分散性土鉴定试验步骤和计算

第四节 分散性土鉴定试验步骤和计算 定义：分散性土系指土颗粒能在水中散凝呈悬浮状态，被 雨水或渗流冲蚀带走而引起土体破坏的土。 分散性土性状： 自然界某些粘土，可称为“分散性土”，具有被水冲蚀的 现象，甚至比细砂或粉土还严重。 这些粘土的分散性质，主要由于土颗粒之间的排斥力超过 了相吸力（范德华力）。故一旦接触水，土体的表面土粒 逐渐依次脱落，成为悬液。如属流动水，分散土粒即被带 走。 这些粘土的主要特点，在于孔隙水中钠离子数量较多。钠 促使土粒周围双电层水膜增加厚度，因此土粒间相吸力减 小。 促使粘土分散性管涌的另一个主要原因 ， 是决定于水库蓄 水所含不溶解盐类的总量 。 该总量越低 ， 土坝土料的分散 性管涌可能性越大 ， 这是产生离子的 “ 解吸附作用 ” 之故 。 定义 “ 可交换钠离子百分比 ” ESP为 ESP=Na/CEC(100) 式中 Na 可交换钠离子数量 ， 以 100克干土内毫克当量计； CEC 可交换的离子总量 。 当土料 ESP=7 10， 库水相对说比较纯洁 ， 土属中等分散性； 当土料 ESP15， 即有严重管涌的可能性 。 具有较高 ESP值的土坝 ， 当发生集中渗流时 ， 有两种可能 的后果： 如渗水流速极慢 ， 由于流道四周土的膨胀 ， 流 道会逐渐被封闭； 如渗水初速较快 ， 分散土粒被陆续带 走 ， 流道的扩大比土膨胀所引起的封闭为快 ， 于是最后导 致管涌失事 。 ESP值与其他常规土工试验所得指标之间无一定的关 系 。 但是经验表明 ， 管涌失事的土料一般属中等塑性 （ 液限 wL=30 50%） ， 少数也有属高塑性者 。 具有高 ESP值，而且分散性极强的土，所含粘土一般 均属蒙脱土，某些伊利土也有高度分散性，一般来讲， 高岭土 ESP值不高，管涌失事极少。 分散性土调查与评判： 搜集分散性土分布区水文、气象、气候资料，调查土 壤类型，盐碱土分布情况，植物生长情况，土壤水和 潜水状况，自然冲蚀和工程受损破坏情况以及防治分 散性土灾害的工程措施与效果； 查明分散性土形成的地质背景和特征，粘土矿物成份， 化学成份、结构、构造、含盐类型、水盐动态及其与 分散性土形成的关系； 粘土矿物的特性 粘土矿物类型 平均比表面积（ m2/g） 阳离子交换量 塑性指数 压缩指数 高岭石 10 3 20 0.2 伊利石 100 25 50-65 0.6-1 蒙脱石 800 100 100-650 1-6 场强 固定层 扩散层 距离 双电层模型 研究地表水 、 地下水和土壤的水盐动态规律及其与分散性 的关系； 分散性土的判定应以野外调查为主 ， 结合室内试验综合判 定 ， 并应符合以下四种鉴定试验的有关规定； 分散性土工程地质评价 ， 应根据分散性土的矿物成份和化 学成份 、 环境水的化学成份等评价分散性土的分散性及其 对工程的影响 ， 提出防治与处理措施的建议 。 分散性土鉴定步骤： 分散性土目前有四种鉴定的方法： 针孔冲刷试验 、 双比重计分散度试验 、 孔隙水可溶盐 试验 、 碎块试验 。 针孔冲刷试验： 将土样制成 1.5in厚 ， 放置在针孔试验设备中固定好 ， 在土 样中间部位刺一个直径为 1mm的细孔； 安装好所有仪器设备部件 ， 施加 50mm水头； 在常水头作用下 ， 蒸馏水流过土样 1mm直径的细孔 ， 观测 5 10分钟之间出来的水是否带有颜色； 对于分散性土 ， 5 10分钟之间出来的水带有颜色 ， 且细孔 很快被冲蚀扩大；对于非分散性土 ， 即使在 380mm水头 作用下 ， 出水还是洁净的 ， 而且没有冲蚀现象 。 针孔试验评价土的分散性标准 分散性 试验水头 试验持续时间 最终孔径 dz 出水混浊情况 (mm) (min) (mm) 高分散性土 50 10 dz3.0 很混浊 分散性土 50 10 2.0dz3.0 很混浊 过渡型土 180 10 1.5dz2.0 混浊 非分散性土 1020 5 dz1.5 微混浊 针孔冲刷试验示意图如下： 孔隙水可溶盐试验： 土与蒸馏水拌和到接近液限的稠度，再用真空法将孔隙水汲出。测 定孔隙水中四种金属阳离子（钙、镁、钠和钾）总量，称为 TDS， 以每立升中毫克当量计（ meq/l）。可交换钠离子百分数 PS=Na+/TDS 100% ， 判定指标 PS 60%为分散性土。 水头 常水头作用下蒸馏水流入 击实土样 针孔 针孔冲刷试验示意图 双比重计法： 该法也称 SCS（ 即美国土壤保持局 ） 法 ， 其主要步骤是对土 样进行两次比重计试验 。 第一次使用化学分散剂与机械振 动 ， 得曲线 1；第二次不使用化学分散剂及机械振动 ， 得 曲线 2。 两曲线的分歧即代表土的自然界的分散性 。 “ 分 散百分比 ” 的定义是这两曲线在颗粒大小为 0.005mm处的 百分数之比 ， 分散性土通常大于 50%。 碎块试验： 将 1/4 3/8in的一块土 ， 放在盛蒸馏水约 150ml的烧杯中 ， 观 察 5 10分钟 ， 视粘土粒转入胶体悬液的情况 ， 分成下列 四种等级： 等级 1 没有反应 ， 土块在杯底塌散； 等级 2 微有反应 ， 土块表面附近水有混浊； 等级 3 中等反应 ， 容易辨别悬液中的胶体； 等级 4 强烈反应，杯底有一薄层胶体沉淀，整杯水混浊。 第六节 反滤料试验 目的和适用范围：反滤料试验的目的是用以确定在渗透水流作 用下 ， 被保护土的反滤层土样的合理级配 。 适用于无粘性土 。 仪器设备： 垂直渗透变形仪：包括仪器筒、顶盖、底座、透水板及支 架。仪器筒身内径为 20cm和 30cm两种；仪器高度分别为直 径的 3倍和 2倍。顶盖中心为一活塞套。透水板分上透水板和 下透水板，上透水板兼起传递荷载作用。透水板孔径分别为 3、 5、 7mm（在下渗透板之下，也可设置斜透水板，坡度为 （ 1： 1）（ 1： 1.5），用以排除水中含气，斜透水板上端 设有排气孔）。下图为垂直渗透变形仪示意图。 透水板 筒身 垂直渗透变形仪示意图 供水设备：供水箱 、 提升架 、 橡皮管 。 供水箱设置溢流堰 ， 能保持常水头 。 加荷设备：活塞杠 、 加荷框架 、 加荷杠杆和百分表支架 。 量测设备：测压管 、 量筒 、 秒表 、 温度计 、 百分表和测压装 置 。 其他设备：击锤 （ 或振动器 ） 、 台秤 、 天平及标准筛等 。 试验步骤： 进行渗透由上向下试验时 ， 下游溢水箱水面应高于或位于被 保护土和滤层的接触面 。 试验开始时 ， 以相应于 0.1 0.2的渗透坡降的水头作为第一 级水头进行试验 ， 以后每隔 1h加一级水头 。 每抬高一级水头后 ， 隔 30min读数 1次 。 每级水头应测读两 次 。 流量也应进行 2次测量 ， 取其平均值 。 若试样未发生任何变化 ， 流量未随时间增大 ， 测压管无变化 ， 无细粒移动和水色变浑等迹象 ， 即可进行下一级水头的试 验 。 以后各级水头 ， 大致按 0.3、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 3.0、 4.0、 的坡降逐次升高 。 每升高一次水头 ， 均应按 的规 定进行读数 。 在本级水头下 ， 如发现细粒通过接触面跑入滤层 ， 或发现滤 层中的测压管水头差不断增大时 ， 则本级水头和以后步骤 中的每一级水头试验持续时间需延长到 3 4h。 当渗入滤层中细粒停止移动 ， 位于滤层中的测压管水头差不 再继续增大时 。 应继续升高水位 ， 进行下一级水头的试验 ， 不宜中断 。 有下列情况之一者 ， 可以结束试验： 当升高水头后 ， 流量不断变大 ， 被保护土中的渗流坡降减小 。 滤层中的渗透坡降等于被保护土中的渗透坡降。 被保护土为粘质土 ， 渗透坡降大于 50 100时；被保护土 为无粘性土 ， 渗透坡降大于 10时 ， 被保护土仍未破坏 。 试验结束后 ， 应缓慢降低水箱水位 。 以防止上层细粒在停 水过程中掉入下层 ， 或通过透水板掉入下漏斗 。 仪器中水放完后 ， 分层取样 ， 进行颗粒分析 。 在分层取样 时 ， 记录下列现象：滤层淤填厚度 、 接触带变化情况 、 被 保护土中细粒流失粒径 、 流失部位 、 深度等 。 计算和制图 计算公式及有关指标。 干密度： d=md/（ 2h） （ 6-1） 孔隙率： n=1- d/（ wGS） *100 （ 6-2） 式中 md 试样干质量 ， g； r 试样半径 ， cm； h 试样高度 ， cm； d 干密度 ， g/cm3； w 水的密度 ， g/cm3； n 孔隙率 ， %； Gs 土粒比重 。 土粒比重 Gs应为粗细颗粒混合比重，即： Gs=1/（ P1/Gs1+P2/Gs2） （ 6-3） 式中 Gs1、 Gs2 分别为粒径大于和小于 5mm的土粒比重； P1、 P2 分别为粒径大于和小于 5mm土的含量， %。 渗透坡降： i= H/L （ 6-4） 式中 i 渗透坡降； H 测压管水头差 ， cm； L 与水头差 H相应的渗径长度， cm。 渗透流速： =Q/A （ 6-5） 式中 Q 渗流量， cm3/s； A 试样面积， cm2； 渗透流速， cm/s。 渗透系数： kT= /i （ 6-6） 绘制被保护土的 lgi lg曲线和 t曲线。 绘制被保护土和滤层在试验前后的颗粒级配曲线，用以确定从被保护 土层中带出的土粒量及滤层内淤填量。 渗透变形及反滤层试验记录表 表 6.0.1 工程编号 试样质量（ mg） 土粒比重 Gs 反滤层层数 土样编号 试样面积 A（ cm2） 试样不均匀系数 Cu 反滤层厚度（ cm） 土样采集点 试验前试样高度 h （ cm） 曲率系数 Cc 反滤层中值粒径D 50mm 土样类别 试验后试样高度 h （ cm） 试样中值粒径 d50（ mm） 反滤层不均匀系数C u=D60/D10 试验组次 试样干密度 d （ g/cm3） 骨架粒径（ mm） 荷载 P（ Pa） 渗流方向 试样孔隙率 n（ %） 填料含量 Pz（ %） 接触面下移距离（ mm） 试 验 次 数 记 录 时 间 h 测 压 管 编 号 测 压 管 读 数 测 压 管 水 位 差 h 测 压 管 距 离 L 渗 透 坡 降 渗 水 量 时 间 t 渗 流 量 Q= mw/ t 渗 流 速 度 = Q/A 渗 透 系 数 k= /i 温度 校正 系数 渗 透 系 数 k20 沉 降 量 集 砂 量 s 反 滤 层 淤 填 量 Z 水 温 t 室 温 t 试验 现象 描述 min cm cm cm i= h /L cm3 s cm3 /s cm/ s cm/ s T/ 20 cm/ s cm cm % 二、 回弹模量试验。 目的和适用范围： 本试验的目的是通过对试样进行规定压力下的加载和卸载 ， 测定土的回 弹变形量 ， 以确定土的回弹模量值 。 本试验采用杠杆压力仪法和强度仪法 。 杠杆压力仪法用于含水率较大 、 硬度较小的试样 。 本试验适用于不同含水率和不同干密度的细粒土 。 杠杆仪法： 仪器设备 杠杆压力仪：最大压力 1500N， 杠杆压力仪如图所示 。 击实筒：内径 152mm， 高 166mm的金属圆筒 。 但在与夯击底板的立柱 联接的缺口板上多一个内径 5mm、 深 5mm的螺丝孔 ， 用来安装千分表 支架 。 护筒：高 50mm；筒内垫块：直径 151mm， 高 50mm。 夯击底板与击实仪 同 。 承载板：直径 50mm， 高 80mm。 千分表： 2只 ， 量程 2.0mm。 分度值 0.001mm。 秒表：分度值 0.1s。 加载架 加压球座 杠杆压力仪示意图 试样筒与承压板 试样筒 承压板 操作步骤 按重型击实法制备试样 ， 得出最大干密度和最优含水率 。 按最优含水率制备试样 ， 以规定击数在击实筒内制备试样 。 将装有试样的击实筒底面放在杠杆压力仪的底盘上 ， 将承载板放 在试样的中心位置 ， 并与杠杆压力仪的加压球座对正 。 将千分表 固定在立柱上 ， 并将千分表的测头安装在承载板的表架上 。 在杠杆压力仪的加载架上施加砝码 ， 用预定的最大压力 p进行预压 。 对含水率大于塑限的土 ， p=50 100kPa；对含水率小于塑限的 土 ， p=100 200kPa。 预压应进行 1 2次 ， 每次预压 1min卸载 。 预压后调整承载板位置 ， 并将千分表调到零位 。 将预定的最大压力分为 4 6级进行加载 ， 每级加载时间为 1min， 记录千分表读数 ， 同时卸载 ， 当卸载 1min时 ， 记录千分表读数 ， 再施加下一级荷载 。 如此逐级进行加载和卸载 ， 并记录千分表读 数 ， 直至最后一级荷载 。 为使试验曲线的开始部分比较准确 ， 可 将第 1、 第 2级荷载再分别分成 2小级进行加载和卸载 。 试验中最 大压力也可略大于预定的最大压力 。 土的回弹模量测定应进行 3次平行试验 ， 每次试验结果与回弹模量 的均值之差应不超过 5%。 计算及制图 按下列公式计算每级荷载下试样的回弹模量： E=pD*（ 1-2） /4l 式中 E 回弹模量 ， kPa； p 承载板上的压力 ， kPa； D 承载板直径 ， cm（ 5.0cm） ； l 相应于压力的回弹变形 （ 加载读数减卸载读数 ） ， cm； 土的泊松比 ， 一般取 0.35。 以压力 p为横坐标 ， 回弹变形 l为纵坐标 ， 绘制 p l曲线 。 每个试样的回弹模量取 p曲线上任一压力与其对应的按下 列公式： E=pD*（ 1-2） /4l 计算 对于较软的土，如果 p l曲线不通过原点，允许用初始直 线段与纵坐标轴的交点当作原点，修正各级荷载下的回弹 变形和回弹模量。 强度仪法： 仪器设备 路面材料强度仪（同 CBR试验贯入仪），仪器示意图如下。 贯入杆 位移计 试样 升降台 测力计 贯入仪示意图 击实筒：内径 152mm， 高 166mm的金属圆筒 ， 其形式和尺寸应符合 SL237 011 1999规程 3.1.1的规定 。 但在与夯击底板的立柱联接的 缺口板上多一个内径 5mm、 深 5mm的螺丝孔 ， 用来安装千分表支架 。 护筒：高 50mm；筒内垫块：直径 151mm， 高 50mm。 夯击底板与击实仪 同 。 承载板：直径 50mm， 高 80mm。 千分表 （ 量表 ） 支杆与表夹：支杆长 200mm， 直径 10mm， 一端带有 长 5mm与击实筒上螺丝孔联接的螺丝杆 ， 表夹可用钢制 ， 也可用硬塑 料制成 。 千分表： 2只 ， 量程 2.0mm。 分度值 0.001mm。 秒表：分度值 0.1s。 操作步骤 试样制备按重型击实法制备试样 ， 得出最大干密度和最优含水率 。 按最优含水率制备试样 ， 以规定击数在击实筒内制备试样 。 将制备好的试样和击实筒的底面放在强度仪的升降台上，千分表支杆 拧在击实筒两侧的螺丝孔上，承载板放在试样表面中央位置，并与强 度仪的贯入杆对正；千分表和表夹安装在支杆上，并将千分表测头安 放在承载板两侧的支架上。 摇动摇把，用预定的最大压力进行预压。预压方法按下列步骤进行： 在杠杆压力仪的加载架上施加砝码，用预定的最大压力 p进行预压。 对含水率大于塑限的土 ， p=50 100kPa；对含水率小于塑限的土 ， p=100 200kPa。 预压应进行 1 2次 ， 每次预压 1min卸载 。 预压后 调整承载板位置 ， 并将千分表调到零位 。 将预定的最大压力分为 4 6级进行加载 。 应预先将每级压力折算成测 力计百分表的读数 ， 可按百分表读数逐级加载 。 加载卸载按下列步骤 进行：将预定的最大压力分为 4 6级进行加载 ， 每级加载时间为 1min， 记录千分表读数 ， 同时卸载 ， 当卸载 1min时 ， 记录千分表读数 ， 再施 加下一级荷载 。 如此逐级进行加载和卸载 ， 并记录千分表读数 ， 直至 最后一级荷载 。 为使试验曲线的开始部分比较准确 ， 可将第 1、 第 2级 荷载再分别分成 2小级进行加载和卸载 。 试验中最大压力也可略大于 预定的最大压力 。 进行 。 当试样较硬时 ， 可以不受预定最大压力值的 限制 ， 增加加载级数 ， 至需要的压力为止 。 土的回弹模量测定应进行 3次平行试验 ， 每次试验结果与回弹模量的均 值之差应不超过 5%。 计算及制图 每级压力下试样的回弹模量按下列公式： E=pD*（ 1-2） /4l 计算 。 其中计算中所用 值一般取 0.35， 对于具有一定龄期的加固土取 0.25 0.30。 本试验的 p l曲线绘制按上述步骤进行 。 P-l关系曲线图 ， ， 关系曲线 记录表格： 回弹模量试验记录表 工程名称 试验日期 试样编号 仪器编号 土样分类 试验者 试验方法 校核者 加 载 级 数 单位 压力 砝码重 力或测 力计读 数 量表读数 (0.001mm) 回弹变形 回 弹 模 量 加载 卸载 0.001mm kPa 0.01mm 左 右 平均 左 右 平均 读数 值 修正 值 kPa 谢 谢 ！