朱艷寶，于仲離，鄭健，蘇安雙，王宇

1.中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080

0 引言

20世紀(jì)30年代美國土壤保持局土壤學(xué)者率先認識到分散性土的存在并提出分散性土的概念。但直到20世紀(jì)50年代澳大利亞、美國等國家修建的一些土壩由于分散性土管涌破壞而垮壩[2]，才引起工程界對分散性土研究的重視。我國黑龍江省70～80年代興建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程時，因采用分散性土填筑而導(dǎo)致輸水渠道出現(xiàn)大量雨水淋蝕洞穴和管涌破壞[3-4]，系我國首次發(fā)現(xiàn)分散性土對工程產(chǎn)生的嚴重破壞，并就此開展了較為系統(tǒng)的研究。此后，在我國吉林、海南、浙江、山東、寧夏、新疆等省和自治區(qū)相繼都有發(fā)現(xiàn)[5-10]，分散性土的判定、治理和工程應(yīng)用研究得到了進一步豐富和發(fā)展。

按照現(xiàn)行《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)中相關(guān)規(guī)定，分散性土不宜作為壩的防滲體填筑料，不得不采用時應(yīng)根據(jù)其特性對采取的相應(yīng)處理措施進行論證；經(jīng)處理改性的分散性黏土僅可用于填筑3級堤壩的防滲體。因此，吉林西部松原地區(qū)蓄水調(diào)蓄工程采用改性分散性土填筑2級均質(zhì)土壩屬于突破行業(yè)規(guī)范規(guī)定的創(chuàng)新設(shè)計，其改性處理效果直接影響整個工程的成敗。本文采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，對不同膠凝材料摻配組合的改性效果進行分析評價，提出土料篩選、膠凝材料優(yōu)選及配合比優(yōu)化建議，為分散性土治理和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 原材料及配合比

試驗所用原材料包括L1、L2料場土樣，以及熟石灰、生石灰和粉煤灰等備選膠凝材料，其中L1料場土樣4種，包括L1-1強分散性土、L1-2強分散性土、L1-3強分散性土和L1-4分散性土，見圖1；L2料場土樣2種，包括L2-1分散性土、L2-2分散性土，見圖2；熟石灰4種，包括熟石灰1(A廠)、熟石灰2(A廠)、熟石灰3(B廠)和熟石灰4(C廠)，見圖3；生石灰1種(C廠)，見圖4；一級粉煤灰1種，見圖5。

圖1 L1料場土樣

圖2 L2料場土樣

圖3 熟石灰

圖4 生石灰

圖5 粉煤灰

以設(shè)計提出的現(xiàn)場碾壓控制參數(shù)作為試驗制樣干密度和含水率，其中L1料場土樣：干密度1.72 g/cm3，含水率15.8%；L2料場土樣：干密度1.68 g/cm3，含水率17.4%。采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，其中石灰和粉煤灰的質(zhì)量摻比為1∶2，石灰和粉煤灰總摻量為6%、8%和10%[11]，配合比設(shè)計見表1。

表1 分散性土改性處理配合比設(shè)計

1.2 針孔試驗方法

針孔試驗[11-12]按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2015)和《Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test》(ASTM D4647/D4647M-13)的相關(guān)要求和方法步驟執(zhí)行，用蒸餾水沿土樣1 mm針孔從水平方向進行50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm四級水頭滲透試驗，模擬土體裂隙在水流作用下的沖刷過程，根據(jù)水色、流量和孔徑的變化判別土樣在控制干密度和含水率條件下的分散性，判別標(biāo)準(zhǔn)見表2，試驗裝置見圖6。

表2 針孔試驗評價土的分散性標(biāo)準(zhǔn)

圖6 針孔試驗裝置

1.3 滲透試驗方法

滲透試驗[13]按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50123—2019)中16.3變水頭滲透試驗相關(guān)要求和方法步驟執(zhí)行，按預(yù)定時間間隔測記水頭、時間的變化和水口的溫度，連續(xù)測記2～3次，變換水頭管水位高度，重復(fù)試驗5～6次，測定土樣在控制干密度和含水率條件下的滲透系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同膠材組合對分散性土的改性效果

表3～表5分別為膠凝材料總摻量為6%、8%和10%的改性分散性土針孔試驗結(jié)果。由表3～表5可知，L1、L2料場的6種分散性土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合下，只有L1-4-1、L1-4-2、L1-4-3、L2-2-生土樣判定為非分散性土，達到預(yù)期改性效果，見圖6。其余土樣未加載到1 020 mm水頭就已發(fā)生沖蝕破壞，水色渾濁、水量超標(biāo)、針孔變大，判定為高分散性土、分散性土或過渡性土。試驗結(jié)果表明，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3能夠有效抑制L1-4土樣的分散性；對于L2-2土樣，生石灰比熟石灰的改性效果更為明顯。

2.2 不同膠材總摻量對分散性土的改性效果

由表3～表5可知，同種膠凝材料摻配組合隨著總摻量的增加，L1-1、L1-2、L1-3土樣的分散性沒有發(fā)生明顯變化，判定為高分散性土或過渡性土；L1-4土樣始終判定為非分散性土；L2-1、L2-2土樣的分散性有所減弱，由分散性土D2或過渡性土ND4轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡性土ND3。試驗結(jié)果表明，摻加6%的膠凝材料就能夠有效抑制L1-4土樣的分散性，達到預(yù)期改性效果；對于L2-1、L2-2土樣，相較于繼續(xù)增加膠凝材料總摻量，采用生石灰替代熟石灰能夠獲得更高的改性效率。

表3 改性分散性土針孔試驗結(jié)果(總摻量6%)

表4 改性分散性土針孔試驗結(jié)果(總摻量8%)

表5 改性分散性土針孔試驗結(jié)果(總摻量10%)

圖7 針孔試驗結(jié)束時土樣孔徑和水色(總摻量6%)

2.3 改性分散性土的滲透性能

表6為膠凝材料總摻量為6%、8%和10%的改性分散性土滲透試驗結(jié)果。由表6可見，L1、L2料場的6種分散性土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合下，滲透系數(shù)均小于1×10-4cm/s，滿足填筑土料設(shè)計要求；同種膠凝材料摻量組合隨著總摻量的增加，其滲透性能沒有發(fā)生明顯變化，大部分試樣的滲透系數(shù)還保持在同一量級。試驗結(jié)果表明，通過摻加膠凝材料進行改性處理對分散性土的滲透性能影響甚微。

表6 改性分散性土滲透試驗結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在室內(nèi)實驗條件下，采用“石灰+粉煤灰”改性處理方案，膠凝材料總摻量控制在6%時，熟石灰1、熟石灰2和熟石灰3均能有效抑制L1-4土樣的分散性，達到預(yù)期改性效果。

(2)對于L2-1、L2-2土樣，相較于繼續(xù)增加膠凝材料總摻量，采用生石灰替代熟石灰進行改性處理，可在最低膠凝材料總摻量下達到預(yù)期改性效果，其改性效率更高。

(3)鑒于其它土樣在不同膠凝材料(石灰+粉煤灰)摻配組合和總摻量(6%、8%、10%)下，改性效果都欠佳，不建議作為填筑土料使用。

(4)本次試驗成果，應(yīng)用于吉林西部松原地區(qū)蓄水調(diào)蓄工程分散性土的改性處理，處理效果良好，為類似工程分散性土的改性處理提供了可靠的基礎(chǔ)資料。