黄土体稳流崩解仪的研制与应用

王念秦，薛瑶琼，魏精瑞

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

黄土体稳流崩解仪的研制与应用

王念秦，薛瑶琼，魏精瑞

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

黄土；黄土体稳流崩解仪；耐崩解系数；崩解速度

黄土斜(边)坡坡脚浸水常常诱发崩塌、滑坡灾害。为了探讨其崩塌机理，尝试研制定体积黄土体稳流崩解仪器，用于模拟黄土边坡在不同浸水条件(不同浸水深度、不同浸水方向、不同浸水范围)下的崩解全过程，获取崩解时间、过程、现象，得到黄土在不同浸水条件下的耐崩解系数、崩解速度与时间的关系，以指导黄土边坡灾害防治与研究。该仪器除具有成本低、占用空间小、操作灵活方便等特点外，还能有效限定模拟边界条件，模拟多种浸水—崩解状态；试样规格可依取样难易程度确定，调整方便；试样与崩解仪器合理协调，试验参数同步获取。运用此仪器对原状离石黄土进行了崩解试验，结果表明其具有一定的推广和应用价值。

弱，坡面侵蚀、潜蚀加剧，不仅造成水土流失，而且严重威胁边坡稳定，极易诱发地质灾害，因此有不少学者[9-10]将崩解作为一种可蚀性指标进行探讨。为探索不同类型黄土边坡浸水崩解破坏规律，了解不同浸水范围、不同浸水深度下的黄土试样崩解情况，迫切需要加强黄土体稳流崩解仪的研制工作。

1 试验原理

目前国内外有关水—土作用过程、作用方式方面的研究较多，但对水—土作用后土体崩解规律、机理的研究较少。特别是在黄土崩解仪器研制方面，使仪器设计更接近现实黄土的浸水情况(不同流速、不同浸水范围、不同浸水深度)，便于观察崩解过程中的现象、特征，探讨水—土作用后发生崩解的方式、过程，测定崩解速度、耐崩解系数等，在水土保持和工程地质领域都具有重要的理论和现实意义。本研究研制的定体积黄土体稳流崩解仪器，能够进行不同规格、不同浸水条件(不同流速、不同浸水深度、不同浸水方向、不同浸水范围)、不同类型(马兰、离石、古土壤)原状黄土的耐崩解系数、崩解速度试验，可为研究水对黄土边坡的破坏作用提供一定的理论依据。

黄土的耐崩解系数是指未发生崩解的黄土质量与原黄土质量的比值，即

(1)

式中：Bt为t时刻黄土的耐崩解系数；M为试验前的土样质量，g；mt为t时刻已发生崩解的土样质量，g。

黄土的崩解速度是指单位时间内黄土的崩解量，即

(2)

式中：vt为t时刻黄土的崩解速度，g/min。

2 设备研制

2.1 设备组成

依据前述对黄土崩解作用过程、原理的认识，制作的定体积黄土体稳流崩解仪器(以下简称崩解仪器)见图1。

试验设计能通过流量计控制流量的大小，根据试验要求提供合适的流速，防止流量太小不能保持恒定的水位，或流量太大对电子秤产生一定的冲击力，从而对试验结果及土样产生一定的影响。采用取样设备与崩解仪器一体化的概念，即根据边坡的浸水条件，设计相应的取样筒(一面浸水、两面浸水、多面浸水)，将用取样筒取回的试样直接放入钢丝网内进行试验，避免了取样和试验过程中对原状土样的扰动，使试验设计更接近真实情况。水槽及取样筒的透明性，方便观察黄土崩解过程中土样的变化、崩解形式、崩解现象等。水槽右侧的出水口保证了土样在试验过程中一直保持恒定水位，模拟了现实情况下边坡浸水情况，使试验过程更接近真实情况。

图1 定体积黄土体稳流崩解仪器示意

①水箱；②开关；③流量计；④导管；⑤水槽；⑥铁架台；⑦电子秤；⑧烧杯；⑨支架(有刻度)；⑩钢丝网

2.2 试验过程

野外取样及崩解仪器准备就绪后就可以开始试验，具体流程如下：①将铁架台固定于试验台中心，将带有铁丝网的开孔铁皮平放于铁架台台座上，四周由螺丝拧紧固定，将两侧带刻度的支架固定于铁架台上；②将集水箱、电子秤置于铁架台上，水槽置于电子秤上，流量计固定于铁架台上、集水箱右侧，水箱底部开关与导管相接，水通过流量计进入水槽，再通过水槽右侧出水口流入烧杯；③根据试样的浸水深度及铁架台两侧支架上的刻度，固定顶部无刻度的支架，将钢丝网挂到支架上；④取出试样，拆去取样筒封口处的保鲜膜，放入钢丝网内，这个过程中要确保试样竖直；⑤打开供水开关、电子秤，排除供水导管及流量计中残留的气泡，当右侧烧杯内有水流入时开始试验；⑥记录试验开始时间及电子秤的初始读数(即水槽+水的质量)，观察试样崩解过程中的各种变化，并填写崩解规律记录表格，当试样崩解完成后结束试验；⑦根据浸水的深度调整顶部支架的高度，重复④—⑥步骤，直到试验结束。

3 实例应用

用专用取样筒取原状离石黄土试样2组共6件(图2)，采用崩解仪器分别进行不同浸水范围[单面(底面)、双面(底面和一个侧面)]、不同浸水深度(3、6、9 cm)条件下的崩解试验，以获取崩解时间、崩解过程、崩解现象数据，得到浸水深度与全崩解时间、不同浸水范围与全崩解时间的对应关系，探索原状离石黄土在不同浸水范围、不同浸水条件下耐崩解系数、崩解速度与时间的对应关系。试验过程中的土样见图3。

图2 试验土样 图3 试验过程中的土样

试验得到了一系列数据，并绘制了单面浸水、双面浸水条件下不同浸水深度的Bt—t曲线(图4、5)和Vt—t曲线(图6、7)。由图4、5知，黄土的耐崩解系数随着时间的增大逐渐减小，二者呈较好的线性关系，且随着浸水深度的增加，耐崩解系数下降速度加快；由图6、7知，黄土的崩解速度与时间的关系基本呈抛物线形，随着时间变化崩解速度先增大后逐渐趋于平稳，同时崩解速度随着浸水深度的增加而增加。试验结果符合自然状态下黄土体遇水后的崩解破坏规律，验证了试验设备具有可操作性和可行性。

图4 单面浸水条件下不同浸水深度的Bt—t关系曲线

图5 双面浸水条件下不同浸水深度的Bt—t关系曲线

图6 单面浸水条件下不同浸水深度的Vt—t关系曲线

图7 双面浸水条件下不同浸水深度的Vt—t关系曲线

4 结 语

黄土遇水后发生崩解，极易诱发滑坡、崩塌等地质灾害，造成严重的水土流失。有专家学者对黄土崩解试验仪器进行了研制，但受研究方法、手段的局限，存在试验多针对重塑土样、试样浸水比表面积远大于实际情况、试验条件与实际出入较大、无法模拟边坡实际浸水范围和深度等不足。结合前人研究成果，本研究研制的定体积黄土体稳流崩解仪器除具有成本低、占用空间小、操作灵活方便的特点外，还可以有效限定模拟边界条件，模拟多种浸水—崩解状态，而且试样的规格可依据取样的难易程度确定，调整方便，更真实地模拟了黄土的实际浸水情况(不同浸水深度、不同浸水方向、不同浸水范围)，便于观察崩解过程中黄土崩解的特征、方式、现象等，满足不同规格、不同浸水条件下，不同类型(马兰、离石、古土壤)原状或重塑黄土的耐崩解系数、崩解速度等方面的试验要求，为研究降雨、地下水等对黄土边坡的破坏作用提供参考。

为验证试验仪器的可行性，利用崩解仪器对原状离石黄土样品进行了崩解规律的研究，设计了单面、双面浸水情况下，不同浸水深度(3、6、9 cm)的黄土试样崩解试验，获得了试样的崩解规律数据，得到了不同浸水范围、不同浸水深度条件下耐崩解系数Bt与时间t、崩解速度Vt与时间t的关系曲线，试验结果符合实际，说明崩解仪器能够真实反映黄土边坡崩解过程，具有一定的实用性和应用前景。

[1] 吴道祥,刘宏杰,王国强.红层软岩崩解性室内试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(z2):4173-4179.

[2] 刘长武,陆士良.泥岩遇水崩解软化机理的研究[J].岩土力学,2000,21(1):28-31.

[3] 苏永华,赵明华,刘晓明.软岩膨胀崩解试验及分形机理[J].岩土力学,2005,26(5):728-732.

[4] 文义明,侯克鹏,周宗红.松散岩土体崩解试验研究[J].有色金属：矿山部分,2011,63(1):37-40.

[5] 李家春,田伟平.工程压实黄土崩解试验研究[J].重庆交通学院学报,2005,24(5):74-77.

[6] 李家春,崔世富,田伟平.公路边坡降雨侵蚀特征及土的崩解试验[J].长安大学学报:自然科学版,2007,27(1):23-26.

[7] 李喜安,黄润秋,彭建兵.黄土崩解性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(z1):3207-3213.

[8] 王菁莪,项伟,毕仁能.基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究[J].岩石力学,2011,32(11):3258-3263.

[9] 王念秦,刘晓玲,王建斌.非饱和土直渗仪的研制与应用[J].工程地质学报,2012,20(5):796-799.

[10] 蒋定生,李新华,范兴科,等.黄土高原土壤崩解速率变化规律及影响因素研究[J].水土保持通报,1995,15(3):20-27.

(责任编辑 李杨杨)

TU41

A

1000-0941(2015)01-0055-03

国家自然科学基金重点项目(41130753)；陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTCL03-15)；国家自然科学基金项目(40972174)

王念秦(1964—)，男，河南孟津县人，教授，博士，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。

2014-06-01

黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物，透水性强，抗水性弱，浸水后土体结构迅速破坏发生崩解散体，因此水是引发黄土地区水土流失、边坡剥落、滑坡、坍塌、崩塌等地质灾害的重要因素，有“无水不滑”之说。目前国内外有关岩土体崩解的研究较多，但主要是针对泥岩、页岩[1-4]等，对黄土崩解的研究相对较少。2005—2007年李家春等[5-6]研制了黄土崩解仪，并进行了压实黄土浸水崩解试验，认为压实度、含水量是影响崩解速率的关键因素，并得出了可预测岩石土崩解速率的回归方程；2009年李喜安等[7]通过自行研制的大试块黄土崩解仪，结合原位崩解试验，对黄土的崩解性进行研究，将黄土崩解的作用方式分为崩离、迸离和解离，认为含水率和结构性是影响崩解的重要因素；2011年王菁莪等[8]利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力的土样进行崩解试验，结果表明干燥黄土比湿润黄土更容易发生崩解破坏，非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。虽然有的专家学者研制出了黄土崩解试验仪器，但目前已有的试验仪器还存在很多不足，比如试验多针对重塑土样、试样浸水比表面积远大于实际情况、试验条件与实际出入较大、无法模拟边坡实际浸水范围和深度等。

黄土体遇水崩解后，力学强度降低，内部联系减