干濕交替下膨脹土裂隙演化與強度衰減規(guī)律試驗研究

汪時機，楊振北，李 賢，駱趙剛，許 沖，李 達

干濕交替下膨脹土裂隙演化與強度衰減規(guī)律試驗研究

汪時機1,2，楊振北1，李 賢1，駱趙剛1，許 沖1，李 達1

（1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2. 重慶市建筑物全生命周期健康檢測與災(zāi)害防治工程研究中心，重慶 408100）

為揭示干濕循環(huán)效應(yīng)下膨脹土脹縮裂隙的演化特征及土體結(jié)構(gòu)強度的劣化規(guī)律，對合肥弱膨脹土試樣開展不同循環(huán)幅度下的干濕循環(huán)試驗，利用圖像處理技術(shù)從試樣表面裂隙圖像中提取出裂隙參數(shù)，并進行低應(yīng)力下的抗剪強度試驗。試驗結(jié)果表明：1）裂隙開展分為裂隙醞釀期、裂隙快速傳播期和裂隙平穩(wěn)發(fā)展期3個階段，裂隙指標(biāo)的增長主要集中在裂隙快速傳播期，且循環(huán)幅度的增大會使土體的開裂程度加??；2）在干濕循環(huán)作用下，膨脹土的內(nèi)摩擦角變化幅度小于2.2°，其受干濕循環(huán)次數(shù)的影響很小，土體的強度衰減主要源于粘聚力的大幅降低。膨脹土的粘聚力呈現(xiàn)出先快后緩的衰減趨勢，其中前4次干濕循環(huán)期間粘聚力的衰減率達到50.97%～66.92%，且衰減率也與干濕循環(huán)幅度的大小密切相關(guān)；3）通過灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，粘聚力的衰減與裂隙面積率、裂隙總長度、裂隙平均寬度的變化趨勢具有明顯的關(guān)聯(lián)性，其中裂隙面積率的關(guān)聯(lián)度最大，其與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度為0.785～0.832，相應(yīng)的權(quán)重達到0.461～0.472，且裂隙面積率與粘聚力衰減率間具有較好的線性關(guān)系，而裂隙平均寬度的關(guān)聯(lián)度最小，其與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度為0.392～0.414，對應(yīng)的權(quán)重僅為0.228～0.240。研究成果可為進一步揭示劇烈溫濕變化誘發(fā)的膨脹土邊坡災(zāi)變機理提供重要依據(jù)。

裂隙；抗剪強度；干濕循環(huán)；膨脹土；灰色關(guān)聯(lián)分析

0 引 言

膨脹土是一種富含強親水性黏土礦物、對環(huán)境濕熱變化異常敏感的典型裂隙性黏土[1]。膨脹土自身的高脹縮性和低滲透性[2]使其歷經(jīng)降雨、蒸發(fā)后反復(fù)發(fā)生不均勻脹縮，從而萌生裂隙，并發(fā)育擴展。土體表層產(chǎn)生的縱橫交錯的裂隙網(wǎng)絡(luò)會危害到土體結(jié)構(gòu)的完整性，為地表水的入滲提供優(yōu)勢通道，對土石壩、河庫、渠道等防滲屏障設(shè)施造成極大破壞。在雨季，雨水通過裂隙下滲，導(dǎo)致土體內(nèi)部軟化，抗剪強度急劇下降，極易誘使膨脹土邊坡淺層失穩(wěn)垮塌，使得農(nóng)田水利設(shè)施被破壞，洪旱禍患加劇，最終給整個生態(tài)環(huán)境帶來負面效應(yīng)[3-4]。在極端季節(jié)性氣候頻發(fā)的背景下，干濕效應(yīng)下的土體強度劣化已成為危害膨脹土工程建設(shè)長期穩(wěn)定的重要因素[5-8]。

為揭示干濕循環(huán)作用下膨脹土的強度劣化規(guī)律，許多學(xué)者開展了一系列有益探索。Nowamooz等[9-11]研究了干濕循環(huán)效應(yīng)下膨脹土的剪切強度特性，發(fā)現(xiàn)膨脹土抗剪強度的衰減主要由土體粘聚力降低引起，且上覆荷載能較好地抑制強度的衰減。呂海波等[12-13]對干濕循環(huán)效應(yīng)下南寧膨脹土強度變化規(guī)律展開試驗研究，并采用Ｓ型曲線函數(shù)較好地描述了強度衰減曲線。吳珺華等[14]總結(jié)了裂隙性膨脹土抗剪強度在反復(fù)干濕過程中的變化規(guī)律，并提出了考慮裂隙影響的非飽和膨脹土抗剪強度模型。李新明等[15]依照工程實際運營狀況，探討了膨脹土在干濕循環(huán)前后干密度和循環(huán)幅度對其殘余剪切強度的影響。上述研究成果揭示了土體強度在大氣營力下的變化規(guī)律，具有深遠的理論和工程意義。

然而，目前研究大多以干濕循環(huán)次數(shù)為變量來分析膨脹土力學(xué)性能的劣化規(guī)律，卻未能較好地將膨脹土強度的衰減與土體脹縮裂隙的發(fā)育情況相聯(lián)系，對裂隙演化規(guī)律也缺少定量描述。事實上，裂隙的發(fā)育是造成膨脹土強度衰減的根本因素，干濕循環(huán)作用直接促進了膨脹土裂隙的發(fā)育，使得裂隙迅速擴展、貫通[16-19]，故在確定土體強度指標(biāo)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮裂隙的開展情況。而近年來膨脹土脹縮裂隙演化定量觀測已成為膨脹土裂隙研究的熱點，與土體工程特性密切相關(guān)的裂隙形狀參數(shù)（如裂隙長度、面積率、寬度等）被用作描述裂隙演化程度的量化指標(biāo)，且其量測手段也日趨豐富。蔡正銀等[20-21]、胡東旭等[22]采用計算機斷層掃描技術(shù)（CT法）和三維重建技術(shù)分別研究了凍融循環(huán)、干濕循環(huán)作用下膨脹土三維裂隙的演變規(guī)律；袁俊平等[23]利用遠距光學(xué)顯微鏡對土體表面開裂進行連續(xù)觀測，但考慮到目前試驗條件的限制和對成本的控制，這些方法還不便于推廣，而超聲波法[24]和電阻率法[25]距用于定量化研究也尚有一定距離。目前，數(shù)字圖像法因具有快速、準(zhǔn)確、低成本等優(yōu)點，仍然是土體裂隙連續(xù)、無損、客觀觀測裂隙發(fā)育過程較為高效便捷的手段，為眾多學(xué)者廣泛采用，并取得了豐碩的研究成果[26-28]。

除此之外，膨脹土邊坡失穩(wěn)具有淺層性[29]，滑塌面的上覆壓力一般不超過50 kPa[30]，而以往研究所采用的常規(guī)直剪試驗在施測時一般選取50或100 kPa作為最小正應(yīng)力，這顯然有悖于邊坡實際破壞狀況。因此，應(yīng)當(dāng)由邊坡滑塌的實際狀況出發(fā)，考慮低應(yīng)力狀態(tài)下的土體抗剪強度。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文選取引江濟淮工程沿線邊坡膨脹土為研究對象，通過室內(nèi)試驗對干濕交替下膨脹土脹縮裂隙的演化特征進行模擬，運用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取膨脹土表面的脹縮裂隙信息，獲得定量化描述參數(shù)，結(jié)合干濕循環(huán)后的膨脹土在低應(yīng)力下的直剪試驗結(jié)果，定量表征裂隙演化和土體結(jié)構(gòu)強度衰減之間的關(guān)聯(lián)性，以期進一步明確干濕循環(huán)效應(yīng)下的裂隙萌發(fā)對于膨脹土強度變化規(guī)律的影響，為工程領(lǐng)域運用裂隙演化指標(biāo)來預(yù)測土體強度參數(shù)提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土料及試樣制備

本試驗所用膨脹土取自合肥引江濟淮工程引水渠道邊坡，取土深度為2 m。天然土呈棕黃色，土質(zhì)密實，富含鐵錳結(jié)核，如圖1。土體在取土深度處并未受到明顯擾動，其天然含水率為24.22%，干密度為1.50 g/cm3。通過室內(nèi)試驗獲取土體的基本物理指標(biāo)為：相對密度為2.75，液限為52.6%，塑限為26.1%，自由膨脹率為52%。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，試驗用土為弱膨脹土。

將取回的膨脹土在自然風(fēng)干后徹底粉碎，并過2 mm篩。配料時先將過篩的土料稱量后分層鋪撒在搪瓷盤中，于散土表面噴灑適量的蒸餾水并充分拌和，然后將試樣密封48 h，使土料中的水分充分?jǐn)U散。試樣的初始干密度為1.50 g/cm3，為使得試樣脹縮裂隙形態(tài)更加明顯，初始含水率設(shè)計為18%。稱取適量配制好的土料，采用靜壓法緩慢壓實，壓實速率控制為2 mm/min，直至將稱取的土料完全壓入模具當(dāng)中，試樣的直徑為61.8 mm，高20 mm，壓實后密度為1.77g/cm3。

1.2 干濕循環(huán)試驗

考慮到地表以下不同深度范圍內(nèi)土體受大氣營力的影響有所差異，致使含水率變化路徑不同，依照現(xiàn)場試驗結(jié)果，設(shè)置3種干濕循環(huán)含水率變化范圍：10%～20%、10%～28%、10%～35%，對應(yīng)的循環(huán)幅度Δ1、Δ2、Δ3分別為10、18、25個百分點。總循環(huán)次數(shù)設(shè)定為6次，試驗過程中的控制含水率與初始含水率（18%）保持一致，以循環(huán)幅度18個百分點的試樣（Δ2）為例，其干濕路徑及含水率控制點如圖2所示。

在試驗中通過稱重法來控制含水率，干濕循環(huán)過程分為加濕和脫濕2個步驟。加濕過程：將試樣置于搪瓷盤中，于試樣上面和底面各用1張濕濾紙和1塊透水石覆蓋，以避免試樣吸水后崩解，并確保試樣能均勻潤濕。為模擬土體底部毛細水作用及上部降雨浸入，在盤底預(yù)先注入一定量的水，使水面恰好與底部透水石平齊，同時，使用小型噴壺每隔0.5 h在試樣頂面的透水石上噴水，待稱質(zhì)量達到預(yù)設(shè)目標(biāo)含水率時用保鮮膜將其密封好，放入保濕缸中密封不少于48 h，確保試樣內(nèi)外含水率平衡。脫濕過程：通過上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的DHG-9030型恒溫烘箱對加濕完成的試樣進行不鼓風(fēng)脫濕，溫度控制為35 ℃。脫濕24 h后定時取出試樣，放置在精度為0.01 g的天平上稱取質(zhì)量校核瞬時含水率，當(dāng)試樣脫濕至含水率控制點時，將其放入保濕缸密封24 h，該過程為1次干濕循環(huán)，如此實施0～6次干濕循環(huán)。

1.3 數(shù)字圖像處理

每次脫濕完成后，將試樣置于拍照臺進行觀測，追蹤土體的開裂情況。為取得高質(zhì)量的裂隙照片，拍照時遮蔽其他光源，僅用LED燈照明，確保拍攝環(huán)境始終一致，以免光線干擾拍照效果。

拍照后所獲得的原始圖像為RGB彩色圖像，若直接處理，即從色彩上區(qū)分開土塊和裂隙，則產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大。此外，試樣表面通常具有不均勻性，如局部陰暗部分或裂隙中摻雜著土顆粒，這些區(qū)域如不去除，則會影響后續(xù)分析結(jié)果。因此，為了對裂隙圖像展開高效、精確的定量分析，本文采用基于MATLAB開發(fā)的圖像處理軟件（TXCLS310Lab）對裂隙圖像統(tǒng)一進行灰度化、除噪、二值化、骨架化等一系列預(yù)處理，相關(guān)操作流程如圖3所示。

在取得的裂隙二值圖及其骨架基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計試樣裂隙面積率、裂隙平均寬度、裂隙總長度等指標(biāo)來定量表征土體脹縮裂隙演變形態(tài)。其中，裂隙面積率指試樣裂隙投影面積與試樣表面積的比值，表征試樣裂隙的總體開展?fàn)顩r；裂隙總長度為的試樣表面所有裂隙長度的總和；裂隙平均寬度為裂隙總面積與裂隙總長度的比值，用以反映發(fā)育裂隙的張開程度。這些指標(biāo)作為影響膨脹土工程特性的幾何要素，從不同角度反映了土體裂隙演變的劇烈程度以及土體表面的破損程度。

1.4 膨脹土低應(yīng)力下的直剪強度試驗

將已完成相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)并拍照的試樣轉(zhuǎn)移至真空缸中進行抽氣飽和。隨后將飽和完成的試樣取出裝入南京土壤儀器公司生產(chǎn)的ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀中進行快剪試驗。試樣剪切過程中，剪切速率恒定為0.8 mm/min，施加的上覆荷載分別為5、10、30和50 kPa。需要指出的是，本次試驗所使用的直剪儀的標(biāo)準(zhǔn)配荷的最小荷載為50 kPa，因此，5、10及30 kPa這3級正應(yīng)力通過稱取等效質(zhì)量的試驗砂來施加，其余正應(yīng)力均根據(jù)儀器操作要求通過杠桿配質(zhì)量施加。

為較好地描述試樣抗剪強度指標(biāo)的衰減規(guī)律，對直剪強度試驗結(jié)果進一步處理，定義粘聚力衰減率：

式中為干濕循環(huán)次數(shù)，=0,1,2,…,6；0、c分別為0、次干濕循環(huán)后試樣的粘聚力，kPa。

1.5 灰色關(guān)聯(lián)度分析

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法定量表征土體脹縮裂隙各項指標(biāo)與其抗剪強度參數(shù)的劣化之間聯(lián)性的強弱。灰色關(guān)聯(lián)度分析方法作為灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分，基本思想為：通過兩系統(tǒng)因素發(fā)展趨勢之間的相似比較來衡量因素之間聯(lián)系的緊密程度[31]，其計算步驟如下：

1）建立參考數(shù)列和比較數(shù)列?？紤]到膨脹土的抗剪強度在干濕循環(huán)作用擾動下所表現(xiàn)出的強度衰減主要由土體粘聚力的降低來反映，因此以0～6次干濕循環(huán)后的土體粘聚力衰減率來構(gòu)造參考數(shù)列，記作0={0()}，其中0()指代次干濕循環(huán)后的粘聚力衰減率，%；以0～6次干濕循環(huán)后裂隙面積率、裂隙總長度和裂隙平均寬度3項影響因子構(gòu)成比較數(shù)列，分別記作1={1()}、2={2()}和3={3()}，如2(2)表示土體經(jīng)歷2次干濕循環(huán)后的裂隙總長度值，mm。

2）無量綱化處理?？紤]到原始數(shù)據(jù)的單位存在差異，無法直接展開關(guān)聯(lián)度計算。為使系統(tǒng)分析具有準(zhǔn)確性及可比性，需采用均值化來消除量綱。

3）求取差序列Δ()|=|x?x|,（=0,1,2,…,6，=1,2,3且≠）并找出最大差maxmax|0()?x()|和最小差minmin|0()?x()|。

4）求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ε()。

式中為分辨系數(shù)，一般取值0.5[32]。

5）關(guān)聯(lián)度和權(quán)重的求取。

關(guān)聯(lián)度

權(quán)重

式中為參考數(shù)列的個數(shù)；為裂隙指標(biāo)與粘聚力間的關(guān)聯(lián)度，=1,2,3，1、2、3分別表示裂隙面積率、裂隙總長度和裂隙平均寬度與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度；為關(guān)聯(lián)度對應(yīng)的權(quán)重，1、2、3表示1、2、3所對應(yīng)權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 土體裂隙特征定量分析

根據(jù)所獲得的裂隙量化參數(shù)，進一步繪制出了不同循環(huán)幅度和循環(huán)次數(shù)控制條件下的土體各裂隙指標(biāo)的觀測趨勢曲線（圖4）。由圖4可見，膨脹土試樣裂隙指標(biāo)均隨循環(huán)次數(shù)的增加呈典型的臺階型增長趨勢。總體上，裂隙發(fā)育過程大致經(jīng)歷3個變化階段：裂隙醞釀階段、裂隙快速傳播階段和裂隙平穩(wěn)發(fā)育階段。以干濕循環(huán)幅度為18個百分點的試樣（Δ2）為例分析，其裂隙醞釀階段主要發(fā)生在干濕循環(huán)初期（=0～1），此階段試樣的完整性較好，試樣開裂緩慢，只在局部產(chǎn)生少量的微裂隙，故裂隙指標(biāo)變化曲線相對平緩，但為后續(xù)土體裂隙的劇烈發(fā)育做積累。而到了快速傳播階段（>1～3），此時土體開裂程度最為劇烈，主要表現(xiàn)為初始裂隙進一步拓寬和次生裂隙逐漸萌生，曲線持續(xù)陡峭上升，試樣裂隙的總長度和寬度均呈明顯增長趨勢，因而裂隙面積率也大幅度上升，在第3次干濕循環(huán)結(jié)束時，其值為第1次循環(huán)后的3倍。此后，隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)作用，曲線開始發(fā)生轉(zhuǎn)折并有平緩的趨勢，在第4次干濕循環(huán)時，土體開裂逐漸過渡到平穩(wěn)階段，裂隙面積率和長度的增長勢頭有所放緩，裂隙平均寬度甚至開始呈現(xiàn)下降的潛勢。在干濕循環(huán)后期（=5～6），曲線趨向平緩，裂隙面積率和長度趨近峰值，各項裂隙指標(biāo)增幅微弱，裂隙平均寬度甚至出現(xiàn)一定幅度的收斂，其值在經(jīng)歷了6次干濕循環(huán)后相較第4次循環(huán)降低幅度為6.3%，此時裂隙發(fā)育基本完成，土體裂隙結(jié)構(gòu)在經(jīng)過數(shù)次調(diào)整后干濕循環(huán)作用效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

2.2 膨脹土直剪試驗結(jié)果

2.2.1 抗剪強度參數(shù)的確定

現(xiàn)有研究表明，膨脹土的強度普遍具備較明顯的非線性特征[33]。為進一步論述這一觀點，以未進行干濕循環(huán)的試樣（=0）及經(jīng)歷了6次干濕循環(huán)的試樣（=6）為例進行高、低應(yīng)力條件下強度參數(shù)的對比分析。用雙直線將低應(yīng)力下的測點（5、15、30、50、75kPa）以及高應(yīng)力下的測點（75、100、200、300 kPa）分別進行直線擬合，得到分段式抗剪強度包線如圖5～6所示。

從圖5～6中可看出，土體強度均呈現(xiàn)出較顯著的非線性特征，若采用雙直線進行分段擬合，則膨脹土試樣在高應(yīng)力段（75～300 kPa）的強度明顯有別于低應(yīng)力段（0～75 kPa）的試驗結(jié)果。對于經(jīng)歷6次幅度為18個百分點干濕循環(huán)的試樣（圖6b），當(dāng)采用正應(yīng)力為75～300 kPa的常規(guī)方法施測時，得到試樣粘聚力值為15.75 kPa，內(nèi)摩擦角為21.84°。對比之下，低應(yīng)力段下得到的粘聚力值為4.16 kPa，內(nèi)摩擦角為30.46°。由此也不難看出，當(dāng)土體上覆壓力處在0～75 kPa時，若按規(guī)范中指定的方法僅實施高應(yīng)力狀態(tài)下的剪切試驗，由其強度參數(shù)求取得到的土體抗剪強度通常是偏大的。楊和平等[10,34-35]通過對南寧膨脹土、百色膨脹土、北京豐臺區(qū)膨脹土以及邯鄲強膨脹土展開一系列的直剪強度試驗也得到了相似的結(jié)果，可見該現(xiàn)象具有一定的廣泛性，這可能是因為低上覆壓力下的試樣較易加濕膨脹，致使較大孔隙比和體積含水率增大，對于相應(yīng)的剪切應(yīng)力有不利影響。考慮到膨脹土邊坡失穩(wěn)常表現(xiàn)淺層滑坍，其滑裂面所受的上部作用力通常在50 kPa范圍內(nèi)，這就能解釋有的膨脹土邊坡土體失穩(wěn)時其按常規(guī)方法算出的強度值仍不太低的原因[35]。因此，在進行土體強度試驗時，應(yīng)當(dāng)對常規(guī)強度試驗方法進行改進，尤其在研究膨脹土淺層失穩(wěn)這一特性時，采用低應(yīng)力條件下的強度參數(shù)來進行邊坡穩(wěn)定計算要更加合理。

2.2.2 干濕循環(huán)效應(yīng)下膨脹土強度劣化規(guī)律分析

基于試樣低應(yīng)力下（小于75 kPa）的直剪試驗結(jié)果，繪制出膨脹土強度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和粘聚力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線（圖7）。由圖7a可知，在不同的干濕循環(huán)幅度條件下，膨脹土試樣的粘聚力均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出非線性衰減規(guī)律，6次干濕循環(huán)后粘聚力降至初始狀態(tài)的26.22%～35.16%。相比之下，內(nèi)摩擦角受干濕循環(huán)作用的影響較小，無論試樣的循環(huán)幅度取何值，其內(nèi)摩擦角變化范圍在2.2°以內(nèi)（圖7b）。

圖8為粘聚力衰減率變化曲線圖，由圖可直觀看出，衰減曲線整體表現(xiàn)出3階段變化：第1階段發(fā)生在0～1次干濕循環(huán)，此階段裂隙發(fā)育也正處于醞釀期，土體結(jié)構(gòu)完整度較高，粘聚力衰減緩慢，尤其對于循環(huán)幅度為10個百分點的試樣（Δ1），其在第1次干濕循環(huán)結(jié)束時的粘聚力衰減率僅為2.95%。但在第2階段（>1～4），隨著裂隙的快速發(fā)育，曲線斜率陡增，土體粘聚力呈指數(shù)遞減，至第4次干濕循環(huán)結(jié)束時，粘聚力衰減率達到50.97%～66.92%；而在進入第3階段（>4～6）時，粘聚力衰減逐漸放緩并最終趨向穩(wěn)定值。此外，較高的含水率變化幅度也會加劇土體強度的劣化效應(yīng)和劣化速率。膨脹土試樣粘聚力隨循環(huán)幅度的增加而減小，循環(huán)幅度大者，其粘聚力衰減率曲線的斜率也大。因此，在膨脹土邊坡運營時，應(yīng)注意監(jiān)測土體含水率的變化情況并及時采取相應(yīng)措施（如土工膜包蓋等）來減少外界氣候變化對膨脹土的影響以保持其濕度變化的穩(wěn)定，從而確保土體強度不發(fā)生大幅衰減。

2.3 裂隙參數(shù)與抗剪強度衰減的關(guān)系分析

按照灰色關(guān)聯(lián)分析方法分別計算出干濕循環(huán)幅度為10、18和25個百分點的試樣的關(guān)聯(lián)度和相應(yīng)的權(quán)重，所得結(jié)果見表1。

表1 裂隙指標(biāo)與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度及相關(guān)權(quán)重

影響因子的關(guān)聯(lián)度r越大，表明其與土體粘聚力衰減的聯(lián)系越密切。一般當(dāng)r>0.3時，即可認(rèn)為是明顯關(guān)聯(lián)[36]。由表1分析可知，裂隙面積率、裂隙總長度和裂隙平均寬度的r值均大于0.3，可見，土體粘聚力衰減率與這幾種因素變化關(guān)系曲線均有顯著的相關(guān)性。值得注意的是，無論干濕循環(huán)幅度取何值，3個影響因子的關(guān)聯(lián)度和影響權(quán)重的大小排序始終為：裂隙面積率最大，裂隙總長度次之，裂隙平均寬度最小。說明裂隙面積率對于膨脹土抗剪強度衰減狀況的聯(lián)系最為密切，其與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度為0.785～0.832，其影響權(quán)重同樣為3項指標(biāo)中最大，達到0.461～0.472。相比之下，裂隙平均寬度的變化與土體強度的劣化之間的相關(guān)度最小，其與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度為0.392～0.414，影響權(quán)重只有0.228～0.240，故將其作為評價指標(biāo)來描述土體開裂對于土體結(jié)構(gòu)強度的擾動特征要顯得相對單薄一些。而裂隙面積率作為表征土體整體開裂過程的裂隙評價參數(shù)，其對土體微裂隙的萌生及主裂隙的拓寬均具有較好的響應(yīng)，故能較詳實全面地觀測土體開裂過程，且從圖9中也能得知，該指標(biāo)與粘聚力衰減率間保持有良好的線性關(guān)系（2>0.99）。因此，采用裂隙面積率來定量地表征干濕循環(huán)作用下膨脹強度退化規(guī)律能取得較好的效果。

3 討 論

3.1 裂隙演化規(guī)律

土體裂隙發(fā)育受到多種因素的影響，除了濕度、溫度、應(yīng)力作用及外界輻射等外部因素，還存在多種內(nèi)在因素，如土體密實程度、土層厚度、土體結(jié)構(gòu)、黏土顆粒組分、土體礦物成分等。通常認(rèn)為，膨脹土開裂實質(zhì)為土體在脫濕環(huán)境下因不均勻失水收縮產(chǎn)生較大張拉應(yīng)力的結(jié)果。

在脫濕箱內(nèi)，試樣蒸發(fā)速率的空間分布存在差異，其下部脫濕速率遠不及上部。當(dāng)含水率與初始含水率的形成一定差值時，土體就會在吸力的作用下收縮，若外部的約束或內(nèi)部的不協(xié)調(diào)變形使得收縮無法自由發(fā)生時，將產(chǎn)生收縮應(yīng)力場，并在局部發(fā)生張拉應(yīng)力集中，在應(yīng)力大小超過土體最大抗拉強度與其自身質(zhì)量產(chǎn)生的側(cè)向壓應(yīng)力之和時，初始裂隙隨之萌生[2,37]。裂隙的形成一定程度釋放了起初集聚的應(yīng)變勢能，應(yīng)力轉(zhuǎn)而集中于裂隙尖端，驅(qū)使裂隙朝縱深拓寬。此后，隨著裂隙面逐漸發(fā)育成為新的水分蒸發(fā)面，裂隙面附近表層的土塊失水干縮速率加快，而遠離裂隙面的土塊干縮相對緩慢，這種表面收縮的不協(xié)調(diào)造成了土體的二次開裂，從而次生裂隙根生于原有裂隙，兩種裂隙相互交織，共同構(gòu)成了土體的裂隙網(wǎng)絡(luò)[38-39]。雖然在濕化過程中，土體吸水膨脹及土團粒遇水崩解后不斷崩落至現(xiàn)有孔隙中，而使得裂隙有所愈合，但愈合處的抗拉強度往往未能恢復(fù)至原有水平。當(dāng)再次脫濕時，裂隙會首先沿著這些薄弱位置重新展開，張開后的裂隙面形成了新的應(yīng)力場分布，微裂隙繼續(xù)朝四周蔓延。

然而，干濕循環(huán)效應(yīng)的影響終究是有限的，在干濕循環(huán)進行到一定程度時，隨著試樣被裂隙割裂成許多的小土塊，試樣水分逃逸的速率逐漸加快，土體內(nèi)部含水率更容易達到平衡，因此也更難出現(xiàn)較大的含水率梯度，這也意味著拉應(yīng)力勢能儲備越來越低，干濕循環(huán)效應(yīng)不再顯著。在進入干濕循環(huán)后期時，勢能主要通過增加次生裂隙的條數(shù)來釋放（如圖10），新出現(xiàn)的次生裂隙分擔(dān)了很大一部分變形，也抑制了主裂隙的擴寬趨勢。同時，在循環(huán)后期時整個試樣脫濕空間發(fā)生逆轉(zhuǎn)，試樣下層失水收縮速率逐漸加快，上層由受拉向受壓轉(zhuǎn)變，致使部分裂隙有一定程度的閉合，故在此階段裂隙面積、長度繼續(xù)增加，而平均寬度會相應(yīng)地有所減小，這與唐朝生等[40]的研究結(jié)果相一致。

干濕循環(huán)過程中，還可觀察到在不同干濕循環(huán)幅度控制下，土體裂隙指標(biāo)的變化存在差異。干濕循環(huán)幅度Δ值越大，裂隙的面積率、長度和寬度的值增長趨勢則越顯著，所能達到的穩(wěn)定值也越大。究其原因，土體裂隙的萌生實質(zhì)為張拉應(yīng)力與抗拉強度的抗衡結(jié)果。對于黏土抗拉強度值，許多學(xué)者進行了研究，Trabelsi等[41]的研究表明其可采用關(guān)于基質(zhì)吸力的單值函數(shù)來表示：

式中σ為土體結(jié)構(gòu)抗拉強度，kPa；u、u和u?u分別為土體的孔隙氣壓力、孔隙水壓力和基質(zhì)吸力，kPa；1、2均為與土性有關(guān)的試驗參數(shù)。本次試驗所控制的初始含水率是一致的，因而循環(huán)幅度大者在增濕后能得到含水率要更高，此階段試樣的飽和度較高，基質(zhì)吸力較低，抗拉強度處在較低值。再考慮到膨脹土的干縮力變化值與含水率呈正相關(guān)，即循環(huán)幅度較大的試樣在脫濕過程中會產(chǎn)生更大的張拉應(yīng)力，隨著脫濕的持續(xù)進行，試樣張拉應(yīng)力也會很快地達到其結(jié)構(gòu)抗拉強度，土體內(nèi)部也就越易產(chǎn)生裂隙。此外，當(dāng)脫濕溫度一致時，循環(huán)幅度大者需要經(jīng)歷更為持久的脫濕過程，張拉應(yīng)力作用時效也較長，這也為裂隙的持續(xù)發(fā)育提供了便利。

3.2 抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律

干濕循環(huán)對土體粘聚力的影響主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面，土體裂隙的不斷延展使得土體的結(jié)構(gòu)退化，降低了土粒間的聯(lián)結(jié)力，導(dǎo)致粘聚力降低；另一方面，土體在的基質(zhì)吸力作用下形成了較為致密的結(jié)構(gòu)，土顆粒間接觸點增加，從而試樣也能獲得較高的抗拉強度[42]。而對于具有較高抗拉強度的試樣而言，當(dāng)土體抗拉強度足夠大且能克服因土體不均勻收縮而產(chǎn)生的張拉應(yīng)力時，裂隙則不易開展，故其對于土體粘聚力的衰減有較好的抑制作用。土體粘聚力的最終表現(xiàn)由這兩方面所占的比重來決定。

課題組曾采用儀器設(shè)備中國有限公司生產(chǎn)的SDSWCC-H型壓力板儀通過控制基質(zhì)吸力獲得了不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣土水特征曲線[43]，將其繪制成表，見表2。結(jié)合圖8和表2的分析可發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)初期（=0～1），當(dāng)含水率相近時，該階段試樣的基質(zhì)吸力處于較高值，由公式（5）可知，此時試樣具有較強的抗拉強度，有利于抑制裂隙的傳播，因而粘聚力衰減幅度較小。然而，隨著干濕循環(huán)作用的深入（>1～4），同一含水率所對應(yīng)的基質(zhì)吸力大幅減小，當(dāng)其對土體抗拉強度的增強作用不足以抵消土體所受的張拉應(yīng)力時，則會促使土體裂隙大量增生以緩解張拉應(yīng)力勢能的集聚效應(yīng)，而裂隙的大量傳播破壞了土體的結(jié)構(gòu)強度，也加快了土體結(jié)構(gòu)性的劣化進程，致使粘聚力急劇下滑。但干濕循環(huán)效應(yīng)的影響畢竟是有限的，干濕循環(huán)4次后，試樣被裂隙割裂成許多的小土塊，有利于試樣水分的逃逸，土體內(nèi)外含水率要更容易達到平衡，因此含水率梯度較小，此時也很難產(chǎn)生較大的張拉應(yīng)力，從而裂隙的開展陷入瓶頸，對土體結(jié)構(gòu)的損害也較小，同時，基質(zhì)吸力在該階段的減勢也趨于穩(wěn)定，其對于土體結(jié)構(gòu)的鞏固也能一定程度抑制粘聚力的衰減。此時兩種因素的作用處在新的平衡，粘聚力的衰減趨勢大幅放緩并逐漸有趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。

李新明等[15]通過試驗表明，干濕循環(huán)對值影響與否主要由土體干密度的取值決定：干密度愈大，值降幅越大；而干密度較小時，值則變化很?。辉谄湓囼炛?，干密度為1.60 g/cm3膨脹土試樣的值在干濕循環(huán)前后保持穩(wěn)定。而涂以亮等[44]則認(rèn)為，干濕循環(huán)效應(yīng)對值存在兩方面的影響：一方面，土體脹縮裂隙傳播弱化了土顆粒間的聯(lián)結(jié)作用，導(dǎo)致值減??；另一方面，在干濕循環(huán)過程中，基質(zhì)吸力的作用導(dǎo)致試樣逐漸被壓密[45]，使得微小的黏土顆粒凝聚成較大一級的團聚體，從而增強了團粒間的咬合摩擦力。本文試驗所設(shè)膨脹土的干密度較小（1.50 g/cm3），基質(zhì)吸力的壓密效果明顯，內(nèi)摩擦角降低部分和增加部分能相互抵消，從而變化幅度很小。

綜合上述結(jié)果，在試樣干密度較小時，干濕循環(huán)作用下土體抗剪強度表現(xiàn)出的強度衰減主要源于土中粘聚力的降低。楊和平等[10]的研究結(jié)果也表明，正是粘聚力的急劇衰減誘使了膨脹土邊坡發(fā)生淺層坍滑破壞。

4 結(jié) 論

1）干濕循環(huán)作用下的裂隙發(fā)育分為裂隙醞釀期、裂隙快速傳播期和裂隙平穩(wěn)發(fā)育期3個階段，而裂隙指標(biāo)的增長主要發(fā)生在裂隙快速傳播期。此外，在相同循環(huán)次數(shù)下，循環(huán)幅度（含水率變化范圍）越大，裂隙指標(biāo)也越大。

2）若按現(xiàn)有規(guī)范不區(qū)分高低應(yīng)力段開展直剪試驗，得到的結(jié)果與實際中膨脹土坡淺層破壞時滑面的抗剪強度并不相符。故應(yīng)當(dāng)遵循膨脹土邊坡淺層滑坍破壞規(guī)律，對試驗方案進行改進，即開展考慮低應(yīng)力條件的強度試驗。

3）干濕循環(huán)作用下膨脹土粘聚力呈非線性衰減趨勢，在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)作用后的衰減至初始狀態(tài)的26.22%～35.16%，且衰減率隨著干濕循環(huán)幅度的增大而增大，故在渠坡運營時應(yīng)及時檢測土體的濕度變化并做好防控措施。相比之下，試樣的內(nèi)摩擦角變化較小，在干濕循環(huán)的影響下保持穩(wěn)定，變化幅度小于2.2°，干濕循環(huán)土體強度的劣化主要源于粘聚力的衰減。

4）通過灰色關(guān)聯(lián)法分析裂隙指標(biāo)與土體粘聚力衰減率的關(guān)聯(lián)程度發(fā)現(xiàn)，裂隙面積率、總長度和平均寬度均對土體抗剪強度有明顯的影響，其中裂隙面積率的變化趨勢與土體粘聚力衰減的關(guān)聯(lián)性最為密切，其與粘聚力衰減率間的關(guān)聯(lián)度為0.785～0.832，權(quán)重達到0.461～0.472，且與粘聚力衰減率間的關(guān)系可較好地用線性函數(shù)進行描述（2>0.99），可很好地用以定量表征干濕循環(huán)下裂隙對于土體結(jié)構(gòu)強度的擾動，因而在工程中可以探討通過實測裂隙參數(shù)來測算裂隙性膨脹土的真實抗剪強度。

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Experimental study on crack evolution and strength attenuation of expansive soil under wetting-drying cycles

Wang Shiji1,2, Yang Zhenbei1, Li Xian1, Luo Zhaogang1, Xu Chong1, Li Da1

(1.,,400715,; 2.,408100,)

Expansive soil is characterized by high dilatability and low permeability, particularly sensitive to the change of external environment, due mainly to the fact that this kind of high plastic clay is rich in hydrophilic clay minerals. Crack initiation and expansion often occur, as a result of repeatedly uneven dilatancy and shrinkage of soil after rainfall and evaporation under the exposure of rain and sunshine. The crisscrossing network of cracks has harmed the integrity of soil structure. Infiltration of surface water via crack channels has caused a great threat to the anti-seepage barrier facilities, such as earth or rock dams, river reservoirs, and channels. Especially in the frequent occurrence of the rainy season, the rainwater can easily infiltrate through cracks, resulting in the softening of internal soil and the sharp decline in shear strength. As such, it is very easy to induce instability and collapse of ashallow layer of expansive soil slope, leading to the destruction of irrigation and water conservancy facilities, even aggravation of floods and droughts to the whole ecological environment. Therefore, the soil strength degradation in the cycling load of dry and wet has become an important factor endangering the long-term stability of expansive soil engineering in an extremely seasonal climate. This study aims to reveal the evolution characteristics of expansion and shrinkage cracks in the expansive soil under the wetting-drying cycle, and thereby determine the perturbation of soil structure strength. The wetting-drying cycle tests were carried out on the weak expansive soil sampled from Hefei, Anhui Province, China. The crack parameters were extracted from the crack images of soil samples by image processing technology. The shear strength test was carried out under low stress. The experiment results show that: 1) There were three stages: the gestation, the rapid development, and the stable development of cracks. The growth of the crack index focused mainly on the rapid development of cracks. 2) Under the action of wetting-drying cycles, the variation in the internal friction angle of the expansive soil was less than 2.2°, indicating little influence from the number of wetting-drying cycles. The decrease of soil strength was due mainly to the decrease of cohesive force. The cohesion of expansive soil decreased rapidly at first and then slowly, where the attenuation rate of cohesion during the first four wetting-drying cycles was 50.97%-66.92%. The attenuation rate was also related to the amplitude of wetting-drying cycles. 3) In grey correlation analysis, there were obvious correlations between the attenuation of cohesive force and the crack area ratio, the total length, and the average width of the crack trend. Specifically, the maximum correlation between the crack area ratio and the attenuation of cohesive force was 0.785-0.832 with the weights of 0.461-0.472, indicating a good linear relationship. The minimum correlation between the attenuation of cohesive force and the average width of crack was 0.392-0.414, where the weight was only 0.228-0.240. The findings can provide an insightful theoretical basis to further reveal the catastrophic mechanism of expansive soil slope induced by a drastic change in temperature and humidity.

cracks; shear strength; wetting-drying cycles; expansive soil; grey correlation analysis

汪時機，楊振北，李賢，等. 干濕交替下膨脹土裂隙演化與強度衰減規(guī)律試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(5)：113-122.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.013 http://www.tcsae.org

Wang Shiji, Yang Zhenbei, Li Xian, et al. Experimental study on crack evolution and strength attenuation of expansive soil under wetting-drying cycles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 113-122. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.013 http://www.tcsae.org

2020-11-17

2021-02-20

國家自然科學(xué)基金項目（11972311，11572262）；中央高?；緲I(yè)務(wù)費專項資金（XDJK2018AB003）

汪時機，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為水土力學(xué)與工程。Email：shjwang@swu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.013

TU443

A

1002-6819(2021)-05-0113-10