李善梅, 壽 凱, 劉之葵, 蒙劍坪

(桂林理工大學(xué)a.土木與建筑工程學(xué)院; b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

崩解也稱之為濕化, 是土體浸水后發(fā)生松散解體、 塌落的現(xiàn)象。 它是水土流失、 滑坡、 沉降、 塌陷等災(zāi)害發(fā)生的主要原因之一， 因而研究土體的崩解性具有重要意義。目前, 常用的崩解裝置基本是由研究者自行設(shè)計(jì)或改造而成, 缺乏標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。有效的研究手段是科學(xué)研究崩解規(guī)律和機(jī)理的前提和保障, 本研究擬對(duì)比分析常用崩解裝置的特點(diǎn), 并基于紅黏土的特性, 提出適合紅黏土崩解試驗(yàn)的測試手段, 為工程性質(zhì)類似的土體崩解性研究提供依據(jù)。

1 常用崩解試驗(yàn)方法

1.1 方法簡介

常見的崩解試驗(yàn)裝置按照試驗(yàn)原則分為定性或半定量分析法、 規(guī)范法、 拉力計(jì)法、 靜水天平法。

1.1.1 定性或半定量分析法[1-5]定性或半定量分析方法主要用于觀測崩解過程中發(fā)生的現(xiàn)象、 測試崩解完成時(shí)間、 最終崩解量以及分析分形維數(shù), 設(shè)備比較簡單, 可直接將巖土塊放入盛水容器中進(jìn)行崩解試驗(yàn), 或由盛水容器、 支架、 網(wǎng)盤組成, 崩解裝置如圖1a所示。這種方法被廣泛用于研究巖石的崩解性, 而較少用于土體崩解性研究。

1.1.2 規(guī)范法[6-8]規(guī)范法濕化儀由外筒、 帶刻度的內(nèi)筒(浮筒)和吊盤組成, 如圖1b所示。裝置依據(jù)阿基米德原理設(shè)計(jì), 土體發(fā)生崩解后, 內(nèi)筒所受凈重力減小而上浮。土體崩解前后內(nèi)筒在水中浸泡部分的體積差與土樣初始體積之比記為崩解模數(shù)。

李家春等[7]基于規(guī)范法改進(jìn)濕化儀。該裝置的試驗(yàn)原理與規(guī)范法相同, 主要包含外筒、 內(nèi)筒(浮筒)、 吊盤三部分, 如圖1c所示。外筒直徑20 cm, 設(shè)有進(jìn)水口和溢水口, 可以保證外筒中水的高度; 內(nèi)筒直徑為5 cm, 內(nèi)筒上固定6個(gè)定位指針, 可以保證內(nèi)筒的垂直度; 吊盤用于放置待崩解試樣。

圖1 常見的崩解裝置

1.1.3 定量分析法——拉力計(jì)法[9-13]和靜水天平法[14-18]拉力計(jì)濕化儀由拉力計(jì)、 網(wǎng)盤、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成(圖1d)。該裝置利用拉力計(jì)測量任意時(shí)刻網(wǎng)盤上土體的凈重(重力-浮力), 可以根據(jù)任意兩個(gè)時(shí)刻拉力計(jì)讀數(shù)之差計(jì)算土體的崩解量以及崩解率。靜水天平濕化儀是將靜水天平取代拉力計(jì), 其測量原理及方法不變。

1.2 試驗(yàn)方法對(duì)比

以上崩解裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)。定性或半定量分析法, 裝置簡單、 成本低、 操作簡便, 但只能測定崩解完成時(shí)間及最終崩解率, 而無法測定某時(shí)刻的崩解率。規(guī)范法設(shè)備簡單, 易操作, 但內(nèi)筒的穩(wěn)定性較差, 難以獲取準(zhǔn)確讀數(shù)。 改進(jìn)規(guī)范法改善了傳統(tǒng)規(guī)范法內(nèi)筒穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。規(guī)范法和改進(jìn)的規(guī)范法均利用阿基米德原理, 通過容器中水面對(duì)應(yīng)內(nèi)筒刻度讀數(shù)的變化計(jì)算土體的崩解率, 所以容器中水的體積必須恒定, 由于水的蒸發(fā)作用, 該法難以適用于崩解速度慢的試驗(yàn); 同時(shí), 易崩解土體的土粒脫落過程中內(nèi)筒難以穩(wěn)定, 無法獲取準(zhǔn)確讀數(shù), 讀數(shù)時(shí)間長。拉力計(jì)法采用電腦自動(dòng)記錄讀數(shù), 智能化程度高; 測試時(shí)間間隔可以任意設(shè)置, 讀數(shù)準(zhǔn)確, 采集數(shù)據(jù)多, 利于分析， 但由于拉力計(jì)數(shù)顯的局限性, 無法顯示小于最大量程1%的數(shù)值, 導(dǎo)致土體崩解最后階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失。靜水天平提高了讀數(shù)范圍, 可以精確到0.01 g, 能實(shí)現(xiàn)崩解全過程測試。

綜上所述, 定性分析法可測試崩解完成時(shí)間, 無法監(jiān)測土體的時(shí)時(shí)崩解率, 定量分析法(規(guī)范法、 拉力計(jì)法、 靜水天平法)可計(jì)算土體的崩解率, 但無法考慮崩解過程中所產(chǎn)生氣泡、 土體膨脹等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。天然土體含有大量的氣泡, 且黏性土中含有黏土礦物, 有一定的膨脹性, 以下分析氣泡及土體膨脹性對(duì)崩解試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的影響。

1.2.1 氣泡的影響 土體中的氣體按照閉合形式可分為開放氣泡和封閉氣泡, 如圖2所示。

圖2 土體結(jié)構(gòu)

伴隨水滲入土體的過程, 開放氣泡直接排出土體外, 封閉氣泡被壓縮保留在土樣中。氣泡逃逸過程中對(duì)土顆粒產(chǎn)生拖拽效果, 導(dǎo)致土粒脫落。 氣泡逃逸作用使崩解儀讀數(shù)不穩(wěn)是崩解試驗(yàn)中普遍存在而又難以克服的主要問題之一， 該問題超出本研究范圍, 限于篇幅, 在此不作詳細(xì)討論。封閉氣泡提高土體浮力, 減小網(wǎng)盤上土體凈重, 影響崩解儀讀數(shù)的準(zhǔn)確性。浮筒或拉力計(jì)所受凈重為

(1)

(2)

式(2)表明, 土體在水中的凈重受土粒與封閉氣泡體積共同作用。因此, 忽視土體孔隙結(jié)構(gòu)的作用效果研究崩解性會(huì)造成一定誤差。

土樣浸水后, 隨著水在土中的滲透, 封閉氣泡被壓縮, 當(dāng)壓力足夠大時(shí), 封閉氣體從土體中逃逸。氣泡逃逸過程中產(chǎn)生的拖拽力使土顆粒間聯(lián)結(jié)破壞而脫落, 改變土顆粒與封閉氣泡的體積。假設(shè)封閉氣泡逃逸過程中, 土顆粒破壞體積為Δv土, 封閉氣泡體積減小Δv封, 則凈重為

ρ水·(v封-Δv封)·g,

(3)

氣泡逃逸前后水中土體凈重差值即為土體的崩解量, 凈重差值ΔF凈為

=ρ水·Δv封·g-(ρ土-ρ水)·Δv土·g。

(4)

當(dāng)式(4)等于0時(shí),

(5)

當(dāng)逃逸的封閉氣體體積與崩解的土顆粒體積滿足式(5)時(shí), 土體的凈重為0， 該條件下, 即使土體發(fā)生崩解, 崩解儀測試讀數(shù)仍保持不變, 導(dǎo)致所測的崩解率小于實(shí)際崩解率; 若凈重差值大于0, 所測出的崩解率為負(fù)值, 與所觀測到的土樣崩解現(xiàn)象相背離; 若凈重差值小于0, 所測的崩解率大于實(shí)際崩解率。由此可見, 封閉氣泡的存在, 對(duì)規(guī)范法及拉力計(jì)法測試土體的崩解率均造成不同程度的誤差。

1.2.2 土體膨脹性的影響 黏性土中含有大量黏土礦物且?guī)в须姾? 對(duì)水有吸附作用。黏土顆粒吸附水分子后, 土體膨脹, 如圖3所示。

圖3 膨脹性對(duì)土體崩解的影響

假設(shè)土樣吸水膨脹后, 土中顆粒的排列方式不變, 土樣膨脹體積全部來源于結(jié)合水膜厚度的增大, 土樣在水中膨脹后的凈重可計(jì)算為

(ρ結(jié)-ρ水)·v結(jié)·g-ρ水·v封·g。

(6)

式中:ρ結(jié)為結(jié)合水膜的密度;v結(jié)為結(jié)合水膜體積; 其他參數(shù)同上。求式(6)與式(2)之差, 計(jì)算土樣在水中膨脹前后的凈重差值, 即

ΔF凈=(ρ結(jié)-ρ水)·v結(jié)·g-

(ρ土-ρ水)·Δv土·g，

(7)

當(dāng)ΔF凈=0, 即凈重差值為0時(shí), 式(7)可變?yōu)?/p>

(8)

當(dāng)崩解土體體積與生成的結(jié)合水膜體積滿足式(8)時(shí), 即左式等于右式時(shí)土體在水中的凈重差值為0, 崩解儀讀數(shù)保持不變, 無法測定土體的崩解量; 當(dāng)左式小于右式時(shí), 凈重差值大于0, 即土體膨脹產(chǎn)生的質(zhì)量差大于土體崩解產(chǎn)生的質(zhì)量差, 即便發(fā)生崩解, 其測量值仍為負(fù); 當(dāng)左式大于右式時(shí), 即土體膨脹產(chǎn)生的質(zhì)量差小于土體崩解產(chǎn)生的質(zhì)量差, 崩解量測量值為實(shí)際崩解量與膨脹量之差, 小于實(shí)際值。

綜上所述, 土體中封閉氣泡的存在以及黏土礦物吸水膨脹對(duì)土體崩解量測試的準(zhǔn)確性均有較明顯的影響, 測量值均小于實(shí)際崩解率, 而規(guī)范法和拉力計(jì)法均無法規(guī)避這一影響。紅黏土崩解緩慢, 孔隙比大, 滲透性小, 極易形成封閉氣泡, 且紅黏土具有一定的膨脹性, 顯然, 以上崩解試驗(yàn)方法不一定適于紅黏土的崩解性測試。

2 紅黏土崩解試驗(yàn)裝置及方案

2.1 崩解試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

土體的崩解速度受其密度、 黏粒含量、 飽和度、 崩解溶液、 溫度等諸多因素的影響。黏性土崩解較慢, 往往需要較長時(shí)間才能完成崩解(飽和紅黏土在水中靜置兩個(gè)月, 幾乎不崩解)。本文將結(jié)合紅黏土易膨脹、 多孔隙、 崩解慢的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)適合測試這類土崩解性的裝置。

土體崩解試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)為: 在測試時(shí)間t內(nèi)土體的崩解量。測量土體崩解量最準(zhǔn)確的方法為直接烘干崩解土樣, 但該方法只限于崩解速度較慢(即有充足的時(shí)間取出崩解土體時(shí))土體的崩解性測試。因此， 本文提出一種新方法, 利用自動(dòng)讀數(shù)的靜水天平和烘干法同步測量, 試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 濕化儀

靜水天平與電腦相連自動(dòng)記錄讀數(shù), 可以稱量土體在水中的凈質(zhì)量, 精度高, 采集數(shù)據(jù)量多。此外, 紅黏土崩解緩慢, 利用玻璃杯盛裝已崩解土樣, 可以準(zhǔn)確測試紅黏土在某時(shí)間內(nèi)的崩解質(zhì)量, 用于測量崩解速度較慢階段的崩解率。本研究擬采用靜水天平和烘干法同時(shí)測量紅黏土的崩解率, 一方面可驗(yàn)證土中氣泡作用以及土體膨脹性對(duì)崩解測量的影響, 另一方面試圖尋找一種適合紅黏土崩解的測試手段。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)步驟如下: ①配制一定含水率的土樣, 利用千斤頂按試驗(yàn)設(shè)計(jì)密度壓制土樣; ②在玻璃缸中注水或溶液, 水的深度必須高出土樣表面約1 cm; ③將網(wǎng)盤掛至靜水天平底部掛鉤, 靜水天平與電腦相連接并清零, 玻璃杯放置在網(wǎng)盤正下方并保持與網(wǎng)盤一定距離(不小于1 cm), 以免土樣的重力作用使網(wǎng)盤變形而與玻璃杯接觸, 影響試驗(yàn)精度; ④將土樣小心放置在網(wǎng)盤中央; ⑤觀測并描述崩解現(xiàn)象, 待土樣不發(fā)生明顯且連續(xù)性崩解后, 取一個(gè)干凈玻璃杯, 使杯底緊貼玻璃缸緩慢放入至缸底, 并輕輕推至網(wǎng)盤中心底部替換已盛有崩解土的玻璃杯, 并將已盛土的玻璃杯取出, 烘干, 稱取崩解土樣的干質(zhì)量, 同時(shí)記錄取樣時(shí)間。

2.2.1 崩解緩慢階段崩解率計(jì)算——烘干法 在t時(shí)刻土體的崩解率At為

(9)

那么，T時(shí)間內(nèi)土體的累積崩解率BT為

(10)

式中:M、mt分別為土體在T時(shí)間內(nèi)崩解的總質(zhì)量和在t時(shí)刻崩解的質(zhì)量;w為土體的初始含水率。

2.2.2 崩解速度較快階段土體崩解參數(shù)計(jì)算——靜水天平讀數(shù)法T時(shí)間內(nèi)土體的累積崩解率

(11)

式中:m0為靜水天平的初始讀數(shù);mT為T時(shí)刻靜水天平讀數(shù)。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用靜水天平讀數(shù)和烘干法同時(shí)測試其崩解性。選取11個(gè)環(huán)刀樣, 編號(hào)分別為1#～11#, 其飽和狀態(tài)以及觀測時(shí)間如表1所示。

表1 試樣飽和狀態(tài)及觀測時(shí)間

結(jié)合靜水天平讀數(shù), 根據(jù)式(11), 計(jì)算某一時(shí)刻土體的累積崩解率, 取4#～7#土樣浸水后1 min內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù), 繪制累積崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線, 如圖5所示。根據(jù)式(10)計(jì)算烘干法測量紅黏土的累積崩解率, 并對(duì)應(yīng)烘干法的取樣時(shí)間, 提取天平讀數(shù)計(jì)算的累計(jì)崩解率, 繪制天平讀數(shù)法和烘干法計(jì)算的累計(jì)崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線, 如圖6所示。

由圖5可見, 土樣崩解過程中, 天平讀數(shù)持續(xù)浮動(dòng), 噪點(diǎn)多, 數(shù)據(jù)處理難度較大。累積崩解率隨時(shí)間呈鋸齒狀變化, 甚至出現(xiàn)負(fù)值, 難以反映土樣崩解過程的真實(shí)狀態(tài)。以上試驗(yàn)結(jié)果表明, 土樣崩解過程中同時(shí)包含膨脹以及氣泡作用, 對(duì)天平計(jì)數(shù)擾動(dòng)較大。采用天平讀數(shù)計(jì)算土體的崩解性需要結(jié)合崩解現(xiàn)象, 剔除噪點(diǎn), 不能直接利用電腦采集數(shù)據(jù)計(jì)算土體的崩解率。

圖5 入水1 min內(nèi)天平計(jì)數(shù)法繪制的累積崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線

圖6a～c分別為觀測32 d的飽和土樣1#～3#、 1 d的非飽和土樣4#～7#和32 d的非飽和土樣8#～11#的累積崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線。由圖6a可見, 天平計(jì)數(shù)法和烘干質(zhì)量法測量的累積崩解率總體隨時(shí)間呈非線性增長, 但前者局部出現(xiàn)上升—下降—上升的波動(dòng), 其中的紅色圓圈區(qū)域所示, 與土體崩解性不可逆的特征相悖。造成這一現(xiàn)象的主要原因是土樣崩解過程中氣泡逃逸以及土粒崩解產(chǎn)生擾動(dòng)而導(dǎo)致天平讀數(shù)誤差。此外, 1#和3#土樣天平讀數(shù)和烘干質(zhì)量法計(jì)算的累計(jì)崩解率比較接近, 2#土樣的天平計(jì)數(shù)與烘干質(zhì)量法計(jì)算的累計(jì)崩解率在崩解初期(0～11 d(250 h內(nèi)))無明顯偏差, 但在崩解后期(第11天(即約280 h)后)有明顯的偏差, 天平法計(jì)算值小于烘干法, 其最大偏差達(dá)到60%。由圖6b可見, 兩種方法測試數(shù)據(jù)繪制的非飽和土在1 d內(nèi)的累計(jì)崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線較接近, 天平計(jì)數(shù)描繪的累計(jì)崩解率隨時(shí)間增長基本為增大趨勢, 局部出現(xiàn)波動(dòng), 如5#土樣。圖6c中紅色圓圈區(qū)域表明, 8#～11#土樣在崩解的第一階段(入水初期), 天平讀數(shù)法和烘干法兩組數(shù)據(jù)計(jì)算的累積崩解率較接近, 但在崩解的第二階段, 除11#土樣以外, 其他3個(gè)土樣的兩組測試數(shù)據(jù)計(jì)算的累積崩解率偏差較大。其中, 8#土樣在崩解5 d(約120 h)后, 天平計(jì)數(shù)計(jì)算的累積崩解率超過100%, 其實(shí)際崩解率為58.02%, 出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤, 9#、 10#土樣天平計(jì)數(shù)存在相同問題。

圖6 兩種測量方法計(jì)算的累積崩解率與時(shí)間關(guān)系曲線

以上試驗(yàn)結(jié)果表明, 崩解過程中土體中氣泡和膨脹性對(duì)其測試結(jié)果產(chǎn)生干擾, 但在崩解初期(3 d時(shí)間內(nèi)), 天平法和烘干法的測量數(shù)據(jù)之間的誤差低于6%, 即對(duì)于飽和或非飽和紅黏土而言, 短期內(nèi)的崩解試驗(yàn)可采用天平法或烘干法; 隨著崩解時(shí)間增長, 天平計(jì)數(shù)法計(jì)算的累積崩解率誤差增大, 甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況, 不可采用。

3 結(jié) 論

(1)定性分析法可測量土體崩解完成時(shí)間。 規(guī)范法及改進(jìn)規(guī)范法讀數(shù)穩(wěn)定性較差， 拉力計(jì)法測量精度不足, 難以實(shí)現(xiàn)崩解全過程測試。

(2)傳統(tǒng)的定量分析法無法規(guī)避氣泡和土體膨脹性對(duì)測量結(jié)果的影響, 烘干法可規(guī)避這些缺陷。

(3)短時(shí)間崩解試驗(yàn)(3 d內(nèi)), 靜水天平和烘干法均可有效測量飽和及非飽和紅黏土的崩解率， 隨崩解時(shí)間的增長, 建議采用烘干法測試其崩解率。

(4)考慮到測試的精度, 建議快速崩解時(shí)(非飽和土入水后的前1 h內(nèi))采用靜水天平讀數(shù), 而在緩慢崩解時(shí)(飽和紅黏土崩解全過程以及非飽和土入水1 h后)建議采用烘干法。