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第 34 卷 第 9 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.9 2012 年 .9 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Sep. 2012 黏性土的物理化学及矿物学性质与分散机理 樊恒辉 1，李洪良1，2，赵高文1 1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2. 山东昌乐县建筑工程质量监督站，山东 昌乐 262400 摘 要基于土–水–电解质系统的双电层理论，对 48 组土样的物理化学及矿物学性质与分散性之间的关系进行了研 究，并结合试验验证和工程实例分析，提出黏性土的分散机理。研究表明，黏性土产生分散性的影响因素包括黏粒含 量、黏土矿物成分、有机质、钠离子和 pH 值；但是，决定土体分散性的本质因素则在于介质环境中的钠离子和 pH 值。 土体黏土矿物不论是以蒙脱石还是以伊利石为主，只要土体中含有较多的钠离子和酸碱度呈强碱性，土体就会产生分 散性，而且这两个因素缺一不可。 关键词分散性土；物理化学性质；矿物成分；分散机理 中图分类号TV443 文献标识码A 文章编号1000–4548201209–1740–06 作者简介樊恒辉1973– ，男，山西夏县人，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事特殊性土的工程性质及改良 技术研究。E-mail yt07。 Relation among dispersive mechanism, physical-chemical and mineral properties of clayey soil FAN Heng-hui1, LI Hong-liang1 ，2, ZHAO Gao-wen1 1. College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A 2. Shandong Changle Construction Engineering Quality Supervision Station, Changle 262400, China Abstract Based on the double-layer theory in soil-water-electrolyte system, the relation among the dispersivity, physical, chemical and mineral properties of 48 soil samples is studied. Based on experimental researches and engineering cases, the dispersive mechanism is clarified. The results show that the influence factors of the dispersivity include clay content, clay mineral composition, organic matter, sodium ion and pH value. However, the sodium ion and pH value in the medium are the essential factors. No matter whether the clay mineral in soil is montmorillonite or illite, as long as the soil contains more sodium ions and alkaline pH, the soil will be dispersed. Both of them are indispensable. Key words dispersive soil; physical-chemical property; mineral composition; dispersive mechanism 0 引 言 分散性土被水冲蚀破坏，是一个复杂的物理化学 和力学过程，其破坏具有快速、隐蔽的特点，具有潜 在危险性，常造成堤坝、渠道边坡和水工建筑物地基 失稳，日趋受到工程界关注[1-2]。黏性土分散机理的研 究对于分散性土的判别方法、工程设计、改性应用、 施工管理具有重要的理论指导作用。王观平等[3]从黏 土矿物的角度对黏性土的分散性进行了分析，认为其 原因主要是土体中含有相当量的 2︰1 型结构、 具有强 烈膨胀性的蒙脱石～皂石类矿物。刘杰等[4]认为土体 的分散机理主要有 3 个方面①土的黏土矿物成分主 要以蒙脱石为主体； ②孔隙水易溶盐中钠离子占主体； ③水质纯净。魏迎奇等[5]认为土的分散性与其颗粒组 成、土颗粒相对密度和界限含水率没有直接关系，但 与 pH 值有较密切的关系，分散性土的 pH 值明显高 于非分散性土，它可作为辅助性的鉴定指标。O.G. Ingles 等[6]认为， 分散性土中的黏粒大部分由蒙脱石所 组成，并且土体中交换性钠离子含量很高。J.L. Sherard[7]认为，分散性土的分散机理是与土颗粒表面 的电化学性质有直接关系；土中的钠离子是产生分散 的主要原因；黏土矿物中通常含有相当量的蒙脱石； 与孔隙水中的其他阳离子相比，钠离子的数量是决定 土产生分散性的重要因素。 综上所述，若从土体自身的角度来考虑，黏性土 的分散机理主要有 3 个方面①土体中含有一定量的 ─────── 基金项目国家自然科学基金项目（50979094） ； “十二五”国家科技支 撑计划项目2011BAD31B05；西北农林科技大学基本科研业务费项目 （QN2009089） 收稿日期2011–09–01 第 9 期 樊恒辉，等. 黏性土的物理化学及矿物学性质与分散机理 1741 蒙脱石；②孔隙水溶液中钠离子占主体；③具有较强 的碱性。但是，实践证明，即使不易分散的伊利土在 一定的条件下也具有分散性；有些高钠土是非分散性 土，但低钠土处于分散状态；室内试验判别具有分散 性的土料在水利工程中却没有发现冲蚀迹象。因此， 黏性土遇水分散的机理是复杂的。本文根据土–水– 电解质系统的双电层理论，通过对收集到的分散性土 试验资料进行整理分析，结合试验验证和工程实例， 试图从土体的物理化学及矿物学等基本性质方面寻求 表征土体分散性的指标及其范围，以求揭示黏性土的 分散机理。 1 实验资料的选取与整理 1.1 实验资料及指标的选定 考虑到资料的完整性与数据的可靠性，选取青海 宁木特水电站[8]、青海班多水电站[9]、宁夏文家沟水 电站[10]、新疆西郊三坪水库[11]、西安黑河金盆水利枢 纽工程[12]、宁夏南坪水库[13]等 6 个工程的 48 组土样 的实验数据进行整理分析。 选定表征土样分散性的物理化学及矿物学性质的 指标包括颗粒相对密度、颗粒级配、界限含水率、 有机质、pH 值、ESP（交换性钠离子百分比） 、PS（孔 隙水溶液钠离子百分比） 、蒙脱石含量等。 1.2 实验资料的整理 将土样的分散性判别结果转化为数字，即非分散 性土、过渡性土和分散性土分别采用 1，2，3 来表示。 以土样的分散性判别结果作为纵坐标，土样物理化学 及矿物学性质指标作为横坐标，绘制土样的各种指标 与分散性之间的关系图，从关系图中分析得出表征土 体分散性的范围。 2 黏性土的物理化学及矿物学性质与 分散性之间的关系 土样的各种性质与分散性之间的关系图，见图 1～10，分析统计结果见表 1。分析图 1～10，结合表 1，可得出以下结论 （1）颗粒相对密度小于 2.69 的土样，不具有分 散性，只是属于过渡性土或非分散性土；颗粒相对密 度大于 2.69 的土样，具有不确定性。 （2）黏粒含量小于 20的土样，属于分散性土； 黏粒含量大于 20的土样，属于过渡性土或非分散性 土，只有 1 组土样例外，属于分散性土，这组土样的 黏粒含量是 21.5。 （3）液限小于 30的土样，属于分散性土或过 渡性土，有 2 组土样例外，属于非分散性土，这 2 组 土样的液限分别为 29.0， 27.2； 大于等于 30的土 样，属于过渡性土或非分散性土。 （4）塑限小于 17的土样，属于分散性土或过 渡性土，有 2 组土样例外，属于非分散性土，这 2 组 土样的塑限分别为 15.0， 15.2； 大于等于 17的土 样，属于过渡性土或非分散性土。 （5） 塑性指数小于 15 的土样， 属于分散性土或 过渡性土，有 5 组土样例外，属于非分散性土；大于 等于 15 的土样，属于过渡性土或非分散性土，有 1 组土样例外，这 1 组土样的塑性指数为 16.6，属于分 散性土。 （6）有机质含量小于 5 g/kg 的土样，具有不确 定性； 大于 5 g/kg 的土样， 属于过渡性或非分散性土。 （7）pH 小于 8.6 的土样，属于过渡性土或非分 散性土；大于等于 8.6 的土样，属于分散性土或过渡 性土，只有 1 组土样例外，属于非分散性土，这组土 样的 pH 值是 8.76。 （8）ESP 小于 9的土样，具有不确定性；大于 等于 9的土样，属于分散性土或过渡性土。 （9）PS 小于 60的土样，具有不确定性；大于 等于 60的土样，属于分散性土或过渡性土，有 2 组 土样例外，属于非分散性土。 （10）蒙脱石含量小于 4的土样，具有不确定 性；大于等于 4的土样，属于分散性土或过渡性土。 依据有关土力学和土壤化学、土壤物理等理论， 将上述的 10 点结论进行归并处理， 以期为土的分散机 理研究提供思路。颗粒相对密度、黏粒含量与界限含 水率之间是有关系的，因此将（1）～（5）合并为黏 粒含量与分散性之间的关系；ESP 和 PS 之间具有一 定的相关性，两者都是反映土体中钠离子含量，故将 （8）和（9）合并为钠离子与分散性之间的关系。因 此， 影响黏性土分散性的物理化学因素包括黏粒含量、 黏土矿物成分、有机质、钠离子和 pH 值。 图 1 颗粒相对密度与土的分散性之间关系 Fig. 1 Relation between dispersivity of soil and relative density of grains 1742 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 2 黏粒含量与土的分散性之间关系 Fig. 2 Relation between dispersivity of soil and clay content 图 3 液限与土的分散性之间关系 Fig. 3 Relation between dispersivity of soil and liquid limit 图 4 塑限与土的分散性之间关系 Fig. 4 Relation between dispersivity of soil and plastic limit 图 5 塑性指数与土的分散性之间关系 Fig. 5 Relation between dispersivity of soil and plasticity index 图 6 pH 值与土的分散性之间关系 Fig. 6 Relation between dispersivity of soil and pH value 图 7 有机质与土的分散性之间关系 Fig. 7 Relation between dispersivity of soil and organic matter 图 8 ESP 与土的分散性之间关系 Fig. 8 Relation between dispersivity of soil and ESP 图 9 PS 与土的分散性之间关系 Fig. 9 Relation between dispersivity of soil and PS 图 10 蒙脱石含量与土的分散性之间关系 Fig. 10 Relation between dispersivity of soil and montmorillonite 3 黏性土的分散机理讨论与分析 3.1 黏粒含量 黏粒颗粒细小， 具有很大的表面积， 黏接力很强， 在土壤的团粒结构形成中起着重要的作用。团粒结构 可以阻止水的侵蚀，具有较强的抵抗水力侵蚀作用。 分散性土判别方法中的双比重计试验[14]就是借鉴农 业土壤物理化学分析中的土壤团粒分析而演化来的。 第 9 期 樊恒辉，等. 黏性土的物理化学及矿物学性质与分散机理 1743 表 1 土样物理化学及矿物成分与分散性之间的关系 Table 1 Relation among dispersivity, physical-chemical properties and mineral composition of soil samples 土样组数/组 土样占总土样百分数/ 土样占各类土的百分数/ 判别 项目 指标 分散 性土 过渡 性土 非分 散性土 分散 性土 过渡 性土 非分 散性土 分散 性土 过渡 性土 非分 散性土 ＜2.69 0 2 3 0.0 4.2 6.3 0 12 30 颗粒相 对密度 ≥2.69 21 15 7 43.8 31.3 14.6 100 88 70 ＜20 20 0 0 41.7 0.0 0.0 95 0 0 黏粒含量 ≥20 1 17 10 2.1 35.4 20.8 5 100 100 ＜30 21 9 2 43.8 18.8 4.2 100 53 20 液限 ≥30 0 8 8 0.0 16.7 16.7 0 47 80 ＜17 21 8 2 43.8 16.7 4.2 100 47 20 塑限 ≥17 0 9 8 0.0 18.8 16.7 0 53 80 ＜15 20 9 5 41.7 18.8 10.4 95 53 50 塑性指数 ≥15 1 8 5 2.1 16.7 10.4 5 47 50 ＜5g/kg 18 9 8 42.9 21.4 19.0 100 64 80 有机质 ≥5g/kg 0 5 2 0.0 11.9 4.8 0 36 20 ＜8.6 0 9 9 0.0 18.8 18.8 0 53 90 pH 值 ≥8.6 21 8 1 43.8 16.7 2.1 100 47 10 ＜9 4 4 10 8.3 8.3 20.8 19 24 100 ESP ≥9 17 13 0 35.4 27.1 0.0 81 76 0 ＜60 6 4 8 12.5 8.3 16.7 29 24 80 PS ≥60 15 13 2 31.3 27.1 4.2 71 76 20 ＜4 18 8 10 37.5 16.7 20.8 86 47 100 蒙脱石含量 ≥4 3 9 0 6.3 18.8 0.0 14 53 0 通常所述的黏性土是指液限 wL25，塑性指数 Ip6 的黏质土和粉质土，黏粒含量一般大于 10。若由于 土样中的黏粒含量很低而导致土样出现分散现象，就 不属于黏性土的分散性研究范畴，而是属于无凝聚性 土的研究范畴了。譬如，无黏性粉砂、细砂在水中也 分散， 但是这些土料的分散性机理与黏性土是不同的。 3.2 黏土矿物成分 常见的黏土矿物有高岭石类、蒙脱石类、伊利石 类，它们是土中物理化学性质活跃的物质，对于黏性 土的工程性质有着显著影响。 高岭石类属于 1∶1 型黏 土矿物，硅氧四面体中的 O2 -与铝氧八面体中 OH-形 成氢键，使得这两片的离子正好结合在一起，其晶层 牢固，晶格无扩展性，无分散性和胀缩性。蒙脱石类 属于 2∶1 型矿物， 硅氧四面体和一个铝氧八面体之间 无 K联结，水可以进入片层之间，使晶体产生很大的 体积改变。 蒙脱石类晶层间联结弱， 晶格具有扩展性， 具有较大的分散性。伊利石类虽也属于 2∶1 型矿物， 但两者的主要差别是，伊利石晶胞之间结合的不是水 而是 K或 Na所联结。故伊利石晶层间较牢固，其分 散性和胀缩性较蒙脱石小。 因此， 从矿物学角度来讲， 一般认为分散性土中含有较多量的蒙脱石。但是，如 果蒙脱石吸附的阳离子不同，其工程性质是不同的， 如钙蒙脱石只具有胀缩性，而钠蒙脱石则具有很强的 分散性。 3.3 有机质 土中有机质主要为纤维素和腐殖质。随着有机质 的成因、龄期和分解程度不同，土体的物理性化学性 质也有很大的不同。有机质同黏粒一样，属于一种胶 体，也可以促进土壤团粒结构的形成。另外，有机质 中含有胡敏酸和富里酸，一般呈酸性，可以降低土体 的酸碱性，减少土体的分散倾向。资料表明，如果土 体中的有机质含量超过 5 g/kg，土体就不会具有分散 性。有机质对土体分散性的影响主要在于团粒结构和 pH 值，后者的作用可能更强一些。 3.4 钠离子 在常态下，水是土中液相物质的主要成分，溶解 于水中的各种电解质以离子或化合物的形式存在于水 中，它和水以及水中的黏土颗粒构成土–水–电解质 系统，影响土的工程性质。一般来说，双电层越厚， 悬浮液中的颗粒的絮凝倾向就越小，即颗粒分散性能 就越强。当黏土颗粒表面电荷恒定时，扩散层厚度与 离子价成反比，与离子浓度的平方根成反比，而与介 电常数和温度的乘积的平方根成正比。 在实际情况下， 介电常数和温度的变化对双电层的厚度没有多大影 响。而溶液中离子的浓度和化合价对扩散双电层的厚 度具有明显地影响。因此，离子价越高，离子浓度越 大，扩散层的厚度越小。 在自然界的土体中， 阳离子一般包括 Ca2、 Mg2、 Na和 K，其中含量较多的是 Ca2和 Na，一价 Na 的双电层厚度是二价 Ca2的 2 倍。因此，若土样中含 有大量的钠离子，使得土颗粒间双电层厚度增加，排 斥力大于吸引力， 净势能表现为斥力， 土样产生分散。 1744 岩 土 工 程 学 报 2012 年 3.5 酸碱度 pH 黏土颗粒表面和边缘有可能暴露出来的羟基具有 分解的趋势 SiOH SiO -H。 它受到 pH 值的强烈影响， pH 值越高，H进入 溶液的趋势越大，颗粒的有效负电荷就越大。除此之 外， 暴露在黏土矿物边缘的氧化铝是两性的， 在低 pH 值下表现为正电性，在高 pH 值下表现为负电性。因 此，pH 值对黏土悬液性状具有重要的影响，低 pH 值 会引起颗粒带正电荷的边缘与带负电荷的表面相互作 用，导致颗粒从悬液中絮凝；高 pH 值使悬液稳定或 黏土颗粒分散。因此，酸碱度是黏性土产生分散性的 本质因素之一。 如果土样中黏土矿物以伊利石为主，但是处于高 pH 值条件下，则其黏土颗粒表面的负电荷数量增大， 吸附的阳离子数量也增多，使得颗粒表面的双电层厚 度增加，颗粒趋于分散，其工程性质如同钠蒙脱石， 具有较强的分散性。这可能就是某些伊利石土样产生 分散性的原因。 3.6 分散机理分析 从上述的分析中可看出，影响土体分散性的因素 有黏粒含量、黏土矿物类型、有机质、钠离子和酸碱 度。然而，黏粒含量、黏土矿物类型、有机质只是黏 性土分散性的影响因素，而不是其本质因素，影响黏 性土分散性的本质因素在于土–水–电解质系统。在 土–水–电解质系统中，决定双电层厚度的两个主要 因素是土体孔隙水溶液的酸碱度和溶质类型及含量。 因此，如果土体的孔隙水溶液发生变化，其分散性也 随着变化。在判别黏性土的分散性研究中，一般是采 用纯水来进行的，而在实际工程中，其介质环境中的 水溶液是不同于纯水的，其可抑制土的分散性。这也 就是某些土样在试验室内判别为分散性土，而在实际 应用中却没有发现破坏的原因。 综上所述，如果土体中含有大量的钠离子，并且 pH 值比较高， 则黏土颗粒带的负电荷增加， 能够吸附 大量的钠离子，使得土颗粒双电层厚度增加，颗粒之 间的引力降低，斥力增加，促使土颗粒之间分散。这 两个因素缺一不可。 4 试验验证及工程实例 4.1 试验验证 笔者曾采用陕西杨凌土样（属于非分散性土）和 宁夏马家树拦沙坝土料（属于分散性土）2 种土样对上 述结论进行了验证。分散性判别方法采用碎块试验[15]。 根据土体孔隙水溶液的特点以及研究目的，分别配制 了 NaOH、NaCl、NaHCO3、Na2CO3、Na2SO4、KOH、 KCl、KHCO3、K2CO3、K2SO4、CaCl2和 AlCl3等溶 液。试验结果如下 （1）杨凌土样在纯水及中性的 NaCl、Na2SO4和 碱性的 NaHCO3（pH 值较低） 溶液中没有分散性反应， 但在呈强碱性的 Na2CO3、 NaOH 溶液中有强烈的分散 性反应。不论是碱性 K2CO3、KOH、 KHCO3，还是 中性 KCl、K2SO4，杨凌土样均没有分散性反应。 （2） 马家树土样在纯水中具有明显的分散性， 出 现土壤胶粒，水体颜色混浊。随着 NaCl 、CaCl2 、 AlCl3溶液浓度的增加， 其分散性呈降低趋势直至最后 消失；而且，随着溶液中阳离子价位的升高，其临界 分散浓度越来越低。 4.2 工程实例 青海班多水电站大坝心墙土料[9]、宁夏马家树拦 沙坝坝体土料[16]、 山西上马水库防渗土料[17]中蒙脱石 含量只有 2左右，却属于分散性土，正是因为土体 中含有大量 Na和 pH8.5；黑龙江引嫩工程[18]土料中 典型分散性土含有蒙脱石（4～12） ，但是也同时 含有大量 Na，并且 pH 在 9.39～10.09。这些试验资 料也都证明了 Na和 pH 是分散性土的必须条件。此 外，将迄今为止工程勘察中所遇到的分散性土分布区 域与中国土壤酸碱图相对照， 发现这些区域都位于 pH 大于 8.5 的强碱性土地区，两者能够很好地吻合。 5 结 论 （1） 影响黏性土分散性的物理化学因素包括黏粒 含量、黏土矿物成分、有机质、钠离子和 pH 值。但 是，从其分散的本质分析，钠离子和 pH 值是黏性土 产生分散的两种主要因素。蒙脱石含量高低不是分散 性土的必要条件；土体产生分散性的必要条件是土体 中含有较多的钠离子和酸碱度呈强碱性。 （2）动电电位（–电位）可反映土–水–电 解质系统中双电层的厚度。建议通过研究土体在不同 的水–电解质系统中动电电位的变化来分析黏性土的 分散性，藉此实现定量化判别黏性土的分散性。 参考文献 [1] 钱家欢. 分散性土作为坝料的一些问题[J]. 岩土工程学报, 1981, 31 94 – 100. 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