重塑黄土崩解特性试验研究

高建伟，余宏明，钱玉智，李 科

(1.西北电力设计院，西安 710075;2.中国地质大学工程学院，武汉 430074;3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266003)

1 研究背景

土的崩解在土工试验中称为湿化，是指土体浸水后发生碎散解体、塌落的现象，是由于水流入渗挤压气体，引发土体内部应力集中，使斥力超过吸力，进而造成土体崩落解体。黄土具有垂直节理，富含钙质和大孔隙，土质松散，是一种特殊土体，浸水后极易发生崩解破坏。在黄土地区的水土流失，边坡破坏［1］，地基失效，冲沟及洞穴发育，滑坡、泥石流等地质灾害的形成和发育过程中，黄土的崩解性都发挥重要作用。研究同时表明［2－3］，土体崩解性与其抗水蚀能力关系密切。因此研究黄土的崩解特性不仅对黄土地区上述工程地质问题的评价具有重要意义，而且关系到人类的生活生产和环境保护。

对于黄土崩解性，相关学者做了大量研究，对崩解影响因素、崩解的非饱和性［4］、崩解机制等进行了深入研究。研究得出，黄土的崩解速率是表征其崩解性的重要指标，反映了土的水蚀性能力，因而研究黄土崩解速率与其物理性质指标之间的关系具有重要意义。本文旨在通过室内试验，研究黄土崩解速率与干密度、初始含水率及有效空隙率之间的量化关系，并结合土－水特征曲线初步探讨黄土试样的孔隙结构及孔隙气体对崩解速率的影响，为相关实践工程提供借鉴。

2 试样制备与试验方法

2.1 试样制备

表1 土样物理性质指标Table 1 Physical indexes of soil sample

试验土样取自山西省河曲县，在室内将土样混匀风干、研磨，并过5mm筛。土样基本物理性质指标见表1。

为了减小试样大小、形状对试验结果的影响，试样统一采用标准环刀样，试样体积为60cm3。制样前将土样烘干24 h，烘干后称取一定质量土样，按初始含水率配比加入一定质量蒸馏水，搅拌均匀后用保鲜袋密封并置于保湿缸内24 h，使土体中水分均匀分布。试样制备时，称取定量土样采用静压法制成环刀样。

由击实试验得试验黄土最大干密度为1.85 g/cm3，最优含水率为15.8%。为了研究初始含水率和干密度在工程实践中对黄土崩解性能的影响，试验干密度 ρd分别取1.5，1.6，1.7和1.8 g/cm3(压实度分别为81%，87%，92%，98%)4种;同时，为了比拟黄土实践工程状态，试样初始含水率应控制在天然含水率与饱和含水率之间，并考虑试验黄土的最优含水率，因此试验设计初始含水率w分别为8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%共 7 种。

2.2 试验方法

根据相关行业规范［5］的试验要求，试验仪器采用自制式崩解仪(图1)进行试验研究。仪器盛放试样的网板网眼尺寸为0.8cm×0.8cm。

试验开始时，将制备好的试样放于金属网板上，手持浮筒匀速将其浸入装有适量水的玻璃容器中，开始计时并记录浮筒的初始读数。试验过程中每隔10 s测记一次浮筒于水面处的刻度数，并描述试样的崩解现象，根据试样的崩解快慢，调整测记的时间间隔，当试样完全通过金属网格崩落后，试验结束。

试验结束后，崩解量按式(1)计算:

式中:A为试样在时间t时刻的崩解量(%);H0为试验开始时的浮筒读数;Ht为试验过程中t时刻的浮筒读数;He为试验结束时的浮筒读数。

试样浸水后，产生大量气泡，表层细颗粒土体迅速扩散使清水开始变浑浊，试样产生粒状、片状崩解。同时，试样有环状裂缝产生，且裂缝不断扩大，进而形成沿环状裂缝的边缘块状塌落，崩解速率较快。试验中后期，有纵裂缝形成，气泡变小但数量密集，偶有大气泡产生，崩解速率变缓，试样土体崩解方式呈淤泥状滑落、陷落，直至试样土体全部通过金属网格，试验结束［6－7］。

图1 崩解试验仪示意图Fig.1 Sketch of disintegration tester

3 试验结果分析

3.1 试验崩解曲线

崩解曲线是描述试样累积崩解量与时间关系的曲线。图2是较典型的崩解曲线(ρd=1.6 g/cm3，w=14%)，可分为AB，BC和CD段。

其中，BC段为试样崩解的主要阶段，其陡缓反映了试样崩解的快慢，且崩解速率较为稳定，可表征试样的平均崩解速率［8］。崩解速率可用下式计算

式中:V为崩解速率(s－1);HC，HB分别为C，B点对应的累积崩解量(%);tC，tB为C，B点对应的崩解时间(s)。

图2 试样崩解曲线Fig.2 Disintegration curve of the sample

3.2 干密度对崩解的影响

试样干密度的大小是影响崩解的主要因素，干密度不同，试样的微观结构、渗透性不同，决定了其崩解性的不同。相关研究表明，重塑黄土处于低密度状态时(压实度小于90%)，土体结构松散，多架空、支架孔隙，试样干密度的增加，使得土颗粒孔隙被填充，土结构向紧密集粒方向转变，当试样压实度达到95%左右时，架空孔隙基本消失，土体微观结构转变为镶嵌结构，孔隙减少，渗透性降低，崩解性降低［9］。

图3 不同干密度黄土试样崩解曲线Fig.3 Disintegration curves of loess samples of different dry densities

图3是初始含水率为14%时，试样不同干密度下的崩解曲线。随干密度的增加，试样崩解时间加长，“S”型崩解曲线愈加平缓，崩解性能明显降低。试样干密度增加后，土体结构变密实，孔隙减小，部分成为封闭孔隙，试样的渗透性降低，水流渗入困难，从而降低了试样的崩解性［10］。此外，根据黄土崩解性和水蚀性之间的关系，可初步判断，干密度的增加降低了试样土体的可蚀性。

崩解速率是描述试样崩解性的重要指标，图4为试样崩解速率与干密度的关系曲线。曲线表明，试样的干密度与其崩解速率之间呈指数函数关系，随着试样干密度的增加，崩解速率呈指数衰减:

式中:a，b均为函数拟合参数，b的物理意义为崩解速率指数衰减的衰减速率。

图4 干密度与崩解速率关系曲线Fig.4 Relationship between dry density and disintegration rate

3.3 初始含水率对崩解的影响

李喜安等［11］的研究表明，其它条件保持不变情况下，试样崩解速率随初始含水率的增加而降低。随初始含水率增加时，土颗粒水膜变厚且较为均匀，试样土体内的黏土矿物浸水前产生的膨胀量增加。同时，初始含水率的增加导致了试样在崩解过程中，水流渗入缓慢，可封闭气体减少，造成浸水崩解过程中不易产生应力集中或集中应力较低，不利于崩解过程的进行。

图5为初始含水率与崩解速率关系曲线，结果表明，虽然试样的崩解速率随初始含水率的增加而波动变化，但整体而言略有下降趋势，下降趋势不显著主要是由于试样静压制备过程中，初始含水率较高时黏土矿物土颗粒产生团粒化现象，使得制备试样形成较多大孔隙，加速了初始含水率较高试样的崩解进程，造成部分试验数据结果中，初始含水率较高的试样崩解速率较大，导致试验结果的显著性较差。

图5 初始含水率与崩解速率关系曲线Fig.5 Relationship between initial water content and disintegration rate

3.4 孔隙结构与崩解速率关系分析

土－水特征曲线是描述试样基质吸力与初始含水率关系的曲线，由于基质吸力与试样孔隙结构关系密切，因此试样基质吸力随干密度、初始含水率的变化规律可间接反映试样的孔隙结构变化的规律。图6是试样初始含水率为16%时，不同干密度下的土－水特征曲线。试验仪器采用压力板仪，量程500kPa。

土－水特征曲线表明，各试样曲线的变化规律相似，不同干密度下，随着基质吸力的增加，试样饱和度均由前期的100%快速下降，基质吸力达到50kPa后趋于稳定。但是，不同干密度试样的饱和度下降速率及稳定时的饱和度数值均不相同，由图6得出，试样干密度越大，其持水能力越强，反映出试样孔隙结构随干密度的增大而更加紧密。同时，干密度由1.5 g/cm3变化到1.8 g/cm3(压实度由81%～98%)时，土－水特征曲线稳定阶段的间距逐渐减小，特别是1.7，1.8 g/cm3这2 种干密度下的曲线间距，表明试样中架空孔隙随干密度的增加迅速减少，且孔隙结构趋于稳定。土体结构随干密度的增加逐渐转变为镶嵌结构，孔隙变小且均匀，孔隙的连通性、渗透性大幅降低，气体受压形成的不均匀应力集中减弱，导致了试样的崩解速率降低。

图6 不同干密度试样的土-水特征曲线Fig.6 Soil-water characteristic curves of samples of different dry densities

不同初始含水率情况下，试样的土－水特征曲线具有类似规律。研究表明，初始含水率越高的试样其持水能力越强，主要原因是初始含水率较低时，由于土颗粒间吸附力较大，土体难以压密，结构松散，大孔隙较多;随着初始含水率的增加，颗粒扩散层加厚，形成水化膜，颗粒间吸附力降低，土体易于压密，大孔隙数目减少，渗透性变差;当初始含水率继续增加，颗粒表面水化膜厚度大幅增加，虽然不利于土体压密，但此时土体中一部分孔隙被封闭，致使孔隙连通性、渗透性进一步降低。因此，随初始含水率的增加，试样渗透性不断降低，导致试样崩解速率降低［12］。

3.5 有效空隙率与崩解速率关系

孔隙度是土体孔隙体积与土体总体积之比，试验中由于初始含水率的不同导致了孔隙中水和空气体积所占比例的不同，崩解过程中，孔隙中气体受压而引发应力集中，对试样的崩解起到关键作用。为研究试样土体中气体体积的变化对崩解速率的影响，将孔隙中空气所占体积与试样总体积之比称为有效空隙率(na)［13］。根据土体物理性质指标关系推导出:

式中:ρs为土体颗粒密度(g/cm3);V为试样体积(cm3)。

有效空隙率由试样干密度、初始含水率共同决定。研究有效空隙率与崩解速率之间的关系，可将干密度与初始含水率对崩解速率的影响统一考虑，能直观反映孔隙结构及孔隙气体对试样崩解性能的影响。试样崩解速率与有效空隙率关系(图7)表明，试样数据点基本以na=8%，na=22%明显分为3个区域，每个区域中试样崩解速率均随有效空隙率的增加而呈线性增加，且3个区域线性增长速率基本一致，即各区域中崩解速率随有效空隙率的变化具有相似的变化规律。

图7 有效空隙率与崩解速率关系Fig.7 Relationship between effective void ratio and disintegration rate

图8为不同初始含水率下，试样基质吸力与有效空隙率的关系曲线。根据曲线间间距，可将曲线可分为3类，基本以na=8%，na=20%为界限，结果与图7所得接近。根据有效空隙率的定义知，基质吸力增加，必然导致有效空隙率的增加，但图中各曲线有效空隙率增加的速率不同，尤其是当基质吸力大于50kPa时，曲线明显分类聚集。究其原因，主要是因为试样的孔隙结构不同造成了有效空隙率随基质吸力变化的规律不同。间接反映出，试样因干密度、初始含水率的不同形成不同的孔隙结构，对崩解速率有直接影响。因此，孔隙结构及有效空隙率与试样崩解速率之间关系密切。

上述论述结果表明，干密度、初始含水率对试样崩解速率的影响主要因为孔隙结构的不同，根据有效空隙率的研究成果得出，试样以na＞22%，8%＜na＜22%，na＜8%为界限指标，可分成3种土体孔隙结构。3种结构试样的崩解速率均随有效空隙率的增加而增大，孔隙结构及有效空隙率与试样的崩解性能密切相关，是影响崩解速率的主要原因。对于试样土体孔隙结构及其变化规律的分析，需根据其它试验研究进一步分析论证。

图8 基质吸力与有效空隙率关系曲线Fig.8 Curves of matric suction vs.effective void ratio

4 结论

(1)相同初始含水率下，试样的崩解速率与干密度的关系可用指数函数关系式拟合，且干密度越大，试样的崩解速率越低。同时拟合参数b，即指数衰减速率随试样初始含水率的增加而近线性降低。

(2)改变试样初始含水率而保持干密度不变时，试样的崩解速率随初始含水率的增加略有下降趋势。下降趋势不明显是因为较高初始含水率的试样在制备过程中产生了较多大孔隙，加快了试样崩解，从而导致试验结果不显著。

(3)土－水特征曲线研究表明，试样干密度越高，其持水能力越强。干密度的增加，导致土体大孔隙减少且趋于均匀，孔隙连通性、渗透性降低，气体受压形成的不均匀应力集中减弱，致使试样的崩解速率降低;初始含水率增大时，规律相似，不同的是初始含水率较高时，尽管不利于土体压密，但是由于土颗粒表层水化膜较厚或产生部分自由水，封闭了部分孔隙，降低了孔隙的连通性、渗透性，造成了试样崩解速率的降低。

(4)以有效空隙率na=8%，22%为界，试样崩解速率点明显分区分布，各区域内试样崩解速率均随有效空隙率的增加而增大。分析研究认为，由于干密度、初始含水率的影响，试样制备过程中形成了以有效空隙率为指标的3种孔隙结构，孔隙结构的不同是导致试样崩解性不同的主要原因。

［1］汪益敏，王秉纲.公路土质路基边坡坡面冲刷稳定性的模糊综合评价［J］.中国公路学报，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］蒋定生，李新华，范兴科，等.黄土高原土壤崩解速率变化规律及影响因素研究［J］.水土保持通报，1995，15(3):20－27.(JIANG Ding-sheng，LI Xin-hua，FAN 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，杨勤科，姚志宏.黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型土壤抗侵蚀研究［J］.水土保持通报，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，项 伟，毕仁能.基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究［J］.岩土力学，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，土工试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，1999:78－80.(SL237—1999，Specification of Soil Test［S］.Beijing:China Water Power Press，1999:78－80.(in Chinese))

［6］袁克阔，党进谦，王自奎，等.压实黄土水理特性试验研究［J］.人民长江，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.花岗岩残积土的压实特性及崩解特性研究［D］.广州:华南理工大学，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，田伟平.公路边坡降雨侵蚀特征及土的崩解试验［J］.长安大学学报(自然科学版)，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］陈开圣.公路工程压实黄土的强度与变形及其微观结构研究［D］.西安:长安大学，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，田伟平.工程压实黄土崩解特性试验研究［J］.重庆交通学院学报，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，黄润秋，彭建兵.黄土崩解性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，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］张雪东.土－水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究［D］.北京:北京交通大学，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］张 抒.广州地区花岗岩残积土崩解特性研究［D］.武汉:中国地质大学，2009.(ZHANGShu.A Study on Disintegration Behavior of Granite Residual Soil in Guangzhou［D］.Wuhan:China University of Geosciences，2009.(in Chinese ))