基于原位試驗(yàn)的土壤崩解特性研究
——以黃口堰水庫(kù)擴(kuò)建工程均質(zhì)土壩填筑為例

(郴州市水電建設(shè)公司，湖南 郴州 423000)

土的崩解，又叫土壤濕化，是指土在靜水中發(fā)生碎裂塌落或強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。該特性使得土壤的穩(wěn)定性在遇水驟降的同時(shí)發(fā)生散解。土壤的崩解特性引起了眾多專家學(xué)者的關(guān)注，并通過實(shí)驗(yàn)研究獲得了一定的研究成果[1-5]。從水利工程施工及均質(zhì)壩填筑角度看，土壤的強(qiáng)崩解性會(huì)加劇水流的潛蝕作用，嚴(yán)重時(shí)可掏空均質(zhì)土壩的壩體，即對(duì)壩體穩(wěn)定產(chǎn)生一定的破壞[6]。同時(shí)會(huì)導(dǎo)致土體失穩(wěn)，造成崩塌等一系列災(zāi)害，并且建設(shè)工程的地基基礎(chǔ)會(huì)遭受破壞，從而引發(fā)工程失穩(wěn)，進(jìn)而給水利工程施工埋下嚴(yán)重的安全隱患[7]。在水利施工和試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在較陡的水利工程邊坡中存在大量土壤崩解現(xiàn)象，尤其在壓實(shí)土體中崩解現(xiàn)象較多[8]。湖南省地貌單元復(fù)雜，邊坡土壤崩解、潛蝕現(xiàn)象增加了該地區(qū)水利工程建設(shè)的難度，也為建成后的運(yùn)營(yíng)安全帶來了不利影響。因此，研究水利施工中土壤的崩解性在工程地質(zhì)領(lǐng)域具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

本研究基于黃口堰水庫(kù)擴(kuò)建工程大壩填筑工程，進(jìn)行原位土壤崩解試驗(yàn)，從大壩填筑土層鋪土厚度、機(jī)械碾壓遍數(shù)等主要影響因素出發(fā)，研究填筑土層遇水發(fā)生濕化散解的特性，為該地區(qū)的工程建設(shè)及水土保持提供參考。

1 工程區(qū)概況

黃口堰水庫(kù)位于湖南省郴州市境內(nèi)，屬Ⅲ等中型工程，水庫(kù)擴(kuò)建后正常蓄水位為228.60m，相應(yīng)庫(kù)容為1038萬(wàn)m3。大壩擴(kuò)建采用均質(zhì)黏土壩填筑，擴(kuò)建后壩軸線在老壩軸線上游32.0m，大壩壩頂高程231.00m，寬度6.0m，軸線長(zhǎng)591.00m，最低建基面高程192.00m，最大壩高39.00m。對(duì)大壩填筑的均質(zhì)土壤取樣進(jìn)行顆粒分析發(fā)現(xiàn)，砂粒含量為20.79%、粉粒含量為38.65%、黏粒含量為40.56%，粒度成分相對(duì)均一，以黏粒為主，其次是粉粒，砂粒最少。天然干密度為1.28g/cm3，碾壓前土壤的平均含水量為31.63%。

2 試驗(yàn)流程及操作要點(diǎn)

按照規(guī)范要求，結(jié)合碾壓需要，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工前，需要進(jìn)行碾壓預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)8m，寬3.5m，地勢(shì)平坦、地基堅(jiān)實(shí)。參照相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的填筑厚度及類似水利工程的施工經(jīng)驗(yàn)，確定本次試驗(yàn)土料的松鋪厚度分別為30cm、40cm、50cm，同時(shí)保證填筑層中土樣的直徑在一定范圍內(nèi)。在進(jìn)行機(jī)械碾壓時(shí)首先全場(chǎng)靜壓1遍，以增強(qiáng)填筑層土壤的穩(wěn)定性，然后用機(jī)械以2km/h的速度平行于鋪料方向，在劃定的工作區(qū)域內(nèi)按進(jìn)退作業(yè)法分別對(duì)填筑層碾壓2、4、6、8、10遍。在相同條件下，通過對(duì)鋪土厚度、碾壓遍數(shù)的組合試驗(yàn)，得出兩參數(shù)組合的最優(yōu)值(見表1)。

樣品采集工具為方形環(huán)刀，規(guī)格為長(zhǎng)5cm、寬5cm、高5cm。環(huán)刀上下不封口，下部開有刃口。采集抗崩性樣前，先對(duì)每個(gè)取樣的方形環(huán)刀進(jìn)行編號(hào)，并稱重。樣品采好后，用塑料袋裝好、密封，每組試驗(yàn)取樣三個(gè)。

圖1 崩解試驗(yàn)裝置

選用SHY-1土壤濕化試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)。該套儀器由有機(jī)玻璃桶、浮筒、網(wǎng)板三部分組成(見圖1)。有機(jī)玻璃桶內(nèi)徑15cm，外徑16cm，桶高60cm。浮筒直徑5.2cm，高22cm；浮筒上標(biāo)有刻度，刻度的最小單位為1mm，浮筒下懸掛金屬網(wǎng)板，規(guī)格10cm×10cm，孔眼1cm2。試驗(yàn)時(shí)，有機(jī)玻璃桶內(nèi)盛清水。試驗(yàn)中，當(dāng)缸中的水變得混濁時(shí)，就倒掉缸中渾水，加入清水，重新開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)操作步驟按水利部《土工試驗(yàn)操作規(guī)程》中的濕化試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行。將試樣放在試驗(yàn)儀器方形網(wǎng)板的中間位置，浮筒下方懸掛方形網(wǎng)板，試驗(yàn)時(shí)拿住浮筒頂端，快速地將試樣土樣浸入有機(jī)玻璃桶中，然后立即開啟秒表，并記錄試驗(yàn)開始時(shí)浮筒齊水面處刻度的穩(wěn)定讀數(shù)及試驗(yàn)開始時(shí)間，設(shè)定本次試驗(yàn)最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間為30min，同時(shí)在試驗(yàn)開始后按0、1min、2min、3min、4min、5min、7min、10min、15min、20min、30min，同時(shí)記錄浮筒齊水面處的刻度數(shù)，若試驗(yàn)中土壤樣品全部崩解，則試驗(yàn)完成。如若在30min內(nèi)，土壤樣品沒完全崩解，則試驗(yàn)結(jié)束。

土壤崩解率計(jì)算公式為

(1)

式中At——試樣在時(shí)間t時(shí)的崩解率，%；

R0——試驗(yàn)開始時(shí)浮筒齊水面處刻度的穩(wěn)定讀數(shù)，cm；

Rt——試樣在時(shí)間t時(shí)浮筒齊水面處刻度讀數(shù)，cm；

Re——完全崩解后浮筒齊水面處刻度讀數(shù)，cm。

土壤崩解速率公式為

(2)

式中B——單位時(shí)間內(nèi)所崩解的試樣的體積，cm3/min；

S——浮筒截面面積，cm2；

Y——土壤體積質(zhì)量，g/cm3；

R0——試驗(yàn)開始時(shí)浮筒齊水面處刻度的穩(wěn)定讀數(shù)，cm；

Rt——試樣在時(shí)間t時(shí)浮筒齊水面處刻度讀數(shù)，cm；

t——試樣完全崩解所需時(shí)間或試樣未完全崩解的試驗(yàn)終止時(shí)間(以30min)計(jì),min。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

將土樣放入干凈的水中，此時(shí)試驗(yàn)樣品表面細(xì)小分散的土壤顆粒迅速進(jìn)入水中，周圍水立即變混濁，并伴有大量氣泡逸出，然后土樣開始破碎離析。開始時(shí)崩解的速率較快，過一段時(shí)間后逐漸減慢，直至穩(wěn)定。隨著土壤結(jié)構(gòu)的逐漸破壞，土壤的崩解速率在穩(wěn)定一段時(shí)間后有少許提高，但很快崩解速度又減緩，直至完全崩解。整個(gè)崩解過程中不斷有氣體逸出。

4 結(jié)果與分析

圖2(a)是一典型的崩解質(zhì)量曲線，可以將整個(gè)試驗(yàn)過程分為前、中、后3個(gè)崩解階段。前期是從起點(diǎn)到A點(diǎn)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)吸水過程土樣達(dá)到的最大重量，這個(gè)階段土體主要處于吸水飽和階段，其崩解微弱，崩解量很少，可以忽略不計(jì)。AB段為中期，是崩解發(fā)生的主要階段，此時(shí)，崩解反應(yīng)迅速，速度較平穩(wěn)。B點(diǎn)以后對(duì)應(yīng)崩解后期，崩解速度減緩，直到崩解完全或停止。計(jì)算時(shí)以A點(diǎn)位置為崩解的真正起點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖2(b)中坐標(biāo)軸的原點(diǎn)。有關(guān)研究認(rèn)為可將崩解質(zhì)量曲線圖中上升段的斜率作為崩解速率的基準(zhǔn)，因?yàn)橥翗拥谋澜庵饕l(fā)生在這個(gè)時(shí)間段，且崩解過程較為平穩(wěn)，崩解較迅速。故為便于比較分析，以AB段為基準(zhǔn)選取時(shí)間段，以求得崩解速率。

圖2 崩解曲線

4.1 松鋪厚度、壓實(shí)遍數(shù)對(duì)土壤崩解率的影響

填筑層的土壤壓實(shí)度對(duì)土壤的崩解破壞特性有重要的影響，土壤的壓實(shí)度影響著填筑層的孔隙性、透水性和土壤黏結(jié)狀態(tài)，可作為壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要因子[9]。圖3為不同鋪料厚度、壓實(shí)遍數(shù)土壤崩解率曲線，從曲線圖中可知隨著土料松鋪厚度的增加，土壤的崩解率逐漸增大，但增幅逐漸減小。當(dāng)鋪料厚度為300mm時(shí)，填筑層的最大崩解率為25.02%；鋪料厚度為400mm時(shí)，填筑層的最大崩解率為29.05%；鋪料厚度為500mm時(shí)，填筑層的最大崩解率為30.15%，相比于300mm填筑層，400mm和500mm填筑層的崩解率分別增加了4.03%和5.13%。對(duì)于同一松鋪厚度的填筑土層，不同的機(jī)械壓實(shí)遍數(shù)對(duì)土壤的崩解率有顯著的影響。當(dāng)松鋪厚度為300mm時(shí)，機(jī)械壓實(shí)10遍的崩解率最低，為8.3%，機(jī)械壓實(shí)2遍的崩解率最高，為25.02%，不同壓實(shí)遍數(shù)的填筑層崩解率相差了16.72%；當(dāng)松鋪厚度為400mm時(shí)，機(jī)械壓實(shí)10遍的崩解率最低，為9.81%，機(jī)械壓實(shí)2遍的崩解率最高，為29.05%，不同壓實(shí)遍數(shù)的填筑層崩解率相差了19.24%；當(dāng)松鋪厚度為500mm時(shí)，機(jī)械壓實(shí)10遍的崩解率最低，為10.12%，機(jī)械壓實(shí)2遍的崩解率最高，為30.15%，不同壓實(shí)遍數(shù)的填筑層崩解率相差了20.03%。

究其原因，小的鋪料厚度、大的壓實(shí)遍數(shù)使得顆粒間膠結(jié)程度高，黏結(jié)力增大，結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，孔隙率小，局部會(huì)產(chǎn)生小塊土體，透水性弱，在試驗(yàn)土樣浸水后，水分進(jìn)入土體內(nèi)部的時(shí)間較長(zhǎng)，不利于崩解；鋪料厚度越大，壓實(shí)遍數(shù)越少，填筑層的土壤以集粒形式存在，土壤顆粒較為松散，黏結(jié)性弱，當(dāng)土樣遇水時(shí)，水分?jǐn)U散到最大距離的時(shí)間變短，土壤顆粒之間黏結(jié)力迅速消失，極易崩解。

4.2 松鋪厚度、壓實(shí)遍數(shù)對(duì)土壤崩解速率的影響

土壤崩解速率反映了土壤顆粒結(jié)構(gòu)遇水浸濕解體快慢的性質(zhì)或土壤結(jié)構(gòu)體遭受水力侵蝕離散解體的難易程度，是評(píng)價(jià)土壤穩(wěn)定性的重要物理指標(biāo)[10]。圖4描述了土壤崩解速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，由圖4可知，試樣崩解速率總體上經(jīng)歷了一個(gè)由慢到快再到慢的變化過程。在試驗(yàn)剛開始時(shí)，崩解速率非常低，小于0.5cm3/min；隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，土樣離散解體速度增大，在試驗(yàn)進(jìn)行約1min時(shí)，試樣的崩解速率達(dá)到最大值，最高可達(dá)8.37cm3/min；之后崩解速率迅速減小，約在試驗(yàn)進(jìn)行3～5min之后崩解速率達(dá)到最小值，此后試樣崩解速率趨于穩(wěn)定，直到崩解完全。從試驗(yàn)整體看，土樣崩解主要發(fā)生在試驗(yàn)進(jìn)行的前3min，在此時(shí)間段內(nèi)崩解量占全部崩解量的80%左右。在鋪料厚度一樣時(shí)，壓實(shí)遍數(shù)越大，填筑層的崩解速率越小，反之崩解速率越大；在壓實(shí)遍數(shù)相同時(shí)，鋪料厚度越小，填筑層的崩解速率越小，反之崩解速率越大。

分析其原因，當(dāng)填筑層土壤遇水后，由于土體存在基質(zhì)吸力，水分會(huì)進(jìn)入到土體的孔隙之中，同時(shí)由于土體孔隙分布的不均勻性，在土體內(nèi)部會(huì)形成吸力差。研究表明土體內(nèi)部小孔隙的基質(zhì)勢(shì)較大，因此，水分會(huì)更多地進(jìn)入到微小孔隙中，然后再進(jìn)入到大孔隙中。由于土體中大孔隙僅吸收較少的水分而使得其濕吸力稍有增加，而小孔隙由于吸收較多水分趨于飽和而使得其濕吸力大幅減小，因此，整體上土體顆粒間的吸力作用減小，進(jìn)而改變了土體的有效應(yīng)力。同時(shí)，當(dāng)水分首先進(jìn)入土體微小孔隙時(shí)，部分土中的空氣沒能排出而受到壓縮，體積變小，導(dǎo)致孔隙氣壓力增大。當(dāng)土體的孔隙氣壓力大于土體的有效應(yīng)力時(shí)，土體穩(wěn)定性被破壞，產(chǎn)生破碎分離。對(duì)于壓實(shí)度來講，由于較小的壓實(shí)度使得土體的基質(zhì)吸力增加，導(dǎo)致土體在吸水時(shí)產(chǎn)生較大的吸力壓力差，在這種土體內(nèi)部吸力不平衡的情況下，土體更容易發(fā)生崩解破壞，所以較小壓實(shí)度的土樣，其崩解速率也就較快。

5 結(jié) 論

通過對(duì)原位試驗(yàn)的土壤崩解速率進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

a.隨著土料松鋪厚度的增加，土壤的崩解率逐漸增大，但增幅逐漸減小。對(duì)于同一松鋪厚度的填筑土層，不同的機(jī)械壓實(shí)遍數(shù)對(duì)土壤的崩解率有顯著的影響。

b.在鋪料厚度一樣時(shí)，壓實(shí)遍數(shù)越多，填筑層的崩解速率越小，反之崩解速率越大；在壓實(shí)遍數(shù)相同時(shí)，鋪料厚度越小，填筑層的崩解速率越小，反之崩解速率越大。

c.試驗(yàn)土樣崩解速度是一個(gè)由慢到快再到慢的變化過程，土壤崩解主要發(fā)生在試驗(yàn)前3min，土樣崩解量的80%在此時(shí)間段完成。

d.在均質(zhì)土壩施工填筑中，應(yīng)綜合考慮壩體的松鋪厚度、機(jī)械壓實(shí)遍數(shù)。同時(shí)在實(shí)際施工中，避免超壓，確保填筑土壤的含水率在合理范圍。