仍然是渾的，長久不會澄清。水坑干涸后坑底會留下很細的黏土沉積，干后出現(xiàn)龜裂。在有坡度的地方會出現(xiàn)沖溝和孔洞等異常沖蝕形式的表面跡象(見圖1，圖2)。

圖1852灌區(qū)道路雨后水坑渾濁

3.2 室內(nèi)試驗

(1) 碎塊試驗[67]。將保持天然含水率的土塊或按照試驗要求制成1 cm3左右的土塊，放入盛有約200 ml純水的250 ml燒杯中，浸放5 min～10 min后觀察土塊中膠粒的分散特征(判別標準見表1)。

圖2 龍泉寺水庫壩料場壩坡沖蝕情況

(2) 針孔試驗[68]。針孔試驗是在特制的針孔試驗裝置中，按試驗要求制樣(壓實度控制在0.95以上)，在試樣的中部穿一直徑1.0 mm的軸向細孔，然后用純水(或試驗要求用水)進行沖蝕試驗，分別在50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm水頭下觀察針孔受水沖蝕的情況(判別標準見表2)。

表2 針孔試驗判別標準

(3) 雙比重計試驗[69]。雙比重計試驗是對土樣進行兩次比重計試驗來測定黏粒(<5 um)或膠粒(<2 um)含量，第一次是常規(guī)的加分散劑、煮沸、攪拌的方法，得到一條曲線；第二次不加分散劑，先將土樣放在盛有一定量純水的抽濾瓶中，并與真空泵相連接抽氣10 min，然后把土水懸液沖洗到量筒中，加純水至1 000 ml，倒轉(zhuǎn)量筒30次并來回搖晃，讓黏土顆粒自行水化分散，得到另一條曲線。求得兩次試驗的黏?；蚰z粒含量，計算分散度(判別標準見表3)。

(1)

式中：D為分散度，%；N(m，nd)為沒分散措施的黏?；蚰z粒含量，%；N(m，d)為有分散措施的黏?；蚰z粒含量，%。

表3 雙比重計試驗判別標準

(4) 孔隙水可溶性陽離子試驗[70]。將土樣含水率配到液限，采用抽濾裝置或離心機將土水分離，得到孔隙水溶液，測定其中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量，然后計算出孔隙水可溶性陽離子總量(TDS)、鈉百分比(PS)。

TDS=CCa+CMg+CNa+CK

(2)

(3)

式中：CNa為孔隙水中鈉離子含量，mmol/L；CK為孔隙水中鉀離子含量，mmol/L；CCa為孔隙水中鈣離子含量，1/2 mmol/L；CMg為孔隙水中鎂離子含量，1/2 mmol/L；TDS為孔隙水中陽離子總量，mmol/L；PS為鈉百分比。

判別標準：以TDS為橫坐標，PS為縱坐標在半對數(shù)坐標紙中繪制PS和TDS關(guān)系曲線圖，見圖3。如果土樣的點落在A區(qū)，屬于分散性土；落在B區(qū)，屬于非分散性土；落在C區(qū)，屬于過渡性土。

圖3土的分散性與TDS、PS關(guān)系圖

(5) 交換性鈉離子百分比試驗[71]。本方法是測定土中陽離子交換量(CEC)和交換性鈉離子含量，求出交換性鈉離子百分比(ESP)。

(4)

式中：CNa為交換性鈉離子含量，cmol/kg；CEC為陽離子交換量，cmol/kg。

判斷標準：

ESP=7%～10%，屬中等分散性土；

ESP≥15%，屬高分散性土，即有嚴重管涌的可能性。

由于黏性土的復(fù)雜性，對于同一種土采用上述的5種試驗方法進行鑒定，往往出現(xiàn)結(jié)果相互之間不一致的情況。如何在試驗的基礎(chǔ)上準確鑒定黏性土的分散性是巖土工程師們關(guān)心的另一個主要問題。根據(jù)最后評價時采用的試驗方法多少，分為單一判別法和綜合判別法。單一判別法指以一項試驗結(jié)果作為判別依據(jù)。針孔試驗?zāi)M了土體裂縫在水流作用下的沖蝕現(xiàn)象，試驗過程直觀，一般認為其試驗結(jié)果可靠度高，成為很多學(xué)者判別的主要依據(jù)。付希文等[72]提出在討論靜態(tài)水環(huán)境中土的分散性時，以雙比重計試驗為主；著重考慮水流對渠道邊坡的沖蝕作用時，應(yīng)以針孔試驗結(jié)果為主要判斷依據(jù)。陳勁松等[73]提出以針孔試驗和雙比重計試驗中最不利的試驗結(jié)果進行分散性判別。綜合判別法指通過兩項或兩項以上的試驗結(jié)果綜合分析。綜合判別法又可分為多數(shù)相同法和權(quán)重分析法。付希文等[72]提出在研究土的分散機理時，以針孔試驗與交換性鈉離子百分比試驗為主；曹敏等[54]提出當(dāng)3種或4種試驗方法中有2種判斷為分散時，該土為分散性土。張旭東等[74]以針孔試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合碎塊試驗和雙比重計試驗結(jié)果進行分析，如果針孔試驗判定為分散性土，在碎塊試驗和雙比重計試驗中只要有結(jié)果為分散性土的，則綜合判定為分散土；如果針孔試驗為過渡性土，在碎塊試驗和雙比重計試驗中只要有分散土，則綜合判定為分散性土；如果針孔試驗結(jié)果為非分散性土，在碎塊試驗和雙比重計試驗的結(jié)果中只要有過渡性土的，則綜合判定為過渡性土；否則為非分散土。樊恒輝等[75]賦予雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水可溶性陽離子和交換鈉離子百分比等試驗方法的權(quán)重值，分別取20%、20%、40%、10%、10%。 分散性的權(quán)重大于50%時，土樣屬于分散性土。 分散性的權(quán)重等于50%時，如果過渡性的權(quán)重大于等于20%，則屬于分散性土；反之，則屬于過渡性土。 分散性的權(quán)重小于50%時，如果“過渡性+分散性”的權(quán)重大于等于50%，則為過渡性土，否則屬于非分散性土。通過計算權(quán)重值可以比較客觀定量地評價土的分散性。巨娟麗等[76]也提出了類似的權(quán)重分析法，但是權(quán)重值略有不同。

3.3 判別黏性土分散性的經(jīng)驗公式

根據(jù)黏性土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)的理論，黏性土分散機理包括三個方面，一是黏粒含量低，二是含有大量的鈉離子，三是酸堿度呈強堿性。樊恒輝等[66]基于黏性土的分散機理，構(gòu)建了判別黏性土分散性的經(jīng)驗公式，并提出了物理性分散土和化學(xué)性分散土的分類。根據(jù)黏性土分散性的經(jīng)驗判別公式可對土樣的分散性進行判別，并可分析其分散機理。

F1=4-0.01(2WL+Pc)

(5)

F2=4-0.01(2WL+Pc-Ps)

(6)

F3=4-0.01(2WL+Pc-Ps)+0.1pH

(7)

式中：Fn為土的分散值；WL為液限，%；Pc為黏粒(<0.005 mm)含量，%；Ps為鈉百分比，%；pH為酸堿度。

判別標準：

(1) 如果F1值大于3.26，則土樣屬于物理性分散土；如果F1值小于等于3.26，則繼續(xù)引入鈉離子百分比計算F2值。

(2) 如果F2值大于4.06，土體屬于分散性土；如果小于3.16，屬于非分散性土；如果在3.16和4.06之間，不能確定，則繼續(xù)引入酸堿度計算F3值。

(3) 如果F3值大于4.50，可判別為化學(xué)性分散土；介于4.00和4.50之間，可判別為過渡性土；小于4.00，可判別為非分散性土。

另外，巨娟麗等[77]基于主成分分析法，以影響?zhàn)ね练稚⑿缘奈锢?、化學(xué)及礦物學(xué)指標為基礎(chǔ)，建立了黏土分散性評價模型，對某一水電站12組黏土土樣的分散性程度大小進行了評價，發(fā)現(xiàn)該評價模型的評價結(jié)果與室內(nèi)試驗觀測到的結(jié)果基本一致。

4 工程應(yīng)用

分散性土具有遇水易分散的特性，抗沖蝕能力很低，對水工建筑物安全威脅很大。在實際工程建設(shè)中，采用非分散性土替代分散性土的換土方法是解決分散性土的最簡單、最實用的工程技術(shù)。然而，由于經(jīng)濟成本、環(huán)境保護、施工周期等影響，換土方法具有很大的局限性。因此，在許多情況下對分散性土采用物理保護、化學(xué)改性或綜合處治的措施，提高分散性土的水穩(wěn)性。

物理保護處理方法是指僅涉及物理過程，而沒有化學(xué)過程的處理方法，如采用防滲土工膜將分散性土和水隔離、設(shè)置適當(dāng)級配的砂反濾層截住土體細顆粒等。澳大利亞旗桿心墻壩，挖開至巖面澆筑混凝土齒墻，巖面及齒墻頂都填一層膨潤土，上面仍采用分散性土填筑。巴西的蘇帕雷定柯心墻壩，在心墻下游面設(shè)置了反濾排水豎井處理[78]。中引八干渠工程[79-80]、大慶地區(qū)防洪工程雙陽河水庫均質(zhì)壩[3，35]、新疆三坪水庫心墻壩[35]，對分散性土段采取了土工膜防滲措施處理。山西上馬水庫均質(zhì)壩上游進行了瀝青玻璃絲油氈防滲處理[15]。闞瑞清等[81]對南引17號圍堤0+360段分散性土樣S-4進行改性研究，發(fā)現(xiàn)砂反濾和土工布反濾是防止分散性土工程破壞的有效措施。袁光國等[82]結(jié)合西藏S水電站土石壩工程，對采用分散性土與砂礫石摻合改性后作為心墻防滲體的填筑材料進行了探討，研究發(fā)現(xiàn)在分散性土中摻入級配連續(xù)的砂礫石料，將分散性土改性為寬級配土作心墻防滲體的填筑材料，并作好恰當(dāng)?shù)姆礊V保護，是切實可行的工程措施。Abbasi等[83]提出在分散性土中加入納米黏土可顯著降低其分散性。王志興等[84]根據(jù)北部引嫩總干渠分散性土特征，推薦采取明渠襯砌的隔離方案，即土工膜隔離分散性土與低礦化度水，外部鋪設(shè)混凝土板。

化學(xué)處理方法包含兩個方面，一是改性分散性土，即采用石灰、水泥、粉煤灰、鋁鹽、鈣鹽等材料使分散性土或過渡性土變?yōu)榉欠稚⑿酝?；二是改性水質(zhì)，即在庫水水體中摻加石膏以對水質(zhì)進行改造等。這些改性材料加入水體或土體后，與土體的土顆粒發(fā)生諸如水化水解反應(yīng)、團?；饔?、碳酸鈣反應(yīng)、陽離子交換反應(yīng)等，達到提高分散性土的水穩(wěn)性。洪有緯等[47]、闞瑞清等[81]對南引17號圍堤土料，Roth等[85]對巴西Oxisol黏土，馬秀媛等[17]對青島市官路水庫筑壩土料，李華鑾等[86]對大屯水庫、嶺落水庫、官路水庫筑壩土料，樊恒輝等[22]對寧夏馬家樹水庫筑壩土料，Consoli等[87]對巴拉圭西部某處低塑性土料，張路等[88]和張勇等[89]對黑龍江省灌區(qū)渠基土料，摻入不同比例的石灰進行改性研究，證明了石灰具有很好的改性效果。李興國等[90]對非洲索馬里某經(jīng)援工程4組土料和我國黑龍江某渠道工程4組土料摻加堿性氧化鈣和中性氯化鈣進行研究，發(fā)現(xiàn)兩種鈣鹽只要用量達到要求，都能將分散性土改良為非分散性土，認為摻加堿性氧化鈣有一些副作用，摻加中性氯化鈣效果更好?？娫獎譡91]、楊昭等[55]和鄧銘江等[16]在“635”水利樞紐筑壩土料中摻入額河水、石灰粉及摻入1%的石灰粉和額河水溶液，發(fā)現(xiàn)均能達到改性目的。趙高文等[92]對摻加氯化鋁、氯化鎂、氯化鈣、氧化鈣的改性化學(xué)分散性土的改性效果分析，王中妮等[93]對摻加氯化鋁、三氯乙酸和聚丙烯酰胺的改性化學(xué)分散性土的改性效果分析，嚴應(yīng)佳等[94]對摻加粉煤灰的改性化學(xué)分散性土的改性效果分析，發(fā)現(xiàn)這些改性劑都可以將分散性土改性為非分散性土。陳勁松等[73]對某大壩心墻土料摻加不同比例的水泥或生石灰改性，發(fā)現(xiàn)在水泥摻量3%或者生石灰摻量3%～5%的情況下，基本可以消除土料的分散性。巨娟麗等[76]對大石峽水電站筑壩土料摻入0.26%的氯化鋁或0.35%的氯化鈣改性，發(fā)現(xiàn)分散性改良效果顯著。Haliburton等[95]研究認為熟石灰、硫酸鋁和氯化鈉都是有效的化學(xué)穩(wěn)定劑，可以降低分散性土侵蝕的可能性。Vakili等[96-98]研究了火山灰、ZELIAC(包括沸石、活性炭、石灰、稻殼灰、水泥等天然存在低成本的原料)、木質(zhì)磺酸鹽對分散性土的改性效果。Indraratna等[99-100]和Vinod等[101]研究了木質(zhì)素磺酸鹽和普通硅酸鹽水泥兩種化學(xué)穩(wěn)定劑在分散性土中的作用，結(jié)果表明0.6%水泥對分散性土的穩(wěn)定效果優(yōu)于0.6%木素磺酸鹽。Turkoz等[102-103]研究發(fā)現(xiàn)添加MgCl2溶液可有效改善分散膨脹性黏土、證明了沸石和水泥對分散性土的改性效果。Goodarzi等[104]研究發(fā)現(xiàn)爐渣有很好的改性效果。Savas等[105-106]研究發(fā)現(xiàn)2%石灰和3%天然沸石是降低分散土膨脹壓縮潛力的最有效的穩(wěn)定劑，C類粉煤灰比F類粉煤灰對分散土的穩(wěn)定作用更為有效。Ouhadi等[107]、Jafari等[108]也研究了鋁鹽改性分散性土的效果。澳大利亞班爾加心墻壩[3，35，78]、南引水庫第14號圍堤[57]、麥洛維工程黏土心墻壩[109]、大慶地區(qū)防洪工程兩處分散性土破壞典型段[110]，都是通過在土料中摻入一定量的石灰，使分散性土變?yōu)榉欠稚⑿酝?。在化學(xué)改性分散性土方面的研究與實踐比較多，改造庫水方面的比較少。目前，澳大利亞墨爾本市附近的供水工程系統(tǒng)，澳大利亞卡迪尼亞心墻壩[78]，非洲Senekal心墻壩[9]，都通過將石膏放入水中的辦法，使混濁液絮凝澄清。

綜合處理方法是指分散性土應(yīng)用中既涉及化學(xué)過程，又涉及物理過程的處理方法。美國LosEsteros心墻壩，防滲體下游填筑反濾砂，底部填筑石灰土。澳大利亞基爾莫均質(zhì)壩和瓦蘭心墻壩，上游坡填筑石灰穩(wěn)定土，下游坡腳填筑石灰穩(wěn)定土和礫石排水。阿根廷烏魯姆壩在心墻底部基巖面澆40 cm厚的鋼筋混凝土墊座，其上填2 m厚的摻石灰黏土，心墻上下游坡面增設(shè)5 m厚的砂反濾層。伊朗塔里干土石壩在防滲體上下游填筑反濾砂，底部設(shè)混凝土板，其上填筑石灰土。泰國蘭清格均質(zhì)壩，基礎(chǔ)加截水墻，上游坡設(shè)石灰處理層。泰國會沙韋均質(zhì)壩，用石灰土保護壩坡，壩頂用瀝青護面[3，35]。黑龍江省南部引嫩工程第17號均質(zhì)壩[12，111]，上游坡和壩頂用石灰土處理，下游坡用細砂反濾。Vakili等[97]提出木質(zhì)磺酸鹽和電滲法共同使用可以增強對分散性土的改性效果。

常用的改性材料包括石灰、水泥、粉煤灰和爐渣。這些材料雖然能夠改善土體的分散性，但都具有一定程度的局限，如石灰、水泥會增加土體的脆性；粉煤灰、爐渣等工業(yè)廢棄物由于地域和運距的限制，獲取往往比較困難。另外，這些諸如石灰、水泥等傳統(tǒng)的無機材料在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中，需要消耗大量的能源，造成生態(tài)環(huán)境的破壞。隨著生態(tài)環(huán)境日益受到重視，人們更傾向采用環(huán)境友好、綠色環(huán)保的材料改性土體的不良工程性質(zhì)。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積(Micro-bial Induced Calcium Carbonate Precipitation，簡稱MICP)是目前土體改性研究的熱點之一[112-113]。MICP技術(shù)對于砂土具有較好的固化效果，能夠?qū)⑸巴恋臒o側(cè)限抗壓強度提高到20 MPa以上，滲透系數(shù)降低到處理前的1%，剪切波速提高4倍。但是，由于黏性土的滲透性比較低、菌液及膠結(jié)液滲透慢、微生物繁殖受到影響等原因，MICP技術(shù)在黏性土的應(yīng)用受到一定的限制[114-115]。Moraveja等[116]采用MICP技術(shù)改性分散性土取得了一定的效果，但是發(fā)現(xiàn)無法區(qū)分MICP改性分散性土到底是MICP生成的CaCO3起作用，還是MICP中的原材料CaCl2起作用，因為MICP需要CaCl2提供鈣源，而CaCl2本身就對分散性土具有一定的改性作用。樊恒輝等[117]基于自然界溶洞中鐘乳石和黃土中鈣質(zhì)結(jié)核的形成機理，提出了一種采用巖溶碳酸氫鈣(Calcium Bicarbonate from Karst，簡稱CFK)改性分散性土的方法，并取得了良好的固化效果。

5 結(jié) 語

(1) 分散性土是一種在水力坡降很低條件下由于土顆粒間的排斥力超過吸引力而導(dǎo)致土體產(chǎn)生分散流失的黏性土，屬于一種水敏性的特殊土。根據(jù)分散機理的不同，可將其分為物理分散性土和化學(xué)分散性土。物理分散性土主要由于土體中的黏粒含量較低；化學(xué)分散性土主要由于土體中含有較多的鈉離子和堿性較強。水是黏性土產(chǎn)生分散的誘因，水溶液中離子種類、含量是使土顆粒產(chǎn)生凝聚或分散的根本因素。應(yīng)分析土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)中各部分的關(guān)系，對分散性土的分散機理從理論上做進一步的研究，研究物理分散性土與化學(xué)分散性土對水質(zhì)的不同響應(yīng)特征及其作用機理，重視土顆粒間的雙電層、DLVO理論與斥力和引力關(guān)系等基礎(chǔ)性研究。

(2) 分散性土的鑒定可采用野外勘察、室內(nèi)試驗和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷确椒?。野外勘察主要查看是否具有沖溝和孔洞等異常沖蝕跡象；室內(nèi)試驗主要包括雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水可溶性陽離子和交換鈉離子百分比等試驗；經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^土的液限、黏粒、鈉百分比、酸堿度等參數(shù)計算土的分散值，可判別土樣的分散性及分類。目前以室內(nèi)判別結(jié)果作為最終判別結(jié)果。建議構(gòu)建基于主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等不同數(shù)學(xué)理論的黏性土分散性的預(yù)測模型。

(3) 分散性土的處理方法包括物理處理方法、化學(xué)處理方法和綜合處理方法。物理處理方法主要包括土工膜防滲隔開分散性土和低含鹽量水、設(shè)置適當(dāng)級配的砂反濾截住土體細顆粒等，建議從反濾層的設(shè)計準則和土工布的長期效果兩個方向進行研究，以更好的服務(wù)工程實際?；瘜W(xué)處理方法主要包括摻加石灰、水泥、粉煤灰、硫酸鋁、氯化鈣、氯化鋁等材料使分散性土或過渡性土變?yōu)榉欠稚⑿酝痢＞C合處理方法則是采用物理和化學(xué)方法綜合處理，更好滿足工程建設(shè)需求。建議加強高效、經(jīng)濟、環(huán)保等改性材料的研發(fā)工作。

特邀作者簡介

樊恒輝，博士，研究員，博士研究生導(dǎo)師，中國土木工程學(xué)會土力學(xué)及巖土工程分會青年工作委員會委員，中國土木工程學(xué)會非飽和土與特殊土專業(yè)委員會委員，國際土力學(xué)協(xié)會會員。“第八屆陜西省青年優(yōu)秀科技獎”獲得者。國家自然科學(xué)基金評審的函評專家，《巖土工程學(xué)報》等刊物的審稿專家。

研究方向為特殊巖土工程、環(huán)境巖土工程、生物巖土工程、生土建筑材料等。主持國家自然科學(xué)基金3項，科技部“科技支撐計劃”項目3項，國家重點研發(fā)計劃專題1項，省部級項目3項。出版《分散性土研究》專著1部；在Canadian Geotechnical Journal、《巖土工程學(xué)報》、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》、《巖土力學(xué)》等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇(SCI、EI收錄20余篇)；獲國家授權(quán)發(fā)明專利7項；參編規(guī)范2部。研究成果為指導(dǎo)班多、寧木特、下坂地、大石峽、南坪、文家溝、中阿壩、米林等大壩的工程設(shè)計、施工以及管理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。