谷天峰，袁 亮，胡 炜，朱立峰，王 潇

(1. 西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2. 中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)



黑方台黄土崩解性试验研究

谷天峰1，袁 亮1，胡 炜2，朱立峰2，王 潇1

(1. 西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2. 中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

为研究黄土的崩解特性，探讨黄土崩解机理，以黑方台马兰黄土为研究对象，通过自制的黄土崩解装置，对该地区原状黄土进行了一系列的室内崩解试验。选择影响黄土崩解的土样尺寸、初始含水率、水温、酸碱度、盐度5种因素，采用控制变量法逐一进行崩解测试，记录崩解的整个过程，绘制崩解曲线，求出对应的崩解速率，进行拟合，得到崩解速率与各变量间的关系。试验发现，该黄土的崩解过程可以划分为浸湿、软化和塌落3个阶段，前两个阶段持续的时间较短且崩解很弱，崩解主要集中在第3个阶段。由各组崩解曲线得出黄土的崩解速率与水温呈正相关，与土样尺寸、初始含水率呈负相关；pH值介于5.5～6.5以及9.5～10.5时，黄土的崩解速率较高；而盐度对黄土的崩解速率影响不大。此外，黄土的崩解特征与自身的结构、颗粒成分、胶结物等密切相关。

崩解特性；影响因素；含水率；水温；酸碱度

崩解，土工上称为湿化，指土体浸水后发生碎散解体、塌落的现象。蒋定生等[1]通过自行研制的崩解仪，研究了黄土高原土壤崩解速率的区域分布规律，分析了影响土壤崩解速率的主要因素，得出土壤崩解速率与土壤抗冲性的函数关系。其研究方法和思路为后来研究提供了重要的参考依据。之后，土的崩解性引起了更多专家学者的关注，并获得了不少的研究成果[2～8]。也有一些学者针对试验装置、试验和计算方法等进行了改进[9～11]。还有不少国外学者对土的崩解性展开了各种研究[12～16]。同时，一些岩石类的崩解性研究成果也可供参考借鉴[17～19]。土体崩解性的研究思路大体可概括为：通过崩解试验，记录崩解的速度、形态、程度等过程特征，得到各种条件下土体的崩解规律，然后从宏观和微观的角度、外在条件和土体自身性质等方面分析探讨各因素对土体崩解的影响趋势和作用机制。随着地区工程建设的发展需要以及人们认识的加深，土的崩解性研究成了新的热点。

黄土富含钙质和可溶盐类，土质松散，胶结较弱，垂直节理发育、具有大孔隙结构，在降雨或灌溉条件下，容易发生崩解，使得土体的完整性和稳定性遭到破坏，进而引发一系列灾害。黄土的崩解会加剧坡面侵蚀、潜蚀，影响边坡特殊部位土质的力学性能。在渠道、路堤、土质边坡等地方易发生崩解而产生滑塌。此外，黄土崩解形成的物质还是泥石流的重要物源。因此，研究黄土的崩解性对于水土保持、工程建设以及灾害防治等都具有重要作用。但相对黄土的其他工程力学性质，崩解性的研究还比较薄弱，尚有一些不足，主要有试验的仪器装置、试验方法还有待进一步完善；考虑的影响因素较少，主要围绕黄土的含水率、压实度、孔隙结构展开，对其他的影响因素及影响机理探讨不多；与工程实践的联系还不够紧密。因此针对这些不足之处进行试验研究，以期获得突破。

黑方台地区冲沟、洞穴广泛发育，其形成过程与黄土的崩解性有很大关系。而台塬上由于常年大面积漫灌，导致地下水位大幅上升，在台缘坡脚的出水口周围，存在明显的泥化现象，且附近土层多次出现小范围的滑动塌陷。从遍及台缘的许多小型滑坡来看，滑体呈崩解泥化状态。基于此，有必要研究黑方台非饱和黄土的崩解性，分析不同条件下这种黄土的崩解过程，探讨崩解在黄土洞穴、裂缝(入渗的快速通道)形成过程中的作用，为黑方台滑坡的研究提供基础资料。

1 试验方法

常见崩解试验装置多采用浮筒原理，但浮筒难以校正，精度低，读数困难，且难以完全反映崩解的动态过程。本次试验装置如图1所示，主要由圆形亚克力容器、土样吊篮、固定架、力传感器、数据采集器、电脑等组成。亚克力容器高50 cm，直径30 cm，吊篮采用钢丝网加工制作，用于放置试样。试验前，将容器内注入一定量的水，调整好吊篮位置，让吊篮浸入水中，并与容器底部保持一定距离，待水体静止且传感器读数稳定之后，将传感器读数归零，在电脑上开始记录，然后将土样缓缓浸入水中，放在吊篮上，让其自行崩解，崩解掉的碎屑则通过吊篮网孔下落到容器底部，待传感器读数不再变化后认为崩解已经完成，停止记录，保存数据。该装置通过力传感器测量土样重量变化来记录试样崩解过程，而数据采集装置能够自动采集数据，与之前相关试验装置相比，此套装置通更加简便精确，并能够动态观测崩解过程。

图1 崩解试验装置Fig.1 The disintegration instrument

为研究黄土崩解的影响因素及其作用机制，选择不同网孔孔径、土样尺寸、初始含水率、水温、酸碱度、盐度等影响因素进行测试。采用单一变量原则，保持其他条件一致，以崩解稳定阶段的速率为标准。

拉力传感器测到的是吊篮上未崩解土体重力与浮力的差值，在崩解过程中，这部分土体所受的浮力和重力都是变化的，但两者在变化时仍存在恒定的比例关系，通过修正可以获得准确的崩解数据及结果。令土样的总质量为M，崩解的质量为M崩，未崩解的质量为M未崩，则：

Mg=M崩g+M未崩g

(1)

以吊篮中的未崩解土体为受力对象，其受到自身的重力、吊篮对它向上的支撑力(数值上等于传感器读数)以及水对它的浮力，三力平衡。对于饱和土样，其存在如下方程：

(2)

式中：ρw——水的密度(1.0 g/cm3)；V排——同等体积饱和试样浸水时排开的水的体积；

V未崩——土体自身的体积；

ρsat为——黄土饱和密度，通过试验测出。

由式(2)可得：

(3)

试验前，将力传感器的模式选择为质量，即FN=mg，m是传感器的质量读数，于是可得：

(4)

M未崩=mk

(5)

M崩=M-mk

(6)

相对于饱和土，非饱和土中存在有气体，土样浸水时会吸水增重并伴有气体的溢出，因此，其求解过程相对麻烦，但可以通过简化部分条件对其进行近似地求解。

2 黄土的基本物理性质

本次试验中所用黄土取自甘肃黑方台地区，属Q3马兰黄土，采用挖探方式取样，原状土样尺寸为25 cm×25 cm×20 cm。通过常规土工试验，测得黄土的天然含水率为5.3%，干密度为1.32 g/cm3，颗粒相对密度为2.69，塑限为18.2%，液限为26.5 %，其粒度分布曲线见图2。

图2 粒度分布曲线Fig.2 Particle size distribution

研究区黄土塑性指数IP=WL-WP=8.3<10，又该黄土天然含水率小于其塑限，即IL<0，属于坚硬状态。从图2可以看出，黄土的粒度主要集中在5～75 μm之间，以粉粒为主。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[20]中关于地基土的分类，该黄土为粉土。

3 试验现象

将土样轻轻放上吊篮，土样浸水后，表面产生大量气泡，少数黄土颗粒以粉末状崩离母体(图3a)。浸湿阶段时间极短，土样浸湿后进入软化阶段。此时，土样表层孔隙已被水填满，土体内部深处的气体溢出，气泡较小但很密集，偶尔也有较大气泡产生。气体溢出土样表面时会在表面形成一些较大的孔隙，并产生粒状、片状崩解，使清水开始变浑浊(图3b)。之后，土样边界开始产生裂缝并随时间逐渐扩大，边缘的土体沿裂缝崩落形成碎粒，水迅速变浑浊，此时崩解非常剧烈，还一直有许多微小的气泡从土中不停溢出。最后，土体塌陷，崩解停止，形成的碎粒向外围散开并掉下钢丝网，最终剩下小部分碎屑淤积在网片上。

图3 黄土崩解阶段Fig.3 Loess disintegrating process

4 试验结果及分析

本文借用李喜安等[3]定义的关于黄土崩解的3种作用方式，对试验过程进行说明。如图4所示，从起点O到M点，土样处于浸湿阶段，土样快速吸水使得土体质量短时内达到最大，即M点达到最大值，此时土样接近饱和。在此过程中，土体表面发生轻微的崩离作用，崩离的质量相当小，相对于土体吸水增加的质量可以忽略不计，因此，对曲线分析时以M点作为崩解起始点。M至A点，土体停止吸水增重，渐渐软化，崩解缓慢进行，主要发生崩离和迸离，少量的散粒脱离母体，从曲线中看出质量稍微减小。此过程时间较短，相当于过渡。A至B点，样块边缘土体纷纷塌落，崩解反应剧烈，以解离作用为主。土样外沿产生裂缝，并不断扩大，崩解主要沿样块的边角及侧壁发生，软塑态土体呈片状、块状掉离母体，土样塌陷，解离的土体缓慢滑离母体。B点之后，崩解减慢直至停止。

图4 质量曲线图 Fig.4 Curve of loess mass

对于崩解速率的定义，传统的表示方式就是崩解量与时间的比值，这种表示方式固然比较直观，但考虑到土样初始条件的差异(如不同尺寸的试样)，这种表示方法并不妥当，于是，引入崩解率H的概念，H为已崩解的质量与土样初始质量的百分比(%)。

(7)

式中：M0——土样的初始质量。

对于饱和土，其初始质量也就是崩解前的总质量。而对于非饱和土，其在浸湿阶段会吸水增重使得质量短时内达到最大，这一阶段的崩解极其微弱，可以忽略不计。事实上，当土样浸水后发生崩解时，它内部深处还不能完全饱和，其表现就是崩解过程中还有微小气泡从土体内部溢出。但通过对M点的值进行修正后，发现与理论上黄土饱和后的质量很接近，因此近似认为M点黄土已经达到饱和。于是对于崩解率有两种较好的表达方式：(1)将土样的初始质量及已崩解的质量都换算成干重，只计算土粒的质量变化；(2)将土样的初始质量及已崩解的质量都换成饱和湿土的质量，这两种表达方式说法不同，但本质上是一样的，都不考虑黄土初始含水量，避免了因土体含水量变化造成的干扰。此处采用第二种方式，即：

(8)

M崩是土样已崩解的饱和质量，Mmax是土样吸水饱和后的质量，也即是土体崩解前的最大质量。

对土样质量变化数值进行处理后得到崩解率曲线。崩解率曲线描述了土样累积崩解率与时间的关系。从典型的黄土崩解率曲线(图5)可以看出，崩解速度是由小至大，然后又变小的过程。其中AB段为崩解的主要阶段，该阶段崩解较稳定，其曲线陡缓反映了崩解的快慢。故取AB段的崩解速率作为平均崩解速率，其计算公式如下：

图5 崩解率曲线Fig.5 Curve of disintegration rate

(9)

式中：V——平均崩解速率/(%·s-1)；Ha，Hb——试样在A，B两点对应的累计崩解率；Ta，Tb——A，B两点对应的瞬时时间。

将(8)代入(9)式可得：

(10)

式中：Ma，Mb——A，B两点未崩解土样的质量。

已认定Ma，Mb，Mmax均为饱和质量，都满足方程(5)，将式(5)代入式(10)中，可得：

(11)

式中：ma，mb，mmax——传感器的质量读数，是土样的浮重。

可以看出，引入崩解率来表达崩解速率，不仅有利于消除土样初始条件的差异造成的偏差，由于将k值直接约去，省略了对崩解量的修正，简化了数据处理步骤，因此具有一定的推广价值。

4.1 孔径对崩解的影响

试验所用水为纯净水，其pH值为中性，试验期间室内温度比较稳定，水温一直保持在19 ℃多，接近20 ℃。试验用土均为原状土，除了测试初始含水率对崩解性的影响外，其余试样均为天然含水率，w=5.3%。再者除了测试土样尺寸对崩解性的影响外，其余试样均为5 cm×5 cm×5 cm正方体土样。选用孔径为1.3 mm、1.6 mm、2.3 mm、2.5 mm和2.7 mm的不锈钢网检测合适的网孔，试验结果见图6。由图6(a)可知该组试样崩解的主要阶段(即AB段)集中在18～72 s，利用公式(11)求得该组试样的平均崩解速率。

图6 不同孔径下的崩解试验结果Fig.6 Disintegration results with different sizes of wire- mesh

选用不同的网孔，必然得到不同的崩解速率。图6(b)显示网孔孔径越大，求得的崩解速率越大，但网孔孔径不能作为崩解性的影响因素，它只是作为一种试验条件的参考依据，针对不同的黄土，得根据黄土浸水崩解时的特点选定孔径合适的网孔。针对黏性土崩解缓慢、以块状崩解的特点，宜选用孔径较大的网孔；针对粉土以粉粒状崩解为主、崩解迅速的特点，选用的网孔孔径不宜过大。孔径过大，吊篮中支撑土体的支点较少，容易造成土体过快解体，此外，崩解时一些脱离母体的小块土体未来得及碎裂成细小颗粒就直接从网孔漏下去，导致崩解太过迅速剧烈，反而不利于验证其他因素对崩解性影响。于是，对其余各组试验均采用2.3 mm孔径的网孔。

4.2 试样尺寸对崩解性的影响

选取边长分别为3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、8 cm、10 cm和12 cm的七种正方体土样来探究尺寸大小对崩解性的影响(图7)。

图7 不同大小试样的崩解Fig.7 Disintegration with different size samples

由于本组试样初始条件差别较大，不同试样崩解的AB段差别也较大，随着试样尺寸增大，AB段的距离在增大，持续的时间也增加。根据试验结果，结合崩解曲线，分别对该组试样的崩解曲线的AB段进行合理的划分，最后利用公式求得该组试样各自的平均崩解速率(图8)。试验发现随着试样体积的增大，其崩解性有减弱的趋势。

图8 不同大小试样的崩解试验结果Fig.8 Disintegration results with different size samples

4.3 初始含水率对崩解性的影响

对边长为5 cm的试样，采用水膜转移法配成不同的含水率，放在密闭容器内静置24 h后再进行崩解试验，利用公式求得该组试样的平均崩解速率(图9)。由图9a可看出初始含水率对黄土的崩解性影响较大，初始含水率增加，崩解时间延长，崩解速率减小。一方面，初始含水率增加，黄土颗粒周围的水膜变厚，再浸水时水膜增量较小且较均匀；另一方面，初始含水率增加，黏土矿物得以提前缓慢膨胀，膨胀能得以大量释放，再浸水时膨胀量较小，而黏土矿物膨胀增加的体积进一步填充了土体孔隙空间，使得胶结面积增加且胶结更均匀。此外，初始含水率增加，土体中部分空隙被水填充，部分气体提前逸出，黄土的空隙体积、基质吸力都减小，再浸水时渗水过程更加缓慢均匀，且黄土的塑性增强，再浸水时不易产生应力集中，从而不利于崩解的发生。

图9 不同初始含水率下的崩解试验结果Fig.9 Disintegration results with different initial water content

图9b得到的趋势线近似直线，说明其在一定范围内近似线性关系。但结合该黄土的基本情况，推测该黄土的崩解速率与初始含水率的关系类似S型曲线，即中间陡、两头缓的趋势。初始含水率较低时，崩解速率随含水率增加而减小的幅度不大；当含水率达到一定值时，崩解速率随含水率增加而急剧减小，近似线性关系(含水率为10%～20%时，这种趋势比较明显)；当含水率继续增加，崩解速率随含水率增加其减小的幅度又变小。当含水率接近饱和时，崩解速率也趋近稳定。含水率为10%与20%对应的点接近曲线的拐点。由于本次试验所选用的含水率个数较少，且跨度也较大，没能很好地说明这点，还有待进一步验证。

4.4 水温对崩解性的影响

本组试验水温分别选取为5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃。采用相应的加热及制冷方法，使水温达到目标值，测试水温对崩解性的影响，得到相应的崩解率曲线，然后划分出试样崩解的主要阶段，利用公式求得该组试样的平均崩解速率(图10)。结果表明，水温越高，黄土的崩解性越强。

图10 不同水温下的崩解试验结果Fig.10 Disintegration results with different water temperatures

究其原因，是由于水温升高，内能增大，水分子运动加快，加速了黄土中黏土矿物的膨胀和软化。且水温升高还导致土体中气体排出速率加快，快速溢出的气体其膨胀力或推力较之前变大，更容易造成孔隙出口端的土颗粒迸散而脱离母体。此外，水温升高，还加剧了土体中胶结物的溶解，尤其是加剧了土体中的中溶盐、难溶盐的电化学反应。故水温高，黄土崩解速率加快。

4.5 酸碱度对崩解性的影响

溶液的pH值决定着双电层的热力学电位，从而影响到扩散层的厚度。利用醋酸及NaOH粉末配制不同的pH值溶液，测试酸碱度对黄土崩解性的影响。如图11所示，根据崩解率曲线及公式(11)求得该组试样的平均崩解速率。通过采用多种单调函数的趋势线对崩解速率进行拟合后，结果发现拟合的效果都不好，可见酸碱度对崩解性的影响有可能并非单调的，而会出现波动，在偏酸性和偏碱性下崩解性有所增强。

图11 不同酸碱度下的崩解试验结果Fig.11 Disintegration results with different pH

黑方台地区常年干燥，年均蒸发量大，表层土体多偏碱性。在酸性条件下，水加速了对土体中碱性物质的溶解，包括一些中溶盐、难溶盐如碳酸钙等，这些物质对于土颗粒间的胶结具有非常重要的作用。在碱性条件下，崩解性也有所变化，一开始随着碱性增加，崩解速率有所增大，而当碱性达到一定时，可能会抑制土中碱性物质的溶解，崩解速率逐渐降低。在酸性和碱性条件下，可能都存在一个较优范围，在此范围内黄土的崩解性较强，酸性条件约介于5.5～6.5，碱性条件约介于9.5～10.5。

4.6 水中盐度对崩解性的影响

选取不同的TDS值，测试盐度对黄土崩解性的影响。如图12(a)所示，该组试验的崩解率曲线轨迹非常接近，可见盐度对黄土崩解性的影响比较小。图12(b)中，该组试验的最小崩解速率为0.3%/s，最大速率为0.46%/s，其余的值都比较接近，不排除盐度对黄土的崩解性有微弱的影响，这涉及到溶液中的离子成分及浓度变化对热力学电位、扩散层厚度、土体入渗特性、化学反应等方面的影响，具体的作用机制有待进一步研究。但这种影响相对较小，甚至不及土样本身的差异造成的影响，故一般情况下不予考虑。

图12 不同盐度下的崩解试验结果Fig.12 Disintegration results with different salinity

5 崩解机制探讨

黄土的崩解与其颗粒间胶结力遇水变弱有关，而胶结力的强弱主要取决于胶结物的物质组分。黄土中常见的胶结物有黏土矿物、各种盐类、有机质等，它们通过与骨架颗粒之间的静电力、分子力、氢键等化学键力作用将颗粒粘结在一起，形成具有一定强度的稳定结构。在水的作用下，胶结物被快速稀释、软化和溶解，造成颗粒间粘结强度降低。黑方台黄土易溶盐含量高，黏土矿物含量少，胶结弱，浸水时极易发生崩解，而黏土矿物吸水膨胀，容易使土体局部产生应力集中，进而破坏土体的稳定结构。另外，黄土的崩解还与土体的孔隙、裂隙结构、含水率及颗粒的成分、密实度有关。黑方台黄土孔隙、裂隙发育，天然含水率低，土体处于非饱和状态，基质吸力较大，具有较大表面能的裂隙与水接触后剧烈地吸附水，水迅速通过空隙入渗到土体内部，填充内部空隙。水入渗的速度越快，土样内部气体越来不及释放，受到水的挤压越厉害，而这种挤压力一部分又会被转移给土体本身。再者，该黄土以粉粒为主，砂质特征明显，土颗粒排列松散，透水性强，浸水时扩散层迅速达到最大厚度，粒间连结力很快消失，表现就如“一盘散沙”，迅速崩解。

6 结论

(1)黄土的崩解速率在一定范围内与水温呈正相关，与土样尺寸、初始含水率呈负相关。

(2) 黑方台黄土偏碱性，pH值介于5.5～6.5时，黄土的崩解性较强。pH值介于9.5～10.5时，黄土的崩解性较强。不同盐度下，崩解速率变化不大，最小崩解速率为0.3%/s，最大速率为0.46%/s，其余值都比较接近，盐度对崩解性的影响很小。

(3)根据多组试验结果得知，边长5 cm的正方体土样其崩解主要发生在M点后90 s内，加上OM段所用时间，土样从浸水到完全碎裂解体整个过程不超过2 min，持续时间短，表明黑方台黄土具有极强的水敏性、崩解性。

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责任编辑：张明霞

Experimental research on disintegration of the Heifangtai loess

GU Tianfeng1， YUAN Liang1， HU Wei2， ZHU Lifeng2， WANG Xiao1

(1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/DepartmentofGeology，NorthwestUniversity，Xi’an，Shaanxi710069，China; 2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey，ChinaGeologicalSurvey，Xi’an，Shaanxi710054，China)

To study the disintegration characteristics and mechanisms of loess, this paper examines the Malan loess of Heifangtai by using the self- developed disintegration instrument. A series of disintegration experiments with undisturbed loess are conducted. Six probable impact factors of disintegration are selected, including pore diameter, sample size, initial moisture content, water temperature, pH value and salinity. The experiments are carried out by using the variable- controlling approach, the whole process of disintegration is recorded, the curve of disintegration is drawn, and each corresponding disintegration velocity is calculated. Finally, the correlation between the disintegration velocity and the impact factors is obtained by fitting the experimental data. The experiment results also show that the disintegration procedure of the loess can be divided into three stages, including the water absorption stage, softening stage and collapsing stage. The duration of the first two stages is very short, and disintegration is weak at this time because it occurs mainly in the third stage. According to these curve of disintegration, it is found that the disintegration velocity is positively correlated with the pore diameter and water temperature but is negatively correlated with the sample size and initial moisture content, and the corresponding value ofR2are 0.897 3, 0.854 4, 0.950 3 and 0.970 9. When the initial moisture content is under 10%, the disintegration velocity changes in small ranges, when the initial moisture content is between 10% and 20%, the disintegration velocity decreases sharply with increasing moisture content, and when the initial moisture content is greater than 20% and gets close to saturation, the disintegration velocity is gradually close to a stable value. When pH is between 5.5 and 6.5 or 9.5 and 10.5, the disintegration velocity is high. The effect degree of salinity is small. In addition, the disintegration is related to soil structure, grain size composition, cement, and so on.

disintegration; impact factor; initial moisture content; water temperature; pH

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.10

2016- 10- 10;

2017- 02- 06

中国地质调查局地质调查项目资助(12120114025701)；国土资源部黄土地质灾害重点实验室基金资助；国土资源部“黄土崩滑灾害—甘肃永靖野外基地”基金资助；国家自然科学基金面上项目资助(41372269)

谷天峰(1978- )，男，博士，副教授，主要从事黄土地质灾害教学研究工作。E- mail：gutf@ nwu.edu.cn

TU411.91

A

1000- 3665(2017)04- 0062- 09