黃土體穩(wěn)流崩解儀的研制與應(yīng)用

王念秦，薛瑤瓊，魏精瑞

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

黃土體穩(wěn)流崩解儀的研制與應(yīng)用

王念秦，薛瑤瓊，魏精瑞

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

黃土；黃土體穩(wěn)流崩解儀；耐崩解系數(shù)；崩解速度

黃土斜(邊)坡坡腳浸水常常誘發(fā)崩塌、滑坡災(zāi)害。為了探討其崩塌機(jī)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(shù)、崩解速度與時間的關(guān)系，以指導(dǎo)黃土邊坡災(zāi)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(diào)整方便；試樣與崩解儀器合理協(xié)調(diào)，試驗參數(shù)同步獲取。運用此儀器對原狀離石黃土進(jìn)行了崩解試驗，結(jié)果表明其具有一定的推廣和應(yīng)用價值。

弱，坡面侵蝕、潛蝕加劇，不僅造成水土流失，而且嚴(yán)重威脅邊坡穩(wěn)定，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，因此有不少學(xué)者[9-10]將崩解作為一種可蝕性指標(biāo)進(jìn)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(qiáng)黃土體穩(wěn)流崩解儀的研制工作。

1 試驗原理

目前國內(nèi)外有關(guān)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(jī)理的研究較少。特別是在黃土崩解儀器研制方面，使儀器設(shè)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(shù)等，在水土保持和工程地質(zhì)領(lǐng)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(jìn)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(shù)、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(jù)。

黃土的耐崩解系數(shù)是指未發(fā)生崩解的黃土質(zhì)量與原黃土質(zhì)量的比值，即

(1)

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

黃土的崩解速度是指單位時間內(nèi)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(shè)備研制

2.1 設(shè)備組成

依據(jù)前述對黃土崩解作用過程、原理的認(rèn)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(shè)計能通過流量計控制流量的大小，根據(jù)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(chǎn)生一定的沖擊力，從而對試驗結(jié)果及土樣產(chǎn)生一定的影響。采用取樣設(shè)備與崩解儀器一體化的概念，即根據(jù)邊坡的浸水條件，設(shè)計相應(yīng)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(wǎng)內(nèi)進(jìn)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(shè)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(cè)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(guān)；③流量計；④導(dǎo)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(wǎng)

2.2 試驗過程

野外取樣及崩解儀器準(zhǔn)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(wǎng)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(cè)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(cè)，水箱底部開關(guān)與導(dǎo)管相接，水通過流量計進(jìn)入水槽，再通過水槽右側(cè)出水口流入燒杯；③根據(jù)試樣的浸水深度及鐵架臺兩側(cè)支架上的刻度，固定頂部無刻度的支架，將鋼絲網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)，這個過程中要確保試樣豎直；⑤打開供水開關(guān)、電子秤，排除供水導(dǎo)管及流量計中殘留的氣泡，當(dāng)右側(cè)燒杯內(nèi)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(shù)(即水槽+水的質(zhì)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(dāng)試樣崩解完成后結(jié)束試驗；⑦根據(jù)浸水的深度調(diào)整頂部支架的高度，重復(fù)④—⑥步驟，直到試驗結(jié)束。

3 實例應(yīng)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(jìn)行不同浸水范圍[單面(底面)、雙面(底面和一個側(cè)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(shù)據(jù)，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(yīng)關(guān)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(shù)、崩解速度與時間的對應(yīng)關(guān)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(shù)據(jù)，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(shù)隨著時間的增大逐漸減小，二者呈較好的線性關(guān)系，且隨著浸水深度的增加，耐崩解系數(shù)下降速度加快；由圖6、7知，黃土的崩解速度與時間的關(guān)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(jié)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(shè)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(guān)系曲線

圖5 雙面浸水條件下不同浸水深度的Bt—t關(guān)系曲線

圖6 單面浸水條件下不同浸水深度的Vt—t關(guān)系曲線

圖7 雙面浸水條件下不同浸水深度的Vt—t關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

黃土遇水后發(fā)生崩解，極易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的水土流失。有專家學(xué)者對黃土崩解試驗儀器進(jìn)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(yuǎn)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(jié)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(jù)取樣的難易程度確定，調(diào)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(shù)、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(jìn)行了崩解規(guī)律的研究，設(shè)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(shù)據(jù)，得到了不同浸水范圍、不同浸水深度條件下耐崩解系數(shù)Bt與時間t、崩解速度Vt與時間t的關(guān)系曲線，試驗結(jié)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(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

TU41

A

1000-0941(2015)01-0055-03

國家自然科學(xué)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(xué)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(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)、科研工作。

2014-06-01

黃土是一種特殊的第四紀(jì)陸相松散堆積物，透水性強(qiáng)，抗水性弱，浸水后土體結(jié)構(gòu)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(zhì)災(zāi)害的重要因素，有“無水不滑”之說。目前國內(nèi)外有關(guān)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(jìn)行了壓實黃土浸水崩解試驗，認(rèn)為壓實度、含水量是影響崩解速率的關(guān)鍵因素，并得出了可預(yù)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(jié)合原位崩解試驗，對黃土的崩解性進(jìn)行研究，將黃土崩解的作用方式分為崩離、迸離和解離，認(rèn)為含水率和結(jié)構(gòu)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(zhì)吸力的土樣進(jìn)行崩解試驗，結(jié)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(zhì)吸力與平均崩解速度存在對數(shù)關(guān)系。雖然有的專家學(xué)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(yuǎn)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(xué)強(qiáng)度降低，內(nèi)部聯(lián)系減