蒙脫土失水縮裂過程的邊界摩擦與溫度效應(yīng)

杜文鳳,王菁莪,劉清秉,項(xiàng)　偉,黃　偉

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)a.工程學(xué)院；b.教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心, 武漢　430074 )

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蒙脫土失水縮裂過程的邊界摩擦與溫度效應(yīng)

杜文鳳a,b,王菁莪b,劉清秉b,項(xiàng)偉a,b,黃偉a

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)a.工程學(xué)院；b.教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心, 武漢430074 )

膨脹土失水收縮產(chǎn)生裂隙的現(xiàn)象是造成其工程性質(zhì)惡化的主要原因之一?，F(xiàn)有研究成果揭示了膨脹土在失水過程中吸力增大與分布不均是造成收縮與開裂的主要原因。然而，已有關(guān)于膨脹土縮裂的試驗(yàn)研究很少考慮到土樣邊界條件對(duì)縮裂過程的影響。采用純蒙脫土作為試驗(yàn)材料，設(shè)置玻璃與凡士林2種土樣邊界摩擦條件，測(cè)試了不同溫度條件下，邊界摩擦效應(yīng)對(duì)土樣縮裂過程與結(jié)果的影響；對(duì)產(chǎn)生裂隙的形態(tài)與數(shù)量進(jìn)行定量化對(duì)比分析，提出了黏性土失水收縮產(chǎn)生裂隙的概念模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：土樣從飽和開始逐漸失水的過程中，低摩擦力的凡士林接觸面土樣開始出現(xiàn)裂隙的時(shí)間較晚，開裂時(shí)的臨界含水量顯著低于玻璃底面土樣；在20，30，40 ℃環(huán)境溫度條件下，凡士林接觸面土樣比玻璃接觸面土樣的最終裂隙量分別減少了70.3%，79.6%,77.6%；而在相同的邊界摩擦條件下，溫度越高則土樣失水的速度越快，產(chǎn)生裂隙的數(shù)量也相對(duì)較高。

蒙脫土；收縮；裂隙；邊界摩擦效應(yīng)；溫度效應(yīng)

1　研究背景

膨脹土是一種富含蒙脫石的特殊性黏土，具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性[1-3]。由于其遇水膨脹，失水收縮，膨脹土已成為膨脹土地區(qū)工程事故和地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因。同時(shí)，膨脹土失水收縮時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生裂隙。裂隙的產(chǎn)生使土體整體性受到破壞，強(qiáng)度降低，滲透性提高，結(jié)構(gòu)弱化，從而誘發(fā)更多的工程問題。

關(guān)于膨脹土收縮開裂的機(jī)理，研究普遍認(rèn)為是水分的蒸發(fā)導(dǎo)致土體內(nèi)應(yīng)力變化的結(jié)果。Corte等[4]認(rèn)為當(dāng)土顆粒之間的張拉應(yīng)力超過土顆粒之間的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙便會(huì)產(chǎn)生。Yessiller等[5]和Morris等[6]認(rèn)為土體開裂是因?yàn)橥恋幕|(zhì)吸力增加使土發(fā)生收縮引起的。眾多學(xué)者[5-9]對(duì)影響膨脹土裂隙產(chǎn)生的因素也做了大量工作，認(rèn)為試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法如環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、土樣厚度、土樣尺寸等對(duì)土體收縮開裂有影響，同時(shí)土質(zhì)成分、土體結(jié)構(gòu)的影響也不可忽略。Corte等[4]等較早注意到試樣與容器表面之間的連接強(qiáng)度或摩擦力對(duì)土體干縮開裂有影響，連接強(qiáng)度或摩擦力越大越容易出現(xiàn)小的塊區(qū)面積。Amarasiri等[10]和司馬軍等[11]等在模擬黏性土干縮開裂的過程中發(fā)現(xiàn)試樣底部接觸面面積參數(shù)對(duì)裂隙形態(tài)影響很大。Ning等[12]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)底部涂上凡士林的黏土樣品在失水過程中發(fā)生均勻收縮，并不會(huì)產(chǎn)生裂隙。

以上學(xué)者的研究成果說明邊界條件對(duì)土體的開裂具有一定的影響。然而在自然界中，未開裂的膨脹土是連續(xù)體，其邊界條件即是土樣本身，且有側(cè)限，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬邊界條件對(duì)膨脹土開裂的影響較為困難。本文采用純蒙脫土作為試驗(yàn)材料，排除了土質(zhì)、黏粒含量等因素對(duì)土體開裂的影響；同時(shí)簡(jiǎn)化膨脹土的邊界條件，只考慮底面摩擦力對(duì)膨脹土開裂的影響，初步探討了在底面粗糙度不同時(shí)膨脹土的開裂特性。研究成果可為今后考慮膨脹土真實(shí)邊界條件實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)，為膨脹土地區(qū)工程實(shí)踐提供參考。

2　試驗(yàn)材料和方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為山東壽光純蒙脫土，呈灰白色，粉末狀。其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1　蒙脫土物理性質(zhì)Table 1　Physical properties of montmorillonite

2.2試樣制備

將蒙脫土粉末配制成含水率為240%的飽和泥漿，充分?jǐn)嚢璨㈧o置24h。在玻璃板上放置環(huán)刀，然后將定量泥漿倒入環(huán)刀內(nèi)，輕輕震動(dòng)玻璃板使試樣表面平整。然后將環(huán)刀取出，確保試樣只與玻璃板底面接觸，見圖1。試樣厚度約為10mm，直徑61.8mm。

(a)取環(huán)刀前試樣　　　(b)取環(huán)刀后試樣圖1　蒙脫土試樣Fig.1　Specimen of montmorillonite

2.3試驗(yàn)方法及圖片處理

為研究蒙脫土失水縮裂過程中，邊界條件和溫度對(duì)其開裂的影響，試驗(yàn)設(shè)置2組試驗(yàn)樣品，分別進(jìn)行有摩擦收縮試驗(yàn)(玻璃板上無凡士林)和無摩擦收縮試驗(yàn)(玻璃板涂抹凡士林)，每組樣品在20,30,40 ℃溫度下干燥至裂隙發(fā)展穩(wěn)定。在試樣干燥過程中，利用電子天平和數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)連續(xù)采集試樣質(zhì)量和照片。圖2為試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)過程中保持拍攝距離、樣品位置和拍攝環(huán)境不變，排除人為因素和環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)所用電子天平，最大量程300g，精度為0.01g，具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。將采集的圖像利用Photoshop軟件初步處理后利用ImageJ和Matlab軟件計(jì)算圖像的灰度值，并根據(jù)灰度值對(duì)圖像進(jìn)行分割，轉(zhuǎn)化為二值化圖片，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)裂隙各特征參數(shù)。

(a)照片

(b)示意圖圖2　試驗(yàn)裝置Fig.2　Test apparatus

利用Matlab軟件編制程序?qū)α严墩掌M(jìn)行二值化處理與分析。裂隙圖片原圖如圖3(a)。讀入圖片后，將圖片灰度化，利用大津法求分割閾值，然后將灰度圖片二值化，圖片矩陣白為1，黑為0。中值濾波后顯示二值化圖片，如圖3(b)。裂隙率等于黑色像素?cái)?shù)目與像素點(diǎn)總數(shù)的比值。而后將二值化圖片進(jìn)行矢量化處理，提取矢量圖的長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)。計(jì)算裂隙面積時(shí)，生成裂隙輪廓圖，如圖3(c)。計(jì)算裂隙長(zhǎng)度時(shí)，沿黑色像素中心生成裂隙中心線骨架圖，如圖3(d)。在拍照過程中，試樣旁邊都放有比例尺，在矢量化過程中標(biāo)尺固定，所以各圖片在矢量化之后各參數(shù)仍保持不變。

(c)裂隙輪廓矢量圖　　　(d)裂隙中心線矢量圖圖3　裂隙圖片處理過程Fig.3　Processing of fissure image

為了定量描述裂隙穩(wěn)定后表面結(jié)構(gòu)和幾何特征，對(duì)裂隙的長(zhǎng)度、寬度、面縮率以及裂隙率這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。裂隙的長(zhǎng)度以裂隙中心線矢量圖直接提取。寬度是裂隙的總面積與長(zhǎng)度的比值，總面積可以通過裂隙輪廓矢量圖求得。面積收縮率簡(jiǎn)稱面縮率，R根據(jù)式(1)求得，即

(1)

式中:S0為土樣的初始表面積；Si為某時(shí)刻試樣的表面積。

本研究中只考慮了試樣在開裂時(shí)的面縮率。裂隙率為黑色像素?cái)?shù)目與像素點(diǎn)總數(shù)的比值。在裂隙圖片中都放有比例尺，所以裂隙的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度可以計(jì)算出來。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1裂隙發(fā)育形態(tài)及定量化分析

圖4為30 ℃有摩擦條件下試樣的裂隙發(fā)展過程，土樣的開裂一般從內(nèi)部開始，然后逐漸向試樣邊緣擴(kuò)展形成狹長(zhǎng)的裂縫，貫通整個(gè)試樣，呈現(xiàn)I形狀的裂口，如圖4(a)所示。第1條裂隙的位置一般接近于圓心，并構(gòu)成試樣后續(xù)裂隙發(fā)展的基礎(chǔ)，將試樣分割成若干較大的初級(jí)區(qū)塊。隨著含水率的減小，在一些裂縫的垂直方向上會(huì)產(chǎn)生新的裂縫。2個(gè)正在發(fā)展中的裂縫一般近乎垂直相交并且新裂隙開裂的方向趨于和已有的裂隙貫通(圖4(b))。隨著含水率的減小，裂縫進(jìn)一步延伸變長(zhǎng)、變寬(圖4(c))。當(dāng)土樣的含水率基本不再變化，變形達(dá)到穩(wěn)定，裂隙網(wǎng)絡(luò)的輪廓基本已經(jīng)定型(圖4(d))。后續(xù)干燥過程中除已有裂隙寬度增加外，裂隙條數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)保持不變，試樣表面沒有新的裂隙產(chǎn)生。底面接觸為凡士林時(shí)，發(fā)育的裂隙基本為一條，由于底面凡士林涂抹的不均勻，裂隙發(fā)展過程中出現(xiàn)裂隙先變寬又由于試樣的收縮而變窄或者閉合的現(xiàn)象。

(a)w=44.6%　　　　　　　　(b)w=32.5%

(c)w=28.9%　　　　　　　(d)w=25.2%圖4　未涂凡士林土樣在30 ℃下的典型開裂 及其對(duì)應(yīng)含水率Fig.4　Typical crack patterns and corresponding moisturecontents of specimen dried at 30℃ without petroleum jelly

圖5是各土樣的含水率隨時(shí)間的變化曲線。在正常收縮階段[13-14]，土樣含水率隨時(shí)間幾乎呈正比關(guān)系。隨著干燥時(shí)間的增大，在殘余收縮階段失水率曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折并逐漸趨于平緩。當(dāng)試樣達(dá)到0收縮階段時(shí)，干燥曲線幾乎水平，含水率不再隨時(shí)間發(fā)生變化。圖6是30 ℃時(shí)，土樣在不同接觸摩擦下的干燥曲線。玻璃板試樣的蒸發(fā)速率明顯分為3個(gè)階段：蒸發(fā)速率較穩(wěn)定階段，這一階段的蒸發(fā)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凡士林試樣的蒸發(fā)速率；蒸發(fā)速率迅速減小階段，這一階段的蒸發(fā)速率幾乎呈直線衰減，而且歷時(shí)很短；蒸發(fā)速率接近于0的殘余階段。凡士林試樣的蒸發(fā)速率也有階段性，只不過第1階段歷時(shí)較長(zhǎng)，幾乎占據(jù)試樣干燥時(shí)間的80%，然后蒸發(fā)率迅速減小，接近于0。

圖5　土樣含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.5　Relationship between drying time andwater content

圖6　30 ℃時(shí)土樣在不同邊界摩擦下的干燥曲線Fig.6　Drying curves of specimens at 30 ℃ with differentboundary friction

3.2蒙脫土失水縮裂過程的邊界摩擦效應(yīng)

圖7是在30 ℃時(shí)，不同邊界摩擦條件下，試樣含水率穩(wěn)定后的最終照片。如圖所示，不同摩擦條件下，試樣最終的開裂形態(tài)、裂隙條數(shù)和寬度以及試樣的面縮率有較大的差別。

(a)玻璃底面　　　　　(b)凡士林底面圖7　土樣裂隙圖片(T=30 ℃)Fig.7　Images of fissures (T=30 ℃)

表2是試樣開裂的臨界含水率及開裂時(shí)間。當(dāng)溫度從20 ℃升高到40 ℃時(shí)，與玻璃底面土樣相比，凡士林底面土樣開裂的臨界含水率分別降低了64.2%，50.0%，45.8%；開裂時(shí)間增加了大約1倍。表3是各個(gè)試樣的裂隙參數(shù)。凡士林底面土樣最終裂隙條數(shù)少，基本為一條裂隙，裂隙長(zhǎng)度較大，寬度較小，容易形成狹長(zhǎng)的裂隙。土樣開裂時(shí)，接觸面不同，其開裂的臨界含水率和面縮率也不同。由表4可知，當(dāng)溫度為20 ，30 ，40 ℃時(shí)，與玻璃底面土樣相比，凡士林底面土樣開裂時(shí)面縮率分別提高了113.2%，133.9%，227.3%；裂隙率卻很小，僅僅為玻璃底面土樣的29.7%，20.4%，22.4%。

表2　土樣開裂含水率以及開裂時(shí)間Table 2　Critical water contents and durations of cracking

表3　土樣裂隙參數(shù)Table 3　Parameters of cracks

表4　土樣面縮率及裂隙率Table 4　Area reduction ratios and crack ratios of specimens

圖8是土樣塊區(qū)面積隨時(shí)間的變化曲線。同一溫度下，底面接觸面的摩擦不同，也影響土樣的收縮時(shí)間。接觸面為玻璃的土樣，在較短時(shí)間內(nèi)完成收縮。接觸面為凡士林的土樣，收縮時(shí)間更長(zhǎng)。

圖8　各土樣的干燥時(shí)間Fig.8　Drying time of samples

接觸面的摩擦影響裂隙的發(fā)育程度。接觸面摩擦越小，裂隙發(fā)育程度越低。凡士林接觸面試樣在干燥過程中底部摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于失水引起的吸力，所以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持收縮變形狀態(tài)，而不發(fā)生開裂，這也是凡士林試樣裂隙率低，面縮率大的原因。同時(shí)因?yàn)榉彩苛衷嚇釉谳^長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生開裂，導(dǎo)致凡士林底面土樣的失水速度明顯低于玻璃底面試樣。這是因?yàn)樗值倪w移遵循最小能量原理[15]，裂隙發(fā)育程度低，土孔隙中的水分子需要穿越上層土體才能到達(dá)蒸發(fā)面，這個(gè)過程延長(zhǎng)了水分子遷移路徑，減緩了水分蒸發(fā)。在這種相互作用過程中，凡士林底面土樣干燥過程相對(duì)比較緩慢，土顆粒在吸應(yīng)力作用下緩慢移動(dòng)，協(xié)調(diào)變形，能夠避免快速變形而帶來的局部應(yīng)力集中。因此，邊界摩擦越小，蒙脫土越不易開裂。

3.3蒙脫土失水縮裂過程的溫度效應(yīng)

溫度作為影響開裂的重要因素之一，對(duì)試樣的開裂時(shí)間和開裂臨界含水率具有顯著影響。當(dāng)溫度從20 ℃升高到40 ℃時(shí)，玻璃底面土樣的開裂時(shí)間從597min縮短到140min，凡士林底面土樣的開裂時(shí)間從1 072min縮短到250min。如圖9所示，玻璃板試樣和凡士林試樣的開裂臨界含水率分別由87.2%變?yōu)?49.3%，由31.2%變?yōu)?0.9%。這是因?yàn)闇囟仍礁?，試樣表面水分蒸發(fā)越快，土體中吸應(yīng)力的發(fā)展速度越快，試樣體積的收縮越快引起局部瞬時(shí)摩擦阻力增大，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生。所以較高溫度下裂隙出現(xiàn)時(shí)間早，土樣開裂時(shí)的含水率較高。此外，Villor等[16]認(rèn)為，溫度的升高會(huì)降低土體的強(qiáng)度，從而在一定程度上有利于裂隙的產(chǎn)生。

圖9　土樣開裂含水率Fig.9　Critical water contents of specimens whencracking happens

溫度對(duì)試樣裂隙的最終的發(fā)育程度有不同程度的影響。當(dāng)溫度從20 ℃升高到40 ℃時(shí)，玻璃板土樣的裂隙率分別從13.12%增加到27.38%；但凡士林土樣的裂隙率的變化率不是很大，且裂隙條數(shù)基本為1條(如圖10)。

(a)20 ℃　　　　　(b)30 ℃　　　　　(c)40 ℃圖10　凡士林土樣裂隙圖片F(xiàn)ig.10　Fissure images of specimen with vaseline on thebottom

在干燥過程中，溫度越高，最終的吸應(yīng)力越大，土顆粒會(huì)因?yàn)楦叩奈鼞?yīng)力而排列更加緊密，為裂隙的擴(kuò)展提供更大的發(fā)展空間[15]。同時(shí)高溫為土樣提供了更大的收縮空間。凡士林試樣因?yàn)樵谑湛s過程中發(fā)展緩慢，可以協(xié)調(diào)變形，不容易開裂，所以土體的收縮空間很大。

4　討　論

在干燥過程中，試樣水分逐漸蒸發(fā)，使土體由飽和狀態(tài)向非飽和狀態(tài)變化[17-18]。在這個(gè)過程中，土樣內(nèi)開始產(chǎn)生基質(zhì)吸力與吸應(yīng)力[19-21]，并在土體中形成收縮應(yīng)力場(chǎng)。隨著含水量逐漸降低，土樣的體積收縮，與底部接觸面之間開始產(chǎn)生摩擦力。在土樣失水收縮的過程中，各土顆粒主要受顆粒之間的吸應(yīng)力[22-23]，以及與底面的摩擦力2種應(yīng)力作用，受力狀態(tài)可通過如下概念模型表示。

如圖11所示，A,B兩個(gè)橢球分別代表相鄰的2個(gè)土顆粒概念，其中A顆?？拷翗油鈧?cè)，B顆?？拷翗觾?nèi)側(cè)。當(dāng)土樣處于最初的飽和狀態(tài)時(shí)，土顆粒之間的吸應(yīng)力與底面摩擦力均為0，即

(1)

(a)開裂前

(b)開裂后圖11　土顆粒失水收縮過程概念模型Fig.11　Illustration of soil’s dehydration and shrinkage

隨著含水量降低，但在土體開裂前，土顆粒之間的吸應(yīng)力始終大于或等于土顆粒底面的摩擦力，該階段土體表現(xiàn)出均勻收縮，顆粒A，B的受力情況分別為

(2)

隨著含水量進(jìn)一步降低，土顆粒持續(xù)移動(dòng)。由于土體中吸應(yīng)力分布不均，且底面邊界摩擦力在不同的位置也分布不均，當(dāng)顆粒A所受吸應(yīng)力小于底面摩擦力，且顆粒B持續(xù)移動(dòng)時(shí)，即

(3)

顆粒A，B之間的連接將被拉斷，A顆粒留在原處，而B顆粒繼續(xù)向土樣中心移動(dòng)，從而產(chǎn)生不斷擴(kuò)大的裂隙(見圖11(b))。

當(dāng)?shù)?條裂隙形成并貫通后，土樣一分為二，2個(gè)部分繼續(xù)重復(fù)以上方式產(chǎn)生新的裂隙。而對(duì)于凡士林底面土樣，其與底面的最大靜摩擦力大幅減小，土顆粒之間的吸應(yīng)力始終大于摩擦力，因此土樣表現(xiàn)出均勻收縮，基本不產(chǎn)生裂隙。

根據(jù)以上概念模型，黏性土失水收縮產(chǎn)生裂隙的物理機(jī)制可總結(jié)如下：土體失水過程中吸應(yīng)力分布不均，且吸應(yīng)力較小處的值小于土體與邊界之間的阻力而產(chǎn)生張拉破壞(土體與邊界之間的阻力即為本試驗(yàn)中土樣與底面之間的摩擦力)。

5　結(jié)　論

本文在控制接觸面摩擦和溫度條件下，開展了蒙脫土干燥開裂試驗(yàn)。對(duì)不同試驗(yàn)條件下，蒙脫土裂隙的形成和發(fā)展進(jìn)行了觀察。并利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)裂隙的幾何結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了定量分析，探討了邊界摩擦阻力和溫度2個(gè)因素對(duì)蒙脫土干燥開裂過程和結(jié)果的影響。得到以下結(jié)論：

(1)在20，30，40 ℃溫度條件下，與玻璃底面蒙脫土樣相比，凡士林底面土樣開裂的臨界含水率分別降低了64.2%，50.0%，45.8%，開裂時(shí)間增大了大約1倍;開裂時(shí)的面縮率分別提高了113.2%，133.9%,227.3%，裂隙率分別降低了70.3%，79.6%,77.6%。

(2)在相同的環(huán)境溫度條件下，凡士林底面土樣的失水速度明顯低于玻璃底面試樣。由于土樣干燥過程較相對(duì)緩慢，有利于土顆粒在吸應(yīng)力作用下緩慢移動(dòng)，協(xié)調(diào)變形，抵消快速變形而帶來的局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂隙。

(3)溫度越高，試樣表面水分蒸發(fā)越快，土體中吸應(yīng)力的發(fā)展速度越快。試樣體積的收縮越快引起局部瞬時(shí)摩擦阻力越大，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生。溫度越高，最終的吸應(yīng)力也越大，土顆粒會(huì)因?yàn)楦叩奈鼞?yīng)力而排列更加緊密，為裂隙的擴(kuò)展提供更大的發(fā)展空間。

(4)通過對(duì)概念模型的分析，黏性土失水收縮產(chǎn)生裂隙的物理機(jī)制可總結(jié)為土體失水過程中吸應(yīng)力分布不均，且吸應(yīng)力較小處的值小于土體與邊界之間的阻力而產(chǎn)生張拉破壞(土體與邊界之間的阻力即為本試驗(yàn)中土樣與底面之間的摩擦力)。

致謝：感謝中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552117)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272308)的大力支持。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Effects of Boundary Friction and Temperature on the Process of Shrinking and Cracking of Pure Montmorillonite During Pore Water Evaporation

DU Wen-feng1,2,WANG Jing-e2,LIU Qing-bing2,XIANG Wei1,2,HUANG Wei1

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.ResearchCenteronGeo-hazardinThreeGorgesReservoirAreaofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Theshrinkingandcrackingofexpansivesoilduringporewaterevaporationisoneofthemaincauses

montmorillonite;shrinkage;crack;boundaryfrictioneffect;temperatureeffeect

2015-11-24;

2016-02-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572286)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552117)

杜文鳳(1991-)，女，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事巖土工程性質(zhì)方面的研究，(電話)15927663040(電子信箱)duwf10@lzu.edu.cn。

王菁莪(1985-)，男，湖北大冶人，助理研究員，主要從事巖土體的工程性質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害方面的研究，(電話)15927663040(電子信箱)wangjinge@cug.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150992

2016,33(09):72-77，82

TU443

A

1001-5485(2016)09-0072-06

whichgreatlydeteriorateitsengineeringproperties.Latestresearchindicatesthattheincreaseofsuctionandinhomogeneousdistributionmainlyleadtotheshrinkingandcrackingofexpansivesoil.However,fewexperimentsabouttheexpansivesoilshrinkingconsidertheeffectofboundaryconditionontheshrinkingprocess.Inthisresearch,puremontmorilloniteistakenastestmaterial，anditsshrinkingprocessinthepresenceofglassandvaselinefrictionboundariesaretestedatdifferenttemperatures.Thecomputerimageprocessingtechniqueisemployedtoquantifythegeometricstructureandmorphologiccharacteristicsofcracks.Aconceptualmodelofshrinkingandcrackingofclayisestablished.Testresultsindicatethatduringtheprocessofsaturation-dehydration,cracksofspecimenswithvaseline-surfaceoccurlateandthecriticalwatercontentofcrackingisobviouslylowerthanthatofglass-surfacespecimens.Attemperaturesof20℃, 30℃and40℃,thefinalamountofcracksofvaseline-surfacespecimenissmallerthanthatofglass-surfacespecimenby70.3%, 79.6%and77.6%,respectively.Additionally,inthepresenceofthesameboundaryfriction,theporewaterevaporationacceleratesandthefinalamountofcracksincreaseswiththeincreasingoftemperature.