定體積黃土崩解儀器的研制與應(yīng)用

王念秦，魏精瑞

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710054)

0 引言

長期以來，相關(guān)學(xué)者對(duì)黃土崩解性做了大量的研究工作［1-9］，但由于研究手段的局限，目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器的研究尚顯薄弱。研究崩解性常規(guī)的方法是將尺寸為5 cm×5 cm×5 cm的試塊浸入水中觀察其崩解過程［4］，由于試樣尺寸的限制，不但不能對(duì)不同空隙率的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且由于試樣浸水比表面遠(yuǎn)大于實(shí)際情況而造成誤差偏大，同時(shí)相關(guān)的原位崩解實(shí)驗(yàn)則尚未開展。正因?yàn)槿绱耍率乖S多與黃土崩解機(jī)制有關(guān)的基本問題尚未獲得較為滿意的答案，如黃土崩解的物質(zhì)基礎(chǔ)，黃土崩解的驅(qū)動(dòng)力，以及黃土坡面侵蝕或坡體潛蝕過程中的崩解遠(yuǎn)沒有實(shí)驗(yàn)中那么迅速的原因，哪些因素限制了崩解過程的繼續(xù)進(jìn)行等。同樣，對(duì)于崩解性影響因素方面的研究也比較少，僅有的部分也因受研究目的局限，初步得出的一些結(jié)論往往帶有一定片面性。

為探索不同類型黃土邊坡浸水崩解破壞的規(guī)律，了解不同浸水范圍，不同浸水深度下的黃土試樣崩解情況，本文在前人眾多研究成果基礎(chǔ)上［2-6］，自主研制黃土崩解實(shí)驗(yàn)裝置、儀器，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，模擬不同浸水范圍、不同浸水深度黃土邊坡浸水情況，探索研究水對(duì)黃土邊坡的破壞作用產(chǎn)生的相關(guān)崩解規(guī)律。

1 基本構(gòu)思與實(shí)驗(yàn)原理

黃土崩解破壞規(guī)律具有非常復(fù)雜的空間特征。物理、力學(xué)性質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，選樣區(qū)域不同等都將造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異。另外，改變浸水范圍，如“一”字型邊坡，“L”型邊坡，“U”型邊坡等，或者改變浸水深度，其崩解破壞規(guī)律也是不同的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不盡相同。為確定研究方案，選取不同類型黃土邊坡為研究區(qū)，研究對(duì)象為離石黃土，模擬不同浸水范圍條件及不同浸水深度條件，對(duì)原狀離石黃土崩解規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

本次實(shí)驗(yàn)為便于分析土樣崩解破壞變化規(guī)律，包括崩解過程曲線(崩解率At與時(shí)間t關(guān)系曲線)與崩解速率以及浸水深度—全崩解時(shí)間關(guān)系、不同浸水范圍—全崩解時(shí)間關(guān)系，實(shí)驗(yàn)方案主要考慮以下幾個(gè)控制因素:含水率、密度、孔隙率、浸水深度、浸水范圍，在不考慮其他因素(即水的浮力、流水對(duì)土樣的剝蝕作用、土樣的吸水能力等)的影響下，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基本原理，即采用質(zhì)量守恒定律，模擬黃土邊坡的浸水情況，黃土體通過崩解逐步塌陷，質(zhì)量減少。

(1)崩解量計(jì)算的基本公式為:

式中:A——t時(shí)刻的崩解量/kg;

M0——土試樣質(zhì)量(電子稱的初始讀數(shù))/kg;

Mti——t時(shí)刻的土試樣剩余質(zhì)量(土試樣本身的質(zhì)量，不包括土試樣吸收的水量)/kg，可由下式計(jì)算:

式中:Mt——t時(shí)刻的電子稱讀數(shù)(包括土試樣吸收的水量)/kg;

VL——t時(shí)刻通過流量計(jì)的水流量/ml;

Vl——t時(shí)刻量筒讀數(shù)/ml;

Vs——實(shí)驗(yàn)大燒杯中水的體積(可由燒杯的直徑和高度計(jì)算)/ml;

ρw——水的密度，取 1g/cm3。

(2)崩解率計(jì)算基本公式為:

式中:At——t時(shí)刻試樣崩解率/%;

M0——開始時(shí)刻電子稱讀數(shù)/kg;

Mti——t時(shí)刻土樣剩余質(zhì)量/kg，可由(1.2)式計(jì)算得出。

(3)崩解速率計(jì)算公式為:

式中:v——崩解速率/(kg/min);

M2——崩解開始后t2時(shí)刻土樣崩解量/kg;

M1——崩解開始后t1時(shí)刻的土樣崩解量/kg，崩解量計(jì)算見式(1)。

2 儀器研制

2.1 設(shè)備組成

本次實(shí)驗(yàn)利用黃土試樣遇水發(fā)生濕化散解的特性，通過秒表控制時(shí)間，電子稱、流量計(jì)、量筒控制質(zhì)量變化，測試黃土試樣崩解過程中質(zhì)量損失過程及單位體積土樣的崩解時(shí)間，并觀察黃土試樣吸水后的崩解破壞情況。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)基本原理，參考有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置及相關(guān)文獻(xiàn)［1-4］，制作實(shí)驗(yàn)儀器見圖1:

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖Fig．1 The design of experimental device1—電子稱;2—細(xì)鐵絲網(wǎng)籃;3—水槽;4—流量計(jì);5—供水水瓶;6—量筒;7—鑷子開關(guān);8—導(dǎo)管;9—鐵架臺(tái);10—黃土試樣

實(shí)驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)儀器全貌照片見圖2。

2.2 設(shè)備功能

實(shí)驗(yàn)儀器具有完成崩解實(shí)驗(yàn)及控制水流量兩大基本功能，而兩者約束條件不同，所對(duì)應(yīng)的儀器功能也各不相同，具體分析如下:

(1)崩解實(shí)驗(yàn)裝置:將土樣放在細(xì)鐵絲網(wǎng)籃中，在水槽內(nèi)進(jìn)行土樣崩解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用秒表控制時(shí)間，利用電子稱讀數(shù)確定土樣崩解量。

圖2 儀器全貌圖Fig．2 Instrument close-up view

另外，利用三根導(dǎo)管進(jìn)行分流，控制不同的浸水深度。

(2)控制水流量裝置:實(shí)驗(yàn)過程須保證水流量穩(wěn)定，浸入土樣的水位穩(wěn)定，故利用流量計(jì)和供水水瓶控制流量，而導(dǎo)管、鑷子和量筒可控制排出水的水量，進(jìn)而計(jì)算土樣崩解過程中的吸收水量。

3 崩解實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置;

(2)測定黃土試樣的含水率、密度、液限、塑限等基本參數(shù);

(3)進(jìn)行原狀離石黃土試樣崩解性實(shí)驗(yàn)，測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容如下:

a)黃土試樣單面浸水情況下，浸水深度分別為3 cm、6 cm、9 cm時(shí)，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計(jì)和量筒的讀數(shù)、崩解過程中的各種現(xiàn)象、崩解破壞情況，完全崩解破壞所需時(shí)間(模擬“一”字型黃土邊坡浸水崩解破壞情況);

b)黃土試樣雙面浸水情況下，浸水深度分別為3 cm、6 cm、9 cm時(shí)，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計(jì)和量筒的讀數(shù)、崩解過程中的各種現(xiàn)象、崩解破壞情況，完全崩解破壞所需時(shí)間(模擬“L”型黃土邊坡浸水崩解破壞情況);

c)黃土試樣三面浸水情況下，浸水深度分別為3 cm、6 cm、9 cm時(shí)，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計(jì)和量筒的讀數(shù)、崩解過程中的各種現(xiàn)象、崩解破壞情況，完全崩解破壞所需時(shí)間(模擬“U”型黃土邊坡浸水崩解破壞情況);

d)黃土試樣整體浸水情況下，浸水深度分別為3 cm、6 cm、9 cm時(shí)，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計(jì)和量筒的讀數(shù)、崩解過程中的各種現(xiàn)象、崩解破壞情況，完全崩解破壞所需時(shí)間(模擬地下水位上升時(shí)黃土邊坡浸水崩解破壞情況);

(4)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同浸水深度、不同浸水范圍對(duì)黃土崩解破壞的影響;

(5)黃土的崩解性對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作流程

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將試樣放在懸掛于電子稱下的網(wǎng)籃中，固定電子稱頂端，同時(shí)記下電子稱讀數(shù)，控制左端儀器中的水勻速進(jìn)入右端的盛水器皿中，開動(dòng)秒表，直至水位達(dá)到指定高度。實(shí)驗(yàn)開始后每隔30s測記電子稱讀數(shù)、流量計(jì)及量筒的讀數(shù)，并描述試樣在崩解過程中的各種現(xiàn)象及破壞情況。當(dāng)試樣完全崩解破壞后，記錄時(shí)間，實(shí)驗(yàn)即可結(jié)束。具體過程如下:

(1)試樣制備，按設(shè)計(jì)要求取10 cm×10 cm×30 cm長方體試樣，在試樣三個(gè)側(cè)面及底面外涂抹凡士林并粘貼隔水紙;

(2)安裝試樣，將試樣放入電子稱下的網(wǎng)籃中，讀數(shù);

(3)供水，關(guān)閉開關(guān)1、2，打開開關(guān)3，此時(shí)浸水高度為3 cm，通過左側(cè)導(dǎo)管將水注入水槽中，直至水從右側(cè)的導(dǎo)管3中流出，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，注意保證水位不變;

(4)此后每隔30s讀數(shù)一次，讀數(shù)包括電子稱的讀數(shù)，流量計(jì)的讀數(shù)，以及量筒的讀數(shù)，填寫“崩解規(guī)律”記錄表格，并描述黃土試樣的崩解和破壞情況，直至黃土試樣完全崩解破壞，記錄完全崩解破壞所需的時(shí)間;

(5)清洗儀器;

(6)試樣制備，按設(shè)計(jì)要求取10 cm×10 cm×30 cm長方體試樣，在試樣兩個(gè)側(cè)面及底面外涂抹凡士林并粘貼隔水紙;

(7)重復(fù)步驟2～5;

(8)試樣制備，按設(shè)計(jì)要求取10 cm×10 cm×30 cm長方體試樣，在試樣其中一個(gè)側(cè)面及底面外涂抹凡士林并粘貼隔水紙;

(9)重復(fù)步驟2～5;

(10)試樣制備，按設(shè)計(jì)要求取10 cm×10 cm×30 cm長方體試樣，不粘貼隔水紙;

(11)重復(fù)步驟2～5;

(12)關(guān)閉開關(guān)1、3，打開開關(guān)2，此時(shí)浸水高度為6 cm;重復(fù)步驟1～11;

(13)關(guān)閉開關(guān)2、3，打開開關(guān)1，此時(shí)浸水高度為9 cm;重復(fù)步驟1～11;

(14)整理儀器及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)的物理過程描述

土樣制備及安裝完成后，讀取電子稱讀數(shù)，此時(shí)開動(dòng)秒表，實(shí)驗(yàn)開始，水槽內(nèi)的水位逐漸上升到接觸至土樣底面，土樣開始崩解，電子稱讀數(shù)開始變化，由于土體內(nèi)部存在蟲孔或結(jié)構(gòu)面，土體吸水能力增加，崩解速率加快，同時(shí)土樣側(cè)面出現(xiàn)吸水滲流現(xiàn)象，電子稱讀數(shù)迅速減小，一段時(shí)間后土體穩(wěn)定崩解，電子稱讀數(shù)開始穩(wěn)定減小，直至浸水水位達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的土樣浸水深度，此時(shí)水從水槽側(cè)壁導(dǎo)水管流出，電子稱讀數(shù)減少的速度開始變緩，土體側(cè)面滲流鋒面基本穩(wěn)定，在此過程中由于各個(gè)側(cè)面浸水崩解速度的差異，土樣突然朝著一面傾倒，土體吸水速度迅速增加，崩解速度迅速加快，電子稱讀數(shù)減少的速度也突然加快，經(jīng)過一段時(shí)間后電子稱讀數(shù)才再次穩(wěn)定減小，土樣開始穩(wěn)定崩解，直至土樣完全浸入水中，崩解實(shí)驗(yàn)完成，崩解完成后的土樣只剩土體內(nèi)部的姜結(jié)石和部分流態(tài)的土體。

4 實(shí)例應(yīng)用

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬不同類型黃土邊坡在浸水條件下的崩解破壞情況，實(shí)驗(yàn)中對(duì)原狀離石黃土土樣在不同浸水深度，注水流量約為0.8 L/min條件下，進(jìn)行崩解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)取西安某地原狀離石黃土試樣4組，共12件，分別做不同浸水范圍(單面，雙面，三面，整體浸水)情況下，浸水深度為3 cm、6 cm、9 cm的崩解實(shí)驗(yàn)，得到離石黃土在不同浸水條件下，黃土體的崩解時(shí)間、崩解過程、崩解現(xiàn)象資料，獲得浸水深度—定體積土體崩解時(shí)間關(guān)系，不同浸水范圍—定體積土體崩解時(shí)間關(guān)系，不同浸水深度、不同浸水范圍下的黃土試樣崩解過程中土體崩解率(質(zhì)量損失/原質(zhì)量)—時(shí)間關(guān)系與崩解速率—時(shí)間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)得到了一系列水-土作用過程中崩解規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的目的，并繪制了離石黃土崩解率At與時(shí)間t關(guān)系曲線圖(圖3)及崩解速率υ與t關(guān)系曲線圖(圖4)。

由圖3可知，崩解率At與時(shí)間t關(guān)系大致呈線性分布，試樣浸水后，土體崩解開始發(fā)生，直至土體完全崩解，證明了水對(duì)土體的崩解破壞影響，驗(yàn)證了此黃土體崩解儀器的有效性。圖4亦表明:離石黃土根據(jù)其崩解速率的不同可劃分為浸水水位上升過程中的快速崩解階段及浸水水位穩(wěn)定后的趨穩(wěn)崩解階段，符合自然情況下黃土體遇水后崩解破壞規(guī)律，證明了實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有可操作性和可行性。

圖3 三面浸水不同浸水深度條件下At-t關(guān)系圖Fig．3 Diagram of At-t that three sides of flooding under the condition of different immersion depth

圖4 三面浸水不同浸水深度條件下υ-t關(guān)系圖Fig．4 Diagram of υ-t that three sides of flooding under the condition of different immersion depth

5 結(jié)論

基于黃土災(zāi)害認(rèn)識(shí)，研制了黃土體崩解儀器，以期揭示水-土作用機(jī)理。研制設(shè)備由完成崩解實(shí)驗(yàn)所需要的電子稱、秒表、細(xì)鐵絲網(wǎng)籃、水槽及控制水流量所采用的流量計(jì)、供水水瓶、量筒、鑷子、導(dǎo)管等組成，可用于模擬“一”字型坡、“L”型坡、“U”型坡、地下水位上升等情況下不同浸水深度的整個(gè)崩解過程。所研制設(shè)備具有簡單、靈活、占用空間小、操作方便、取樣較易等特點(diǎn)。利用研制設(shè)備對(duì)原狀離石黃土樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了不同浸水范圍(單面、雙面、三面、整體)與不同浸水深度(3 cm、6 cm、9 cm)的控制條件，獲得了離石黃土崩解規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了不同浸水條件下，離石黃土崩解率At與時(shí)間t關(guān)系曲線圖及崩解速率υ與t關(guān)系曲線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際，說明實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠真實(shí)反映離石黃土土體的崩解破壞機(jī)理，效果較好。

黃土浸水后崩解過程十分復(fù)雜，影響因素亦十分多樣，本實(shí)驗(yàn)儀器僅利用簡單裝置真實(shí)再現(xiàn)大塊定體積黃土體崩解過程，研究是初步的，未來研究將引入多種傳感器，測定崩解實(shí)驗(yàn)過程中滲流條件、土體浮力、基質(zhì)吸力、孔隙水壓變化等方面的影響因素，逐步完善設(shè)備功能。

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