重塑黃土崩解特性試驗(yàn)研究

高建偉，余宏明，錢(qián)玉智，李 科

(1.西北電力設(shè)計(jì)院，西安 710075;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074;3.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東青島 266003)

1 研究背景

土的崩解在土工試驗(yàn)中稱(chēng)為濕化，是指土體浸水后發(fā)生碎散解體、塌落的現(xiàn)象，是由于水流入滲擠壓氣體，引發(fā)土體內(nèi)部應(yīng)力集中，使斥力超過(guò)吸力，進(jìn)而造成土體崩落解體。黃土具有垂直節(jié)理，富含鈣質(zhì)和大孔隙，土質(zhì)松散，是一種特殊土體，浸水后極易發(fā)生崩解破壞。在黃土地區(qū)的水土流失，邊坡破壞［1］，地基失效，沖溝及洞穴發(fā)育，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)育過(guò)程中，黃土的崩解性都發(fā)揮重要作用。研究同時(shí)表明［2－3］，土體崩解性與其抗水蝕能力關(guān)系密切。因此研究黃土的崩解特性不僅對(duì)黃土地區(qū)上述工程地質(zhì)問(wèn)題的評(píng)價(jià)具有重要意義，而且關(guān)系到人類(lèi)的生活生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)。

對(duì)于黃土崩解性，相關(guān)學(xué)者做了大量研究，對(duì)崩解影響因素、崩解的非飽和性［4］、崩解機(jī)制等進(jìn)行了深入研究。研究得出，黃土的崩解速率是表征其崩解性的重要指標(biāo)，反映了土的水蝕性能力，因而研究黃土崩解速率與其物理性質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系具有重要意義。本文旨在通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究黃土崩解速率與干密度、初始含水率及有效空隙率之間的量化關(guān)系，并結(jié)合土－水特征曲線初步探討黃土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙氣體對(duì)崩解速率的影響，為相關(guān)實(shí)踐工程提供借鑒。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical indexes of soil sample

試驗(yàn)土樣取自山西省河曲縣，在室內(nèi)將土樣混勻風(fēng)干、研磨，并過(guò)5mm篩。土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

為了減小試樣大小、形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試樣統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣，試樣體積為60cm3。制樣前將土樣烘干24 h，烘干后稱(chēng)取一定質(zhì)量土樣，按初始含水率配比加入一定質(zhì)量蒸餾水，攪拌均勻后用保鮮袋密封并置于保濕缸內(nèi)24 h，使土體中水分均勻分布。試樣制備時(shí)，稱(chēng)取定量土樣采用靜壓法制成環(huán)刀樣。

由擊實(shí)試驗(yàn)得試驗(yàn)黃土最大干密度為1.85 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.8%。為了研究初始含水率和干密度在工程實(shí)踐中對(duì)黃土崩解性能的影響，試驗(yàn)干密度 ρd分別取1.5，1.6，1.7和1.8 g/cm3(壓實(shí)度分別為81%，87%，92%，98%)4種;同時(shí)，為了比擬黃土實(shí)踐工程狀態(tài)，試樣初始含水率應(yīng)控制在天然含水率與飽和含水率之間，并考慮試驗(yàn)黃土的最優(yōu)含水率，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)初始含水率w分別為8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%共 7 種。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范［5］的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)儀器采用自制式崩解儀(圖1)進(jìn)行試驗(yàn)研究。儀器盛放試樣的網(wǎng)板網(wǎng)眼尺寸為0.8cm×0.8cm。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將制備好的試樣放于金屬網(wǎng)板上，手持浮筒勻速將其浸入裝有適量水的玻璃容器中，開(kāi)始計(jì)時(shí)并記錄浮筒的初始讀數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中每隔10 s測(cè)記一次浮筒于水面處的刻度數(shù)，并描述試樣的崩解現(xiàn)象，根據(jù)試樣的崩解快慢，調(diào)整測(cè)記的時(shí)間間隔，當(dāng)試樣完全通過(guò)金屬網(wǎng)格崩落后，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)結(jié)束后，崩解量按式(1)計(jì)算:

式中:A為試樣在時(shí)間t時(shí)刻的崩解量(%);H0為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的浮筒讀數(shù);Ht為試驗(yàn)過(guò)程中t時(shí)刻的浮筒讀數(shù);He為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的浮筒讀數(shù)。

試樣浸水后，產(chǎn)生大量氣泡，表層細(xì)顆粒土體迅速擴(kuò)散使清水開(kāi)始變渾濁，試樣產(chǎn)生粒狀、片狀崩解。同時(shí)，試樣有環(huán)狀裂縫產(chǎn)生，且裂縫不斷擴(kuò)大，進(jìn)而形成沿環(huán)狀裂縫的邊緣塊狀塌落，崩解速率較快。試驗(yàn)中后期，有縱裂縫形成，氣泡變小但數(shù)量密集，偶有大氣泡產(chǎn)生，崩解速率變緩，試樣土體崩解方式呈淤泥狀滑落、陷落，直至試樣土體全部通過(guò)金屬網(wǎng)格，試驗(yàn)結(jié)束［6－7］。

圖1 崩解試驗(yàn)儀示意圖Fig.1 Sketch of disintegration tester

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)崩解曲線

崩解曲線是描述試樣累積崩解量與時(shí)間關(guān)系的曲線。圖2是較典型的崩解曲線(ρd=1.6 g/cm3，w=14%)，可分為AB，BC和CD段。

其中，BC段為試樣崩解的主要階段，其陡緩反映了試樣崩解的快慢，且崩解速率較為穩(wěn)定，可表征試樣的平均崩解速率［8］。崩解速率可用下式計(jì)算

式中:V為崩解速率(s－1);HC，HB分別為C，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的累積崩解量(%);tC，tB為C，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的崩解時(shí)間(s)。

圖2 試樣崩解曲線Fig.2 Disintegration curve of the sample

3.2 干密度對(duì)崩解的影響

試樣干密度的大小是影響崩解的主要因素，干密度不同，試樣的微觀結(jié)構(gòu)、滲透性不同，決定了其崩解性的不同。相關(guān)研究表明，重塑黃土處于低密度狀態(tài)時(shí)(壓實(shí)度小于90%)，土體結(jié)構(gòu)松散，多架空、支架孔隙，試樣干密度的增加，使得土顆?？紫侗惶畛?，土結(jié)構(gòu)向緊密集粒方向轉(zhuǎn)變，當(dāng)試樣壓實(shí)度達(dá)到95%左右時(shí)，架空孔隙基本消失，土體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殍偳督Y(jié)構(gòu)，孔隙減少，滲透性降低，崩解性降低［9］。

圖3 不同干密度黃土試樣崩解曲線Fig.3 Disintegration curves of loess samples of different dry densities

圖3是初始含水率為14%時(shí)，試樣不同干密度下的崩解曲線。隨干密度的增加，試樣崩解時(shí)間加長(zhǎng)，“S”型崩解曲線愈加平緩，崩解性能明顯降低。試樣干密度增加后，土體結(jié)構(gòu)變密實(shí)，孔隙減小，部分成為封閉孔隙，試樣的滲透性降低，水流滲入困難，從而降低了試樣的崩解性［10］。此外，根據(jù)黃土崩解性和水蝕性之間的關(guān)系，可初步判斷，干密度的增加降低了試樣土體的可蝕性。

崩解速率是描述試樣崩解性的重要指標(biāo)，圖4為試樣崩解速率與干密度的關(guān)系曲線。曲線表明，試樣的干密度與其崩解速率之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著試樣干密度的增加，崩解速率呈指數(shù)衰減:

式中:a，b均為函數(shù)擬合參數(shù)，b的物理意義為崩解速率指數(shù)衰減的衰減速率。

圖4 干密度與崩解速率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between dry density and disintegration rate

3.3 初始含水率對(duì)崩解的影響

李喜安等［11］的研究表明，其它條件保持不變情況下，試樣崩解速率隨初始含水率的增加而降低。隨初始含水率增加時(shí)，土顆粒水膜變厚且較為均勻，試樣土體內(nèi)的黏土礦物浸水前產(chǎn)生的膨脹量增加。同時(shí)，初始含水率的增加導(dǎo)致了試樣在崩解過(guò)程中，水流滲入緩慢，可封閉氣體減少，造成浸水崩解過(guò)程中不易產(chǎn)生應(yīng)力集中或集中應(yīng)力較低，不利于崩解過(guò)程的進(jìn)行。

圖5為初始含水率與崩解速率關(guān)系曲線，結(jié)果表明，雖然試樣的崩解速率隨初始含水率的增加而波動(dòng)變化，但整體而言略有下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)不顯著主要是由于試樣靜壓制備過(guò)程中，初始含水率較高時(shí)黏土礦物土顆粒產(chǎn)生團(tuán)?；F(xiàn)象，使得制備試樣形成較多大孔隙，加速了初始含水率較高試樣的崩解進(jìn)程，造成部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果中，初始含水率較高的試樣崩解速率較大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的顯著性較差。

圖5 初始含水率與崩解速率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between initial water content and disintegration rate

3.4 孔隙結(jié)構(gòu)與崩解速率關(guān)系分析

土－水特征曲線是描述試樣基質(zhì)吸力與初始含水率關(guān)系的曲線，由于基質(zhì)吸力與試樣孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，因此試樣基質(zhì)吸力隨干密度、初始含水率的變化規(guī)律可間接反映試樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律。圖6是試樣初始含水率為16%時(shí)，不同干密度下的土－水特征曲線。試驗(yàn)儀器采用壓力板儀，量程500kPa。

土－水特征曲線表明，各試樣曲線的變化規(guī)律相似，不同干密度下，隨著基質(zhì)吸力的增加，試樣飽和度均由前期的100%快速下降，基質(zhì)吸力達(dá)到50kPa后趨于穩(wěn)定。但是，不同干密度試樣的飽和度下降速率及穩(wěn)定時(shí)的飽和度數(shù)值均不相同，由圖6得出，試樣干密度越大，其持水能力越強(qiáng)，反映出試樣孔隙結(jié)構(gòu)隨干密度的增大而更加緊密。同時(shí)，干密度由1.5 g/cm3變化到1.8 g/cm3(壓實(shí)度由81%～98%)時(shí)，土－水特征曲線穩(wěn)定階段的間距逐漸減小，特別是1.7，1.8 g/cm3這2 種干密度下的曲線間距，表明試樣中架空孔隙隨干密度的增加迅速減少，且孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。土體結(jié)構(gòu)隨干密度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍偳督Y(jié)構(gòu)，孔隙變小且均勻，孔隙的連通性、滲透性大幅降低，氣體受壓形成的不均勻應(yīng)力集中減弱，導(dǎo)致了試樣的崩解速率降低。

圖6 不同干密度試樣的土-水特征曲線Fig.6 Soil-water characteristic curves of samples of different dry densities

不同初始含水率情況下，試樣的土－水特征曲線具有類(lèi)似規(guī)律。研究表明，初始含水率越高的試樣其持水能力越強(qiáng)，主要原因是初始含水率較低時(shí)，由于土顆粒間吸附力較大，土體難以壓密，結(jié)構(gòu)松散，大孔隙較多;隨著初始含水率的增加，顆粒擴(kuò)散層加厚，形成水化膜，顆粒間吸附力降低，土體易于壓密，大孔隙數(shù)目減少，滲透性變差;當(dāng)初始含水率繼續(xù)增加，顆粒表面水化膜厚度大幅增加，雖然不利于土體壓密，但此時(shí)土體中一部分孔隙被封閉，致使孔隙連通性、滲透性進(jìn)一步降低。因此，隨初始含水率的增加，試樣滲透性不斷降低，導(dǎo)致試樣崩解速率降低［12］。

3.5 有效空隙率與崩解速率關(guān)系

孔隙度是土體孔隙體積與土體總體積之比，試驗(yàn)中由于初始含水率的不同導(dǎo)致了孔隙中水和空氣體積所占比例的不同，崩解過(guò)程中，孔隙中氣體受壓而引發(fā)應(yīng)力集中，對(duì)試樣的崩解起到關(guān)鍵作用。為研究試樣土體中氣體體積的變化對(duì)崩解速率的影響，將孔隙中空氣所占體積與試樣總體積之比稱(chēng)為有效空隙率(na)［13］。根據(jù)土體物理性質(zhì)指標(biāo)關(guān)系推導(dǎo)出:

式中:ρs為土體顆粒密度(g/cm3);V為試樣體積(cm3)。

有效空隙率由試樣干密度、初始含水率共同決定。研究有效空隙率與崩解速率之間的關(guān)系，可將干密度與初始含水率對(duì)崩解速率的影響統(tǒng)一考慮，能直觀反映孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙氣體對(duì)試樣崩解性能的影響。試樣崩解速率與有效空隙率關(guān)系(圖7)表明，試樣數(shù)據(jù)點(diǎn)基本以na=8%，na=22%明顯分為3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中試樣崩解速率均隨有效空隙率的增加而呈線性增加，且3個(gè)區(qū)域線性增長(zhǎng)速率基本一致，即各區(qū)域中崩解速率隨有效空隙率的變化具有相似的變化規(guī)律。

圖7 有效空隙率與崩解速率關(guān)系Fig.7 Relationship between effective void ratio and disintegration rate

圖8為不同初始含水率下，試樣基質(zhì)吸力與有效空隙率的關(guān)系曲線。根據(jù)曲線間間距，可將曲線可分為3類(lèi)，基本以na=8%，na=20%為界限，結(jié)果與圖7所得接近。根據(jù)有效空隙率的定義知，基質(zhì)吸力增加，必然導(dǎo)致有效空隙率的增加，但圖中各曲線有效空隙率增加的速率不同，尤其是當(dāng)基質(zhì)吸力大于50kPa時(shí)，曲線明顯分類(lèi)聚集。究其原因，主要是因?yàn)樵嚇拥目紫督Y(jié)構(gòu)不同造成了有效空隙率隨基質(zhì)吸力變化的規(guī)律不同。間接反映出，試樣因干密度、初始含水率的不同形成不同的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)崩解速率有直接影響。因此，孔隙結(jié)構(gòu)及有效空隙率與試樣崩解速率之間關(guān)系密切。

上述論述結(jié)果表明，干密度、初始含水率對(duì)試樣崩解速率的影響主要因?yàn)榭紫督Y(jié)構(gòu)的不同，根據(jù)有效空隙率的研究成果得出，試樣以na＞22%，8%＜na＜22%，na＜8%為界限指標(biāo)，可分成3種土體孔隙結(jié)構(gòu)。3種結(jié)構(gòu)試樣的崩解速率均隨有效空隙率的增加而增大，孔隙結(jié)構(gòu)及有效空隙率與試樣的崩解性能密切相關(guān)，是影響崩解速率的主要原因。對(duì)于試樣土體孔隙結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的分析，需根據(jù)其它試驗(yàn)研究進(jìn)一步分析論證。

圖8 基質(zhì)吸力與有效空隙率關(guān)系曲線Fig.8 Curves of matric suction vs.effective void ratio

4 結(jié)論

(1)相同初始含水率下，試樣的崩解速率與干密度的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系式擬合，且干密度越大，試樣的崩解速率越低。同時(shí)擬合參數(shù)b，即指數(shù)衰減速率隨試樣初始含水率的增加而近線性降低。

(2)改變?cè)嚇映跏己识３指擅芏炔蛔儠r(shí)，試樣的崩解速率隨初始含水率的增加略有下降趨勢(shì)。下降趨勢(shì)不明顯是因?yàn)檩^高初始含水率的試樣在制備過(guò)程中產(chǎn)生了較多大孔隙，加快了試樣崩解，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不顯著。

(3)土－水特征曲線研究表明，試樣干密度越高，其持水能力越強(qiáng)。干密度的增加，導(dǎo)致土體大孔隙減少且趨于均勻，孔隙連通性、滲透性降低，氣體受壓形成的不均勻應(yīng)力集中減弱，致使試樣的崩解速率降低;初始含水率增大時(shí)，規(guī)律相似，不同的是初始含水率較高時(shí)，盡管不利于土體壓密，但是由于土顆粒表層水化膜較厚或產(chǎn)生部分自由水，封閉了部分孔隙，降低了孔隙的連通性、滲透性，造成了試樣崩解速率的降低。

(4)以有效空隙率na=8%，22%為界，試樣崩解速率點(diǎn)明顯分區(qū)分布，各區(qū)域內(nèi)試樣崩解速率均隨有效空隙率的增加而增大。分析研究認(rèn)為，由于干密度、初始含水率的影響，試樣制備過(guò)程中形成了以有效空隙率為指標(biāo)的3種孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)的不同是導(dǎo)致試樣崩解性不同的主要原因。

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