花岗岩风化残积土海崖崩解过程的室内试验研究

李 忠，刘勇文，赵纪飞

(1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054)

我国东南沿海分布有较长的花岗岩残积土软质海崖，在极端海况下，软质海崖在波浪作用下产生蚀退，造成岸线后退[1]。软质海崖波致蚀退机制极其复杂，其蚀退主要有3个方面诱因：一是波流在崖面引起的剪应力超过了土体抗侵蚀临界剪应力时发生侵蚀；二是波浪循环应力诱发土体产生一定程度的液化，土体强度降低，加剧蚀退；三是海崖土体浸水后产生崩解造成的。本文关注第3个诱因对海崖蚀退的贡献。

有学者研究了黄土在浸水后的崩解过程[2- 7]。然而，花岗岩残积土与黄土的水理性相差较大，海水浸入后的崩解特性尚未见到有关文献报道。因此，本文利用研制的新型崩解仪，测试了花岗岩风化残积土在海水作用下的崩解过程，可为研究软质海崖的蚀退机理提供参考。

1 试验装置与准备

目前，测试土体崩解特性的装置大都采用浮筒法。当土体发生崩解时，质量减轻，内筒上浮，从外筒的刻度尺上直接读出初始读数和崩解过程中的瞬时读数[5]，利用浮筒的上浮量换算出土体的崩解量。浮筒法存在2大问题：一是土体崩解量需要通过刻度线读数换算出来；二是当土体瞬时崩解量较大时，内筒会产生上下浮动，读数不稳定，易造成误差。鉴于此，本文开发一种读数简单且准确的新型崩解仪测试土体的崩解量，该装置由支架、电子弹簧秤、绳索、金属网和水桶组成。其中，电子弹簧秤悬挂到支架上，下部悬挂绳索与金属网，金属网网眼尺寸为1.0 cm×1.0 cm，土样放置在金属网上。崩解仪结构见图1。

图1 崩解仪结构

试验土样取自福建省泉州市晋江深沪湾花岗岩残积土海崖表面。经分析，该残积土主要矿物成分为石英、钾长石、斜长石、黑云母和角闪石，未完全风化的矿物主要为石英，其他均已风化成碎屑状的松散体，矿物晶体、结构和构造肉眼难以辨认。对取回的残积土充分碾压粉碎并晒干，利用筛分试验测试其颗粒粒径组成，分析结果见表1。从表1可知，该花岗岩残积土的粒径呈现“两头大、中间小”的特征。为了测得不同压实度土样的崩解性，在室内进行了击实试验，测得其最大干密度为1.93 g/cm3，最优含水量为19.4%。

表1 粒度组成分析结果

试验拟研究不同含水量、压实度和细粒含量土体的崩解性。首先取一定质量的干土，分别加入不同量的海水，以制备不同含水量的土样，试验共制备了5种含水量(7%、12%、16%、20%和30%)的土样；土体充分混合后，倒入呈圆柱形、直径为10 cm制样器中，对上述5种含水量的土样分别击实12、11、10、10和12次，测得其压实度为87%～91%，取平均值为89%；对含水量为20%的同一土样进行不同次数的击实，获得4种不同压实度的土样；对含水量为20%的同一土样，利用筛分的颗粒，配制不同细粒(粒径小于0.5 mm)含量(分别为40%、55%、70%和80%)的土样，经击实后获得不同细粒含量的土样；击实后的土样高度为15 cm，用环刀切取土样一端并测试其密度，结合含水量求出其干密度和压实度；经切削后，土样的直径和高度均为10 cm。在水桶内加入现场取来的海水，待装置连接好后，将制备的土样放置到金属网上，并将电子弹簧秤清零，每隔10 s读1次弹簧秤读数，后期稳定后读数时间间隔加长。

土体的崩解量可采用崩解模数Bt表示，Bt=(m0-mt)/m0。式中，m0为土样的初始水下质量；mt为时刻t的土样水下质量。

2 试验结果

2.1 试验现象

土样放置到金属网上后，土样表面的一些细小颗粒脱离土样悬浮在水中或落入金属网下部，水体开始变浑浊，此时崩解量极小，密实度较低的土样表面产生气泡，表面水体进入到土样的孔隙内部；随着时间的持续，一些石英矿物等粗颗粒土瞬时崩解脱落，土样边缘处产生少量裂隙，裂隙宽度逐渐增大，土体沿裂隙处以块状形式产生崩解脱落；待边缘棱角崩解后，土样变得圆滑，仍可见一些粗颗粒土产生崩解，但崩解速度减缓，土样接近球形。崩解模数随时间的变化关系见图2。从图2可以看出，崩解模数随时间变化基本为“S”形，即“两头慢、中间快”，从时间0到t1时，崩解较慢，这个阶段主要是土样表层土颗粒的崩解，此阶段内，海水

图2 崩解模数随时间的变化关系

逐渐浸入到土样内，裂隙逐渐形成；时间t1到t2时，此阶段为块状与粒状崩解共存，并以块状为主，崩解速率较高；时间t2过后，土样变得圆滑，崩解以粒状崩解为主，崩解速率减缓。

2.2 崩解过程

2.2.1 不同含水量

不同含水量土样的崩解过程见图3。从图3可知，土样含水量对崩解模数影响较大，含水量越高，崩解模数越小，崩解性越小；当含水量达到30%时，土样几乎不具崩解性。

图3 不同含水量土样的崩解过程

2.2.2 不同压实度

不同压实度土样的崩解过程见图4。从图4可知，压实度越高，土体崩解性越小，当压实度低于90%时，崩解性明显；压实度位于90%～95%之间时，崩解性较小；当压实度高于95%时几乎不具有崩解性。

图4 不同压实度土样的崩解过程

2.2.3 不同细粒含量

不同细粒含量土样的崩解过程见图5。从图5可知，细粒含量对崩解影响较大，当细粒含量为40%时，崩解性明显；当超过70%时，土样几乎不具崩解性。

3 结果分析

3.1 土样崩解的影响因素

土样的崩解过程与海水的侵入密切相关，土颗粒含水量较低时，土颗粒的基质吸力较强，吸水力和吸水量较高，海水侵入后，土颗粒水膜变厚，土颗粒由于重力引起的脱离力超过了吸附力时，土颗粒产生崩解，脱离原来的土样；土样含水量较高时，土体的基质吸力较低，水难以侵入，土体难以产生崩解。由此可推断，花岗岩残积土软质海崖在日晒下，表面大都处于较干燥状态，内部土体湿度较大，当风暴潮引起的增水浸泡海崖时，表层土体容易产生崩解，内部土体含水量较高，崩解性较差。

图5 不同细粒含量土样的崩解过程

土样压实度较高时，孔隙率较低，有的孔隙呈封闭式，水难以侵入，崩解性降低；此外，密实度较高，土样也不易形成裂隙，崩解性减小。对于软质海崖，受重力作用，深度较浅的土体压实度较低，相对而言比深度大的土体容易崩解，由于重力作用崩解塌落到崖脚的土体，受到一定程度的扰动，密实度降低，相对更易发生崩解。

土体细粒含量较高时，由于颗粒较小，渗透系数也较小，海水侵入的能力减小；此外，细粒含量变大时，颗粒之间的粘聚力增大，颗粒之间的吸附力增强，不易相互脱离产生崩解。

由上述试验可知，土体的含水量、密实度和细粒含量对崩解均影响较大，当含水量超过30%、压实度超过95%、细粒含量超过70%时，在一般工况下，花岗岩风化残积土可以认为不具有崩解性。

3.2 崩解速率

崩解速率v反应了土体崩解的快慢。蒋定生等[6]基于浮筒法给出了一种崩解速率v计算表达式，即v=a(l0-lt)/t。式中，a为体积换算系数；l0为试样浸入水中时浮筒的起始读数或稳定时的最大读数；lt为土样完全崩解时或第30 min时的浮筒读数；t为土样完全崩解时的时间或土样未崩解完的第30 min时间。该式计算的崩解速率与土样体积有关，土样体积越大，计算得到的崩解速率越高，因此该式计算的崩解速率难以反映土体崩解实际的快慢，对于该法，除以与水的接触面积，即除以崩解面积，得到沿崩解方向上单位时间内的崩解尺度，这个崩解速率与土体体积无关，更能反映土体实际崩解的快慢。对于圆柱形的土样，崩解后接近球体，因此棱角处的崩解尺度和崩解速率要高于中间部分的。将圆柱形的土样等效成等体积的球体，假设等效后的球体半径为R，则崩解速率v可表示为

式中，ρ′为土样的水下密度；t为崩解时间。

土体崩解速率随时间而变化，一般取崩解曲线最陡段斜率计算[6]。依据本文得到的计算公式，计算得到不同含水量和不同压实度土体的崩解速率，见图6。从图6可以看出，土体崩解速率随含水量和压实度的增大而降低，且崩解速率均在0.1 mm/min以内。

图6 不同土样的崩解速率

3.3 与黄土崩解性比较

黄土也是具有崩解性的土体，李家春和田伟平、李峰[7]测试黄土的崩解性时发现了黄土的崩解模数随时间也经历了3个阶段，即慢速阶段、快速阶段、稳定阶段，与花岗岩风化残积土的崩解阶段相同。李家春和田伟平同时发现，当黄土的含水量高于20%时，崩解速度很小，几乎不具崩解性，黄土压实度大于95%时，也不具崩解性；李峰也将含水量20%作为黄土崩解的条件。本文试验得出，对于花岗岩残积土，当含水量为20%时，仍具有一定的崩解性，当含水量达到30%时，崩解性才基本消失；同样，当压实度高于95%时，崩解性也几乎消失。因此，对于花岗岩风化残积土，其崩解产生的基本条件为：含水量小于30%、压实度小于95%、细粒含量小于70%。

4 结 语

本文采用自行开发的一套读数准确且使用方便的崩解仪，测试了花岗岩风化残积土在遇到海水时的崩解性，得出以下结论：

(1)花岗岩风化残积土的崩解模数随时间变化基本为“S”形，随着时间的推移，土体依次以粒状→块状→粒状的形式产生崩解，且块状阶段崩解速率最高。

(2)土体含水量、密实度和细粒含量对崩解性影响较大，土体含水量越高、压实度越大、细粒含量越高，土体崩解性越小。

(3)花岗岩风化残积土崩解的基本条件为：含水量小于30%、压实度小于95%、细粒含量小于70%。

(4)以单位时间内沿崩解走向的崩解尺度表示的崩解速率计算表达式不受土样体积的影响，更能反应土体崩解实际的快慢。经计算，花岗岩风化残积土的崩解速率均在0.1 mm/min以内。