鄭亞萌+戴福初

摘 要：甘肅黑方臺(tái)地區(qū)因農(nóng)業(yè)灌溉誘發(fā)了大量黃土滑坡，給當(dāng)?shù)厝罕娚?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為探究灌溉誘發(fā)黃土滑坡的形成機(jī)理，以灌溉淋濾為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)比分析了原狀黃土在長(zhǎng)期灌溉條件下物質(zhì)組成、物理性質(zhì)的變化規(guī)律，通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了灌溉淋濾對(duì)原狀黃土靜態(tài)液化特性的影響。結(jié)果表明：長(zhǎng)期灌溉造成原狀黃土中可溶鹽含量的大幅降低，膠結(jié)弱化，粗顆粒分散，黏粒增多，塑性指數(shù)增大，同時(shí)灌溉過(guò)程中發(fā)生的濕陷引起黃土干密度增大、孔隙比減??；淋濾前后飽和黃土均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變軟化特性，具有靜態(tài)液化特征；與未淋濾黃土相比，淋濾后黃土脆性破壞特征有所減弱，表現(xiàn)為峰值應(yīng)變?cè)龃?、超孔隙水壓力減小和穩(wěn)態(tài)線上移。

關(guān)鍵詞：巖土工程；原狀黃土；三軸試驗(yàn)；灌溉淋濾；物理力學(xué)性質(zhì)；靜態(tài)液化；黃土滑坡；甘肅

中圖分類號(hào)：P642.13+1；TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Agricultural irrigation in Heifangtai area of Gansu has induced a large number of landslides， which threaten the safety of the local residents. In order to investigate the mechanism of the irrigation-induced loess landslide， the variations of material composition and physical properties of undisturbed loess caused by long-term irrigation were analyzed； laboratory triaxial tests were performed to further study the effects of irrigation leaching on static liquefaction characteristics inherent in undisturbed loess. The results show that long-term irrigation leaching results in the decrease of contents of soluble salt in undisturbed loess， weakening in the cementation， the dispersion of coarse particles and the increase of clay particle and plasticity index； meanwhile， the wetting collapse in the process of irrigation causes the increase of dry density and the decrease of void ratio； all saturated loess before and after leaching are characterized by static liquefaction in isotropically consolidated undrained compression testing； compared with loess without leaching， the loess leached is characterized by smaller brittleness with the increase of peak strain， the decrease of excess pore water pressure and the upward of steady state line.

Key words： geotechnical engineering； undisturbed loess； triaxial test； irrigation leaching； physical and mechanical properties； static liquefaction； loess landslide； Gansu

0 引 言

甘肅黑方臺(tái)地區(qū)因農(nóng)業(yè)灌溉誘發(fā)了大量黃土滑坡，給當(dāng)?shù)厝罕娚?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，黃土滑坡形成機(jī)理研究是滑坡防治的關(guān)鍵。眾多學(xué)者從不同角度研究了灌溉誘發(fā)黃土滑坡形成機(jī)理，取得了顯著成果。雷祥義等認(rèn)為長(zhǎng)期灌溉改變了地下水文條件，造成土體抗剪強(qiáng)度降低，從而誘發(fā)黃土滑坡[1-4]；胡煒等研究了長(zhǎng)期灌溉對(duì)黃土工程地質(zhì)性質(zhì)的影響，認(rèn)為灌溉破壞了黃土原生結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅喪失，導(dǎo)致黃土滑坡頻發(fā)[5-6]；張茂省等認(rèn)為地下水位上升導(dǎo)致了黃土滑坡，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了地下水位上升過(guò)程中黃土的力學(xué)行為[7-8]；王家鼎提出了飽和黃土蠕動(dòng)液化機(jī)理，認(rèn)為破壞主要是由于厚層黃土層底部的薄紅黏土層因飽和而產(chǎn)生崩潰[9]；趙春宏等認(rèn)為土體的應(yīng)力應(yīng)變特性與滑坡發(fā)生機(jī)理密切相關(guān)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究了飽和原狀黃土的力學(xué)特性，試驗(yàn)結(jié)果表明飽和原狀黃土呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變軟化特性，具有靜態(tài)液化特征[10-13]。近年來(lái)，一些學(xué)者從灌溉入滲過(guò)程中土中鹽分被淋濾的角度出發(fā)，探究了灌溉誘發(fā)黃土滑坡形成機(jī)理。邴慧等通過(guò)洗鹽法分別探究了洗鹽前后黃土和紅層風(fēng)化泥巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化[14-16]；盧雪清探究了易溶鹽、難溶鹽分別對(duì)重塑黃土強(qiáng)度的影響，認(rèn)為鹽分變化對(duì)重塑黃土的強(qiáng)度特性有一定程度的影響，但也受其他因素的影響[17]；Zhang等采用人工配置不同濃度NaCl溶液飽和重塑黃土的方法，研究了含鹽量對(duì)其不排水抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明在一定濃度范圍內(nèi)土體抗剪強(qiáng)度隨含鹽量增多而增大[18]。

為探究灌溉淋濾對(duì)原狀黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，本文以甘肅黑方臺(tái)地區(qū)原狀黃土為研究對(duì)象，首先分析了長(zhǎng)期灌溉條件下原狀黃土物理性質(zhì)的變化規(guī)律，然后開(kāi)展飽和原狀黃土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了灌溉淋濾對(duì)飽和黃土力學(xué)特性的影響。

1 研究區(qū)概況

黑方臺(tái)地區(qū)位于甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)，屬黃河Ⅳ級(jí)基座階地，上部覆蓋有晚更新世馬蘭黃土，是典型黃土臺(tái)塬地貌[19-24]?；⒗菧蠈⒑诜脚_(tái)切割為2塊：西側(cè)面積較小的為方臺(tái)，約1.7 km2；東側(cè)面積較大的為黑臺(tái)，東西長(zhǎng)約6 km，南北寬1～3 km，面積約為12 km2。黑臺(tái)北部發(fā)育有近EW向磨石溝，切割至階地基座以下，東側(cè)前緣、南部直接與黃河Ⅱ級(jí)階地相接，形成高差90～130 m的斜坡地形。

本次試驗(yàn)所用試樣均取自黑臺(tái)，采樣位置見(jiàn)圖1。未灌溉黃土（樣品TJ-1）取自新塬村塬邊空地，經(jīng)緯度為（36°05′33.17″N，103°17′20.52″E），開(kāi)挖深度為33 m；灌溉后黃土（樣品TJ-2）取自焦家村一菜地，經(jīng)緯度為（36°06′38.62″N，103°19′52.36″E），開(kāi)挖深度為11 m。探井每隔1 m取原狀黃土土樣，用于開(kāi)展物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究。

2 物質(zhì)組成

甘肅黑方臺(tái)地區(qū)至今已有50余年的灌溉歷史。為探究灌溉對(duì)黃土物質(zhì)組成的影響，采用X射線衍射法（XRD）測(cè)量了黃土的礦物成分，采用X射線熒光光譜分析法（XRF）測(cè)量了黃土的化學(xué)成分，并測(cè)量了黃土中可溶鹽（包括易溶鹽、中溶鹽和難溶鹽[25]）含量。

2.1 礦物成分

由X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果可知，黑方臺(tái)地區(qū)長(zhǎng)期灌溉前后黃土中原巖礦物成分相同，主要有石英、長(zhǎng)石、方解石、云母、白云石和閃石，其中石英含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）最高，其次是長(zhǎng)石和方解石，以樣品TJ-1深度3 m處黃土為例，三者之和高達(dá)85%[圖2（a）]。與樣品TJ-1相比，樣品TJ-2黃土中石英、長(zhǎng)石含量增大，以長(zhǎng)石為例，其含量平均增大約5.8%[圖2（b）]；而方解石、云母等含量普遍減少，以云母為例，其含量平均減少約1.2%[圖2（c）]。

2.2 化學(xué)成分

與礦物成分相對(duì)應(yīng)，組成黃土的化學(xué)成分主要有SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O和Na2O，其中SiO2含量最高，其次是Al2O3和CaO。以樣品TJ-1深度3 m 處黃土為例，SiO2、Al2O3、CaO含量之和高達(dá)77.5%[圖3（a）]。與樣品TJ-1相比，樣品TJ-2黃土中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量增大，其中SiO2含量平均增大約1.2%[圖3（b）]；而CaO、MgO等含量普遍減少，其中MgO含量平均減少約0.4%[圖3（c）]。

2.3 可溶鹽

黃土中可溶鹽含量為10%～16%，易溶鹽含量最少，僅為0.83%～7.16%，中溶鹽含量為0.93%～14.97%，難溶鹽含量比較高，為77.87%～97.81%（圖4）。與樣品TJ-1相比，樣品TJ-2黃土中可溶鹽含量明顯減少，降幅約為20.96%；易溶鹽含量平均減少11.20%，中溶鹽含量平均減少30.71%，難溶鹽含量平均減少58.09%（圖4）。

3 物理性質(zhì)

長(zhǎng)期灌溉對(duì)黃土物質(zhì)組成產(chǎn)生顯著影響，勢(shì)必引起黃土物理性質(zhì)發(fā)生某些變化。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，探究了長(zhǎng)期灌溉對(duì)黃土物理性質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖5～8。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)灌溉，甘肅黑方臺(tái)地區(qū)黃土天然密度、含水率、干密度和孔隙比變化顯著，而相對(duì)密度、粒組含量和界限含水率變化相對(duì)不明顯。與樣品TJ-1相比，樣品TJ-2黃土天然密度平均增加0.26 g·cm-3；含水率平均增加9.51%；干密度平均增加0.12 g·cm-3；孔隙比平均減少0.18。樣品TJ-2黃土干密度增大應(yīng)是灌溉過(guò)程中黃土濕陷造成的：文獻(xiàn)記載1968～2012年初，臺(tái)塬地面沉陷2～4 m[26]；在室內(nèi)開(kāi)展淋濾試驗(yàn)過(guò)程中，也觀察到有明顯濕陷現(xiàn)象（圖9）。由此推斷，灌溉過(guò)程中黃土發(fā)生濕陷，造成土體干密度增大，孔隙比減小。相對(duì)密度與土體礦物成分種類及含量密切相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果表明長(zhǎng)期灌溉對(duì)黃土相對(duì)密度影響甚微。利用激光粒度儀測(cè)量了黃土的粒度分布，圖10為深度4 m處黃土的粒度分布。與樣品TJ-1相比，樣品TJ-2黃土中黏粒含量平均增多0.6%，粉粒含量平均減少0.1%，砂粒含量平均減少0.5%，同時(shí)塑性指數(shù)有所增大。大量研究資料表明[14-18]，鹽分在土體中起膠結(jié)與填充作用。樣品TJ-2黃土在長(zhǎng)期灌溉條件下，土中可溶鹽含量減少，膠結(jié)弱化，造成粗顆粒分散，黏粒含量增多，塑性指數(shù)增大。

4 力學(xué)性質(zhì)

4.1 試驗(yàn)方案

甘肅黑方臺(tái)地區(qū)黃土具有強(qiáng)烈濕陷性，為避免濕陷的影響，故在室內(nèi)進(jìn)行淋濾試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)灌溉過(guò)程，制備不同淋濾時(shí)間的土樣。黑方臺(tái)地區(qū)灌溉水中離子種類與含量[27]和自來(lái)水相似（表2），故用自來(lái)水替代。淋濾試驗(yàn)過(guò)程如下：將從樣品TJ-1采樣點(diǎn)取回的原狀土樣削成直徑為100 mm，高為160 mm的土柱，用涂有薄層凡士林的保鮮膜包裹土柱側(cè)面，緩慢將其放入內(nèi)壁涂抹凡士林的淋濾裝置，上、下分別放置濾紙和周圍涂抹玻璃膠的透水石，以避免淋濾裝置內(nèi)壁出現(xiàn)優(yōu)先流；靜置12 h后，開(kāi)始進(jìn)行淋濾試驗(yàn)（圖11），穩(wěn)定10 mm水頭，自淋濾裝置底部有淋濾液滲出時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，稱重、烘干淋濾液并繪制淋濾曲線（圖12），達(dá)到設(shè)定淋濾時(shí)間后，移除水頭并靜置，待底部不再滲水后，將淋濾土樣風(fēng)干至原重，進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

三軸試驗(yàn)所用試樣按深度不同分為3組，第一組為7.5～9.5 m，第二組為19.0～19.7 m，第三組為29.4～32.0 m，每組試樣分為3級(jí)固結(jié)壓力（100、200、400 kPa）。對(duì)照組為樣品TJ-1未淋濾黃土，試驗(yàn)組淋濾時(shí)間根據(jù)淋濾曲線結(jié)果分別設(shè)置為8 h、3 d和15 d。為驗(yàn)證淋濾效果，采用ICS-1100離子色譜儀測(cè)試了淋濾液中相關(guān)離子質(zhì)量濃度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖13。以樣品TJ-1深度8.5 m處土樣淋濾液中SO2-4質(zhì)量濃度為例，淋濾8 h時(shí)，該離子質(zhì)量濃度為7 570.84 mg·L-1；淋濾3 d時(shí)，該離子質(zhì)量濃度降低為2 825.96 mg·L-1；淋濾15 d時(shí)，該離子質(zhì)量濃度僅為586.22 mg·L-1。

本次試驗(yàn)采用英國(guó)GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，首先對(duì)其壓力傳感器、荷重傳感器和位移傳感器進(jìn)行校核性標(biāo)定。試樣直徑為50 mm，高為100 mm，依據(jù)BS 1377-8：1990[28]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試樣制備及安裝。試樣飽和分為兩個(gè)步驟，即先緩慢通入CO2，然后進(jìn)行反壓飽和，當(dāng)孔隙水壓力系數(shù)（B值）大于0.95時(shí)，即認(rèn)為試樣已經(jīng)飽和。飽和后保持反壓不變，按設(shè)定的有效固結(jié)壓力進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后，以0.07 mm·min-1的速率進(jìn)行剪切。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，對(duì)橡皮膜的剛性效應(yīng)進(jìn)行了校正，對(duì)試樣帽和荷載傳感器之間的接觸效應(yīng)進(jìn)行了修正；考慮到試樣在反壓飽和過(guò)程中的體積變化，固結(jié)后孔隙比根據(jù)試樣破壞后含水率及孔隙水壓力系數(shù)反算求得。由于數(shù)據(jù)較多，限于文章篇幅，本文僅列出第一組深度中對(duì)照組和試驗(yàn)組淋濾15 d試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)

表3為淋濾前后黃土試樣含鹽量變化情況和物理性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比。等壓固結(jié)不排水剪（ICU）試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。淋濾前后黃土均表現(xiàn)為強(qiáng)烈的應(yīng)變軟化特性，試樣強(qiáng)度在軸向應(yīng)變（εa）為0.5%～1.8%時(shí)達(dá)到峰值，而后試樣強(qiáng)度迅速降低，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加而趨于穩(wěn)定，脆性指數(shù)隨固結(jié)壓力增大而降低，在低固結(jié)壓力條件下為60%～65%[圖14（a）]；試驗(yàn)過(guò)程中，超孔隙水壓力在較小軸向應(yīng)變條件下急劇上升，然后隨著變形的增加而趨于穩(wěn)定，一般能達(dá)到固結(jié)壓力的88%～98%[圖14（b）]；圖14（c）展示了等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)的應(yīng)力路徑；所有試樣完成試驗(yàn)后均不能自立，破壞時(shí)黃土含水率均在30%以上，高于液限（圖15）。與未淋濾黃土相比，淋濾后黃土峰值應(yīng)變略有增大，超孔隙水壓力有降低的趨勢(shì)，表明淋濾后黃土脆性破壞特征有所減弱。

等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果表明，所有試樣均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（Steady State）。穩(wěn)定狀態(tài)是指土體在常體積、常法向應(yīng)力和常剪應(yīng)力下保持常速率變形的狀態(tài)，是孔隙比的唯一函數(shù)，而與固結(jié)壓力無(wú)關(guān)。連接不同孔隙比的穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)即可得到穩(wěn)態(tài)線。Poulos等將穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)線作為判斷砂土是否液化的依據(jù)[29]。前人將當(dāng)前孔隙比與穩(wěn)態(tài)孔隙比之差作為狀態(tài)參數(shù)[30]。其關(guān)系式為

式中：Ψ為狀態(tài)參數(shù)；e為當(dāng)前孔隙比；ess為穩(wěn)態(tài)孔隙比。

當(dāng)狀態(tài)參數(shù)為正數(shù)時(shí)，土具有液化潛勢(shì)；當(dāng)其為負(fù)數(shù)時(shí)，土不具有液化潛勢(shì)。根據(jù)等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果得到不同淋濾時(shí)間的飽和原狀黃土穩(wěn)態(tài)線，并將其繪制在ess-ln p′[KG-30x]ss中進(jìn)行對(duì)比，探究淋濾對(duì)穩(wěn)態(tài)線的影響。以第一組等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果為例（圖16），與未淋濾黃土相比，淋濾后黃土穩(wěn)態(tài)線略有上移，狀態(tài)參數(shù)減小，黃土液化潛勢(shì)降低。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）長(zhǎng)期灌溉對(duì)黃土物質(zhì)組成產(chǎn)生顯著影響，特別是造成可溶鹽含量降低，進(jìn)而對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。

（2）甘肅黑方臺(tái)地區(qū)因長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)灌溉，造成黃土天然密度、含水率和干密度增大，孔隙比減小，同時(shí)造成黏粒含量增多，粉粒和砂粒含量減少，塑性指數(shù)增大。與樣品TJ-1相比，樣品TJ-2黃土天然密度平均增加0.26 g·cm-3，含水率平均增加9.51%，干密度平均增加0.12 g·cm-3，孔隙比平均減少0.18。

（3）淋濾前后飽和黃土均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的靜態(tài)液化特征。與未淋濾黃土相比，淋濾后黃土脆性破壞特征有所減弱，表現(xiàn)為峰值應(yīng)變?cè)龃?、超孔隙水壓力減小和穩(wěn)態(tài)線上移。

（4）由于本次試驗(yàn)采用自來(lái)水淋濾，且淋濾時(shí)間有限，黃土中難溶鹽淋濾較少，所以難溶鹽對(duì)原狀黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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