考慮基底起伏的土體失水開裂動態(tài)過程試驗(yàn)研究

龔緒龍 孫 強(qiáng)， 張衛(wèi)強(qiáng) 姚亞輝

(1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210049;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116)

土體失水開裂涉及到土質(zhì)土力學(xué)、土壤物理學(xué)和流體力學(xué)等多門學(xué)科的問題。開裂后的土體會導(dǎo)致大量的工程和環(huán)境問題。例如，導(dǎo)致土質(zhì)邊坡失穩(wěn)［1-3］;地基承載力下降，引起上部建筑物變形破壞［4-6］;誘發(fā)堤壩潰決［7］;促發(fā)地裂縫形成［8］;導(dǎo)致土壤水分快速蒸發(fā)，致使土壤肥力下降［9-12］等。因此，土體失水開裂成為眾多研究人員關(guān)注的問題。國內(nèi)外目前對土體失水開裂已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究［13-20］。例如，施斌等［13］、周東［14］等進(jìn)行了不同土體龜裂試驗(yàn);唐朝生等［15］、Vogel［16］將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于土體開裂分析;Velde［17］、Colina 等［18-19］對土體開裂的分析特征和尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究;Horga等［20］構(gòu)建了土體裂縫隨機(jī)生長模型。但是，自然界的土體開裂除了受土體性質(zhì)和環(huán)境蒸發(fā)等因素的影響外，還與其厚度及其均一性等賦存條件有關(guān)。本研究利用失水收縮性強(qiáng)的膨潤土，進(jìn)行了土體失水開裂特征試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上分析探討了土體干縮開裂發(fā)育的動態(tài)過程特征與基底起伏對裂縫發(fā)育的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溆?0 cm ×80 cm ×50 cm 的玻璃制成，底部預(yù)置10 cm 高混凝土，在中部沿模型軸向預(yù)設(shè)了由硬化的水泥構(gòu)成的12.5 cm 高的起伏形態(tài)(如圖1(a)所示，下文稱為梁式起伏)，水泥梁底部寬36 cm(兩側(cè)各18 cm，見圖1(b))。以中心線為坐標(biāo)原點(diǎn)，其起伏狀態(tài)可近似表達(dá)為

式中，h0取8.5 cm，a、b 分別取13.9、181.5，擬合精度R2= 0.982 。

圖1 模型裝置Fig.1 Test model

試驗(yàn)時(shí)在模型中放入由鈉基膨潤土和水配成的飽和均勻泥漿，試驗(yàn)所用膨潤土參數(shù)如表1 所示。在自然條件下水平靜置至干縮開裂(如圖2 所示)。

表1 膨潤土物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of bentonite

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test model

圖2 所示模型中飽和膨潤土高度為16.5 cm，超過起伏梁的頂部4 cm。試驗(yàn)過程對試樣進(jìn)行了長達(dá)45 d的觀測，對其失水收縮與開裂過程進(jìn)行了詳細(xì)記錄。

2 開裂過程裂縫發(fā)育特征動態(tài)分析

試驗(yàn)時(shí)土樣初始含水量較高，在試驗(yàn)的前240 h，土樣表面未觀測到發(fā)生明顯開裂現(xiàn)象，但在玻璃與土樣交界部位可以發(fā)現(xiàn)較為明顯的收縮痕跡。根據(jù)試樣開裂過程中裂縫率面積率(試樣表面裂縫面積總和與試樣初始表面面積的百分比)和裂縫發(fā)育條數(shù)，可以將裂縫發(fā)育演化的動態(tài)特征過程劃分為開裂前Ⅰ、快速開裂Ⅱ、開裂趨于停滯Ⅲ3 個(gè)階段，如圖3 所示。這里，重點(diǎn)對后2 個(gè)階段進(jìn)行分析。

圖3 裂縫面積率、裂縫條數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve among cracks area ratio，cracks number and time

2.1 快速開裂階段裂縫發(fā)育特征關(guān)系

裂縫快速發(fā)展期(階段Ⅱ):根據(jù)裂縫發(fā)育空間部位和裂縫開裂程度可細(xì)分化為Ⅱ－1、Ⅱ－2 兩個(gè)小階段(見圖3)，對主要裂縫按開裂的先后順序進(jìn)行了編號。

(1)在Ⅱ－1 階段，隨著因蒸發(fā)導(dǎo)致的失水增加，土體裂縫開始出現(xiàn)在位于邊界范圍的區(qū)域(如圖4所示)，開裂的起點(diǎn)位于器壁和基底起伏梁最高點(diǎn)的交界位置，F(xiàn)1 的發(fā)育演化顯著地受到了基底起伏、邊界條件的影響。隨著土體失水增加，已形成的裂縫F1 的長度、寬度和深度快速生長，誘導(dǎo)了新的裂縫F2 和F3 產(chǎn)生(見圖5(a))。

上述F1、F2、F3 為裂縫按出現(xiàn)的時(shí)間順序編號，以下同。

圖4、圖5 顯示出圖中下部分比上部開裂得早，這與模型放置時(shí)底部設(shè)置了極微緩的坡度有關(guān)，這導(dǎo)致圖中下部所在位置相對上部更加有利于水分的蒸發(fā)，同時(shí)也影響著F3 發(fā)育開裂方向。由圖5 可以明顯地看出，F(xiàn)3的發(fā)育演化徑跡和過程顯著地受到了基底起伏造成的沉降差的影響，體現(xiàn)為裂縫發(fā)育長度超長，且裂縫整體開裂方向與起伏梁走向成小角度相交(平均約為29°)。在這個(gè)階段裂縫面積率增加到大約為3.32%，除了F3，裂縫主要集中發(fā)育在模型邊緣角部位置(見圖5(d))。

圖5 裂縫演化過程Fig.5 Evolution process of fractures

(2)Ⅱ－2 階段。在Ⅱ－1 階段末期的圖5(d)中，可以觀察到對Ⅱ－2 階段裂縫發(fā)育演化起著重要控制性影響的裂縫F8 的起始開裂信息，其開裂源點(diǎn)正好位于基底起伏涵蓋范圍的邊緣位置。F8 的開裂主體方向與F3 近乎于平行(圖6(a)所示)，但不同的是其開裂演化過程除了受到基底起伏的顯著影響，還與先前開裂和這個(gè)階段伏梁頂部失水率快于兩側(cè)有關(guān)。從發(fā)育進(jìn)程來看，F(xiàn)8 的發(fā)育明顯快于F3。

從裂縫的條數(shù)和裂縫面積率來看，Ⅱ－2 階段裂縫發(fā)育明顯快于Ⅱ－1 階段。在Ⅱ－2 階段裂縫面積率增加到大約為19.8%。新生裂縫主要集中發(fā)育在基底起伏所涵蓋的范圍內(nèi)，且新生裂縫與先前裂縫近乎于垂直相交(見圖6)。

2.2 開裂趨于停滯階段裂縫發(fā)育特征關(guān)系

階段Ⅲ(裂縫發(fā)育趨于停滯期)，在這個(gè)階段土體開裂的整體格局基本上與圖6(d)相同，不同之處在于裂縫寬度隨著失水率的增加而有了顯著增長。此外，模型邊緣位置被裂縫切割的塊體上有新的小裂縫發(fā)育。因此，盡管在圖3 上顯示這個(gè)階段的裂縫面積率和裂縫條數(shù)仍有較大程度增加，但裂縫發(fā)育演化的整體格局已經(jīng)不再發(fā)生明顯變化(如圖7 所示)，且可以從頂部看到模型預(yù)先設(shè)計(jì)起伏所用的硬化水泥。在這個(gè)階段，土體裂縫的變化主要受土體含水量的變化控制。

圖6 裂縫演化過程Fig.6 Evolution process of fractures

圖7 裂縫演化過程Fig.7 Evolution process of fractures

此外，圖7 中圈出了邊界影響和基底起伏涵蓋的范圍，從圖中可知，在起伏區(qū)裂縫最為發(fā)育。需要指出的是，若是含水量進(jìn)一步降低，圖7 中較大的塊體仍有可能開裂，但這個(gè)過程需要很長時(shí)間。

3 結(jié) 論

(1)土體失水開裂過程可劃分為開裂前Ⅰ、快速開裂Ⅱ、開裂趨于停滯Ⅲ3 個(gè)階段。

(2)裂縫動態(tài)演化過程中受到了模型邊界和基底起伏的顯著影響:在快速開裂Ⅱ－1 階段，裂縫主要發(fā)育在模型的角部，Ⅱ－2 階段裂縫主要在基底起伏影響范圍內(nèi)發(fā)育;在Ⅲ階段，盡管表面開裂仍在發(fā)生，裂縫發(fā)育的整體格局已經(jīng)不再發(fā)生顯著變化。

(3)從裂縫形態(tài)看，后期裂縫與前期裂縫主要呈現(xiàn)為垂直相交，特別是在起伏區(qū)范圍內(nèi)。

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