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1、第四节 分散性土鉴定试验步骤和计算本讲稿第一页，共二十七页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=710，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
2、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。本讲稿第二页，共二十七页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=3050%），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
3、、结构、构造、含盐类型、水盐动态及其与分散性土形成的关系；本讲稿第三页，共二十七页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 双电层模型本讲稿第四页，共二十七页研究地表水、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
4、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；本讲稿第五页，共二十七页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510分钟之间出来的水是否带有颜色；对于分散性土，510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
5、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 本讲稿第六页，共二十七页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+/TDS100%，判定指标PS60%为分散性土。本讲稿第七页，共二十七页双比重计法：该法也称
6、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1/43/8in的一块土，放在盛蒸馏水约150ml的烧杯中，观察510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。本讲稿第八页，共二十
7、七页第六节 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。本讲稿第九页，共二十七页本讲稿第十页，共二十七页供水设备：供水箱、提升架、橡皮管。供水箱设
8、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0.10.2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。本讲稿第十一页，共二十七页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
9、，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34h。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。本讲稿第十二页，共二十七页被保护土为粘质土，渗透坡降大于50100时；被保护土为无粘性土，渗透坡
10、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）本讲稿第十三页，共二十七页式中 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/G
11、s1+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）本讲稿第十四页，共二十七页式中 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，cmcm2 2；渗透流速，cm/scm/s。渗透系数：kT=/i （6-6）绘制被保护土的lgilg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。本讲稿第十五页，共二十七页 渗透变形及反滤层试验记录
12、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D50mm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Cu=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
13、滤层淤填量Z水温t室温t试验现象描述mincmcmcmi=h/Lcm3scm3/scm/scm/sT/20cm/scmcm%本讲稿第十六页，共二十七页二、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
14、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。本讲稿第十七页，共二十七页承载板：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。本讲稿第十八页，共二十七页试样筒与承压板本讲稿第十九页，共二十七页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
15、大压力p进行预压。对含水率大于塑限的土，p=50100kPa；对含水率小于塑限的土，p=100200kPa。预压应进行12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46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%。本讲稿
16、第二十页，共二十七页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pl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pl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。本讲稿第二十一页，共二十七页强度仪法：仪器设备路面材料强度仪（同CBR试验贯入
17、仪），仪器示意图如下。本讲稿第二十二页，共二十七页击实筒：内径152mm，高166mm的金属圆筒，其形式和尺寸应符合SL2370111999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
18、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。本讲稿第二十三页，共二十七页对含水率大于塑限的土，p=50100kPa；对含水率小于塑限的土，p=100200kPa。预压应进行12次，每次预压1min卸载。预压后调整承载板位置，并将千
19、分表调到零位。将预定的最大压力分为46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46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
20、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0.250.30。本试验的pl曲线绘制按上述步骤进行。本讲稿第二十四页，共二十七页P-l关系曲线图本讲稿第二十五页，共二十七页记录表格：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 本讲稿第二十六页，共二十七页 谢 谢！本讲稿第二十七页，共二十七页