劍麻纖維復(fù)合黏性土裂隙發(fā)育特征及其機(jī)理研究

喻永祥 ，閔望 ，宋京雷 ，郝社鋒，蔣波，劉瑾，卜凡

（1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部國(guó)土（耕地）生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210018；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

黏性土作為自然界中常見(jiàn)的一種土體而廣泛分布于世界各地。近年來(lái)，由于人類活動(dòng)對(duì)自然界的影響，導(dǎo)致世界范圍內(nèi)如干旱、洪水、颶風(fēng)等極端災(zāi)害頻發(fā)。其中，在干旱的氣候條件下，黏性土體由于內(nèi)部水分流失而產(chǎn)生干縮開(kāi)裂，裂隙從局部發(fā)育至整體，進(jìn)而導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性遭到破壞（唐朝生等，2012，2018；劉平等，2015；駱趙剛等，2020）。與此同時(shí)，黏性土表面及內(nèi)部裂隙的存在，將為水分的運(yùn)移提供“快速通道”，尤其是在降雨條件下，極易發(fā)生水土流失，進(jìn)而誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害（姚海林等，2002；袁俊平和殷宗澤，2004；習(xí)羽等，2017；戚賞等，2020）。面臨未來(lái)居高不下的極端干旱氣候，黏性土干縮開(kāi)裂的問(wèn)題也將愈發(fā)嚴(yán)重。因此，這一災(zāi)害現(xiàn)象也成為了近年來(lái)地質(zhì)工程領(lǐng)域的研究人員密切關(guān)注的一大熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)黏性土體干縮開(kāi)裂的研究已有較大的進(jìn)展。如探究不同試驗(yàn)條件（溫度、土體厚度、黏粒含量、干濕循環(huán)）、試樣尺寸效應(yīng)以及邊界效應(yīng)等因素，對(duì)于黏性土干燥收縮過(guò)程中裂隙發(fā)育的影響（Tang et al.,2010；袁權(quán)等，2016；曾浩等，2019），且將研究角度逐漸從二維的土體表面裂隙發(fā)育延伸至三維空間，由此極大地提升了人們對(duì)于土體干縮、裂隙發(fā)育及發(fā)展的機(jī)理認(rèn)知（徐其良等，2018）。對(duì)于開(kāi)裂機(jī)理，Morris et al.（1993）根據(jù)土體干縮產(chǎn)生龜裂的行為，針對(duì)基質(zhì)吸力，開(kāi)展了二者之間相互作用關(guān)系的理論研究；劉昌黎等（2018）歸納總結(jié)了土體龜裂的力學(xué)機(jī)理及相關(guān)理論模型的研究進(jìn)展，對(duì)土體開(kāi)裂有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)?；谏鲜鲅芯?，筆者認(rèn)為下一步需要對(duì)黏性土進(jìn)行針對(duì)性地改良，從而減少其干縮裂隙的發(fā)育。傳統(tǒng)的黏性土改良技術(shù)，如添加水泥、石灰、土凝巖等（曾智等，2014；廖一蕾等，2016），雖然對(duì)其整體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有顯著的提升，能夠達(dá)到制約其干縮開(kāi)裂的目的，但是也影響了改良后土體表面植被的生長(zhǎng)，以及在水泥的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵、二氧化碳，從而造成環(huán)境污染，不符合生態(tài)修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)（Najim et al.,2014;Caravaca et al.,2017;El-Attar.,2017）。因此，需要探究一種既能制約黏土體裂隙發(fā)育，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞的新型黏性土改良方法。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文選擇天然的劍麻纖維，通過(guò)變化其含量，對(duì)黏性土進(jìn)行改良。研究開(kāi)展了一系列的室內(nèi)干燥、干濕循環(huán)試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中試樣裂隙產(chǎn)生及發(fā)育的情況，最后結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)（PCAS），對(duì)土體表層裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)進(jìn)行了定量分析，進(jìn)而探究劍麻纖維對(duì)黏性土裂隙發(fā)育的影響機(jī)理。相關(guān)成果對(duì)實(shí)際工程中黏性土的改良具有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次室內(nèi)干燥試驗(yàn)所采用的黏性土取自南京某地區(qū)下蜀土。土體呈黃褐色，干燥、粉碎后過(guò)2 mm的篩。其天然含水率為20～27%，比重為2.72，塑限與液限分別為22%與36.6%，塑性指數(shù)為14.6。

試驗(yàn)中所采用的劍麻纖維，是一種表面粗糙、彈性好、抗拉強(qiáng)度高的天然經(jīng)濟(jì)材料。其抗斷裂強(qiáng)度約為450～700 MPa，楊氏模量約為3～7 GPa。本研究中的纖維含量定義為纖維與干黏土的質(zhì)量比值，計(jì)算公式如下：

式（1）中：Cf為劍麻纖維的含量，%；Mf為劍麻纖維的質(zhì)量，g；Ms為干黏土的質(zhì)量，g。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)選擇規(guī)格為16 cm×16 cm×6 cm的塑料方盒作為盛放土樣的容器，利用玻璃膠將規(guī)格為60目的砂紙粘于容器底部，以較為準(zhǔn)確地模擬自然條件下摩擦效應(yīng)對(duì)土體干縮開(kāi)裂的影響，并在容器四壁均勻地涂上凡士林，以減少邊界摩擦力造成的誤差，每份試樣所用土體質(zhì)量為800 g，且設(shè)定試樣的初始含水率（Iw）為60%，計(jì)算公式如下：

式（2）中：Iw為試樣的初始含水率，%；Mw為所添加水的質(zhì)量，g；Ms為干黏土的質(zhì)量，g。

在制備試樣時(shí)，將水-土-纖維混合物翻拌均勻后倒入容器中，機(jī)械振動(dòng)3～5 min，使得含水土樣與容器內(nèi)壁緊密接觸，同時(shí)排除試樣內(nèi)部的氣泡。完成上述操作后，將試樣靜置24 h，待其完全均勻，抽取表層多余清液，并計(jì)算每份試樣的最終含水率（Fw）。

本次試驗(yàn)以劍麻纖維含量（Cf）為變量，并與無(wú)添加的試樣進(jìn)行比較，共進(jìn)行4組試驗(yàn)，每組設(shè)置3個(gè)平行試樣，具體試樣參數(shù)如表1所示。

表1 試樣主要參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

研究采用干濕循環(huán)法進(jìn)行試驗(yàn)。首先，抽取試樣表面多余水分后，將其置于20 ℃的恒溫箱進(jìn)行干燥，并且按時(shí)對(duì)各組試樣進(jìn)行稱重、拍照，至每?jī)纱巫x數(shù)之差小于1 g時(shí)，試樣稱重結(jié)束，記為一次干燥過(guò)程結(jié)束。與此同時(shí)，向干燥完畢的試樣中添加質(zhì)量為初始含水量的50%的水，添加完畢標(biāo)志為一次干濕循環(huán)結(jié)束。重復(fù)上述方法，進(jìn)行第二次、第三次干濕循環(huán)試驗(yàn)。最后，結(jié)合PCAS技術(shù)，對(duì)試樣的裂隙發(fā)育情況進(jìn)行定量分析（劉春等，2008）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 纖維含量對(duì)黏性土干縮開(kāi)裂的影響

一般地，土體在干縮開(kāi)裂的過(guò)程中，一定區(qū)域范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一條“較為寬大的裂隙”，而后隨著土體自身含水率的降低，該裂隙周圍則會(huì)衍生出一些“細(xì)小的裂隙”。本文將上述“較為寬大的裂隙”與“細(xì)小的裂隙”分別定義為主裂隙與新生裂隙。

不同劍麻纖維含量的黏性土第一次干濕循環(huán)的開(kāi)裂過(guò)程如圖1所示。由于試驗(yàn)組數(shù)，以及試驗(yàn)過(guò)程中所攝圖片較多，故只選擇各組中的特征圖片進(jìn)行展示。從圖中可以看出，不同纖維含量的黏性土，其初始狀態(tài)基本一致，且在記錄時(shí)段內(nèi)，均于48 h左右產(chǎn)生第一條裂隙。然而，隨著蒸發(fā)試驗(yàn)的進(jìn)行，各組試樣便體現(xiàn)出不同的開(kāi)裂形態(tài)。無(wú)劍麻纖維添加的試樣，明顯地存在著一條主裂隙，隨著試樣含水率的降低，該裂隙呈逆時(shí)針?lè)较虿粩喟l(fā)育，直至約56 h裂隙閉合，停止延伸，此時(shí)主裂隙周圍逐漸產(chǎn)生新生裂隙，試樣整體呈現(xiàn)為主裂隙不斷拓寬、新生裂隙不斷涌現(xiàn)。含有0.1%纖維含量的試樣，其干縮開(kāi)裂的過(guò)程與無(wú)劍麻纖維添加的試樣基本一致，與后者不同的是，前者達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，表面的破碎程度更高，即除主裂隙外，產(chǎn)生了更多的新生裂隙，隨著使用試樣中劍麻纖維含量的不斷增加，這一現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，這是因?yàn)閯β槔w維貫穿于土體內(nèi)部，在一定程度上“破壞”了試樣的致密性，然而這種“破壞”卻能更好地提升黏土試樣的整體穩(wěn)定性。

圖1 不同劍麻纖維含量的黏性土第一次干濕循環(huán)開(kāi)裂過(guò)程

表2與圖2為采用PCAS技術(shù)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)得到的不同劍麻纖維含量試樣的各項(xiàng)裂隙參數(shù)，其中分形維數(shù)被定義為度量物體或分形體復(fù)雜程度與不規(guī)則性的最主要參數(shù)，即分形維數(shù)越大，其表面的復(fù)雜程度與不規(guī)則性越高。通過(guò)分析表2可知，隨著試樣中所添加劍麻纖維含量的增加，試樣的最大、平均裂隙寬度，最大、平均裂隙長(zhǎng)度，以及所形成的最大、平均區(qū)塊面積均呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)。對(duì)比纖維含量為0與0.6%的試樣發(fā)現(xiàn)，上述各項(xiàng)參數(shù)分別降低了45.27%、75.85%、33.65%、50.62%、87.48%、78.48%。表明纖維含量的提升，能夠在一定程度上限制裂隙的發(fā)育。分析圖2可知，隨著試樣中纖維含量的不斷增加，其分形維數(shù)逐漸變大，說(shuō)明試樣表面的破碎程度高，這與圖1中“穩(wěn)定狀態(tài)”所示結(jié)果相一致，即由于劍麻纖維的存在，使得試樣“更加容易”產(chǎn)生裂隙。然而，通過(guò)分析表2所統(tǒng)計(jì)的裂隙相關(guān)參數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加，土體表面雖然有較多的裂隙產(chǎn)生，但均是一些細(xì)短，縱深較淺，且未延伸至底部的裂隙，此類裂隙將不會(huì)對(duì)土體本身穩(wěn)定性產(chǎn)生特別大的影響，并且在實(shí)際工程中隨著雨水的沖刷還將出現(xiàn)一定程度的“裂隙愈合”現(xiàn)象。

表2 不同劍麻纖維含量試樣裂隙參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 干濕循環(huán)對(duì)與不同纖維含量黏性土干縮開(kāi)裂的影響

上述分析表明，雖然纖維含量越高的試樣，其干燥完成后表面裂隙發(fā)育越復(fù)雜，破碎程度越高，但此時(shí)所產(chǎn)生的裂隙大多浮于土體表面，且均為淺而細(xì)小的形態(tài)。不同纖維含量的試樣第2次與第3次的干濕循環(huán)過(guò)程如圖3所示。可以明顯地看出，剛加入水時(shí)，纖維含量為0的試樣，其裂隙僅產(chǎn)生了一定程度的“愈合”，且隨著試樣中纖維含量的增加，“裂隙愈合”的效果則越明顯。與此同時(shí)，結(jié)合圖1與圖3中各試樣的穩(wěn)定狀態(tài)可知，較低纖維含量的試樣（纖維含量=0、0.1%）的裂隙非但不能“愈合”，反而還因加入水后出產(chǎn)生了更多的新生裂隙，并且各區(qū)塊也因遇水呈現(xiàn)出“崩解”狀態(tài)。然而，較高纖維含量的試樣（纖維含量=0.3%、0.6%）在干濕循環(huán)后雖然也有新生裂隙的產(chǎn)生，但由于原有裂隙的“愈合”以及土體內(nèi)部大量劍麻纖維的橋接效應(yīng)，呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)（圖4）。通過(guò)PCAS技術(shù)計(jì)算得到纖維含量為0.6%的試樣在三次干濕循環(huán)結(jié)束后，其表面分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)也可對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行印證（圖5）。

圖3 不同劍麻纖維含量的試樣第二次與第三次干濕循環(huán)過(guò)程圖

圖4 劍麻纖維含量為0.6%的試樣三次干濕循環(huán)完成后表面裂隙網(wǎng)絡(luò)

圖5 劍麻纖維含量為0.6%的試樣三次干濕循環(huán)完成后分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

3 機(jī)理分析

與砂土顆粒相同，黏性土顆粒的表面附著著一層極薄的水化膜結(jié)構(gòu)，即土顆粒之間并非直接接觸，微觀層面表現(xiàn)為顆粒之間存在著一定的間隔。當(dāng)黏性土發(fā)生干燥失水時(shí)，表面的自由水被蒸發(fā)完畢后，土體內(nèi)部的水分，即土顆粒之間的結(jié)合水運(yùn)移至表面對(duì)蒸發(fā)作用進(jìn)行“補(bǔ)償”。此時(shí)，土顆粒之間的間隔因水分流失而不斷收縮，進(jìn)而在內(nèi)部形成了張、拉應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)土體內(nèi)部某處的應(yīng)力場(chǎng)逐漸增大并超過(guò)土體本身抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)引發(fā)拉裂破壞，形成裂縫（唐朝生等，2018；羅茂泉等，2018）。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，隨著黏性土試樣內(nèi)部水分的不斷流失，土顆粒之間產(chǎn)生失水收縮，宏觀表現(xiàn)為試樣表面隨機(jī)產(chǎn)生了若干道主裂隙，并且在主裂隙不斷延伸、拓寬的同時(shí)，其邊緣也將進(jìn)一步產(chǎn)生大量的新生裂隙。與此同時(shí)，隨著蒸發(fā)作用的持續(xù)進(jìn)行，試樣內(nèi)部的含水率逐漸降低。當(dāng)含水率接近于零時(shí)，蒸發(fā)作用停止，試樣此時(shí)的狀態(tài)可近似地看作為“失水完全的海綿”，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。然而通過(guò)不斷地進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，試樣在復(fù)濕的過(guò)程中持續(xù)吸收水分，土顆粒之間再次充滿結(jié)合水膜。當(dāng)試樣再次發(fā)生失水收縮時(shí)，除對(duì)已生成的裂隙造成二次破壞外，原先未被破壞的區(qū)域也會(huì)隨機(jī)地生成裂隙。此外，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的整體穩(wěn)定性逐漸減弱，宏觀表現(xiàn)為土塊不斷地產(chǎn)生“溶解”、“崩塌”等現(xiàn)象。

針對(duì)這一現(xiàn)象，本研究采用添加劍麻纖維對(duì)黏性土進(jìn)行復(fù)合改良。與混凝土中添加鋼筋的效果相似，當(dāng)黏性土體因失水而產(chǎn)生干縮、開(kāi)裂時(shí)，存在于其內(nèi)部的劍麻纖維便起到“橋接”的作用。通過(guò)纖維與土顆粒之間產(chǎn)生的摩擦力，一定程度上抵消了部分因土顆粒間水分散失而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而銜接了土體開(kāi)裂產(chǎn)生的斷口，并達(dá)到削減裂隙縱向發(fā)育，以及裂隙持續(xù)延伸的目的（圖6）。同時(shí)，在對(duì)試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)的過(guò)程中，由于劍麻纖維在土體內(nèi)部編織而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)“橋接作用”極大地限制了裂隙的縱、橫向發(fā)育。因此試樣在復(fù)濕的過(guò)程中，反而使得土體表面的裂隙能夠被不斷地“愈合”，表明其整體穩(wěn)定性獲得了進(jìn)一步的提升。此外，當(dāng)試樣中所添加的劍麻纖維含量越高，上述效果越明顯。

圖6 劍麻纖維改良黏性土機(jī)理示意圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)添加不同含量的劍麻纖維對(duì)黏性土進(jìn)行改良，并開(kāi)展一系列干燥、干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)其干縮開(kāi)裂后的裂隙的發(fā)育及裂隙網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）在本次研究所設(shè)定的環(huán)境條件下，隨著試樣中所添加劍麻纖維含量的增加，試樣的最大、平均裂隙寬度，最大、平均裂隙長(zhǎng)度，以及所形成的最大、平均區(qū)塊面積均呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)。對(duì)比纖維含量為0與0.6%的試樣發(fā)現(xiàn)，上述各項(xiàng)參數(shù)分別降低了45.27%、75.85%、33.65%、50.62%、87.48%、78.48%，表明纖維含量的提升，能夠在一定程度上限制裂隙的發(fā)育。

（2）在本次研究所設(shè)定的環(huán)境條件下，試樣中所添加的劍麻纖維含量越高，其分形維數(shù)越大，即試樣表面破碎程度越高，但所形成的裂隙大多細(xì)短，且縱深較小。經(jīng)過(guò)反復(fù)的干濕循環(huán)試驗(yàn)，此類細(xì)小裂隙的“愈合”效果較深大裂隙更好，表明添加劍麻纖維的含量與土體整體穩(wěn)定性的提升呈正相關(guān)的關(guān)系。