王念秦，薛瑤瓊，魏精瑞

(西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

黃土體穩(wěn)流崩解儀的研制與應用

王念秦，薛瑤瓊，魏精瑞

(西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

黃土；黃土體穩(wěn)流崩解儀；耐崩解系數；崩解速度

黃土斜(邊)坡坡腳浸水常常誘發(fā)崩塌、滑坡災害。為了探討其崩塌機理，嘗試研制定體積黃土體穩(wěn)流崩解儀器，用于模擬黃土邊坡在不同浸水條件(不同浸水深度、不同浸水方向、不同浸水范圍)下的崩解全過程，獲取崩解時間、過程、現(xiàn)象，得到黃土在不同浸水條件下的耐崩解系數、崩解速度與時間的關系，以指導黃土邊坡災害防治與研究。該儀器除具有成本低、占用空間小、操作靈活方便等特點外，還能有效限定模擬邊界條件，模擬多種浸水—崩解狀態(tài)；試樣規(guī)格可依取樣難易程度確定，調整方便；試樣與崩解儀器合理協(xié)調，試驗參數同步獲取。運用此儀器對原狀離石黃土進行了崩解試驗，結果表明其具有一定的推廣和應用價值。

弱，坡面侵蝕、潛蝕加劇，不僅造成水土流失，而且嚴重威脅邊坡穩(wěn)定，極易誘發(fā)地質災害，因此有不少學者[9-10]將崩解作為一種可蝕性指標進行探討。為探索不同類型黃土邊坡浸水崩解破壞規(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，迫切需要加強黃土體穩(wěn)流崩解儀的研制工作。

1 試驗原理

目前國內外有關水—土作用過程、作用方式方面的研究較多，但對水—土作用后土體崩解規(guī)律、機理的研究較少。特別是在黃土崩解儀器研制方面，使儀器設計更接近現(xiàn)實黃土的浸水情況(不同流速、不同浸水范圍、不同浸水深度)，便于觀察崩解過程中的現(xiàn)象、特征，探討水—土作用后發(fā)生崩解的方式、過程，測定崩解速度、耐崩解系數等，在水土保持和工程地質領域都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本研究研制的定體積黃土體穩(wěn)流崩解儀器，能夠進行不同規(guī)格、不同浸水條件(不同流速、不同浸水深度、不同浸水方向、不同浸水范圍)、不同類型(馬蘭、離石、古土壤)原狀黃土的耐崩解系數、崩解速度試驗，可為研究水對黃土邊坡的破壞作用提供一定的理論依據。

黃土的耐崩解系數是指未發(fā)生崩解的黃土質量與原黃土質量的比值，即

(1)

式中：Bt為t時刻黃土的耐崩解系數；M為試驗前的土樣質量，g；mt為t時刻已發(fā)生崩解的土樣質量，g。

黃土的崩解速度是指單位時間內黃土的崩解量，即

(2)

式中：vt為t時刻黃土的崩解速度，g/min。

2 設備研制

2.1 設備組成

依據前述對黃土崩解作用過程、原理的認識，制作的定體積黃土體穩(wěn)流崩解儀器(以下簡稱崩解儀器)見圖1。

試驗設計能通過流量計控制流量的大小，根據試驗要求提供合適的流速，防止流量太小不能保持恒定的水位，或流量太大對電子秤產生一定的沖擊力，從而對試驗結果及土樣產生一定的影響。采用取樣設備與崩解儀器一體化的概念，即根據邊坡的浸水條件，設計相應的取樣筒(一面浸水、兩面浸水、多面浸水)，將用取樣筒取回的試樣直接放入鋼絲網內進行試驗，避免了取樣和試驗過程中對原狀土樣的擾動，使試驗設計更接近真實情況。水槽及取樣筒的透明性，方便觀察黃土崩解過程中土樣的變化、崩解形式、崩解現(xiàn)象等。水槽右側的出水口保證了土樣在試驗過程中一直保持恒定水位，模擬了現(xiàn)實情況下邊坡浸水情況，使試驗過程更接近真實情況。

圖1 定體積黃土體穩(wěn)流崩解儀器示意

①水箱；②開關；③流量計；④導管；⑤水槽；⑥鐵架臺；⑦電子秤；⑧燒杯；⑨支架(有刻度)；⑩鋼絲網

2.2 試驗過程

野外取樣及崩解儀器準備就緒后就可以開始試驗，具體流程如下：①將鐵架臺固定于試驗臺中心，將帶有鐵絲網的開孔鐵皮平放于鐵架臺臺座上，四周由螺絲擰緊固定，將兩側帶刻度的支架固定于鐵架臺上；②將集水箱、電子秤置于鐵架臺上，水槽置于電子秤上，流量計固定于鐵架臺上、集水箱右側，水箱底部開關與導管相接，水通過流量計進入水槽，再通過水槽右側出水口流入燒杯；③根據試樣的浸水深度及鐵架臺兩側支架上的刻度，固定頂部無刻度的支架，將鋼絲網掛到支架上；④取出試樣，拆去取樣筒封口處的保鮮膜，放入鋼絲網內，這個過程中要確保試樣豎直；⑤打開供水開關、電子秤，排除供水導管及流量計中殘留的氣泡，當右側燒杯內有水流入時開始試驗；⑥記錄試驗開始時間及電子秤的初始讀數(即水槽+水的質量)，觀察試樣崩解過程中的各種變化，并填寫崩解規(guī)律記錄表格，當試樣崩解完成后結束試驗；⑦根據浸水的深度調整頂部支架的高度，重復④—⑥步驟，直到試驗結束。

3 實例應用

用專用取樣筒取原狀離石黃土試樣2組共6件(圖2)，采用崩解儀器分別進行不同浸水范圍[單面(底面)、雙面(底面和一個側面)]、不同浸水深度(3、6、9 cm)條件下的崩解試驗，以獲取崩解時間、崩解過程、崩解現(xiàn)象數據，得到浸水深度與全崩解時間、不同浸水范圍與全崩解時間的對應關系，探索原狀離石黃土在不同浸水范圍、不同浸水條件下耐崩解系數、崩解速度與時間的對應關系。試驗過程中的土樣見圖3。

圖2 試驗土樣 圖3 試驗過程中的土樣

試驗得到了一系列數據，并繪制了單面浸水、雙面浸水條件下不同浸水深度的Bt—t曲線(圖4、5)和Vt—t曲線(圖6、7)。由圖4、5知，黃土的耐崩解系數隨著時間的增大逐漸減小，二者呈較好的線性關系，且隨著浸水深度的增加，耐崩解系數下降速度加快；由圖6、7知，黃土的崩解速度與時間的關系基本呈拋物線形，隨著時間變化崩解速度先增大后逐漸趨于平穩(wěn)，同時崩解速度隨著浸水深度的增加而增加。試驗結果符合自然狀態(tài)下黃土體遇水后的崩解破壞規(guī)律，驗證了試驗設備具有可操作性和可行性。

圖4 單面浸水條件下不同浸水深度的Bt—t關系曲線

圖5 雙面浸水條件下不同浸水深度的Bt—t關系曲線

圖6 單面浸水條件下不同浸水深度的Vt—t關系曲線

圖7 雙面浸水條件下不同浸水深度的Vt—t關系曲線

4 結 語

黃土遇水后發(fā)生崩解，極易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質災害，造成嚴重的水土流失。有專家學者對黃土崩解試驗儀器進行了研制，但受研究方法、手段的局限，存在試驗多針對重塑土樣、試樣浸水比表面積遠大于實際情況、試驗條件與實際出入較大、無法模擬邊坡實際浸水范圍和深度等不足。結合前人研究成果，本研究研制的定體積黃土體穩(wěn)流崩解儀器除具有成本低、占用空間小、操作靈活方便的特點外，還可以有效限定模擬邊界條件，模擬多種浸水—崩解狀態(tài)，而且試樣的規(guī)格可依據取樣的難易程度確定，調整方便，更真實地模擬了黃土的實際浸水情況(不同浸水深度、不同浸水方向、不同浸水范圍)，便于觀察崩解過程中黃土崩解的特征、方式、現(xiàn)象等，滿足不同規(guī)格、不同浸水條件下，不同類型(馬蘭、離石、古土壤)原狀或重塑黃土的耐崩解系數、崩解速度等方面的試驗要求，為研究降雨、地下水等對黃土邊坡的破壞作用提供參考。

為驗證試驗儀器的可行性，利用崩解儀器對原狀離石黃土樣品進行了崩解規(guī)律的研究，設計了單面、雙面浸水情況下，不同浸水深度(3、6、9 cm)的黃土試樣崩解試驗，獲得了試樣的崩解規(guī)律數據，得到了不同浸水范圍、不同浸水深度條件下耐崩解系數Bt與時間t、崩解速度Vt與時間t的關系曲線，試驗結果符合實際，說明崩解儀器能夠真實反映黃土邊坡崩解過程，具有一定的實用性和應用前景。

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(責任編輯 李楊楊)

TU41

A

1000-0941(2015)01-0055-03

國家自然科學基金重點項目(41130753)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2013KTCL03-15)；國家自然科學基金項目(40972174)

王念秦(1964—)，男，河南孟津縣人，教授，博士，主要從事巖土體穩(wěn)定及地質災害防治方面的教學、科研工作。

2014-06-01

黃土是一種特殊的第四紀陸相松散堆積物，透水性強，抗水性弱，浸水后土體結構迅速破壞發(fā)生崩解散體，因此水是引發(fā)黃土地區(qū)水土流失、邊坡剝落、滑坡、坍塌、崩塌等地質災害的重要因素，有“無水不滑”之說。目前國內外有關巖土體崩解的研究較多，但主要是針對泥巖、頁巖[1-4]等，對黃土崩解的研究相對較少。2005—2007年李家春等[5-6]研制了黃土崩解儀，并進行了壓實黃土浸水崩解試驗，認為壓實度、含水量是影響崩解速率的關鍵因素，并得出了可預測巖石土崩解速率的回歸方程；2009年李喜安等[7]通過自行研制的大試塊黃土崩解儀，結合原位崩解試驗，對黃土的崩解性進行研究，將黃土崩解的作用方式分為崩離、迸離和解離，認為含水率和結構性是影響崩解的重要因素；2011年王菁莪等[8]利用自制的崩解試驗儀器對不同初始基質吸力的土樣進行崩解試驗，結果表明干燥黃土比濕潤黃土更容易發(fā)生崩解破壞，非飽和重塑黃土的初始基質吸力與平均崩解速度存在對數關系。雖然有的專家學者研制出了黃土崩解試驗儀器，但目前已有的試驗儀器還存在很多不足，比如試驗多針對重塑土樣、試樣浸水比表面積遠大于實際情況、試驗條件與實際出入較大、無法模擬邊坡實際浸水范圍和深度等。

黃土體遇水崩解后，力學強度降低，內部聯(lián)系減