礫石對(duì)石灰土表面干縮裂隙發(fā)育特征的影響

王 星， 徐勤學(xué)， 賴本忠， 張帥普， 甘 磊

(1.桂林理工大學(xué) 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，廣西 桂林 541004； 2.桂林理工大學(xué) 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西 桂林 541004)

土壤表面裂隙會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)完整性，增加土體風(fēng)化深度，造成土壤優(yōu)先流[1]，降低土壤抗侵蝕能力[2]。盧全中等[2]總結(jié)了黃土裂隙發(fā)育特征及其規(guī)律，發(fā)現(xiàn)黃土中存在大量不同規(guī)模不同成因的裂隙，這些裂隙使得黃土高原土壤侵蝕加劇。裂隙是土體在干燥脫水過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻?qū)е碌模严栋l(fā)育過(guò)程與土壤中黏粒含量、含水量、溫度以及土壤添加物等環(huán)境條件密切相關(guān)[3]。根據(jù)不同環(huán)境條件下的裂隙指標(biāo)可反推出影響土體開(kāi)裂過(guò)程的關(guān)鍵因素[4]，相較于傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法，使用數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠獲得更精確的裂隙參數(shù)指標(biāo)。冷挺等[5]對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)條件下產(chǎn)生表面裂隙的過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)獲得的裂隙圖像進(jìn)行處理，得到裂隙網(wǎng)絡(luò)的量化指標(biāo)，解釋了干濕循環(huán)過(guò)程土壤表面裂隙的發(fā)育規(guī)律。朱磊等[6]改進(jìn)了基于胡克定律的土壤開(kāi)裂模型，用以模擬蒸發(fā)作用下農(nóng)田土壤表面干縮裂隙的動(dòng)態(tài)開(kāi)裂，模擬結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。國(guó)內(nèi)的裂隙研究主要集中在黃土[7]、下蜀黃土[8]以及膨脹土[9]等地區(qū)，目前針對(duì)石灰土表面裂隙的研究比較少見(jiàn)。

石灰土在喀斯特地區(qū)廣泛分布，在自然條件下有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力高，是珍貴的土地資源。但是由于不合理的耕作活動(dòng)影響，石灰土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)很容易被破壞，失去穩(wěn)定性，在干旱季節(jié)會(huì)發(fā)生土壤板結(jié)開(kāi)裂的現(xiàn)象[10]。石灰土中通常存在礫石，許多學(xué)者強(qiáng)調(diào)了礫石會(huì)加劇土壤侵蝕以及提高土壤入滲速率[11-13]。礫石直接影響到土壤容重、土壤含水率等物理性質(zhì)，不考慮土壤中的礫石，土壤的有效含水量要高估約39%[14]。以上研究結(jié)果表明，土壤中的礫石與表面裂隙均會(huì)加劇土壤侵蝕以及提高土壤入滲速率，那么究竟礫石與表面裂隙有何關(guān)系，是否礫石會(huì)影響石灰土裂隙發(fā)育，還有待進(jìn)一步研究。

本文以石灰土為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)不同礫石粒徑及礫石含量的土石混合介質(zhì)，并進(jìn)行干濕循環(huán)。采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到多個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的量化指標(biāo)。分析礫石含量和粒徑對(duì)表面裂隙發(fā)育特征的影響，并總結(jié)含礫石土壤裂隙發(fā)育機(jī)制，以期為防治石灰土地區(qū)的水土流失以及石漠化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用土壤為石灰土，礫石為石灰?guī)r，于2018年4月取自廣西壯族自治區(qū)桂林市靈川縣海洋鄉(xiāng)枇杷塘村(25°17′32″N,110°33′42″E)。取樣區(qū)域?yàn)榈湫偷目λ固胤鍏财碌氐孛?，土層淺薄，礫石含量高，由于常年的人為擾動(dòng)，加劇了石漠化速度，土地類(lèi)型逐漸轉(zhuǎn)變成裸巖石礫地。取樣點(diǎn)位于中坡位，坡度約30°，取土深度為10—40 cm，初始含水率約30%。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得出土壤基本理化性質(zhì)指標(biāo)(見(jiàn)表1)，機(jī)械組成標(biāo)準(zhǔn)采取國(guó)際制。取土過(guò)程中挑選大塊石灰?guī)r礫石，經(jīng)過(guò)破碎篩分后使用，所取石灰?guī)r密度約2.8 g/cm3，導(dǎo)水性極弱，可忽略不計(jì)。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

將取回的土樣在室內(nèi)風(fēng)干，去除根系和礫石等雜質(zhì)后，研磨過(guò)篩(2 mm)。根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，喀斯特峰叢洼地坡面土壤礫石含量最高達(dá)到39.49%[15]，礫石粒徑分布在2～75 mm之間，其中5～20 mm粒徑之間的碎石最多。本試驗(yàn)使用容器直徑為100 mm，為減小邊壁效應(yīng)，粒徑設(shè)計(jì)為2～5,5～12.5 mm兩組粒徑[16]。最終按不同礫石含量(10%,20%,30%,40%質(zhì)量百分比)、不同粒徑(2～5,5～12.5 mm)與土樣混合進(jìn)行交叉試驗(yàn)，并設(shè)置無(wú)礫石添加的對(duì)照組，每種配置做3次重復(fù)試驗(yàn)。填土容器選用透明有機(jī)玻璃圓柱，高為50 cm，內(nèi)徑為10 cm。填土高度為40 cm。土柱配置見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)土柱配置

干濕循環(huán)的次數(shù)也會(huì)影響裂隙的發(fā)育程度，前2次干濕過(guò)程會(huì)加劇裂隙的發(fā)育，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，裂隙發(fā)育在第5次干濕循環(huán)之后趨于穩(wěn)定[17]。借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)，本文采取7次干濕循環(huán)。濕潤(rùn)過(guò)程將土柱放入盛滿水的圓桶中，使水面高于土面約5 cm，浸泡24 h。干燥過(guò)程選擇恒溫烘箱來(lái)加速土壤內(nèi)部水分蒸發(fā)，將飽和的土柱放入60 ℃烘箱內(nèi)烘干72 h，此為1次干濕過(guò)程[16]，干濕過(guò)程共重復(fù)7次。濕潤(rùn)過(guò)程中，土壤表面放置1層濾紙，防止注水過(guò)程水滴對(duì)表層土壤產(chǎn)生濺蝕，保持表層土壤平整；干燥過(guò)程將濾紙去除，不影響水分蒸發(fā)。最后1次干燥過(guò)程結(jié)束后，對(duì)每個(gè)土柱表面進(jìn)行拍照，獲得土壤表面裂隙的高清圖像。

1.3 裂隙圖像處理及參數(shù)計(jì)算

1.3.1 裂隙圖像處理 采用Image J(1.51版本)軟件進(jìn)行圖像的處理。Image J圖像分析軟件可以實(shí)現(xiàn)圖像的預(yù)處理、閾值分割、去除噪點(diǎn)、參數(shù)提取等一系列操作。

首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，為了去除邊界效應(yīng)，裁剪掉約1/6直徑的外圍圖像，得到直徑約8.3 cm的圓形區(qū)域。由于彩色圖像數(shù)據(jù)量太大，不方便處理，將圖像轉(zhuǎn)化為只有黑白兩色的灰度圖像(圖1a)，灰度值為0至255。使用增強(qiáng)對(duì)比度的方法增加裂隙與土壤顆粒的色彩差異(圖1b)。

圖像預(yù)處理完成后，使用閾值分割功能將裂隙從圖像中提取出來(lái)并轉(zhuǎn)化為二值圖像(圖1c)。然后去除圖像上的無(wú)關(guān)噪點(diǎn)(圖1d)。最后進(jìn)行骨架化處理，骨架化處理即提取裂隙的中軸線，使裂隙圖像轉(zhuǎn)化為單位像素寬度的圖像(圖1e)，骨架化用于計(jì)算裂隙條數(shù)。

圖1 石灰石土表面裂隙圖像處理過(guò)程

1.3.2 裂隙參數(shù)計(jì)算

(1) 裂隙條數(shù)N：相鄰兩個(gè)交點(diǎn)之間的部分為一條裂隙。使用Image J中的Bone J插件對(duì)骨架化圖像進(jìn)行骨架分析得出裂隙條數(shù)。

(2) 裂隙平均寬度WAC(average crack width)、裂隙平均長(zhǎng)度LAC(average crack length)和裂隙總長(zhǎng)度LTC(total crack length)，這3個(gè)指標(biāo)用來(lái)表示裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何特征。使用Image J中的Bone J插件進(jìn)行寬度分析，得出裂隙的平均寬度。裂隙骨架化之后得到單位寬度裂隙圖像，單位寬度裂隙所占像素即是裂隙總長(zhǎng)度。裂隙平均長(zhǎng)度由裂隙總長(zhǎng)度除以裂隙條數(shù)得到。

(1)

式中：LTC表示裂隙總長(zhǎng)度(mm)；N表示裂隙條數(shù)。

(3) 表面裂隙率RSC(surface crack rate)：土壤表面裂隙面積與總面積之比，反映土體開(kāi)裂程度。使用Image J軟件自帶的像素測(cè)量功能，測(cè)量裂隙圖像黑色像素的個(gè)數(shù)，并計(jì)算出裂隙率。

(2)

式中：AC表示裂隙網(wǎng)絡(luò)所占面積(mm2)；A表示試樣面積(mm2)。

(4) 分形維數(shù)DF(Fractal dimension)：分形維數(shù)可以描述土壤表面裂隙的分布情況和復(fù)雜程度，Image J軟件中的Bone J插件提供了測(cè)量分形維數(shù)的功能，該功能采用“數(shù)盒子”方法計(jì)算裂隙結(jié)構(gòu)的分維值。

2 結(jié)果與分析

2.1 含礫石石灰土表面裂隙發(fā)育特征

不同礫石條件下石灰土表面裂隙見(jiàn)圖2，無(wú)礫石石灰土的平均表面裂隙率僅為3.03%(圖2)。其它學(xué)者研究得到膨脹土的表面裂隙率為5%左右[5,9]。石灰土的表面裂隙率較小可能是由于黏粒含量相對(duì)偏低導(dǎo)致的。所有含礫石石灰土土柱的表面裂隙率平均值為7.18%，高于無(wú)礫石石灰土2.4倍。圖2中處理為2～12.5 mm，40%的表面裂隙率最大，為8.66%，是無(wú)礫石石灰土的2.9倍。

對(duì)比圖2中同一粒徑不同含量的裂隙圖像，從單個(gè)裂隙的形態(tài)來(lái)看，隨著礫石含量的增多，裂隙條數(shù)變多，裂隙寬度變窄。圖2中處理為2～12.5 mm，10%的裂隙條數(shù)為144條，而圖2中處理為2～12.5 mm，40%的裂隙條數(shù)為475條，裂隙條數(shù)增長(zhǎng)了3.3倍。拓展到整個(gè)土壤表面裂隙網(wǎng)絡(luò)，隨著礫石含量的增多，裂隙網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)變得狹窄且密集。

注：圖中百分?jǐn)?shù)為礫石含量； 數(shù)字1—9為土樣編號(hào)。

土體裂隙主要是由于土壤孔隙的擴(kuò)大和開(kāi)裂，在土體的含水量降低時(shí)，由于含水量分布不均勻，在土壤顆粒之間產(chǎn)生含水量梯度，導(dǎo)致局部應(yīng)力產(chǎn)生差異，從而使土壤孔隙不斷擴(kuò)張，最終導(dǎo)致土體開(kāi)裂[18]。而土壤中添加礫石，原本的土壤顆粒之間的連接會(huì)被礫石打斷，形成巖土界面。由于土壤和巖石收縮性差異巨大，當(dāng)含水量減小時(shí)，巖土界面更容易形成裂隙[19]。巖土界面會(huì)形成兩種形態(tài)的裂隙：①圍繞礫石的裂隙；②向外延伸的裂隙(見(jiàn)圖3)。從圖3中還可以看出，在礫石形態(tài)的棱角處，容易產(chǎn)生向外延伸的裂隙，可以稱(chēng)之為主裂隙?？拷[石棱角處的裂隙寬度最大，向外延伸的裂隙寬度會(huì)逐漸減小，并產(chǎn)生分支或者與另一條裂隙相連接。因此，隨著碎石含量的提高，主裂隙也會(huì)越多，同時(shí)產(chǎn)生越來(lái)越多的分支，使土壤基質(zhì)破碎，裂隙網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜。

圖3 受礫石影響的石灰石土表面裂隙發(fā)育

2.2 大粒徑條件下礫石含量對(duì)裂隙發(fā)育的影響

表3中的數(shù)據(jù)可以定量描述大粒徑條件下礫石含量對(duì)裂隙發(fā)育的影響。所有礫石含量大于10%的試樣，裂隙參數(shù)都與無(wú)礫石對(duì)照組存在較大差異，其中表面裂隙率、裂隙條數(shù)、裂隙平均寬度、裂隙總長(zhǎng)度以及分形維數(shù)都大于對(duì)照組。根據(jù)表3中表面裂隙率和裂隙條數(shù)的方差分析結(jié)果，1號(hào)(無(wú)礫石)與3號(hào)(20%，5～12.5 mm)，4號(hào)(30%，5～12.5mm)，5號(hào)(40%，5～12.5mm)存在顯著性差異。裂隙平均寬度的方差分析結(jié)果顯示無(wú)礫石試樣與含礫石試樣存在顯著性差異。

表3 大粒徑礫石條件下石灰石土表面裂隙網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果

針對(duì)各個(gè)裂隙參數(shù)與礫石含量進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)所有裂隙參數(shù)均與礫石含量成顯著線性相關(guān)(p<0.05)。隨著礫石含量的增加，裂隙條數(shù)增加，平均寬度和平均長(zhǎng)度減小，分形維數(shù)提高，裂隙網(wǎng)絡(luò)分布得更為密集。裂隙平均寬度、裂隙平均長(zhǎng)度、裂隙總長(zhǎng)度可以描述裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何特征[20]。裂隙總長(zhǎng)度與礫石含量呈正相關(guān)性，裂隙平均長(zhǎng)度與礫石含量呈負(fù)相關(guān)性。裂隙總長(zhǎng)度增加，而平均長(zhǎng)度減小，說(shuō)明裂隙網(wǎng)絡(luò)被礫石分割成更多的小裂隙。裂隙條數(shù)與礫石含量呈正相關(guān)性，添加礫石會(huì)使土壤表面裂隙條數(shù)增多，這也證明了礫石會(huì)分割原有的裂隙路徑。在本試驗(yàn)中，裂隙條數(shù)被定義為兩個(gè)裂隙節(jié)點(diǎn)之間的路徑。隨著礫石含量增多，土壤表面裂隙網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)也會(huì)增多，導(dǎo)致裂隙條數(shù)增多。

圖4 大粒徑礫石配置不同礫石含量對(duì)石灰石土表面裂隙參數(shù)的影響

礫石會(huì)使土壤表面裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)提高，分形維數(shù)表示裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度[21]。由圖4f可知，礫石含量與裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度成正比，在本試驗(yàn)中40%含量配置的裂隙網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜。

2.3 小粒徑條件下礫石含量對(duì)裂隙發(fā)育的影響

結(jié)合表4，從圖4和圖5中可以看出，小粒徑(2～5 mm)礫石配置的裂隙參數(shù)同樣與礫石含量具有顯著線性相關(guān)性。小粒徑礫石配置的表面裂隙率與礫石含量成負(fù)相關(guān)，這與大粒徑礫石配置是相反的。除此之外，其余參數(shù)的線性相關(guān)性與大粒徑礫石配置是一致的。整體也表現(xiàn)出礫石含量越大，裂隙網(wǎng)絡(luò)就會(huì)越復(fù)雜。

表4 小粒徑礫石條件下石灰石土表面裂隙網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果

圖5 小粒徑礫石配置不同礫石含量對(duì)石灰石土表面裂隙參數(shù)的影響

不同粒徑配置的表面裂隙率變化規(guī)律不同，添加大粒徑礫石的土柱表面裂隙率與礫石含量成正相關(guān)，礫石含量40%時(shí)達(dá)到最大，為8.66%，而添加小粒徑礫石的土柱表面裂隙率與礫石含量成負(fù)相關(guān)，在礫石含量10%時(shí)最大，為8.62%。造成這種現(xiàn)象的原因可能有兩點(diǎn)，首先是由于大粒徑礫石的幾何形態(tài)不規(guī)則，大粒徑礫石的棱角更多，隨著礫石含量的增加，越容易產(chǎn)生主裂隙，而小粒徑礫石更接近球體或者正方體；其次小粒徑礫石配置的裂隙平均寬度減小的幅度太大，導(dǎo)致裂隙率變小。裂隙平均寬度與礫石含量呈負(fù)線性相關(guān)趨勢(shì)。小粒徑礫石配置的試樣中，裂隙平均寬度從1.232 mm減小到0.382 mm，降幅為0.850 mm。大粒徑礫石配置的裂隙平均寬度從0.852 mm減小到0.676 mm，降幅為0.176 mm。從圖2中也可以直觀的看出，隨著礫石含量增加，寬度較小的裂隙數(shù)量會(huì)變多，裂隙網(wǎng)絡(luò)具有更均勻的裂隙寬度并變得更加復(fù)雜。DeCarlo等[22]也觀察到礫石影響下裂隙平均寬度的相同趨勢(shì)。

對(duì)比圖4和圖5，在相同礫石含量時(shí)，小粒徑礫石配置的裂隙條數(shù)、裂隙總長(zhǎng)度、分形維數(shù)都大于大粒徑礫石配置，而平均裂隙長(zhǎng)度小于大粒徑礫石配置，小粒徑最大含量配置的分形維數(shù)達(dá)到最大。這說(shuō)明當(dāng)?shù)[石含量相同時(shí)，小粒徑礫石使裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育更復(fù)雜[16]。

3 結(jié) 論

(1) 無(wú)礫石石灰土的平均表面裂隙率僅為3.03%，含礫石石灰土土柱的表面裂隙率平均值為7.18%，是無(wú)礫石石灰土土柱的2.4倍，大粒徑(5.0～12.5 mm)高含量(40%)條件下的表面裂隙率最大，達(dá)到8.66%。裂隙率的增加表明了礫石會(huì)促進(jìn)表面裂隙發(fā)育，進(jìn)而弱化土體的抗侵蝕能力。

(2) 裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)與礫石含量存在顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)[石含量增加時(shí)，裂隙的形態(tài)變得細(xì)小且密集。小粒徑礫石會(huì)使裂隙網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，相同礫石含量時(shí)，小粒徑配置的分形維數(shù)均大于大粒徑配置。

(3) 礫石粒徑對(duì)表面裂隙率的影響存在臨界值。大粒徑(5～12.5mm)條件下的土壤表面裂隙率與礫石含量成正線性相關(guān)，而小粒徑(2～5mm)條件下的裂隙率與礫石含量成負(fù)線性相關(guān)。

(4) 礫石會(huì)成為裂隙發(fā)育的基點(diǎn)，每個(gè)礫石顆粒周?chē)加锌赡墚a(chǎn)生圍繞礫石或是向外延伸的裂隙。且在礫石形態(tài)的棱角處，容易產(chǎn)生向外延伸的裂隙?？拷[石棱角處的裂隙寬度最大，向外延伸的裂隙寬度會(huì)逐漸減小，并產(chǎn)生分支或者與另一條裂隙相連接。