谷天峰，袁 亮，胡 煒，朱立峰，王 瀟

(1. 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

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黑方臺(tái)黃土崩解性試驗(yàn)研究

谷天峰1，袁 亮1，胡 煒2，朱立峰2，王 瀟1

(1. 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

為研究黃土的崩解特性，探討黃土崩解機(jī)理，以黑方臺(tái)馬蘭黃土為研究對(duì)象，通過自制的黃土崩解裝置，對(duì)該地區(qū)原狀黃土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)崩解試驗(yàn)。選擇影響黃土崩解的土樣尺寸、初始含水率、水溫、酸堿度、鹽度5種因素，采用控制變量法逐一進(jìn)行崩解測試，記錄崩解的整個(gè)過程，繪制崩解曲線，求出對(duì)應(yīng)的崩解速率，進(jìn)行擬合，得到崩解速率與各變量間的關(guān)系。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該黃土的崩解過程可以劃分為浸濕、軟化和塌落3個(gè)階段，前兩個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間較短且崩解很弱，崩解主要集中在第3個(gè)階段。由各組崩解曲線得出黃土的崩解速率與水溫呈正相關(guān)，與土樣尺寸、初始含水率呈負(fù)相關(guān)；pH值介于5.5～6.5以及9.5～10.5時(shí)，黃土的崩解速率較高；而鹽度對(duì)黃土的崩解速率影響不大。此外，黃土的崩解特征與自身的結(jié)構(gòu)、顆粒成分、膠結(jié)物等密切相關(guān)。

崩解特性；影響因素；含水率；水溫；酸堿度

崩解，土工上稱為濕化，指土體浸水后發(fā)生碎散解體、塌落的現(xiàn)象。蔣定生等[1]通過自行研制的崩解儀，研究了黃土高原土壤崩解速率的區(qū)域分布規(guī)律，分析了影響土壤崩解速率的主要因素，得出土壤崩解速率與土壤抗沖性的函數(shù)關(guān)系。其研究方法和思路為后來研究提供了重要的參考依據(jù)。之后，土的崩解性引起了更多專家學(xué)者的關(guān)注，并獲得了不少的研究成果[2～8]。也有一些學(xué)者針對(duì)試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)和計(jì)算方法等進(jìn)行了改進(jìn)[9～11]。還有不少國外學(xué)者對(duì)土的崩解性展開了各種研究[12～16]。同時(shí)，一些巖石類的崩解性研究成果也可供參考借鑒[17～19]。土體崩解性的研究思路大體可概括為：通過崩解試驗(yàn)，記錄崩解的速度、形態(tài)、程度等過程特征，得到各種條件下土體的崩解規(guī)律，然后從宏觀和微觀的角度、外在條件和土體自身性質(zhì)等方面分析探討各因素對(duì)土體崩解的影響趨勢(shì)和作用機(jī)制。隨著地區(qū)工程建設(shè)的發(fā)展需要以及人們認(rèn)識(shí)的加深，土的崩解性研究成了新的熱點(diǎn)。

黃土富含鈣質(zhì)和可溶鹽類，土質(zhì)松散，膠結(jié)較弱，垂直節(jié)理發(fā)育、具有大孔隙結(jié)構(gòu)，在降雨或灌溉條件下，容易發(fā)生崩解，使得土體的完整性和穩(wěn)定性遭到破壞，進(jìn)而引發(fā)一系列災(zāi)害。黃土的崩解會(huì)加劇坡面侵蝕、潛蝕，影響邊坡特殊部位土質(zhì)的力學(xué)性能。在渠道、路堤、土質(zhì)邊坡等地方易發(fā)生崩解而產(chǎn)生滑塌。此外，黃土崩解形成的物質(zhì)還是泥石流的重要物源。因此，研究黃土的崩解性對(duì)于水土保持、工程建設(shè)以及災(zāi)害防治等都具有重要作用。但相對(duì)黃土的其他工程力學(xué)性質(zhì)，崩解性的研究還比較薄弱，尚有一些不足，主要有試驗(yàn)的儀器裝置、試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步完善；考慮的影響因素較少，主要圍繞黃土的含水率、壓實(shí)度、孔隙結(jié)構(gòu)展開，對(duì)其他的影響因素及影響機(jī)理探討不多；與工程實(shí)踐的聯(lián)系還不夠緊密。因此針對(duì)這些不足之處進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期獲得突破。

黑方臺(tái)地區(qū)沖溝、洞穴廣泛發(fā)育，其形成過程與黃土的崩解性有很大關(guān)系。而臺(tái)塬上由于常年大面積漫灌，導(dǎo)致地下水位大幅上升，在臺(tái)緣坡腳的出水口周圍，存在明顯的泥化現(xiàn)象，且附近土層多次出現(xiàn)小范圍的滑動(dòng)塌陷。從遍及臺(tái)緣的許多小型滑坡來看，滑體呈崩解泥化狀態(tài)?；诖?，有必要研究黑方臺(tái)非飽和黃土的崩解性，分析不同條件下這種黃土的崩解過程，探討崩解在黃土洞穴、裂縫(入滲的快速通道)形成過程中的作用，為黑方臺(tái)滑坡的研究提供基礎(chǔ)資料。

1 試驗(yàn)方法

常見崩解試驗(yàn)裝置多采用浮筒原理，但浮筒難以校正，精度低，讀數(shù)困難，且難以完全反映崩解的動(dòng)態(tài)過程。本次試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由圓形亞克力容器、土樣吊籃、固定架、力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦等組成。亞克力容器高50 cm，直徑30 cm，吊籃采用鋼絲網(wǎng)加工制作，用于放置試樣。試驗(yàn)前，將容器內(nèi)注入一定量的水，調(diào)整好吊籃位置，讓吊籃浸入水中，并與容器底部保持一定距離，待水體靜止且傳感器讀數(shù)穩(wěn)定之后，將傳感器讀數(shù)歸零，在電腦上開始記錄，然后將土樣緩緩浸入水中，放在吊籃上，讓其自行崩解，崩解掉的碎屑則通過吊籃網(wǎng)孔下落到容器底部，待傳感器讀數(shù)不再變化后認(rèn)為崩解已經(jīng)完成，停止記錄，保存數(shù)據(jù)。該裝置通過力傳感器測量土樣重量變化來記錄試樣崩解過程，而數(shù)據(jù)采集裝置能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，與之前相關(guān)試驗(yàn)裝置相比，此套裝置通更加簡便精確，并能夠動(dòng)態(tài)觀測崩解過程。

圖1 崩解試驗(yàn)裝置Fig.1 The disintegration instrument

為研究黃土崩解的影響因素及其作用機(jī)制，選擇不同網(wǎng)孔孔徑、土樣尺寸、初始含水率、水溫、酸堿度、鹽度等影響因素進(jìn)行測試。采用單一變量原則，保持其他條件一致，以崩解穩(wěn)定階段的速率為標(biāo)準(zhǔn)。

拉力傳感器測到的是吊籃上未崩解土體重力與浮力的差值，在崩解過程中，這部分土體所受的浮力和重力都是變化的，但兩者在變化時(shí)仍存在恒定的比例關(guān)系，通過修正可以獲得準(zhǔn)確的崩解數(shù)據(jù)及結(jié)果。令土樣的總質(zhì)量為M，崩解的質(zhì)量為M崩，未崩解的質(zhì)量為M未崩，則：

Mg=M崩g+M未崩g

(1)

以吊籃中的未崩解土體為受力對(duì)象，其受到自身的重力、吊籃對(duì)它向上的支撐力(數(shù)值上等于傳感器讀數(shù))以及水對(duì)它的浮力，三力平衡。對(duì)于飽和土樣，其存在如下方程：

(2)

式中：ρw——水的密度(1.0 g/cm3)；V排——同等體積飽和試樣浸水時(shí)排開的水的體積；

V未崩——土體自身的體積；

ρsat為——黃土飽和密度，通過試驗(yàn)測出。

由式(2)可得：

(3)

試驗(yàn)前，將力傳感器的模式選擇為質(zhì)量，即FN=mg，m是傳感器的質(zhì)量讀數(shù)，于是可得：

(4)

M未崩=mk

(5)

M崩=M-mk

(6)

相對(duì)于飽和土，非飽和土中存在有氣體，土樣浸水時(shí)會(huì)吸水增重并伴有氣體的溢出，因此，其求解過程相對(duì)麻煩，但可以通過簡化部分條件對(duì)其進(jìn)行近似地求解。

2 黃土的基本物理性質(zhì)

本次試驗(yàn)中所用黃土取自甘肅黑方臺(tái)地區(qū)，屬Q(mào)3馬蘭黃土，采用挖探方式取樣，原狀土樣尺寸為25 cm×25 cm×20 cm。通過常規(guī)土工試驗(yàn)，測得黃土的天然含水率為5.3%，干密度為1.32 g/cm3，顆粒相對(duì)密度為2.69，塑限為18.2%，液限為26.5 %，其粒度分布曲線見圖2。

圖2 粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution

研究區(qū)黃土塑性指數(shù)IP=WL-WP=8.3<10，又該黃土天然含水率小于其塑限，即IL<0，屬于堅(jiān)硬狀態(tài)。從圖2可以看出，黃土的粒度主要集中在5～75 μm之間，以粉粒為主。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[20]中關(guān)于地基土的分類，該黃土為粉土。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

將土樣輕輕放上吊籃，土樣浸水后，表面產(chǎn)生大量氣泡，少數(shù)黃土顆粒以粉末狀崩離母體(圖3a)。浸濕階段時(shí)間極短，土樣浸濕后進(jìn)入軟化階段。此時(shí)，土樣表層孔隙已被水填滿，土體內(nèi)部深處的氣體溢出，氣泡較小但很密集，偶爾也有較大氣泡產(chǎn)生。氣體溢出土樣表面時(shí)會(huì)在表面形成一些較大的孔隙，并產(chǎn)生粒狀、片狀崩解，使清水開始變渾濁(圖3b)。之后，土樣邊界開始產(chǎn)生裂縫并隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大，邊緣的土體沿裂縫崩落形成碎粒，水迅速變渾濁，此時(shí)崩解非常劇烈，還一直有許多微小的氣泡從土中不停溢出。最后，土體塌陷，崩解停止，形成的碎粒向外圍散開并掉下鋼絲網(wǎng)，最終剩下小部分碎屑淤積在網(wǎng)片上。

圖3 黃土崩解階段Fig.3 Loess disintegrating process

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文借用李喜安等[3]定義的關(guān)于黃土崩解的3種作用方式，對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行說明。如圖4所示，從起點(diǎn)O到M點(diǎn)，土樣處于浸濕階段，土樣快速吸水使得土體質(zhì)量短時(shí)內(nèi)達(dá)到最大，即M點(diǎn)達(dá)到最大值，此時(shí)土樣接近飽和。在此過程中，土體表面發(fā)生輕微的崩離作用，崩離的質(zhì)量相當(dāng)小，相對(duì)于土體吸水增加的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，因此，對(duì)曲線分析時(shí)以M點(diǎn)作為崩解起始點(diǎn)。M至A點(diǎn)，土體停止吸水增重，漸漸軟化，崩解緩慢進(jìn)行，主要發(fā)生崩離和迸離，少量的散粒脫離母體，從曲線中看出質(zhì)量稍微減小。此過程時(shí)間較短，相當(dāng)于過渡。A至B點(diǎn)，樣塊邊緣土體紛紛塌落，崩解反應(yīng)劇烈，以解離作用為主。土樣外沿產(chǎn)生裂縫，并不斷擴(kuò)大，崩解主要沿樣塊的邊角及側(cè)壁發(fā)生，軟塑態(tài)土體呈片狀、塊狀掉離母體，土樣塌陷，解離的土體緩慢滑離母體。B點(diǎn)之后，崩解減慢直至停止。

圖4 質(zhì)量曲線圖 Fig.4 Curve of loess mass

對(duì)于崩解速率的定義，傳統(tǒng)的表示方式就是崩解量與時(shí)間的比值，這種表示方式固然比較直觀，但考慮到土樣初始條件的差異(如不同尺寸的試樣)，這種表示方法并不妥當(dāng)，于是，引入崩解率H的概念，H為已崩解的質(zhì)量與土樣初始質(zhì)量的百分比(%)。

(7)

式中：M0——土樣的初始質(zhì)量。

對(duì)于飽和土，其初始質(zhì)量也就是崩解前的總質(zhì)量。而對(duì)于非飽和土，其在浸濕階段會(huì)吸水增重使得質(zhì)量短時(shí)內(nèi)達(dá)到最大，這一階段的崩解極其微弱，可以忽略不計(jì)。事實(shí)上，當(dāng)土樣浸水后發(fā)生崩解時(shí)，它內(nèi)部深處還不能完全飽和，其表現(xiàn)就是崩解過程中還有微小氣泡從土體內(nèi)部溢出。但通過對(duì)M點(diǎn)的值進(jìn)行修正后，發(fā)現(xiàn)與理論上黃土飽和后的質(zhì)量很接近，因此近似認(rèn)為M點(diǎn)黃土已經(jīng)達(dá)到飽和。于是對(duì)于崩解率有兩種較好的表達(dá)方式：(1)將土樣的初始質(zhì)量及已崩解的質(zhì)量都換算成干重，只計(jì)算土粒的質(zhì)量變化；(2)將土樣的初始質(zhì)量及已崩解的質(zhì)量都換成飽和濕土的質(zhì)量，這兩種表達(dá)方式說法不同，但本質(zhì)上是一樣的，都不考慮黃土初始含水量，避免了因土體含水量變化造成的干擾。此處采用第二種方式，即：

(8)

M崩是土樣已崩解的飽和質(zhì)量，Mmax是土樣吸水飽和后的質(zhì)量，也即是土體崩解前的最大質(zhì)量。

對(duì)土樣質(zhì)量變化數(shù)值進(jìn)行處理后得到崩解率曲線。崩解率曲線描述了土樣累積崩解率與時(shí)間的關(guān)系。從典型的黃土崩解率曲線(圖5)可以看出，崩解速度是由小至大，然后又變小的過程。其中AB段為崩解的主要階段，該階段崩解較穩(wěn)定，其曲線陡緩反映了崩解的快慢。故取AB段的崩解速率作為平均崩解速率，其計(jì)算公式如下：

圖5 崩解率曲線Fig.5 Curve of disintegration rate

(9)

式中：V——平均崩解速率/(%·s-1)；Ha，Hb——試樣在A，B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的累計(jì)崩解率；Ta，Tb——A，B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)時(shí)間。

將(8)代入(9)式可得：

(10)

式中：Ma，Mb——A，B兩點(diǎn)未崩解土樣的質(zhì)量。

已認(rèn)定Ma，Mb，Mmax均為飽和質(zhì)量，都滿足方程(5)，將式(5)代入式(10)中，可得：

(11)

式中：ma，mb，mmax——傳感器的質(zhì)量讀數(shù)，是土樣的浮重。

可以看出，引入崩解率來表達(dá)崩解速率，不僅有利于消除土樣初始條件的差異造成的偏差，由于將k值直接約去，省略了對(duì)崩解量的修正，簡化了數(shù)據(jù)處理步驟，因此具有一定的推廣價(jià)值。

4.1 孔徑對(duì)崩解的影響

試驗(yàn)所用水為純凈水，其pH值為中性，試驗(yàn)期間室內(nèi)溫度比較穩(wěn)定，水溫一直保持在19 ℃多，接近20 ℃。試驗(yàn)用土均為原狀土，除了測試初始含水率對(duì)崩解性的影響外，其余試樣均為天然含水率，w=5.3%。再者除了測試土樣尺寸對(duì)崩解性的影響外，其余試樣均為5 cm×5 cm×5 cm正方體土樣。選用孔徑為1.3 mm、1.6 mm、2.3 mm、2.5 mm和2.7 mm的不銹鋼網(wǎng)檢測合適的網(wǎng)孔，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。由圖6(a)可知該組試樣崩解的主要階段(即AB段)集中在18～72 s，利用公式(11)求得該組試樣的平均崩解速率。

圖6 不同孔徑下的崩解試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Disintegration results with different sizes of wire- mesh

選用不同的網(wǎng)孔，必然得到不同的崩解速率。圖6(b)顯示網(wǎng)孔孔徑越大，求得的崩解速率越大，但網(wǎng)孔孔徑不能作為崩解性的影響因素，它只是作為一種試驗(yàn)條件的參考依據(jù)，針對(duì)不同的黃土，得根據(jù)黃土浸水崩解時(shí)的特點(diǎn)選定孔徑合適的網(wǎng)孔。針對(duì)黏性土崩解緩慢、以塊狀崩解的特點(diǎn)，宜選用孔徑較大的網(wǎng)孔；針對(duì)粉土以粉粒狀崩解為主、崩解迅速的特點(diǎn)，選用的網(wǎng)孔孔徑不宜過大?？讖竭^大，吊籃中支撐土體的支點(diǎn)較少，容易造成土體過快解體，此外，崩解時(shí)一些脫離母體的小塊土體未來得及碎裂成細(xì)小顆粒就直接從網(wǎng)孔漏下去，導(dǎo)致崩解太過迅速劇烈，反而不利于驗(yàn)證其他因素對(duì)崩解性影響。于是，對(duì)其余各組試驗(yàn)均采用2.3 mm孔徑的網(wǎng)孔。

4.2 試樣尺寸對(duì)崩解性的影響

選取邊長分別為3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、8 cm、10 cm和12 cm的七種正方體土樣來探究尺寸大小對(duì)崩解性的影響(圖7)。

圖7 不同大小試樣的崩解Fig.7 Disintegration with different size samples

由于本組試樣初始條件差別較大，不同試樣崩解的AB段差別也較大，隨著試樣尺寸增大，AB段的距離在增大，持續(xù)的時(shí)間也增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合崩解曲線，分別對(duì)該組試樣的崩解曲線的AB段進(jìn)行合理的劃分，最后利用公式求得該組試樣各自的平均崩解速率(圖8)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著試樣體積的增大，其崩解性有減弱的趨勢(shì)。

圖8 不同大小試樣的崩解試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Disintegration results with different size samples

4.3 初始含水率對(duì)崩解性的影響

對(duì)邊長為5 cm的試樣，采用水膜轉(zhuǎn)移法配成不同的含水率，放在密閉容器內(nèi)靜置24 h后再進(jìn)行崩解試驗(yàn)，利用公式求得該組試樣的平均崩解速率(圖9)。由圖9a可看出初始含水率對(duì)黃土的崩解性影響較大，初始含水率增加，崩解時(shí)間延長，崩解速率減小。一方面，初始含水率增加，黃土顆粒周圍的水膜變厚，再浸水時(shí)水膜增量較小且較均勻；另一方面，初始含水率增加，黏土礦物得以提前緩慢膨脹，膨脹能得以大量釋放，再浸水時(shí)膨脹量較小，而黏土礦物膨脹增加的體積進(jìn)一步填充了土體孔隙空間，使得膠結(jié)面積增加且膠結(jié)更均勻。此外，初始含水率增加，土體中部分空隙被水填充，部分氣體提前逸出，黃土的空隙體積、基質(zhì)吸力都減小，再浸水時(shí)滲水過程更加緩慢均勻，且黃土的塑性增強(qiáng)，再浸水時(shí)不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而不利于崩解的發(fā)生。

圖9 不同初始含水率下的崩解試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Disintegration results with different initial water content

圖9b得到的趨勢(shì)線近似直線，說明其在一定范圍內(nèi)近似線性關(guān)系。但結(jié)合該黃土的基本情況，推測該黃土的崩解速率與初始含水率的關(guān)系類似S型曲線，即中間陡、兩頭緩的趨勢(shì)。初始含水率較低時(shí)，崩解速率隨含水率增加而減小的幅度不大；當(dāng)含水率達(dá)到一定值時(shí)，崩解速率隨含水率增加而急劇減小，近似線性關(guān)系(含水率為10%～20%時(shí)，這種趨勢(shì)比較明顯)；當(dāng)含水率繼續(xù)增加，崩解速率隨含水率增加其減小的幅度又變小。當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，崩解速率也趨近穩(wěn)定。含水率為10%與20%對(duì)應(yīng)的點(diǎn)接近曲線的拐點(diǎn)。由于本次試驗(yàn)所選用的含水率個(gè)數(shù)較少，且跨度也較大，沒能很好地說明這點(diǎn)，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.4 水溫對(duì)崩解性的影響

本組試驗(yàn)水溫分別選取為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃。采用相應(yīng)的加熱及制冷方法，使水溫達(dá)到目標(biāo)值，測試水溫對(duì)崩解性的影響，得到相應(yīng)的崩解率曲線，然后劃分出試樣崩解的主要階段，利用公式求得該組試樣的平均崩解速率(圖10)。結(jié)果表明，水溫越高，黃土的崩解性越強(qiáng)。

圖10 不同水溫下的崩解試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Disintegration results with different water temperatures

究其原因，是由于水溫升高，內(nèi)能增大，水分子運(yùn)動(dòng)加快，加速了黃土中黏土礦物的膨脹和軟化。且水溫升高還導(dǎo)致土體中氣體排出速率加快，快速溢出的氣體其膨脹力或推力較之前變大，更容易造成孔隙出口端的土顆粒迸散而脫離母體。此外，水溫升高，還加劇了土體中膠結(jié)物的溶解，尤其是加劇了土體中的中溶鹽、難溶鹽的電化學(xué)反應(yīng)。故水溫高，黃土崩解速率加快。

4.5 酸堿度對(duì)崩解性的影響

溶液的pH值決定著雙電層的熱力學(xué)電位，從而影響到擴(kuò)散層的厚度。利用醋酸及NaOH粉末配制不同的pH值溶液，測試酸堿度對(duì)黃土崩解性的影響。如圖11所示，根據(jù)崩解率曲線及公式(11)求得該組試樣的平均崩解速率。通過采用多種單調(diào)函數(shù)的趨勢(shì)線對(duì)崩解速率進(jìn)行擬合后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬合的效果都不好，可見酸堿度對(duì)崩解性的影響有可能并非單調(diào)的，而會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，在偏酸性和偏堿性下崩解性有所增強(qiáng)。

圖11 不同酸堿度下的崩解試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Disintegration results with different pH

黑方臺(tái)地區(qū)常年干燥，年均蒸發(fā)量大，表層土體多偏堿性。在酸性條件下，水加速了對(duì)土體中堿性物質(zhì)的溶解，包括一些中溶鹽、難溶鹽如碳酸鈣等，這些物質(zhì)對(duì)于土顆粒間的膠結(jié)具有非常重要的作用。在堿性條件下，崩解性也有所變化，一開始隨著堿性增加，崩解速率有所增大，而當(dāng)堿性達(dá)到一定時(shí)，可能會(huì)抑制土中堿性物質(zhì)的溶解，崩解速率逐漸降低。在酸性和堿性條件下，可能都存在一個(gè)較優(yōu)范圍，在此范圍內(nèi)黃土的崩解性較強(qiáng)，酸性條件約介于5.5～6.5，堿性條件約介于9.5～10.5。

4.6 水中鹽度對(duì)崩解性的影響

選取不同的TDS值，測試鹽度對(duì)黃土崩解性的影響。如圖12(a)所示，該組試驗(yàn)的崩解率曲線軌跡非常接近，可見鹽度對(duì)黃土崩解性的影響比較小。圖12(b)中，該組試驗(yàn)的最小崩解速率為0.3%/s，最大速率為0.46%/s，其余的值都比較接近，不排除鹽度對(duì)黃土的崩解性有微弱的影響，這涉及到溶液中的離子成分及濃度變化對(duì)熱力學(xué)電位、擴(kuò)散層厚度、土體入滲特性、化學(xué)反應(yīng)等方面的影響，具體的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。但這種影響相對(duì)較小，甚至不及土樣本身的差異造成的影響，故一般情況下不予考慮。

圖12 不同鹽度下的崩解試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Disintegration results with different salinity

5 崩解機(jī)制探討

黃土的崩解與其顆粒間膠結(jié)力遇水變?nèi)跤嘘P(guān)，而膠結(jié)力的強(qiáng)弱主要取決于膠結(jié)物的物質(zhì)組分。黃土中常見的膠結(jié)物有黏土礦物、各種鹽類、有機(jī)質(zhì)等，它們通過與骨架顆粒之間的靜電力、分子力、氫鍵等化學(xué)鍵力作用將顆粒粘結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在水的作用下，膠結(jié)物被快速稀釋、軟化和溶解，造成顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度降低。黑方臺(tái)黃土易溶鹽含量高，黏土礦物含量少，膠結(jié)弱，浸水時(shí)極易發(fā)生崩解，而黏土礦物吸水膨脹，容易使土體局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而破壞土體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。另外，黃土的崩解還與土體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)、含水率及顆粒的成分、密實(shí)度有關(guān)。黑方臺(tái)黃土孔隙、裂隙發(fā)育，天然含水率低，土體處于非飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力較大，具有較大表面能的裂隙與水接觸后劇烈地吸附水，水迅速通過空隙入滲到土體內(nèi)部，填充內(nèi)部空隙。水入滲的速度越快，土樣內(nèi)部氣體越來不及釋放，受到水的擠壓越厲害，而這種擠壓力一部分又會(huì)被轉(zhuǎn)移給土體本身。再者，該黃土以粉粒為主，砂質(zhì)特征明顯，土顆粒排列松散，透水性強(qiáng)，浸水時(shí)擴(kuò)散層迅速達(dá)到最大厚度，粒間連結(jié)力很快消失，表現(xiàn)就如“一盤散沙”，迅速崩解。

6 結(jié)論

(1)黃土的崩解速率在一定范圍內(nèi)與水溫呈正相關(guān)，與土樣尺寸、初始含水率呈負(fù)相關(guān)。

(2) 黑方臺(tái)黃土偏堿性，pH值介于5.5～6.5時(shí)，黃土的崩解性較強(qiáng)。pH值介于9.5～10.5時(shí)，黃土的崩解性較強(qiáng)。不同鹽度下，崩解速率變化不大，最小崩解速率為0.3%/s，最大速率為0.46%/s，其余值都比較接近，鹽度對(duì)崩解性的影響很小。

(3)根據(jù)多組試驗(yàn)結(jié)果得知，邊長5 cm的正方體土樣其崩解主要發(fā)生在M點(diǎn)后90 s內(nèi)，加上OM段所用時(shí)間，土樣從浸水到完全碎裂解體整個(gè)過程不超過2 min，持續(xù)時(shí)間短，表明黑方臺(tái)黃土具有極強(qiáng)的水敏性、崩解性。

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責(zé)任編輯：張明霞

Experimental research on disintegration of the Heifangtai loess

GU Tianfeng1， YUAN Liang1， HU Wei2， ZHU Lifeng2， WANG Xiao1

(1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/DepartmentofGeology，NorthwestUniversity，Xi’an，Shaanxi710069，China; 2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey，ChinaGeologicalSurvey，Xi’an，Shaanxi710054，China)

To study the disintegration characteristics and mechanisms of loess, this paper examines the Malan loess of Heifangtai by using the self- developed disintegration instrument. A series of disintegration experiments with undisturbed loess are conducted. Six probable impact factors of disintegration are selected, including pore diameter, sample size, initial moisture content, water temperature, pH value and salinity. The experiments are carried out by using the variable- controlling approach, the whole process of disintegration is recorded, the curve of disintegration is drawn, and each corresponding disintegration velocity is calculated. Finally, the correlation between the disintegration velocity and the impact factors is obtained by fitting the experimental data. The experiment results also show that the disintegration procedure of the loess can be divided into three stages, including the water absorption stage, softening stage and collapsing stage. The duration of the first two stages is very short, and disintegration is weak at this time because it occurs mainly in the third stage. According to these curve of disintegration, it is found that the disintegration velocity is positively correlated with the pore diameter and water temperature but is negatively correlated with the sample size and initial moisture content, and the corresponding value ofR2are 0.897 3, 0.854 4, 0.950 3 and 0.970 9. When the initial moisture content is under 10%, the disintegration velocity changes in small ranges, when the initial moisture content is between 10% and 20%, the disintegration velocity decreases sharply with increasing moisture content, and when the initial moisture content is greater than 20% and gets close to saturation, the disintegration velocity is gradually close to a stable value. When pH is between 5.5 and 6.5 or 9.5 and 10.5, the disintegration velocity is high. The effect degree of salinity is small. In addition, the disintegration is related to soil structure, grain size composition, cement, and so on.

disintegration; impact factor; initial moisture content; water temperature; pH

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.10

2016- 10- 10;

2017- 02- 06

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目資助(12120114025701)；國土資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助；國土資源部“黃土崩滑災(zāi)害—甘肅永靖野外基地”基金資助；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(41372269)

谷天峰(1978- )，男，博士，副教授，主要從事黃土地質(zhì)災(zāi)害教學(xué)研究工作。E- mail：gutf@ nwu.edu.cn

TU411.91

A

1000- 3665(2017)04- 0062- 09