花崗巖風化殘積土海崖崩解過程的室內(nèi)試驗研究

李 忠，劉勇文，趙紀飛

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南開封475004；2.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西西安710054)

我國東南沿海分布有較長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)海崖波致蝕退機制極其復雜，其蝕退主要有3個方面誘因：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個誘因?qū)Ｑ挛g退的貢獻。

有學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)文獻報道。因此，本文利用研制的新型崩解儀，測試了花崗巖風化殘積土在海水作用下的崩解過程，可為研究軟質(zhì)海崖的蝕退機理提供參考。

1 試驗裝置與準備

目前，測試土體崩解特性的裝置大都采用浮筒法。當土體發(fā)生崩解時，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；二是當土體瞬時崩解量較大時，內(nèi)筒會產(chǎn)生上下浮動，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)簡單且準確的新型崩解儀測試土體的崩解量，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、鉀長石、斜長石、黑云母和角閃石，未完全風化的礦物主要為石英，其他均已風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。對取回的殘積土充分碾壓粉碎并曬干，利用篩分試驗測試其顆粒粒徑組成，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。為了測得不同壓實度土樣的崩解性，在室內(nèi)進行了擊實試驗，測得其最大干密度為1.93 g/cm3，最優(yōu)含水量為19.4%。

表1 粒度組成分析結(jié)果

試驗擬研究不同含水量、壓實度和細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，對上述5種含水量的土樣分別擊實12、11、10、10和12次，測得其壓實度為87%～91%，取平均值為89%；對含水量為20%的同一土樣進行不同次數(shù)的擊實，獲得4種不同壓實度的土樣；對含水量為20%的同一土樣，利用篩分的顆粒，配制不同細粒(粒徑小于0.5 mm)含量(分別為40%、55%、70%和80%)的土樣，經(jīng)擊實后獲得不同細粒含量的土樣；擊實后的土樣高度為15 cm，用環(huán)刀切取土樣一端并測試其密度，結(jié)合含水量求出其干密度和壓實度；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)時間間隔加長。

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為時刻t的土樣水下質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

土樣放置到金屬網(wǎng)上后，土樣表面的一些細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，此時崩解量極小，密實度較低的土樣表面產(chǎn)生氣泡，表面水體進入到土樣的孔隙內(nèi)部；隨著時間的持續(xù)，一些石英礦物等粗顆粒土瞬時崩解脫落，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)隨時間的變化關(guān)系見圖2。從圖2可以看出，崩解模數(shù)隨時間變化基本為“S”形，即“兩頭慢、中間快”，從時間0到t1時，崩解較慢，這個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)隨時間的變化關(guān)系

逐漸浸入到土樣內(nèi)，裂隙逐漸形成；時間t1到t2時，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；當含水量達到30%時，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 不同壓實度

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

圖4 不同壓實度土樣的崩解過程

2.2.3 不同細粒含量

不同細粒含量土樣的崩解過程見圖5。從圖5可知，細粒含量對崩解影響較大，當細粒含量為40%時，崩解性明顯；當超過70%時，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，土顆粒的基質(zhì)吸力較強，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，土顆粒產(chǎn)生崩解，脫離原來的土樣；土樣含水量較高時，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，當風暴潮引起的增水浸泡海崖時，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 不同細粒含量土樣的崩解過程

土樣壓實度較高時，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，密實度較高，土樣也不易形成裂隙，崩解性減小。對于軟質(zhì)海崖，受重力作用，深度較淺的土體壓實度較低，相對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，密實度降低，相對更易發(fā)生崩解。

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

由上述試驗可知，土體的含水量、密實度和細粒含量對崩解均影響較大，當含水量超過30%、壓實度超過95%、細粒含量超過70%時，在一般工況下，花崗巖風化殘積土可以認為不具有崩解性。

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計算表達式，即v=a(l0-lt)/t。式中，a為體積換算系數(shù)；l0為試樣浸入水中時浮筒的起始讀數(shù)或穩(wěn)定時的最大讀數(shù)；lt為土樣完全崩解時或第30 min時的浮筒讀數(shù)；t為土樣完全崩解時的時間或土樣未崩解完的第30 min時間。該式計算的崩解速率與土樣體積有關(guān)，土樣體積越大，計算得到的崩解速率越高，因此該式計算的崩解速率難以反映土體崩解實際的快慢，對于該法，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間內(nèi)的崩解尺度，這個崩解速率與土體體積無關(guān)，更能反映土體實際崩解的快慢。對于圓柱形的土樣，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為崩解時間。

土體崩解速率隨時間而變化，一般取崩解曲線最陡段斜率計算[6]。依據(jù)本文得到的計算公式，計算得到不同含水量和不同壓實度土體的崩解速率，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]測試黃土的崩解性時發(fā)現(xiàn)了黃土的崩解模數(shù)隨時間也經(jīng)歷了3個階段，即慢速階段、快速階段、穩(wěn)定階段，與花崗巖風化殘積土的崩解階段相同。李家春和田偉平同時發(fā)現(xiàn)，當黃土的含水量高于20%時，崩解速度很小，幾乎不具崩解性，黃土壓實度大于95%時，也不具崩解性；李峰也將含水量20%作為黃土崩解的條件。本文試驗得出，對于花崗巖殘積土，當含水量為20%時，仍具有一定的崩解性，當含水量達到30%時，崩解性才基本消失；同樣，當壓實度高于95%時，崩解性也幾乎消失。因此，對于花崗巖風化殘積土，其崩解產(chǎn)生的基本條件為：含水量小于30%、壓實度小于95%、細粒含量小于70%。

4 結(jié) 語

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

(1)花崗巖風化殘積土的崩解模數(shù)隨時間變化基本為“S”形，隨著時間的推移，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、密實度和細粒含量對崩解性影響較大，土體含水量越高、壓實度越大、細粒含量越高，土體崩解性越小。

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

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