基于原位試驗的土壤崩解特性研究
——以黃口堰水庫擴建工程均質土壩填筑為例

(郴州市水電建設公司，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發(fā)生散解。土壤的崩解特性引起了眾多專家學者的關注，并通過實驗研究獲得了一定的研究成果[1-5]。從水利工程施工及均質壩填筑角度看，土壤的強崩解性會加劇水流的潛蝕作用，嚴重時可掏空均質土壩的壩體，即對壩體穩(wěn)定產生一定的破壞[6]。同時會導致土體失穩(wěn)，造成崩塌等一系列災害，并且建設工程的地基基礎會遭受破壞，從而引發(fā)工程失穩(wěn)，進而給水利工程施工埋下嚴重的安全隱患[7]。在水利施工和試驗中發(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，尤其在壓實土體中崩解現(xiàn)象較多[8]。湖南省地貌單元復雜，邊坡土壤崩解、潛蝕現(xiàn)象增加了該地區(qū)水利工程建設的難度，也為建成后的運營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領域具有重要的理論價值和實際意義。

本研究基于黃口堰水庫擴建工程大壩填筑工程，進行原位土壤崩解試驗，從大壩填筑土層鋪土厚度、機械碾壓遍數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)的工程建設及水土保持提供參考。

1 工程區(qū)概況

黃口堰水庫位于湖南省郴州市境內，屬Ⅲ等中型工程，水庫擴建后正常蓄水位為228.60m，相應庫容為1038萬m3。大壩擴建采用均質黏土壩填筑，擴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591.00m，最低建基面高程192.00m，最大壩高39.00m。對大壩填筑的均質土壤取樣進行顆粒分析發(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 試驗流程及操作要點

按照規(guī)范要求，結合碾壓需要，在現(xiàn)場實際施工前，需要進行碾壓預試驗，試驗場地長8m，寬3.5m，地勢平坦、地基堅實。參照相關規(guī)范所規(guī)定的填筑厚度及類似水利工程的施工經驗，確定本次試驗土料的松鋪厚度分別為30cm、40cm、50cm，同時保證填筑層中土樣的直徑在一定范圍內。在進行機械碾壓時首先全場靜壓1遍，以增強填筑層土壤的穩(wěn)定性，然后用機械以2km/h的速度平行于鋪料方向，在劃定的工作區(qū)域內按進退作業(yè)法分別對填筑層碾壓2、4、6、8、10遍。在相同條件下，通過對鋪土厚度、碾壓遍數的組合試驗，得出兩參數組合的最優(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，先對每個取樣的方形環(huán)刀進行編號，并稱重。樣品采好后，用塑料袋裝好、密封，每組試驗取樣三個。

圖1 崩解試驗裝置

選用SHY-1土壤濕化試驗儀進行試驗。該套儀器由有機玻璃桶、浮筒、網板三部分組成(見圖1)。有機玻璃桶內徑15cm，外徑16cm，桶高60cm。浮筒直徑5.2cm，高22cm；浮筒上標有刻度，刻度的最小單位為1mm，浮筒下懸掛金屬網板，規(guī)格10cm×10cm，孔眼1cm2。試驗時，有機玻璃桶內盛清水。試驗中，當缸中的水變得混濁時，就倒掉缸中渾水，加入清水，重新開始試驗。

試驗操作步驟按水利部《土工試驗操作規(guī)程》中的濕化試驗規(guī)定進行。將試樣放在試驗儀器方形網板的中間位置，浮筒下方懸掛方形網板，試驗時拿住浮筒頂端，快速地將試樣土樣浸入有機玻璃桶中，然后立即開啟秒表，并記錄試驗開始時浮筒齊水面處刻度的穩(wěn)定讀數及試驗開始時間，設定本次試驗最長觀測時間為30min，同時在試驗開始后按0、1min、2min、3min、4min、5min、7min、10min、15min、20min、30min，同時記錄浮筒齊水面處的刻度數，若試驗中土壤樣品全部崩解，則試驗完成。如若在30min內，土壤樣品沒完全崩解，則試驗結束。

土壤崩解率計算公式為

(1)

式中At——試樣在時間t時的崩解率，%；

R0——試驗開始時浮筒齊水面處刻度的穩(wěn)定讀數，cm；

Rt——試樣在時間t時浮筒齊水面處刻度讀數，cm；

Re——完全崩解后浮筒齊水面處刻度讀數，cm。

土壤崩解速率公式為

(2)

式中B——單位時間內所崩解的試樣的體積，cm3/min；

S——浮筒截面面積，cm2；

Y——土壤體積質量，g/cm3；

R0——試驗開始時浮筒齊水面處刻度的穩(wěn)定讀數，cm；

Rt——試樣在時間t時浮筒齊水面處刻度讀數，cm；

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

3 試驗現(xiàn)象描述

將土樣放入干凈的水中，此時試驗樣品表面細小分散的土壤顆粒迅速進入水中，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。開始時崩解的速率較快，過一段時間后逐漸減慢，直至穩(wěn)定。隨著土壤結構的逐漸破壞，土壤的崩解速率在穩(wěn)定一段時間后有少許提高，但很快崩解速度又減緩，直至完全崩解。整個崩解過程中不斷有氣體逸出。

4 結果與分析

圖2(a)是一典型的崩解質量曲線，可以將整個試驗過程分為前、中、后3個崩解階段。前期是從起點到A點，A點對應吸水過程土樣達到的最大重量，這個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。AB段為中期，是崩解發(fā)生的主要階段，此時，崩解反應迅速，速度較平穩(wěn)。B點以后對應崩解后期，崩解速度減緩，直到崩解完全或停止。計算時以A點位置為崩解的真正起點，對應圖2(b)中坐標軸的原點。有關研究認為可將崩解質量曲線圖中上升段的斜率作為崩解速率的基準，因為土樣的崩解主要發(fā)生在這個時間段，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段為基準選取時間段，以求得崩解速率。

圖2 崩解曲線

4.1 松鋪厚度、壓實遍數對土壤崩解率的影響

填筑層的土壤壓實度對土壤的崩解破壞特性有重要的影響，土壤的壓實度影響著填筑層的孔隙性、透水性和土壤黏結狀態(tài)，可作為壩體穩(wěn)定性評價的重要因子[9]。圖3為不同鋪料厚度、壓實遍數土壤崩解率曲線，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。當鋪料厚度為300mm時，填筑層的最大崩解率為25.02%；鋪料厚度為400mm時，填筑層的最大崩解率為29.05%；鋪料厚度為500mm時，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%。對于同一松鋪厚度的填筑土層，不同的機械壓實遍數對土壤的崩解率有顯著的影響。當松鋪厚度為300mm時，機械壓實10遍的崩解率最低，為8.3%，機械壓實2遍的崩解率最高，為25.02%，不同壓實遍數的填筑層崩解率相差了16.72%；當松鋪厚度為400mm時，機械壓實10遍的崩解率最低，為9.81%，機械壓實2遍的崩解率最高，為29.05%，不同壓實遍數的填筑層崩解率相差了19.24%；當松鋪厚度為500mm時，機械壓實10遍的崩解率最低，為10.12%，機械壓實2遍的崩解率最高，為30.15%，不同壓實遍數的填筑層崩解率相差了20.03%。

究其原因，小的鋪料厚度、大的壓實遍數使得顆粒間膠結程度高，黏結力增大，結構相對密實，孔隙率小，局部會產生小塊土體，透水性弱，在試驗土樣浸水后，水分進入土體內部的時間較長，不利于崩解；鋪料厚度越大，壓實遍數越少，填筑層的土壤以集粒形式存在，土壤顆粒較為松散，黏結性弱，當土樣遇水時，水分擴散到最大距離的時間變短，土壤顆粒之間黏結力迅速消失，極易崩解。

4.2 松鋪厚度、壓實遍數對土壤崩解速率的影響

土壤崩解速率反映了土壤顆粒結構遇水浸濕解體快慢的性質或土壤結構體遭受水力侵蝕離散解體的難易程度，是評價土壤穩(wěn)定性的重要物理指標[10]。圖4描述了土壤崩解速率隨時間的變化關系，由圖4可知，試樣崩解速率總體上經歷了一個由慢到快再到慢的變化過程。在試驗剛開始時，崩解速率非常低，小于0.5cm3/min；隨著試驗時間的增加，土樣離散解體速度增大，在試驗進行約1min時，試樣的崩解速率達到最大值，最高可達8.37cm3/min；之后崩解速率迅速減小，約在試驗進行3～5min之后崩解速率達到最小值，此后試樣崩解速率趨于穩(wěn)定，直到崩解完全。從試驗整體看，土樣崩解主要發(fā)生在試驗進行的前3min，在此時間段內崩解量占全部崩解量的80%左右。在鋪料厚度一樣時，壓實遍數越大，填筑層的崩解速率越小，反之崩解速率越大；在壓實遍數相同時，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，當填筑層土壤遇水后，由于土體存在基質吸力，水分會進入到土體的孔隙之中，同時由于土體孔隙分布的不均勻性，在土體內部會形成吸力差。研究表明土體內部小孔隙的基質勢較大，因此，水分會更多地進入到微小孔隙中，然后再進入到大孔隙中。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，進而改變了土體的有效應力。同時，當水分首先進入土體微小孔隙時，部分土中的空氣沒能排出而受到壓縮，體積變小，導致孔隙氣壓力增大。當土體的孔隙氣壓力大于土體的有效應力時，土體穩(wěn)定性被破壞，產生破碎分離。對于壓實度來講，由于較小的壓實度使得土體的基質吸力增加，導致土體在吸水時產生較大的吸力壓力差，在這種土體內部吸力不平衡的情況下，土體更容易發(fā)生崩解破壞，所以較小壓實度的土樣，其崩解速率也就較快。

5 結 論

通過對原位試驗的土壤崩解速率進行研究，得出以下結論：

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。對于同一松鋪厚度的填筑土層，不同的機械壓實遍數對土壤的崩解率有顯著的影響。

b.在鋪料厚度一樣時，壓實遍數越多，填筑層的崩解速率越小，反之崩解速率越大；在壓實遍數相同時，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.試驗土樣崩解速度是一個由慢到快再到慢的變化過程，土壤崩解主要發(fā)生在試驗前3min，土樣崩解量的80%在此時間段完成。

d.在均質土壩施工填筑中，應綜合考慮壩體的松鋪厚度、機械壓實遍數。同時在實際施工中，避免超壓，確保填筑土壤的含水率在合理范圍。