高建偉，余宏明，錢玉智，李 科

(1.西北電力設計院，西安 710075;2.中國地質大學工程學院，武漢 430074;3.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266003)

1 研究背景

土的崩解在土工試驗中稱為濕化，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)部應力集中，使斥力超過吸力，進而造成土體崩落解體。黃土具有垂直節(jié)理，富含鈣質和大孔隙，土質松散，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、泥石流等地質災害的形成和發(fā)育過程中，黃土的崩解性都發(fā)揮重要作用。研究同時表明［2－3］，土體崩解性與其抗水蝕能力關系密切。因此研究黃土的崩解特性不僅對黃土地區(qū)上述工程地質問題的評價具有重要意義，而且關系到人類的生活生產(chǎn)和環(huán)境保護。

對于黃土崩解性，相關學者做了大量研究，對崩解影響因素、崩解的非飽和性［4］、崩解機制等進行了深入研究。研究得出，黃土的崩解速率是表征其崩解性的重要指標，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指標之間的關系具有重要意義。本文旨在通過室內(nèi)試驗，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系，并結合土－水特征曲線初步探討黃土試樣的孔隙結構及孔隙氣體對崩解速率的影響，為相關實踐工程提供借鑒。

2 試樣制備與試驗方法

2.1 試樣制備

表1 土樣物理性質指標Table 1 Physical indexes of soil sample

試驗土樣取自山西省河曲縣，在室內(nèi)將土樣混勻風干、研磨，并過5mm篩。土樣基本物理性質指標見表1。

為了減小試樣大小、形狀對試驗結果的影響，試樣統(tǒng)一采用標準環(huán)刀樣，試樣體積為60cm3。制樣前將土樣烘干24 h，烘干后稱取一定質量土樣，按初始含水率配比加入一定質量蒸餾水，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，稱取定量土樣采用靜壓法制成環(huán)刀樣。

由擊實試驗得試驗黃土最大干密度為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踐中對黃土崩解性能的影響，試驗干密度 ρd分別取1.5，1.6，1.7和1.8 g/cm3(壓實度分別為81%，87%，92%，98%)4種;同時，為了比擬黃土實踐工程狀態(tài)，試樣初始含水率應控制在天然含水率與飽和含水率之間，并考慮試驗黃土的最優(yōu)含水率，因此試驗設計初始含水率w分別為8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%共 7 種。

2.2 試驗方法

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

試驗開始時，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，開始計時并記錄浮筒的初始讀數(shù)。試驗過程中每隔10 s測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，調整測記的時間間隔，當試樣完全通過金屬網(wǎng)格崩落后，試驗結束。

試驗結束后，崩解量按式(1)計算:

式中:A為試樣在時間t時刻的崩解量(%);H0為試驗開始時的浮筒讀數(shù);Ht為試驗過程中t時刻的浮筒讀數(shù);He為試驗結束時的浮筒讀數(shù)。

試樣浸水后，產(chǎn)生大量氣泡，表層細顆粒土體迅速擴散使清水開始變渾濁，試樣產(chǎn)生粒狀、片狀崩解。同時，試樣有環(huán)狀裂縫產(chǎn)生，且裂縫不斷擴大，進而形成沿環(huán)狀裂縫的邊緣塊狀塌落，崩解速率較快。試驗中后期，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金屬網(wǎng)格，試驗結束［6－7］。

圖1 崩解試驗儀示意圖Fig.1 Sketch of disintegration tester

3 試驗結果分析

3.1 試驗崩解曲線

崩解曲線是描述試樣累積崩解量與時間關系的曲線。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算

式中:V為崩解速率(s－1);HC，HB分別為C，B點對應的累積崩解量(%);tC，tB為C，B點對應的崩解時間(s)。

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

3.2 干密度對崩解的影響

試樣干密度的大小是影響崩解的主要因素，干密度不同，試樣的微觀結構、滲透性不同，決定了其崩解性的不同。相關研究表明，重塑黃土處于低密度狀態(tài)時(壓實度小于90%)，土體結構松散，多架空、支架孔隙，試樣干密度的增加，使得土顆?？紫侗惶畛洌两Y構向緊密集粒方向轉變，當試樣壓實度達到95%左右時，架空孔隙基本消失，土體微觀結構轉變?yōu)殍偳督Y構，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，試樣不同干密度下的崩解曲線。隨干密度的增加，試樣崩解時間加長，“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，土體結構變密實，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，圖4為試樣崩解速率與干密度的關系曲線。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系曲線Fig.4 Relationship between dry density and disintegration rate

3.3 初始含水率對崩解的影響

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，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，初始含水率的增加導致了試樣在崩解過程中，水流滲入緩慢，可封閉氣體減少，造成浸水崩解過程中不易產(chǎn)生應力集中或集中應力較低，不利于崩解過程的進行。

圖5為初始含水率與崩解速率關系曲線，結果表明，雖然試樣的崩解速率隨初始含水率的增加而波動變化，但整體而言略有下降趨勢，下降趨勢不顯著主要是由于試樣靜壓制備過程中，初始含水率較高時黏土礦物土顆粒產(chǎn)生團?；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程，造成部分試驗數(shù)據(jù)結果中，初始含水率較高的試樣崩解速率較大，導致試驗結果的顯著性較差。

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

3.4 孔隙結構與崩解速率關系分析

土－水特征曲線是描述試樣基質吸力與初始含水率關系的曲線，由于基質吸力與試樣孔隙結構關系密切，因此試樣基質吸力隨干密度、初始含水率的變化規(guī)律可間接反映試樣的孔隙結構變化的規(guī)律。圖6是試樣初始含水率為16%時，不同干密度下的土－水特征曲線。試驗儀器采用壓力板儀，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，隨著基質吸力的增加，試樣飽和度均由前期的100%快速下降，基質吸力達到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，反映出試樣孔隙結構隨干密度的增大而更加緊密。同時，干密度由1.5 g/cm3變化到1.8 g/cm3(壓實度由81%～98%)時，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，且孔隙結構趨于穩(wěn)定。土體結構隨干密度的增加逐漸轉變?yōu)殍偳督Y構，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力集中減弱，導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，主要原因是初始含水率較低時，由于土顆粒間吸附力較大，土體難以壓密，結構松散，大孔隙較多;隨著初始含水率的增加，顆粒擴散層加厚，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，但此時土體中一部分孔隙被封閉，致使孔隙連通性、滲透性進一步降低。因此，隨初始含水率的增加，試樣滲透性不斷降低，導致試樣崩解速率降低［12］。

3.5 有效空隙率與崩解速率關系

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

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系，可將干密度與初始含水率對崩解速率的影響統(tǒng)一考慮，能直觀反映孔隙結構及孔隙氣體對試樣崩解性能的影響。試樣崩解速率與有效空隙率關系(圖7)表明，試樣數(shù)據(jù)點基本以na=8%，na=22%明顯分為3個區(qū)域，每個區(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個區(qū)域線性增長速率基本一致，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，試樣基質吸力與有效空隙率的關系曲線。根據(jù)曲線間間距，可將曲線可分為3類，基本以na=8%，na=20%為界限，結果與圖7所得接近。根據(jù)有效空隙率的定義知，基質吸力增加，必然導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，尤其是當基質吸力大于50kPa時，曲線明顯分類聚集。究其原因，主要是因為試樣的孔隙結構不同造成了有效空隙率隨基質吸力變化的規(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構，對崩解速率有直接影響。因此，孔隙結構及有效空隙率與試樣崩解速率之間關系密切。

上述論述結果表明，干密度、初始含水率對試樣崩解速率的影響主要因為孔隙結構的不同，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，可分成3種土體孔隙結構。3種結構試樣的崩解速率均隨有效空隙率的增加而增大，孔隙結構及有效空隙率與試樣的崩解性能密切相關，是影響崩解速率的主要原因。對于試樣土體孔隙結構及其變化規(guī)律的分析，需根據(jù)其它試驗研究進一步分析論證。

圖8 基質吸力與有效空隙率關系曲線Fig.8 Curves of matric suction vs.effective void ratio

4 結論

(1)相同初始含水率下，試樣的崩解速率與干密度的關系可用指數(shù)函數(shù)關系式擬合，且干密度越大，試樣的崩解速率越低。同時擬合參數(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)改變試樣初始含水率而保持干密度不變時，試樣的崩解速率隨初始含水率的增加略有下降趨勢。下降趨勢不明顯是因為較高初始含水率的試樣在制備過程中產(chǎn)生了較多大孔隙，加快了試樣崩解，從而導致試驗結果不顯著。

(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。干密度的增加，導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力集中減弱，致使試樣的崩解速率降低;初始含水率增大時，規(guī)律相似，不同的是初始含水率較高時，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。分析研究認為，由于干密度、初始含水率的影響，試樣制備過程中形成了以有效空隙率為指標的3種孔隙結構，孔隙結構的不同是導致試樣崩解性不同的主要原因。

［1］汪益敏，王秉綱.公路土質路基邊坡坡面沖刷穩(wěn)定性的模糊綜合評價［J］.中國公路學報，2005，18(1):24－29.(WANG Yi-min，WANG Bing-gang.Fuzzy Evaluation Method of Scouring Stability on Soil Subgrade Slope［J］.China Journal of Highway and Transport，2005，18(1):24－29.(in Chinese))

［2］蔣定生，李新華，范興科，等.黃土高原土壤崩解速率變化規(guī)律及影響因素研究［J］.水土保持通報，1995，15(3):20－27.(JIANG Ding-sheng，LI Xin-hua，F(xiàn)AN Xing-ke，etal.Research on Loess Plateau Soil Disintegration Speed Change Rule and Influence Factor［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，1995，15(3):20－27.(in Chinese))

［3］曾 光，楊勤科，姚志宏.黃土丘陵溝壑區(qū)不同土地利用類型土壤抗侵蝕研究［J］.水土保持通報，2008，28(1):6－9.(ZENG Guang，YANG Qin-ke，YAO Zhihong.Soil Anti-erodibility under Different Land Use Types in the Loess Hill and Gully Area［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2008，28(1):6－9.(in Chinese))

［4］王菁莪，項 偉，畢仁能.基質吸力對非飽和重塑黃土崩解性影響試驗研究［J］.巖土力學，2011，32(11):3258－3262.(WANG Jing-e，XIANG Wei，BI Renneng.Experimental Study of Influence of Matric Suction on Disintegration of Unsaturated Remolded Loess［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(11):3258－3262.(in Chinese))

［5］SL237—1999，土工試驗規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，1999:78－80.(SL237—1999，Specification of Soil Test［S］.Beijing:China Water Power Press，1999:78－80.(in Chinese))

［6］袁克闊，黨進謙，王自奎，等.壓實黃土水理特性試驗研究［J］.人民長江，2009，40(20):34－37.(YUAN Kekuo，DANG Jin-qian，WANG Zi-kui，etal.Experimental Study on Water Character of Compacted Loess［J］.Yangtze River，2009，40(20):34－37.(in Chinese))

［7］曾 朋.花崗巖殘積土的壓實特性及崩解特性研究［D］.廣州:華南理工大學，2012.(ZENG Peng.A Study on Compaction Characteristics and Disintegration Behavior of Granite Residual Soil［D］.Guangzhou:South China U-niversity of Technology，2012.(in Chinese))

［8］李家春，崔世富，田偉平.公路邊坡降雨侵蝕特征及土的崩解試驗［J］.長安大學學報(自然科學版)，2007，27(1):23－26.(LI Jia-chun，CUI Shi-fu，TIAN Weiping.Erosion Characteristic of Road Slope and Test of Soil Disintegration［J］.Journal of Chang’an University(Natural Science)，2007，27(1):23－26.(in Chinese))

［9］陳開圣.公路工程壓實黃土的強度與變形及其微觀結構研究［D］.西安:長安大學，2006.(CHEN Kai-sheng.Study on Strength and Deformation of Compacted Loess and Its Microstructure for Highway Engineering［D］.Xi’an:Chang’an University，2006.(in Chinese))

［10］李家春，田偉平.工程壓實黃土崩解特性試驗研究［J］.重慶交通學院學報，2005，24(5):74－77.(LI Jia-chun，TIAN Wei-ping.Experimental Study of Compacted Loess Disintegration［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2005，24(5):74－77.(in Chinese))

［11］李喜安，黃潤秋，彭建兵.黃土崩解性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(1):3207－3213.(LI Xian，HUANG Run-qiu，PENG Jian-bin.Experimental Research on Disintegration of Loess［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(1):3207－3213.(in Chinese))

［12］張雪東.土－水特征曲線及其在非飽和土力學中應用的基本問題研究［D］.北京:北京交通大學，2010.(ZHANG Xue-dong.Research on the Principle Problem Relating to Soil-water Characteristic Curve and Its Application to Unsaturated Soil Mechanics［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2010.(in Chinese))

［13］張 抒.廣州地區(qū)花崗巖殘積土崩解特性研究［D］.武漢:中國地質大學，2009.(ZHANGShu.A Study on Disintegration Behavior of Granite Residual Soil in Guangzhou［D］.Wuhan:China University of Geosciences，2009.(in Chinese ))