黏性土干縮開裂特征規(guī)律研究現(xiàn)狀分析

胡忠平 段劉賀

摘 要 黏土在干燥氣候環(huán)境下會失水干縮變形并產(chǎn)生裂隙，裂隙會對土體的工程性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，并由此引發(fā)各種工程地質(zhì)災(zāi)害，因此關(guān)于黏土的干縮開裂研究逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點?；趪鴥?nèi)外近些年關(guān)于黏土干縮開裂所開展的研究工作，從黏性土干縮開裂試驗方法及其開裂特征規(guī)律等方面對現(xiàn)有的研究成果進行總結(jié)歸納。

關(guān)鍵詞 黏土;干縮開裂;試驗方法;發(fā)育特征

中圖分類號：TU43 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.26.095

1 黏土概述

黏土作為載體被廣泛應(yīng)用于人類工程地質(zhì)活動中，如工程建筑中的基礎(chǔ)處理、高速公路和鐵路工程路基處理及邊坡穩(wěn)定與加固處理等。然而，在氣候干旱環(huán)境下，黏土干燥失水收縮易發(fā)生開裂，在工程表面形成犬牙交錯的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙的存在不僅降低了黏土體的整體性、連續(xù)性，還改變了黏土的物理力學(xué)性質(zhì)，繼而引發(fā)一系列的工程地質(zhì)問題。

黏土失水收縮引起的開裂問題涉及多個學(xué)科領(lǐng)域。在工程地質(zhì)領(lǐng)域，裂隙的存在是造成土質(zhì)邊坡發(fā)生滑坡和泥石流等災(zāi)害的重要因素。土體中發(fā)育的裂隙為降水入滲提供了優(yōu)先快捷的通道，土體滲透性成倍增加，其抗剪強度和邊坡安全系數(shù)大幅下降。在基礎(chǔ)工程建設(shè)方面，有研究顯示，紅黏土具有含水量高、塑性高、孔隙率高的特殊工程性質(zhì)，在干濕循環(huán)條件下作為路基填料易發(fā)生變形破壞，對路基造成危害[1]。環(huán)境工程領(lǐng)域也存在不少關(guān)于土體開裂引發(fā)環(huán)境問題的報道，如在干濕循環(huán)、溫度變化等條件下用于垃圾填埋場的黏土襯墊層常發(fā)生嚴重開裂，導(dǎo)致防滲屏障阻隔功效降低甚至失效，垃圾滲濾液泄露入滲地下水，導(dǎo)致環(huán)境污染[2]。由此可見，黏土干縮開裂問題涉及領(lǐng)域廣泛、牽涉工程問題眾多，為了防治黏土在工程應(yīng)用中的開裂現(xiàn)象，國內(nèi)外眾多研究人員對此展開了研究。因此，基于國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，總結(jié)歸納有關(guān)黏性土干縮開裂的研究方法以及關(guān)于其開裂特征規(guī)律的研究進展。

2 黏性土干縮開裂試驗研究

2.1 室內(nèi)試驗研究

在土體開裂室內(nèi)試驗研究方法中，一般采用控制變量法和對比試驗研究一個或多個參數(shù)對土體裂隙發(fā)育特征及其形成機理的影響，包括試樣尺寸大小、土樣厚度、密度、含水量、蒸發(fā)率、環(huán)境溫度、相對濕度及干濕循環(huán)次數(shù)等。

孫希望等[3]對昆明地區(qū)壓實紅黏土開展直剪與三軸試驗，研究表明壓實紅黏土的抗剪強度與含水率呈負相關(guān)關(guān)系，與紅黏土壓實度呈正相關(guān)關(guān)系。Lakshmikantha等[4]提出土體開裂應(yīng)力和試樣的尺寸密切相關(guān)。謝建寶等[5]以江蘇省常州地區(qū)的地表黏土為研究對象得出含水率變化速率和試樣裂隙率隨著土層的增厚而減小。唐朝生等[6]取南京地區(qū)的粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土進行相應(yīng)室內(nèi)試驗來研究土層厚度與裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育規(guī)律的關(guān)系。施國棟等[7]的室內(nèi)龜裂試驗結(jié)果表明，隨著溫度升高，黏性土裂隙率和分維值增長且龜裂發(fā)育時間縮短，裂隙寬度變寬。周東等[8]以飽和黏土為研究對象，在改變環(huán)境溫度、濕度條件下進行研究觀察分析，結(jié)果表明裂隙率、平均塊區(qū)面積及分維數(shù)隨環(huán)境濕度的增加而減小，而塊區(qū)個數(shù)和最大塊區(qū)面積增加。黃少平等[9]開展了大量三軸壓縮試驗并建立劣化模型，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙逐漸發(fā)育，黏土黏聚力呈指數(shù)下降趨勢且趨勢不斷減緩，抗剪強度顯著降低。當(dāng)前對于各影響因素與黏土干縮開裂間的研究主要集中于黏土表面的開裂發(fā)育特征及規(guī)律，所以揭示黏土內(nèi)部開裂情況是當(dāng)前該領(lǐng)域仍需探討研究的方向。黏土干縮開裂受諸多因素影響，國內(nèi)外不少學(xué)者也已對這些參數(shù)與黏土干縮開裂規(guī)律間的關(guān)系開展了研究，但黏土裂隙發(fā)育是一個繁復(fù)龐雜、多因素綜合作用的過程，因此針對各因素在影響裂隙產(chǎn)生發(fā)育過程的貢獻量及多因素耦合分析的研究在該領(lǐng)域未來發(fā)展中顯得尤為重要。

2.2 裂隙網(wǎng)絡(luò)定量分析

對裂隙網(wǎng)絡(luò)進行量化分析及評價也是研究黏土干縮開裂的重要環(huán)節(jié)。Baer等[10]采用攝像的方式記錄下裂隙發(fā)育照片，對土壤表面裂隙面積、裂隙邊緣分形維數(shù)、質(zhì)量分形維數(shù)及土壤表面裂隙間的空隙數(shù)字化圖像進行分析研究。李雄威等[11]等學(xué)者運用MATLAB軟件對裂縫圖像進行二值化分析統(tǒng)計。劉春等[12]開發(fā)了巖土體裂隙網(wǎng)絡(luò)圖像分析系統(tǒng)CIAS，可直接得到裂縫各參數(shù)指標(biāo)。楊振北等[13]以安徽省合肥市膨脹土為研究對象，開展了干濕循環(huán)-CT掃描試驗并提取灰度值及灰度共生矩陣來研究裂隙發(fā)育狀態(tài)的變化。

3 黏性土開裂特征規(guī)律研究

近年來，很多學(xué)者對黏性土開裂特征規(guī)律展開了觀察研究。施斌等[14]將黏性土龜裂過程分為龜裂形成、發(fā)展、穩(wěn)定和固定四個階段。1）在試樣含水率相對較低的部分首先出現(xiàn)短小裂隙，不斷發(fā)展后構(gòu)成裂隙骨架;2）裂隙骨架上逐漸發(fā)育次一級的龜裂;3）裂隙條數(shù)逐漸穩(wěn)定，但其寬度不斷增加;4）龜裂網(wǎng)絡(luò)基本不變。施斌等[14]還發(fā)現(xiàn)了近乎所有裂紋都垂直相交，將土樣分割成以四邊形為主的多邊形塊區(qū)。陳開圣[15]發(fā)現(xiàn)，首次脫濕干縮下試樣邊界出現(xiàn)裂縫，加水后黏土樣表面中部出現(xiàn)大量短小裂隙，隨著脫濕加水循環(huán)繼續(xù)進行，裂隙從中部向邊緣發(fā)展且逐漸變大，細微裂隙逐步消失。張宏等[16]發(fā)現(xiàn)細小裂縫首先出現(xiàn)于試樣表面圓心和周邊，隨著試樣繼續(xù)干燥失水，裂隙延伸擴展，其長度和平均寬度達到峰值后，裂隙開始回縮?？傮w而言，在試驗中普遍發(fā)現(xiàn)裂隙先在試樣表面聯(lián)結(jié)較弱、應(yīng)力集中處產(chǎn)生，第二期裂紋以稍大于90°方向向中間延伸發(fā)展，隨后產(chǎn)生的裂紋與前期裂紋基本呈垂直發(fā)育，形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)將試樣分割成大多為四邊形的不規(guī)則多邊形。

4 結(jié)語

隨著我國各種工程建設(shè)活動的迅猛發(fā)展，黏土的應(yīng)用也愈來愈廣泛。然而，黏土在干燥氣候環(huán)境下易失水干縮，產(chǎn)生裂隙，對相應(yīng)工程的穩(wěn)定性、安全性、可靠性帶來了極大危害。因此，研究黏土體干縮開裂問題對實際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。通過總結(jié)近年來國內(nèi)外關(guān)于黏性土干縮開裂機理、研究方法及黏性土開裂特征規(guī)律等方面的研究成果，為黏土的工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：趙中正）