李 忠，劉勇文，趙紀(jì)飛

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西西安710054)

我國(guó)東南沿海分布有較長(zhǎng)的花崗巖殘積土軟質(zhì)海崖，在極端海況下，軟質(zhì)海崖在波浪作用下產(chǎn)生蝕退，造成岸線后退[1]。軟質(zhì)海崖波致蝕退機(jī)制極其復(fù)雜，其蝕退主要有3個(gè)方面誘因：一是波流在崖面引起的剪應(yīng)力超過了土體抗侵蝕臨界剪應(yīng)力時(shí)發(fā)生侵蝕；二是波浪循環(huán)應(yīng)力誘發(fā)土體產(chǎn)生一定程度的液化，土體強(qiáng)度降低，加劇蝕退；三是海崖土體浸水后產(chǎn)生崩解造成的。本文關(guān)注第3個(gè)誘因?qū)Ｑ挛g退的貢獻(xiàn)。

有學(xué)者研究了黃土在浸水后的崩解過程[2- 7]。然而，花崗巖殘積土與黃土的水理性相差較大，海水浸入后的崩解特性尚未見到有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文利用研制的新型崩解儀，測(cè)試了花崗巖風(fēng)化殘積土在海水作用下的崩解過程，可為研究軟質(zhì)海崖的蝕退機(jī)理提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與準(zhǔn)備

目前，測(cè)試土體崩解特性的裝置大都采用浮筒法。當(dāng)土體發(fā)生崩解時(shí)，質(zhì)量減輕，內(nèi)筒上浮，從外筒的刻度尺上直接讀出初始讀數(shù)和崩解過程中的瞬時(shí)讀數(shù)[5]，利用浮筒的上浮量換算出土體的崩解量。浮筒法存在2大問題：一是土體崩解量需要通過刻度線讀數(shù)換算出來；二是當(dāng)土體瞬時(shí)崩解量較大時(shí)，內(nèi)筒會(huì)產(chǎn)生上下浮動(dòng)，讀數(shù)不穩(wěn)定，易造成誤差。鑒于此，本文開發(fā)一種讀數(shù)簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的新型崩解儀測(cè)試土體的崩解量，該裝置由支架、電子彈簧秤、繩索、金屬網(wǎng)和水桶組成。其中，電子彈簧秤懸掛到支架上，下部懸掛繩索與金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)網(wǎng)眼尺寸為1.0 cm×1.0 cm，土樣放置在金屬網(wǎng)上。崩解儀結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 崩解儀結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)土樣取自福建省泉州市晉江深滬灣花崗巖殘積土海崖表面。經(jīng)分析，該殘積土主要礦物成分為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黑云母和角閃石，未完全風(fēng)化的礦物主要為石英，其他均已風(fēng)化成碎屑狀的松散體，礦物晶體、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造肉眼難以辨認(rèn)。對(duì)取回的殘積土充分碾壓粉碎并曬干，利用篩分試驗(yàn)測(cè)試其顆粒粒徑組成，分析結(jié)果見表1。從表1可知，該花崗巖殘積土的粒徑呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”的特征。為了測(cè)得不同壓實(shí)度土樣的崩解性，在室內(nèi)進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得其最大干密度為1.93 g/cm3，最優(yōu)含水量為19.4%。

表1 粒度組成分析結(jié)果

試驗(yàn)擬研究不同含水量、壓實(shí)度和細(xì)粒含量土體的崩解性。首先取一定質(zhì)量的干土，分別加入不同量的海水，以制備不同含水量的土樣，試驗(yàn)共制備了5種含水量(7%、12%、16%、20%和30%)的土樣；土體充分混合后，倒入呈圓柱形、直徑為10 cm制樣器中，對(duì)上述5種含水量的土樣分別擊實(shí)12、11、10、10和12次，測(cè)得其壓實(shí)度為87%～91%，取平均值為89%；對(duì)含水量為20%的同一土樣進(jìn)行不同次數(shù)的擊實(shí)，獲得4種不同壓實(shí)度的土樣；對(duì)含水量為20%的同一土樣，利用篩分的顆粒，配制不同細(xì)粒(粒徑小于0.5 mm)含量(分別為40%、55%、70%和80%)的土樣，經(jīng)擊實(shí)后獲得不同細(xì)粒含量的土樣；擊實(shí)后的土樣高度為15 cm，用環(huán)刀切取土樣一端并測(cè)試其密度，結(jié)合含水量求出其干密度和壓實(shí)度；經(jīng)切削后，土樣的直徑和高度均為10 cm。在水桶內(nèi)加入現(xiàn)場(chǎng)取來的海水，待裝置連接好后，將制備的土樣放置到金屬網(wǎng)上，并將電子彈簧秤清零，每隔10 s讀1次彈簧秤讀數(shù)，后期穩(wěn)定后讀數(shù)時(shí)間間隔加長(zhǎng)。

土體的崩解量可采用崩解模數(shù)Bt表示，Bt=(m0-mt)/m0。式中，m0為土樣的初始水下質(zhì)量；mt為時(shí)刻t的土樣水下質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

土樣放置到金屬網(wǎng)上后，土樣表面的一些細(xì)小顆粒脫離土樣懸浮在水中或落入金屬網(wǎng)下部，水體開始變渾濁，此時(shí)崩解量極小，密實(shí)度較低的土樣表面產(chǎn)生氣泡，表面水體進(jìn)入到土樣的孔隙內(nèi)部；隨著時(shí)間的持續(xù)，一些石英礦物等粗顆粒土瞬時(shí)崩解脫落，土樣邊緣處產(chǎn)生少量裂隙，裂隙寬度逐漸增大，土體沿裂隙處以塊狀形式產(chǎn)生崩解脫落；待邊緣棱角崩解后，土樣變得圓滑，仍可見一些粗顆粒土產(chǎn)生崩解，但崩解速度減緩，土樣接近球形。崩解模數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖2。從圖2可以看出，崩解模數(shù)隨時(shí)間變化基本為“S”形，即“兩頭慢、中間快”，從時(shí)間0到t1時(shí)，崩解較慢，這個(gè)階段主要是土樣表層土顆粒的崩解，此階段內(nèi)，海水

圖2 崩解模數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

逐漸浸入到土樣內(nèi)，裂隙逐漸形成；時(shí)間t1到t2時(shí)，此階段為塊狀與粒狀崩解共存，并以塊狀為主，崩解速率較高；時(shí)間t2過后，土樣變得圓滑，崩解以粒狀崩解為主，崩解速率減緩。

2.2 崩解過程

2.2.1 不同含水量

不同含水量土樣的崩解過程見圖3。從圖3可知，土樣含水量對(duì)崩解模數(shù)影響較大，含水量越高，崩解模數(shù)越小，崩解性越小；當(dāng)含水量達(dá)到30%時(shí)，土樣幾乎不具崩解性。

圖3 不同含水量土樣的崩解過程

2.2.2 不同壓實(shí)度

不同壓實(shí)度土樣的崩解過程見圖4。從圖4可知，壓實(shí)度越高，土體崩解性越小，當(dāng)壓實(shí)度低于90%時(shí)，崩解性明顯；壓實(shí)度位于90%～95%之間時(shí)，崩解性較??；當(dāng)壓實(shí)度高于95%時(shí)幾乎不具有崩解性。

圖4 不同壓實(shí)度土樣的崩解過程

2.2.3 不同細(xì)粒含量

不同細(xì)粒含量土樣的崩解過程見圖5。從圖5可知，細(xì)粒含量對(duì)崩解影響較大，當(dāng)細(xì)粒含量為40%時(shí)，崩解性明顯；當(dāng)超過70%時(shí)，土樣幾乎不具崩解性。

3 結(jié)果分析

3.1 土樣崩解的影響因素

土樣的崩解過程與海水的侵入密切相關(guān)，土顆粒含水量較低時(shí)，土顆粒的基質(zhì)吸力較強(qiáng)，吸水力和吸水量較高，海水侵入后，土顆粒水膜變厚，土顆粒由于重力引起的脫離力超過了吸附力時(shí)，土顆粒產(chǎn)生崩解，脫離原來的土樣；土樣含水量較高時(shí)，土體的基質(zhì)吸力較低，水難以侵入，土體難以產(chǎn)生崩解。由此可推斷，花崗巖殘積土軟質(zhì)海崖在日曬下，表面大都處于較干燥狀態(tài)，內(nèi)部土體濕度較大，當(dāng)風(fēng)暴潮引起的增水浸泡海崖時(shí)，表層土體容易產(chǎn)生崩解，內(nèi)部土體含水量較高，崩解性較差。

圖5 不同細(xì)粒含量土樣的崩解過程

土樣壓實(shí)度較高時(shí)，孔隙率較低，有的孔隙呈封閉式，水難以侵入，崩解性降低；此外，密實(shí)度較高，土樣也不易形成裂隙，崩解性減小。對(duì)于軟質(zhì)海崖，受重力作用，深度較淺的土體壓實(shí)度較低，相對(duì)而言比深度大的土體容易崩解，由于重力作用崩解塌落到崖腳的土體，受到一定程度的擾動(dòng)，密實(shí)度降低，相對(duì)更易發(fā)生崩解。

土體細(xì)粒含量較高時(shí)，由于顆粒較小，滲透系數(shù)也較小，海水侵入的能力減??；此外，細(xì)粒含量變大時(shí)，顆粒之間的粘聚力增大，顆粒之間的吸附力增強(qiáng)，不易相互脫離產(chǎn)生崩解。

由上述試驗(yàn)可知，土體的含水量、密實(shí)度和細(xì)粒含量對(duì)崩解均影響較大，當(dāng)含水量超過30%、壓實(shí)度超過95%、細(xì)粒含量超過70%時(shí)，在一般工況下，花崗巖風(fēng)化殘積土可以認(rèn)為不具有崩解性。

3.2 崩解速率

崩解速率v反應(yīng)了土體崩解的快慢。蔣定生等[6]基于浮筒法給出了一種崩解速率v計(jì)算表達(dá)式，即v=a(l0-lt)/t。式中，a為體積換算系數(shù)；l0為試樣浸入水中時(shí)浮筒的起始讀數(shù)或穩(wěn)定時(shí)的最大讀數(shù)；lt為土樣完全崩解時(shí)或第30 min時(shí)的浮筒讀數(shù)；t為土樣完全崩解時(shí)的時(shí)間或土樣未崩解完的第30 min時(shí)間。該式計(jì)算的崩解速率與土樣體積有關(guān)，土樣體積越大，計(jì)算得到的崩解速率越高，因此該式計(jì)算的崩解速率難以反映土體崩解實(shí)際的快慢，對(duì)于該法，除以與水的接觸面積，即除以崩解面積，得到沿崩解方向上單位時(shí)間內(nèi)的崩解尺度，這個(gè)崩解速率與土體體積無關(guān)，更能反映土體實(shí)際崩解的快慢。對(duì)于圓柱形的土樣，崩解后接近球體，因此棱角處的崩解尺度和崩解速率要高于中間部分的。將圓柱形的土樣等效成等體積的球體，假設(shè)等效后的球體半徑為R，則崩解速率v可表示為

式中，ρ′為土樣的水下密度；t為崩解時(shí)間。

土體崩解速率隨時(shí)間而變化，一般取崩解曲線最陡段斜率計(jì)算[6]。依據(jù)本文得到的計(jì)算公式，計(jì)算得到不同含水量和不同壓實(shí)度土體的崩解速率，見圖6。從圖6可以看出，土體崩解速率隨含水量和壓實(shí)度的增大而降低，且崩解速率均在0.1 mm/min以內(nèi)。

圖6 不同土樣的崩解速率

3.3 與黃土崩解性比較

黃土也是具有崩解性的土體，李家春和田偉平、李峰[7]測(cè)試黃土的崩解性時(shí)發(fā)現(xiàn)了黃土的崩解模數(shù)隨時(shí)間也經(jīng)歷了3個(gè)階段，即慢速階段、快速階段、穩(wěn)定階段，與花崗巖風(fēng)化殘積土的崩解階段相同。李家春和田偉平同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黃土的含水量高于20%時(shí)，崩解速度很小，幾乎不具崩解性，黃土壓實(shí)度大于95%時(shí)，也不具崩解性；李峰也將含水量20%作為黃土崩解的條件。本文試驗(yàn)得出，對(duì)于花崗巖殘積土，當(dāng)含水量為20%時(shí)，仍具有一定的崩解性，當(dāng)含水量達(dá)到30%時(shí)，崩解性才基本消失；同樣，當(dāng)壓實(shí)度高于95%時(shí)，崩解性也幾乎消失。因此，對(duì)于花崗巖風(fēng)化殘積土，其崩解產(chǎn)生的基本條件為：含水量小于30%、壓實(shí)度小于95%、細(xì)粒含量小于70%。

4 結(jié) 語

本文采用自行開發(fā)的一套讀數(shù)準(zhǔn)確且使用方便的崩解儀，測(cè)試了花崗巖風(fēng)化殘積土在遇到海水時(shí)的崩解性，得出以下結(jié)論：

(1)花崗巖風(fēng)化殘積土的崩解模數(shù)隨時(shí)間變化基本為“S”形，隨著時(shí)間的推移，土體依次以粒狀→塊狀→粒狀的形式產(chǎn)生崩解，且塊狀階段崩解速率最高。

(2)土體含水量、密實(shí)度和細(xì)粒含量對(duì)崩解性影響較大，土體含水量越高、壓實(shí)度越大、細(xì)粒含量越高，土體崩解性越小。

(3)花崗巖風(fēng)化殘積土崩解的基本條件為：含水量小于30%、壓實(shí)度小于95%、細(xì)粒含量小于70%。

(4)以單位時(shí)間內(nèi)沿崩解走向的崩解尺度表示的崩解速率計(jì)算表達(dá)式不受土樣體積的影響，更能反應(yīng)土體崩解實(shí)際的快慢。經(jīng)計(jì)算，花崗巖風(fēng)化殘積土的崩解速率均在0.1 mm/min以內(nèi)。