李善梅，刘之葵，蒙剑坪

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004； 2.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)

1 研究背景

喀斯特地区土层薄、贮水能力低、岩石渗漏性强、季节性暴雨明显，水土易流失而破坏生态环境[1]，因此，喀斯特地区水土流失问题引起广大研究者关注。研究结果表明，水土流失受地形、植被、土壤类型、降雨、土地利用方式[2-3]等外部条件影响，而其发生的本质是水入侵导致土粒间结构的联结和强度削弱或丧失[4]。换言之，土壤崩解机制与水土流失过程密切相关[5]。由此可见，土体崩解效应对水土流失机理的研究有重要意义。

前人针对砂土[6-7]、粉土[8]、粉质黏土[9]、黄土[10-12]、红土[13-16]等不同类型土的崩解行为研究发现土体崩解性取决于土体组成(矿物成分、黏粒和有机质含量)以及外部条件(含水率、扰动情况、pH值)，由此可见，化学条件(pH值)影响土体的崩解行为。水土化学作用是近年研究的热点，化学条件对土体工程性质的影响已引起关注和重视，然而考虑化学效应的土体崩解特性及机理研究成果较少。

2 试验设计

2.1 试样基本物理性质

试样取自桂林市南郊，取样深度为3.5～3.8 m，为深红色黏土，硬塑态，稍湿，裂隙不发育，切面光滑，物理性质指标如表1所示。

表1 红黏土的物理性质指标Table 1 Physical properties of red clay

通过X射线衍射试验测试本研究采用土样中的矿物组分。测试结果表明，试验土样的主要矿物成分为高岭石，占红黏土中矿物成分的83%，伊利石占总矿物含量的7%，少量蛭石占总矿物含量的3%，以及伊利石、蛭石混层约为总矿物含量的7%；主要金属氧化物为Fe2O3、Al2O3、SiO2，约为土体中金属氧化物总质量的90%。

2.2 试样及化学溶液制备

2.2.1 饱和试样制备

土样在室内风干，风干含水率为2.42%，过2 mm筛，称量90 g风干土样，按照《土工试验规程》(SL 237—1999)，采用压样法压制土样。土样规格为：密度1.5 g/cm3，Φ6.18 cm×2 cm。利用叠式饱和器将土样固定，放入真空饱和缸中，备用。打开抽气阀门，待缸内的气压稳定之后，打开连通蒸馏水的阀门，使土样在蒸馏水中静置8 h，让土样充分饱和。

2.2.2 化学溶液制备

尿素是一种被广泛使用的氮肥。尿素易溶于水，在脲酶的作用下发生如下化学反应[22]：

(1)

(NH4)2CO3发生的主要水解反应为：

(NH4)2CO3↔2NH4++CO32-；

(2)

(3)

NH4++H2O↔NH3↑+H+。

(4)

式(1)表明，尿素在土壤中会先转化为(NH4)2CO3，然后发生式(2)—式(4)的反应，其中一部分被植物作为养分吸收，另一部分以各种形式产生氮流失。由此可见，尿素在土壤中的化学效应为(NH4)2CO3与土壤或植物的作用。由于尿素与空气接触后容易吸湿结块，影响使用效果以及质量控制。为了准确控制化学溶液的浓度，本研究采用分析纯的(NH4)2CO3颗粒取代尿素。

鉴于农田施用尿素浓度为0.5%～2%，即0.08～0.33 mol/L[23]，本研究采用(NH4)2CO3溶液浓度为0.05、0.10、0.20 mol/L。利用蒸馏水机在实验室自制蒸馏水，蒸馏水制备过程中，空气中的CO2溶于水中，导致蒸馏水呈弱酸性，pH值约为6.5。取3个玻璃缸，并在每个玻璃缸中注入6 L蒸馏水，分别称取28.8、57.6、115.2 g分析纯的(NH4)2CO3固体，依次添至3个玻璃缸中，利用玻璃棒充分搅拌，分别配置浓度为0.05、0.10、0.20 mol/L的(NH4)2CO3崩解溶液，其pH值分别为8.52、8.67、8.75，(NH4)2CO3溶液呈弱碱性。

2.3 仪器与试验步骤

常见的崩解试验装置有浮筒法和拉力计法，前者测量精度受崩解过程稳定性的影响，误差大；后者不宜长期测量，并且无法测量小于量程1%的质量，导致无法测量质量较小的土体崩解过程。鉴于以上不足，本研究采用改装的崩解仪——高精度静水天平替代拉力计用于测量速度较快阶段的崩解，采用电脑自动计数，提高了测试精度；用玻璃杯接土烘干的办法测试速度较慢阶段的崩解率，试验装置如图1所示。

图1 崩解仪Fig.1 Device of disintegration test

饱和样制好后，按以下步骤进行崩解试验：

(1)将网盘挂至静水天平底部挂钩，玻璃杯放置在网盘正下方并保持与网盘一定距离(≥1 cm)，以免土样的重力作用使网盘变形而与玻璃杯接触，影响试验精度。

(2)在玻璃缸中注入已配置好的溶液，水的深度预计高出土样表面约1 cm。连接静水天平与电脑，开机并清零。

(3)将土样从环刀中推出，吹掉表面松散土粒，称量其质量，并放置在网盘中央，观测与描述崩解现象。

(4)当土样崩解较缓慢时，采用玻璃杯盛土法。取一个玻璃杯，使杯底紧贴玻璃缸缓慢放入至缸底，并轻轻推至网盘中心底部以承接崩解土；待土样较为稳定时，取另一只玻璃杯，缓慢放入缸底，替换原来的玻璃杯，并将已盛土的玻璃杯取出，烘干，称取崩解土样的干质量，同时记录取样时间。重复以上步骤至土体完全崩解或试验终止。

3 试验现象及试验结果

3.1 试验现象

饱和红黏土浸入溶液初期，土样边缘有少量土体发生崩解，崩解物为颗粒状，同时，有极少量气泡逸出，如图2(a)所示；随后土体相对稳定，无明显崩解；浸泡一定时间后，土样周边出现环状裂缝，产生鳞片状崩解物，径向裂缝开始发育，土样出现裂缝的最短时间约为3 h，如图2(b)所示；饱和土样的崩解极其缓慢，在水中静置一段时间后，土体发育多条贯穿裂隙，并在土样表层形成交叉裂隙或Y形裂隙，形成块状崩解，如图2(c)所示。尽管在溶液渗透作用下土样裂隙发育，但静置30 d后，仍有大量土样残余，未完全崩解。

图2 崩解过程Fig.2 Disintegration process

3.2 试验结果

崩解率是单位时间内土壤崩解的体积数或质量数[24]，累积崩解率则是某个时段内土壤总的崩解体积数或质量数。本研究中采用质量数作为崩解率的计算指标。

根据测量结果绘制不同化学溶液作用下红黏土的累积崩解率，为保证试验数据的有效性，每组试验条件下进行了2组平行试验。饱和红黏土在不同溶液中的累积崩解率-时间曲线如图3所示。

图3表明，不同浓度的(NH4)2CO3溶液作用下饱和红黏土崩解过程相似，均表现为快速上升、稳定上升、稳定或完成3个过程，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个阶段。第Ⅰ阶段为快速崩解阶段，曲线比较陡，发生于浸水初期，该过程比较短暂；第Ⅱ阶段为稳定崩解阶段，曲线较I阶段缓，但斜率仍然较大，此过程比较长，裂隙发育相伴发生，是土体崩解的主体阶段；第Ⅲ阶段为稳定或崩解完成阶段，曲线几乎为平直线。不同土样崩解过程相似，但各阶段的起止时间不相同。图3表明，(NH4)2CO3溶液的浓度对红黏土崩解性影响显著。红黏土的崩解速率随(NH4)2CO3溶液浓度增大而增大；累积崩解率与(NH4)2CO3溶液浓度成正相关关系。

图3 饱和红黏土在(NH4)2CO3溶液中的累积崩解率- 时间曲线Fig.3 Time-history curves of cumulative disintegration rate of saturated red clay in (NH4)2CO3 solution

图4比较了不同溶液作用下2组平行试验红黏土的最大累积崩解率，并计算其平均值。如图4所示，红黏土的最大累积崩解率随(NH4)2CO3溶液浓度增大而增大：蒸馏水作用下，平均最大累积崩解率为16.55%；当浓度增大到0.05 mol/L时，平均最大累积崩解率增大到24.83%;当浓度增大到0.20 mol/L时，平均最大累积崩解率增大到28.25%。

图4 不同浓度(NH4)2CO3溶液作用下红黏土的 最大累积崩解率Fig.4 Maximum cumulative disintegration rate of red clay under different concentrations of (NH4)2CO3 solution

4 讨 论

饱和红黏土崩解过程包含快速崩解、稳定崩解、完成3个阶段，每个阶段的崩解机理不同。由于第Ⅲ阶段土体已经完成崩解，故本文仅讨论Ⅰ、Ⅱ阶段的崩解机理。以下将分别讨论。

4.1 快速崩解阶段

试验结果表明，崩解的第Ⅰ阶段主要发生在土样表面，时间短，一般认为不受化学因素影响。土样从环刀推出过程中，表面受扰动而导致土颗粒松散，空气侵入，在水的入渗作用下，气泡排出，松散土体迅速脱落。因此，饱和红黏土崩解第Ⅰ阶段主要由土样扰动引起。

4.2 稳定崩解阶段

第Ⅱ阶段崩解较第Ⅰ阶段崩解缓慢，主要现象为裂隙发育和块状崩解，现基于微观和宏观机理分别讨论红黏土该阶段崩解原因。

4.2.1 微观机理

本文将基于红黏土对(NH4)2CO3溶液中离子的吸附作用、pH值的影响以及微形貌的变化研究溶液对红黏土微观特性的作用机理。

4.2.1.1 溶液对红黏土中C和N元素的影响

取100 g红黏土，分别浸泡在200 mL的(NH4)2CO3溶液中，其浓度分别为0(蒸馏水)、0.05、0.10、0.20 mol/L，充分搅拌后静置7 d，取出烘干，研磨过2 mm筛。分别利用碳硫仪和氧氮仪分析不同浓度的(NH4)2CO3溶液作用后红黏土中的C元素和N元素的含量，其测试结果如图5所示。

图5 浸泡不同浓度的(NH4)2CO3溶液后红黏土中C、 N元素含量Fig.5 Contents of elements C and N in red clay after being soaked in different concentrations of (NH4)2CO3 solutions

图5表明，红黏土中C元素含量比N元素含量多，约为N元素含量的5倍。(NH4)2CO3溶液作用下，红黏土中C元素含量无明显变化，N元素含量增至初始值的2.34倍。由此可见，红黏土在(NH4)2CO3溶液中以吸附NH4+为主，即负电荷占主导地位。当溶液浓度由0.10 mol/L增加至0.20 mol/L时，红黏土中吸附的N元素仅增加0.004%，换而言之，200 mL浓度为0.10 mol/L的(NH4)2CO3溶液中的NH4+即可中和100 g红黏土中的负电荷而导致红黏土吸附的NH4+并未随溶液浓度提高而增大。当溶液浓度由0提高到0.10 mol/L时，离子的吸附作用导致土粒表面电荷减少，结合水膜增厚，粒间引力变小，土粒分散性增强，崩解性提高；当溶液浓度继续提高至0.20 mol/L时，溶液中NH4+过剩，结合水膜变薄，粒间引力增大，但土体的崩解性不降反增，显然，当溶液浓度增大到一定值时不能用双电层理论解释其崩解原因。

4.2.1.2 浸泡红黏土后溶液pH值

利用pH值测试仪，测试上述溶液浸泡红黏土前后的pH值，结果如图6所示。

图6 比较浸泡红黏土后(NH4)2CO3溶液的pH值Fig.6 Comparison of pH value of (NH4)2CO3 solution before and after soaking red clay

4.2.1.3 溶液对红黏土微形貌的作用

取4份100 g红黏土，分别浸泡在200 mL上述浓度的(NH4)2CO3溶液中，充分搅拌后静置7 d，取出土样风干并用手掰开，利用S-4800扫描电镜分析断面土样的微形貌，照片如图7所示。

图7 不同浓度的(NH4)2CO3溶液作用下红黏土微形貌Fig.7 Micromorphology of red clay soaked in different concentrations of (NH4)2CO3 solution

图7表明，随着溶液浓度的增加，土粒间的接触方式改变。蒸馏水作用下，红黏土以面-面接触为主，无明显淋滤孔；随着浓度增大，边-面、边-边接触方式增多，且淋滤孔径增大。由此可见，(NH4)2CO3溶液改变了土粒间的接触方式并且破坏了部分胶结物质，导致土体的崩解性增强。

4.2.2 抗剪强度及渗透试验

4.2.2.1 不同溶液作用下红黏土的抗剪强度

取16份90 g风干样，压制16个Φ61.8 mm×20 mm的环刀样，每4个为一组固定在叠式饱和器上，利用抽真空饱和法制备上述4种浓度下的(NH4)2CO3溶液饱和土样，并采用直剪试验测试不同浓度的(NH4)2CO3溶液饱和后红黏土的抗剪强度，其抗剪强度曲线如图8所示。

图8 红黏土抗剪强度曲线Fig.8 Shear strength curves of red clay

图8表明，红黏土的抗剪强度曲线随饱和溶液浓度的增大而下移，即相同法向荷载作用下，红黏土的抗剪强度降低。抗剪强度低的土体易发生崩解。

4.2.2.2 不同溶液作用下红黏土的渗透性

本研究分别取2份180 g风干土样，压制2个Φ61.8 mm×40 mm的环刀样，叠式饱和器固定，采用抽真空饱和法制备蒸馏水饱和样。此外，笔者根据《土工试验规程》(SL 237—1999)进行红黏土在不同浓度的溶液作用下的变水头渗透试验。为了避免土体自身结构差异对渗透性的影响，本研究采用渗透溶液浓度由低到高的顺序依次对同一土样进行测试，具体方案如下：先按照规程安装并测试土样在蒸馏水的作用下的渗透系数，然后替换0.05 mol/L的(NH4)2CO3溶液，打开土样盒下端的排气管，充分排气，待无气泡溢出时关闭排气管，打开土样盒上端的排水管，监测排出水的pH值，直至pH值稳定，则认为土体中的蒸馏水已完全被0.05 mol/L的(NH4)2CO3溶液所替代，然后进行此溶液作用下红黏土的渗透试验；并以此类推，依次测试0.10 mol/L和0.20 mol/L的(NH4)2CO3溶液作用下红黏土的渗透性。同时，进行另一组平行试验。试验结果如图9所示。

图9 红黏土渗透系数Fig.9 Permeability coefficient of red clay

图9表明，红黏土的渗透性随(NH4)2CO3溶液浓度增大而增大。换言之，(NH4)2CO3溶液有利于提高土体中大孔隙的含量和连通性，即有效孔隙比增大。有效孔隙比增大利于土体水的渗入以及气体排出，提高土体的崩解性。

综上所述，(NH4)2CO3溶液改变土粒表面的双电层结构，减小粒间引力而提高土体的崩解性；另一方面，胶结物的溶解以及溶滤孔的形成导致土体强度降低和渗透性的增大，是引起土体崩解性增大的另一原因。

5 结论与探讨

分析饱和红黏土在0(蒸馏水)、0.05、0.10、0.20 mol/L的(NH4)2CO3溶液作用下的崩解规律，并从微观和宏观2方面分析其作用机理，得到如下结论。

(1)根据崩解速率，红黏土的崩解过程可分为快速崩解、稳定崩解和完成3个阶段；崩解速率随(NH4)2CO3溶液浓度增大而增大；最大累积崩解率受(NH4)2CO3溶液影响显著。

(2)红黏土为正、负电荷共存体系。蒸馏水作用下，净电荷为正；(NH4)2CO3溶液作用下净电荷为负。

(3)土体不同崩解阶段的发生机理不相同：快速崩解主要由土体扰动破坏引起；稳定崩解阶段(NH4)2CO3溶液提高红黏土的崩解性则取决于土体的微观结构以及宏观性质。微观方面包括：①土粒表面结合水膜变厚而减小粒间引力；②土粒间接触方式由面-面接触向边-面、边-边接触方式转变而降低土粒的稳定性；③胶结物的溶蚀降低粒间胶结程度。宏观方面则包括：①土体强度降低；②渗透性增大。

降低土体扰动、合理使用尿素是降低浅层土体崩解性的有效途径，为耕地表层土流失的预防和治理提供了理论依据。本文未考虑试样的尺寸效应、酸雨作用、降雨强度、干湿循环作用等，将在以后的工作中进一步探讨。