陕西关中地区离石黄土崩解速率实验研究

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１５／２３（５）０９５４０５ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１５．０５．０１９陕西关中地区离石黄土崩解速率实验研究王念秦　魏精瑞（西安科技大学地质与环境学院　西安　７１００５４）摘　要　本文以陕西关中地区离石黄土为研究对象，研制土体崩解实验仪器，进行室内小尺寸浸水实验，测定土体崩解过程中的各项参数，以探索该区域的离石黄土的崩解速率特性，为区域内离石黄土边坡失稳的时间预测研究提供参考。实验结果揭示了崩解过程中的一些现象和规律：（１）离石黄土在不同浸水条件下，整个崩解过程可分为从浸水开始－拟定浸水深度时的快速崩解阶段与浸水水位稳定后的趋稳崩解阶段。（２）黄土体崩解速率的大小与浸水深度、接触面关系密切，崩解速率与时间呈折线关系，从浸水开始拟定浸水深度，崩解速率出现峰值之后快速降低到０２１～０２５ｋｇ·ｍｉｎ－１，直至浸水水位稳定后崩解速率稳定在００８～０１４ｋｇ·ｍｉｎ－１。（３）黄土试样浸水范围固定时，随着浸水深度的增加，土样的趋稳崩解速率线性增加，并呈现一定的线性相关性。关键词　离石黄土　崩解速率　实验研究中图分类号：Ｐ６４２．１３＋１　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１４－０９－１６；收到修改稿日期：２０１５－０３－１６．基金项目：国家自然科学基金重点项目（４１１３０７５３），国家自然科学基金项目（４０９７２１７４、４１００２１０１）资助．第一作者简介：王念秦（１９６４－），男，博士，教授，主要从事岩土体稳定及地质灾害防治方面的教学、科研工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＳＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮＲＡＴＥＯＦＬＩＳＨＩＬＯＥＳＳＩＮＧＵＡＮＺＨＯＮＧＲＥＧＩＯＮＯＦＳＨＡＡＮＸＩＰＲＯＶＩＮＣＥＷＡＮＧＮｉａｎｑｉｎ　ＷＥＩＪｉｎｇｒｕｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉ′ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ　７１００５４）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＴｈｉｓｐａｐｅｒｅｘａｍｉｎｅｓｔｈｅＬｉｓｈｉｌｏｅｓｓｏｆＧｕａｎｚｈｏｎｇｒｅｇｉｏｎ．Ｉｔｄｅｖｅｌｏｐｓａｓｏｉｌｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｄｏｉｎｇｔｈｅｆｌｏｏｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｉｎｄｏｏｒｓｍａｌｌｓｉｚｅ．ＩｔｍｅａｓｕｒｅｓｓｏｉｌｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｅｘｐｌｏｒｅＬｉｓｈｉｌｏｅｓｓｒａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎ．ＩｔａｉｍｓｔｏｏｆｆｅｒａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｉｍｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＬｉｓｈｉｌｏｅｓｓｓｌｏｐｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒｅｖｅａｌｓｏｍｅｐｈｅｎｏｍｅｎａａｎｄｌａｗｓｏｆｔｈｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｏｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＬｉｓｈｉｌｏｅｓｓｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｒａｐｉｄｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｔａｇｅｆｒｏｍｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｂｅｇｉｎｎｉｎｇｔｏｆｏｒｍｕｌａｔｅｆｌｏｏｄｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｐｈａｓｅａｆｔｅｒｆｌｏｏｄｉｎｇｗａｔｅｒ．Ｌｏｅｓｓｂｏｄｙｓｉｚｅｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｒａｔｅｏｆｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｉｍｍｅｒｓｉｏｎｄｅｐｔｈａｎｄｃｏｎｔａｃｔａｒｅａ．Ｔｈｅｒａｔｅｓｏｆｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｈａｖｅｂｒｏｋｅｎｌｉｎｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｉｍｅ．Ｔｈｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｒａｐｉｄｌｙｔｏａｂｏｕｔ０２１～０２５ｋｇ·ｍｉｎ－１ａｆｔｅｒａｐｅａｋｆｒｏｍｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｂｅｇｉｎｎｉｎｇｔｏｆｏｒｍｕｌａｔｅｆｌｏｏｄｉｎｇｄｅｐｔｈ．Ｔｈｅｎｔｈｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｆｉｘｅｄｉｎ００８～０１４ｋｇ·ｍｉｎ－１ｕｎｔｉｌａｆｔｅｒｆｌｏｏｄｉｎｇｗａｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｗｈｅｎｌｏｅｓｓｓａｍｐｌｉｎｇｅｘｔｅｎｔｏｆｆｌｏｏｄｉｎｇｉｓｆｉｘｅｄ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｉｍｍｅｒｓｉｏｎｄｅｐｔｈ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｉｌｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｉｎｅａｒｌｙ，ａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓａｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＵｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄＬｉｓｈｉｌｏｅｓｓ，Ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｒａｔｅ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ０　引　言　　黄土高原地区，常常因降雨、灌溉的原因，导致黄土灾害（滑坡、崩塌等）频繁发生。黄土遇水而强度降低，内部联系松弛而分崩离析，成为碎块或粉末的现象叫做黄土崩解。渠道、水坝、堤防、铁路路堤、土质边坡及天然的悬崖，都会在遇水后发生黄土的崩解而破坏滑塌，造成事故。采用向水中抛土的方法施工也会因为崩解太快，土会被流水冲走而达不到施工目的（孙建中，２００５）。因此对黄土崩解性的研究和评价不仅关系到黄土地区水土保持与环境保护，而且在工程地质领域方面也具有重要的理论和现实意义。长期以来，相关学者对黄土崩解性做了大量的研究工作。蒋定生等（１９９５）发现黄土高原土壤崩解速率存在明显的地域分异规律，且呈现出自西北向东南扶第减慢的趋势。李家春等（２００５）对工程压实黄土的崩解性做了研究，分析归纳了压实度、含水量对崩解性的影响规律。李家春等（２００７）研究公路边坡降雨侵蚀特征与土体崩解速率的关系，建立了有效空隙比与崩解速率的相关关系。李喜安等（２００９）对黄土的崩解性做了详实的实验研究，结果表明，黄土的崩解主要以崩离、迸离和解离３种作用方式进行。文义明等（２０１１）对松散岩土体的崩解性做了研究，结果表明石英片岩、云母片岩在水的作用下会发生崩解，与土体崩解过程类似，但石英片岩、云母片岩崩解程度远小于土体且崩解主要来自较大粒径岩块的崩解。唐军等（２０１１）完成了两种不同风化程度的玄武岩残积土的崩解特性试验。不同条件下试块的崩解破坏形式是不同的，烘干、风干试样由于经历了干湿循环的作用而崩解速度加快，其中大量裂隙的出现是玄武岩残积土发生崩解加快的主要原因。王菁莪等（２０１１）研究了基质吸力对非饱和重塑黄土的崩解性影响。国内外多年来在边坡稳定性分析、失稳机制及黄土崩解破坏机理等方面研究已取得了很多具有理论和实用价值的研究成果，但对于土质边坡由于崩解作用导致边坡失稳的宏观时间预测仍少有涉足。鉴于此，为探索黄土不同类型边坡浸水崩解破坏的规律，了解不同浸水范围，不同浸水深度下的黄土试样崩解情况，本文在前人众多研究成果基础上，自主研制黄土崩解实验装置、仪器，参考相关实验方案，以陕西关中地区离石黄土为实验样品，进行室内小尺寸浸水实验，近似模拟不同浸水范围、不同浸水深度黄土边坡浸水情况，测定土体崩解过程中的各项参数。针对该区域离石黄土崩解速率特性进行分析，利用这些规律进行黄土灾害机理解释，力图为区域内离石黄土边坡失稳的时间预测研究提供参考。１　土体崩解实验仪器研制１１　基本构思　　黄土崩解破坏规律具有非常复杂的特征。就黄土本身来说，其物理力学性质不同，结构构造不同等都将造成实验结果有所差异。另外，改变浸水范围，如近似模拟“一”字型边坡，“Ｌ”型边坡，“Ｕ”型边坡（图１）时，或者改变浸水深度，其崩解破坏规律也是不同的，实验结果也不尽相同。图１　不同类型的边坡Ｆｉｇ．１　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｓｌｏｐｅ为确定研究方案，选取不同类型黄土边坡为研究对象，于陕西关中某地取离石黄土试样，进行室内小尺寸浸水实验，近似模拟不同浸水范围及不同浸水深度条件，对离石黄土崩解规律进行实验研究。１２　实验仪器　　本次实验利用黄土试样遇水崩解的特性，通过５５９２３（５）　王念秦等：陕西关中地区离石黄土崩解速率实验研究秒表控制时间，电子秤、流量计、量筒控制质量变化，测试黄土试样崩解过程中质量的损失及单位体积土样的崩解时间，并观察黄土试样吸水后的崩解破坏情况。依据试验相关基本原理，参考有关试验装置及相关文献，制作试验仪器（图２）。（１）崩解实验装置：将土样放在细铁丝网篮中，在水槽内进行土样崩解实验。试验利用秒表控制时间，利用电子秤读数确定土样崩解量。另外，利用３根导管进行分流，控制不同的浸水深度。（２）控制水流量装置：实验过程须保证水流量稳定，浸入土样的水位稳定，故利用流量计和供水水瓶控制流量，而导管、镊子和量筒可控制排出水的水量，进而计算土样崩解过程中的吸收水量。图２　实验装置设计图Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ１．电子秤；２．细铁丝网篮；３．水槽；４．流量计；５．供水水瓶；６．量筒；７．镊子开关；８．导管；９．铁架台；１０．黄土试样２　黄土崩解实验过程　　本次实验设计模拟不同类型黄土边坡在浸水情况下的崩解破坏情况，取样地点位于西安市临潼区某地黄土台塬。该取样地点位于西安市东部，距西安市中心２０多公里，东邻渭南市，南界蓝田县，西接西安市灞桥区，北与西安市阎良区接壤。取样地区离石黄土发育于中更新世晚期，呈浅红黄色，较午城黄土为浅，较马兰黄土为深，以粉质黏土为主，不具层理，含多层棕红色古土壤，其下多有钙质结核，成层状分布，土质疏松，期间发育一层约１ｍ厚的古土壤层。依据土工实验数据，得到取样地区土体的物理力学指标（表１）。取样时，依据环刀取样原理，先整平取样场地，利用取样刀削取试样，取样中随时观察土样是否完整，如遇虫孔或其他大空隙立即停止，并重新取样，书书书表１　天然状态下Ｑ２黄土物理力学指标Ｔａｂｌｅ１　ＴｈｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓｏｆＱ２ｌｏｅｓｓｕｎｄｅｒｔｈｅｎａｔｕｒａｌｓｔａｔｅ含水率／％密度／ｇ·ｃｍ－３孔隙比液限／％塑限／％内聚力／ｋＰａ内摩擦角／（°）９．８１．５４０．７８２８．２１７．４７３．５２３取样大小约为１０ｃｍ×１０ｃｍ×３０ｃｍ。试样采集完，用保鲜膜和纱布密封底部，平放于纸箱中，纸箱中提前放置海绵，防止振动扰动土样。本次实验设计土样在浸水深度分别为３ｃｍ，６ｃｍ，９ｃｍ，注水流量约为０８Ｌ·ｍｉｎ－１条件下，进行崩解实验，分析不同浸水条件下崩解速率与时间的关系规律。实验过程（图３）如下：（１）按实验要求的尺寸，制备１０ｃｍ×１０ｃｍ×３０ｃｍ长方体试样，按实验设计要求在试样外壁涂抹凡士林并黏贴隔水纸，放置于实验仪器的细铁丝网篮中，安装完成后，读取电子秤读数，同时开动秒表。（２）实验开始后，水槽内的水位逐渐上升，直至接触到土样底面，土样开始崩解，电子秤读数开始变化，由于土体内部存在虫孔或结构面，土体吸水能力增加，崩解速率加快，同时土样侧面出现吸水渗流现象，电子秤读数迅速减小，一段时间后土体稳定崩解，电子秤读数开始稳定减小，直至浸水水位达到实验设计的土样浸水深度。（３）浸水水位到达实验设计的土样浸水深度后，水从水槽侧壁导水管流出，电子秤读数减少的速度开始变缓，土体侧面渗流锋面基本稳定。（４）稳定崩解过程中由于土体各侧面浸水崩解速度的差异，土样突然朝着某一面倾倒，土体吸水速度迅速增加，崩解速度迅速加快，土体质量减少的速度也突然加快，经过一段时间后电子秤读数才再次稳定减小，土样开始稳定崩解，直至土样完全浸入水中，崩解实验完成。（５）崩解完成后的土样只剩土体内部的姜结石和部分流态的土体。３　崩解速率研究分析　　黄土土样崩解过程中某一时刻崩解速率计算公式为：ｖ＝（Ｍ２－Ｍ１）／Δｔ式中：ｖ为崩解速率（ｋｇ·ｍｉｎ）－１；Ｍ２为崩解开始后６