王念秦，魏精瑞

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

0 引言

長期以來，相關(guān)學者對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)實驗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，不但不能對不同空隙率的試樣進行實驗，而且由于試樣浸水比表面遠大于實際情況而造成誤差偏大，同時相關(guān)的原位崩解實驗則尚未開展。正因為如此，致使許多與黃土崩解機制有關(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，黃土崩解的驅(qū)動力，以及黃土坡面侵蝕或坡體潛蝕過程中的崩解遠沒有實驗中那么迅速的原因，哪些因素限制了崩解過程的繼續(xù)進行等。同樣，對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上［2-6］，自主研制黃土崩解實驗裝置、儀器，參考相關(guān)實驗方案，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)思與實驗原理

黃土崩解破壞規(guī)律具有非常復雜的空間特征。物理、力學性質(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驗結(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，實驗結(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，對原狀離石黃土崩解規(guī)律進行實驗研究。

本次實驗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與時間t關(guān)系曲線)與崩解速率以及浸水深度—全崩解時間關(guān)系、不同浸水范圍—全崩解時間關(guān)系，實驗方案主要考慮以下幾個控制因素: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、流水對土樣的剝蝕作用、土樣的吸水能力等)的影響下，設計實驗基本原理，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)崩解量計算的基本公式為:

式中:A——t時刻的崩解量/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，可由下式計算:

式中:Mt——t時刻的電子稱讀數(shù)(包括土試樣吸收的水量)/kg;

VL——t時刻通過流量計的水流量/ml;

Vl——t時刻量筒讀數(shù)/ml;

Vs——實驗大燒杯中水的體積(可由燒杯的直徑和高度計算)/ml;

ρw——水的密度，取 1g/cm3。

(2)崩解率計算基本公式為:

式中:At——t時刻試樣崩解率/%;

M0——開始時刻電子稱讀數(shù)/kg;

Mti——t時刻土樣剩余質(zhì)量/kg，可由(1.2)式計算得出。

(3)崩解速率計算公式為:

式中:v——崩解速率/(kg/min);

M2——崩解開始后t2時刻土樣崩解量/kg;

M1——崩解開始后t1時刻的土樣崩解量/kg，崩解量計算見式(1)。

2 儀器研制

2.1 設備組成

本次實驗利用黃土試樣遇水發(fā)生濕化散解的特性，通過秒表控制時間，電子稱、流量計、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間，并觀察黃土試樣吸水后的崩解破壞情況。

依據(jù)實驗相關(guān)基本原理，參考有關(guān)實驗裝置及相關(guān)文獻［1-4］，制作實驗儀器見圖1:

圖1 實驗裝置設計圖Fig．1 The design of experimental device1—電子稱;2—細鐵絲網(wǎng)籃;3—水槽;4—流量計;5—供水水瓶;6—量筒;7—鑷子開關(guān);8—導管;9—鐵架臺;10—黃土試樣

實驗用實驗儀器全貌照片見圖2。

2.2 設備功能

實驗儀器具有完成崩解實驗及控制水流量兩大基本功能，而兩者約束條件不同，所對應的儀器功能也各不相同，具體分析如下:

(1)崩解實驗裝置:將土樣放在細鐵絲網(wǎng)籃中，在水槽內(nèi)進行土樣崩解實驗。實驗利用秒表控制時間，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，利用三根導管進行分流，控制不同的浸水深度。

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

3 崩解實驗

3.1 實驗內(nèi)容

(1)設計實驗裝置;

(2)測定黃土試樣的含水率、密度、液限、塑限等基本參數(shù);

(3)進行原狀離石黃土試樣崩解性實驗，測定實驗數(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，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計和量筒的讀數(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，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計和量筒的讀數(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，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計和量筒的讀數(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，記錄黃土試樣的初始重量，之后每隔30s記錄電子稱、流量計和量筒的讀數(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間(模擬地下水位上升時黃土邊坡浸水崩解破壞情況);

(4)對比實驗數(shù)據(jù)，分析不同浸水深度、不同浸水范圍對黃土崩解破壞的影響;

(5)黃土的崩解性對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響研究。

3.2 實驗操作流程

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

(1)試樣制備，按設計要求取10 cm×10 cm×30 cm長方體試樣，在試樣三個側(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，此時浸水高度為3 cm，通過左側(cè)導管將水注入水槽中，直至水從右側(cè)的導管3中流出，此時開始計時，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間;

(5)清洗儀器;

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

(7)重復步驟2～5;

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

(9)重復步驟2～5;

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

(11)重復步驟2～5;

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

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

(14)整理儀器及實驗數(shù)據(jù)。

3.3 實驗的物理過程描述

土樣制備及安裝完成后，讀取電子稱讀數(shù)，此時開動秒表，實驗開始，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，直至浸水水位達到實驗設計的土樣浸水深度，此時水從水槽側(cè)壁導水管流出，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，崩解實驗完成，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 實例應用

本次實驗設計模擬不同類型黃土邊坡在浸水條件下的崩解破壞情況，實驗中對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，進行崩解實驗，實驗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的崩解實驗，得到離石黃土在不同浸水條件下，黃土體的崩解時間、崩解過程、崩解現(xiàn)象資料，獲得浸水深度—定體積土體崩解時間關(guān)系，不同浸水范圍—定體積土體崩解時間關(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)—時間關(guān)系與崩解速率—時間關(guān)系。實驗得到了一系列水-土作用過程中崩解規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)，基本達到了實驗設備設計的目的，并繪制了離石黃土崩解率At與時間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，證明了水對土體的崩解破壞影響，驗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，證明了實驗設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

基于黃土災害認識，研制了黃土體崩解儀器，以期揭示水-土作用機理。研制設備由完成崩解實驗所需要的電子稱、秒表、細鐵絲網(wǎng)籃、水槽及控制水流量所采用的流量計、供水水瓶、量筒、鑷子、導管等組成，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崩解過程。所研制設備具有簡單、靈活、占用空間小、操作方便、取樣較易等特點。利用研制設備對原狀離石黃土樣品進行實驗研究，設計了不同浸水范圍(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)律實驗數(shù)據(jù)，得到了不同浸水條件下，離石黃土崩解率At與時間t關(guān)系曲線圖及崩解速率υ與t關(guān)系曲線圖。實驗結(jié)果符合實際，說明實驗設備能夠真實反映離石黃土土體的崩解破壞機理，效果較好。

黃土浸水后崩解過程十分復雜，影響因素亦十分多樣，本實驗儀器僅利用簡單裝置真實再現(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，測定崩解實驗過程中滲流條件、土體浮力、基質(zhì)吸力、孔隙水壓變化等方面的影響因素，逐步完善設備功能。

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