控制高徑比條件下崩崗?fù)馏w的收縮開裂特性

王佳妮，張曉明，丁樹文，王 謙，聶道祥

控制高徑比條件下崩崗?fù)馏w的收縮開裂特性

王佳妮，張曉明※，丁樹文，王 謙，聶道祥

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

崩崗?fù)馏w的收縮開裂受到多種因素的影響。該研究為研究高徑比對其影響，共設(shè)計10組高徑比，通過定點拍照記錄脫濕前與脫濕結(jié)束時的土體形態(tài)變化，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行定量分析，探討在控制高徑比條件下崩崗?fù)馏w的收縮開裂規(guī)律。結(jié)果表明：1）崩崗4層土中，過渡層的裂隙性、徑向收縮性能最強，砂土層最弱，兩者之間的較大差異會嚴(yán)重破壞崩崗?fù)馏w的穩(wěn)定性與承載力，促使崩壁崩塌；2）高徑比較小的試樣裂隙發(fā)育明顯，徑向收縮不明顯；高徑比較大的試樣無裂隙發(fā)育，徑向收縮顯著。其中，4層土由干縮開裂土樣過渡至徑向收縮土樣的高徑比具體臨界值分別位于：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147；3）當(dāng)高徑比相同時，即使高度、直徑不一致，但其各裂隙參數(shù)、徑向收縮率具備相似性，軸向收縮率隨厚度的增加而增加；4)隨高徑比的增加，收縮含水率逐漸增大，開裂含水率逐漸減小，兩者之間的差值可以表示脫濕過程中土體產(chǎn)生抗拉強度的大小。收縮開裂裂隙度、寬徑比、徑向收縮率隨高徑比的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢，其余參數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢。其中，4層土中，過渡層的收縮開裂特性受高徑比影響最顯著，砂土層受影響程度最小。研究結(jié)果可為揭示崩崗崩塌機理提供科學(xué)依據(jù)。

裂隙；收縮；定量分析；崩崗；高徑比

0 引 言

崩崗?fù)馏w由于具有親水性黏土礦物高嶺石與水云母，使其在水分蒸發(fā)過程中會產(chǎn)生明顯的收縮變形、裂隙發(fā)育現(xiàn)象。收縮變形一方面會造成土體不均勻沉降，破壞土體穩(wěn)定性，另一方面也會促進(jìn)裂隙的發(fā)育[1-5]。裂隙的存在會破壞土體的承載力、抗剪強度、整體結(jié)構(gòu)性。降雨時上部土體吸水重力增加，當(dāng)重力超過下部土體的承載力時，崩壁發(fā)生崩塌[6]。崩塌的發(fā)生會威脅當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全，毀壞土地資源與水利設(shè)施等[7-8]。

國內(nèi)外對土體收縮開裂特性的研究多集中于膨脹土，且對收縮性與裂隙性分別單獨進(jìn)行研究，但自然條件下收縮變形、裂隙發(fā)育是同時發(fā)生的，因此有必要對兩者同時進(jìn)行研究分析。以往研究重點集中于收縮機理、裂隙發(fā)育機理、影響因素三方面。對于收縮機理的研究，唐朝生等[9]提出基質(zhì)吸力的產(chǎn)生是收縮變形的主要力學(xué)因素，而曾浩等[10]認(rèn)為基質(zhì)吸力只是收縮變形的誘因，兩者之間并不是一對一的關(guān)系，并提出了收縮應(yīng)力的概念。對于裂隙發(fā)育機理的研究，Rayhani等[11]、Peron 等[12]認(rèn)為裂隙的產(chǎn)生實質(zhì)上是脫濕過程中土體內(nèi)部受力變化作用的產(chǎn)物，唐朝生等[13]進(jìn)一步提出控制裂隙產(chǎn)生的兩個關(guān)鍵力學(xué)因素是基質(zhì)吸力與抗拉強度。對于影響因素的研究，包括土體結(jié)構(gòu)[14-17]（黏粒含量、初始含水率、干密度、礦物含量）、環(huán)境因素[18-23]（干濕循環(huán)、溫度、濕度）、邊界約束[24-25]（界面粗糙度、邊界約束）、尺寸條件[26-29]（厚度、長度、表面積）等?；诔叽鐥l件，駱趙剛等[26]在研究厚度影響時，提出土樣厚度與表面積的比值對裂隙的發(fā)育也存在影響，本文將針對土樣高徑比進(jìn)行具體試驗研究。

由于崩崗?fù)馏w是在自然地質(zhì)演變過程中形成的具有明顯分層性的特殊土質(zhì)，根據(jù)以往研究，眾多學(xué)者將崩崗自上而下劃分為表土層、紅土層、過渡層、砂土層[30-32]。各層次的土體結(jié)構(gòu)、粒度分布、力學(xué)特性[33-35]等均具有明顯的差異。各層次在收縮性、裂隙性方面的差異，仍是需要研究的重點。因此，本文以湖北省通城縣五里鎮(zhèn)的崩崗?fù)馏w為研究對象，在控制土體高徑比條件下，對4層土進(jìn)行室內(nèi)脫濕試驗，采用相機進(jìn)行定點拍照記錄土體收縮變形、裂隙發(fā)育變化，采用ImageJ-Fiji提取收縮、裂隙參數(shù)進(jìn)行定量分析，探討高徑比影響下的崩崗?fù)馏w收縮變形、裂隙演化特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗所用土樣取自湖北省通城縣五里鎮(zhèn)的典型瓢型崩崗（113°46′26′′ E, 29°12′39′′ N），崩崗邊壁高約3.38 m，崩崗發(fā)育完整，面積約為126 m2，植被覆蓋度約為35%。通城縣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.1℃，無霜期為260 d左右。全年干濕季分明、降雨分布不均勻，夏季降雨量大氣溫高，冬季降雨量少氣溫低，年平均降雨量為1 604 mm，主要集中于3–9月。在氣候的交替變化下，裂隙發(fā)育明顯，崩崗發(fā)育情況嚴(yán)重。

在野外進(jìn)行采樣時主要依據(jù)崩壁剖面土壤顏色、土壤深度對土層進(jìn)行劃分。表土層，暗紅色，0.05～0.17 m；紅土層，紅色，0.17～0.49 m；過渡層，淡紅色至灰白色，0.49～2.10 m；砂土層，灰白色，2.10～3.38 m。在每層中部用鐵鍬采集大量的土壤放入麻袋中運回實驗室，進(jìn)行室內(nèi)試驗。土體的基本性質(zhì)測定方法：干密度采用環(huán)刀法，有機質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容重法，塑性指數(shù)采用液塑限聯(lián)合測定儀；顆粒組成采用篩分法結(jié)合移液管法。測定結(jié)果見表1。

表1 崩崗?fù)馏w的基本性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

由于野外采集回來的土存在大量的礫石、樹根等物質(zhì)，對土體的干縮開裂影響較大，因此將采集回來的土風(fēng)干碾碎過2 mm篩后混合均勻，將土樣均勻加水?dāng)嚢铻檫^飽泥漿狀態(tài)[23]，密封在容器內(nèi)靜置24 h后，抽去表面清液，緩緩倒入泥漿試樣，輕輕晃動培養(yǎng)皿使試樣平整。配置為過飽和泥漿狀態(tài)的原因在于土體含水率梯度是裂隙產(chǎn)生的關(guān)鍵因素[36]，過飽和泥漿試樣使水分充分均勻地分布于土壤顆粒之間，減小試驗影響因素。

試驗共設(shè)計40個土樣（4層土×10組高徑比），其中前3組1、2、3高徑比相同，均為0.067，后7組4、5、6、7、8、9、10高徑比不同，分別為：0.080、0.107、0.134、0.147、0.160、0.183、0.234，土樣具體直徑、高度設(shè)置值見表2。土樣直徑的控制方法：直接采用內(nèi)直徑為6、10、12、15 cm的培養(yǎng)皿；土樣高度的控制方法：在試驗前，采用鋼尺隨機測量培養(yǎng)皿3個角度的底部高度，取其平均值0.25 cm為培養(yǎng)皿底高，采用鋼尺測量培養(yǎng)皿高度0.65、1.05、1.25、1.65、1.85、2.45 cm處做標(biāo)記，此處即為土樣厚度0.4、0.8、1.0、1.4、1.6、2.2 cm。

配置好的試樣，表土層、紅土層、過渡層、砂土層的干密度分別為1.38、1.35、1.39、1.41 g/cm3。對于同一土層，10個試樣（10組高徑比）均為同一批進(jìn)行飽和的土樣，干密度保持一致。

脫濕采用同一風(fēng)速的低風(fēng)速風(fēng)扇置于試樣同一側(cè)加速水分蒸發(fā)[19]，并保證每個試樣間距為10 cm，保證其不受其他風(fēng)扇的影響。在脫濕前與脫濕結(jié)束時使用相機記錄土體形態(tài)變化，拍照裝置如圖1所示。上方相機用于記錄裂隙發(fā)育及徑向收縮，側(cè)方相機用于記錄軸向收縮。

1.3 數(shù)據(jù)處理

具體處理如圖2所示，使用Photoshop對圖片進(jìn)行裁剪、修正光源分布不均等問題；使用ImageJ-Fiji對圖片進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化、去噪、骨架化等處理，提取裂隙參數(shù)與收縮參數(shù)。在脫濕后使用鋼尺隨機對試樣的3個不同角度進(jìn)行高度測量，取其平均值為脫濕后的土樣高度，用于計算脫濕前后土樣高度的收縮量，計算結(jié)果與數(shù)字圖像處理的軸向收縮量結(jié)果進(jìn)行對比修正。

表2 土體的高徑比K設(shè)置

注：代表直徑，cm；代表高度，cm。

Note:represents the diameter, cm;represents the height, cm.

圖1 拍照裝置示意圖

裂隙參數(shù)包括：收縮開裂裂隙度δ，收縮開裂面積（包括徑向收縮面積和開裂面積）與土樣初始表面積的比值[21]；長徑比，裂隙長度與土樣初始直徑的比值；寬徑比，裂隙平均寬度與土樣初始直徑的比值（由于試樣初始表面積不一致，因此對裂隙總長度、平均寬度進(jìn)行對比分析時，不存在相對性，此處采用長徑比、寬徑比進(jìn)行對比分析）；裂隙總條數(shù)，2個交點之間為1條裂隙；裂隙交點個數(shù)，2條裂隙相交的交點；被分割的土塊個數(shù)，被裂隙分割的閉合土塊。

收縮參數(shù)包括：徑向收縮率，脫濕后土塊直徑的縮小值（即土樣干縮后與容器側(cè)壁間的間隙）與初始直徑的比值；軸向收縮率，脫濕后土塊高度的縮小值與初始高度的比值。具體表達(dá)式為：

式中δ為收縮開裂裂隙度，%；S為收縮開裂面積，cm2；S為徑向收縮面積，cm2；S為開裂面積，cm2；土樣初始表面積，cm2；為長徑比；為裂隙總長度，cm；為土樣初始直徑，cm；為寬徑比；W為裂隙平均寬度，cm；δ為徑向收縮率，%；D為收縮后的土樣直徑，cm；δ為軸向收縮率，%；為初始土樣高度，cm；H為收縮后的土樣高度，cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一高徑比條件下土體的收縮開裂

圖3為控制高徑比條件相同的情況下，脫濕結(jié)束時4層土的收縮開裂終止圖。采用ImageJ-Fiji對各收縮開裂

終止圖進(jìn)行處理，提取各裂隙參數(shù)見表3。

表3 同一高徑比下脫濕結(jié)束時土體的裂隙參數(shù)統(tǒng)計

注：δ代表收縮開裂裂隙度，%；代表長徑比；代表寬徑比；代表裂隙總條數(shù)；代表裂隙交點個數(shù)；代表被分割的土塊個數(shù)。

Note: δrepresents the degree of shrinkage cracking, %;represents the length-diameter ratio;represents the width-diameter ratio;represents the number of crack strips;represents the number of crack intersection;represents the number of soil lumps.

由圖3可以看出，4層土的3個土樣的裂隙發(fā)育明顯，幾乎無核心收縮，且裂隙形態(tài)纖細(xì)，分布交錯密集。同一尺寸條件下（直徑、高度值一樣），由表土層至過渡層，裂隙形態(tài)逐漸復(fù)雜，裂隙交點個數(shù)、被分割的土塊數(shù)量逐漸增多，單個土塊面積減小。砂土層的裂隙發(fā)育不明顯，裂隙條數(shù)、交點個數(shù)小于其他3個土層。過渡層與砂土層在崩崗?fù)馏w垂直剖面上屬于相鄰?fù)翆?，兩者裂隙性的較大差異會嚴(yán)重破壞土體的穩(wěn)定性。

通過對各裂隙參數(shù)進(jìn)行對比分析（表3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，每層土的1、2、3，裂隙參數(shù)均波動不大。以表土層為例，其土樣1、2、3的收縮開裂裂隙度分別為：10.98%、11.97%、12.48%，變異系數(shù)為5.27%；裂隙長徑比：11.42、11.87、12.22，變異系數(shù)為2.77%；裂隙寬徑比：0.007、0.007、0.008，變異系數(shù)為6.43%；其他參數(shù)也如此。表明同一高徑比下，崩崗?fù)馏w的裂隙發(fā)育具有相似性。由公式（2）、（3）計算可知1至3，表土層裂隙總長度分別為68.55、142.45、183.30 cm，裂隙平均寬度分別為0.045、0.095、0.120 cm。結(jié)合圖3，表明同一高徑比條件下，土體直徑越大，裂隙總長度、裂隙平均寬度逐漸增加。

圖4 同一高徑比下4層土的收縮參數(shù)

對脫濕結(jié)束后同一高徑比下3個土樣的徑向收縮率與軸向收縮率進(jìn)行分析（圖4）。同一高徑比條件下，各土層的徑向收縮率波動幅度較小，結(jié)合圖3，各層土3個土樣的徑向收縮現(xiàn)象不顯著，徑向收縮率幾乎全分布在0.5%～1.5%之間。軸向收縮率由1至3緩慢增大，可能是因為1～3的土樣高度分別為0.4、0.8、1.0 cm，隨著高度的增加土體在垂直剖面上受到的重力越大，軸向收縮變形越劇烈。軸向收縮中4層土關(guān)系式為：紅土層＞過渡層＞表土層＞砂土層。

2.2 不同高徑比條件下土體的干縮開裂

通過相機定點拍照記錄脫濕結(jié)束時4層土的收縮開裂情況（圖5）。隨著高徑比的增加，土體形態(tài)變化可分為4個階段：①裂隙形態(tài)纖細(xì)、密集交錯，網(wǎng)狀分布，無主裂隙，輕微徑向收縮（表土層3、4）；②裂隙形態(tài)簡單，裂隙條數(shù)顯著減少，寬度增加，無明顯主裂隙，徑向收縮增加（表土層5）；③裂隙形態(tài)逐漸單一，裂隙條數(shù)減少，寬度增加，線狀分布，具有明顯主裂隙，徑向收縮增加（表土層6、7）；④無裂隙發(fā)育，徑向收縮顯著（表土層8、9、10）。表明土體的徑向收縮與裂隙發(fā)育之間相互影響，隨著高徑比的增加，土體整體呈現(xiàn)裂隙發(fā)育減弱、徑向收縮增強的趨勢。

可以將脫濕結(jié)束后土體分為2種狀態(tài)：①收縮開裂土樣：裂隙發(fā)育，伴隨著徑向收縮；②徑向收縮土樣：無裂隙發(fā)育，僅徑向收縮。4層土由收縮開裂土樣過渡至徑向收縮土樣的高徑比具體臨界值范圍分別為：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147，砂土層＜表土層＜紅土層～過渡層，與土壤中的黏粒含量呈現(xiàn)相同的大小關(guān)系。

對3～10的臨界含水率進(jìn)行統(tǒng)計（表4）。臨界含水率包括：開縮含水率（w），土體開始產(chǎn)生徑向收縮時的含水率；開裂含水率（w），土體開始產(chǎn)生裂隙時的含水率。由7～10，各土層中均有些土樣呈現(xiàn)僅徑向收縮現(xiàn)象，無裂隙發(fā)育，因此沒有開裂含水率。

可以看出，4層土中過渡層的臨界含水率值最大，砂土層最小。是由于土體顆粒之間的不均勻分布影響水分蒸發(fā)，促使含水率梯度的形成，產(chǎn)生拉張應(yīng)力，開始徑向收縮，當(dāng)拉張應(yīng)力大于抗拉強度時，裂隙產(chǎn)生。而黏粒之間孔隙小且膠結(jié)作用強，會抑制水分蒸發(fā)，促使土體更早形成含水率梯度，過渡層黏粒含量最大，因此過渡層最早產(chǎn)生徑向收縮與裂隙。隨著高徑比的增加，4層土的開縮含水率有增大的趨勢，開裂含水率有減小的趨勢。以表土層為例，由3～10開縮含水率分別為23.95%、26.37%、28.43%、29.12%、29.87%、28.23%、30.58%、31.48%；開裂含水率分別為：23.57%、23.01%、24.96%、24.56%、23.07%（8～10僅產(chǎn)生徑向收縮現(xiàn)象，無開裂含水率）。原因在于土體高徑比越大，脫濕過程中產(chǎn)生的上下含水率梯度越大，上部土體越容易產(chǎn)生拉張應(yīng)力，同時下部土體對上部土體收縮產(chǎn)生的約束作用也促進(jìn)上部土體拉張應(yīng)力的增大，使上部土體有更早開始收縮的趨勢。高徑比的增加，不僅可以促進(jìn)拉張應(yīng)力的增加，同時也會增大土體的抗拉強度[33]，因為對崩崗?fù)馏w抗拉強度的增大作用強于拉張應(yīng)力，使土體開裂受到的阻力越大，致使開裂含水率呈現(xiàn)減小的趨勢。

表4 不同高徑比下4層土的臨界含水率

注：w代表收縮含水率，%；w代表開裂含水率。

Note: wrepresents shrinkage water content, %;wrepresents crack water content, %.

隨著高徑比的增加，各土樣的開縮含水率與開裂含水率之間的差值逐漸增大。以過渡層為例，土樣3的開縮含水率與開裂含水率分別為：31.09%、29.85%，8分別為：35.95%、26.33%，兩個臨界含水率的差值由1.14個百分點增大至9.62個百分點。土體開始產(chǎn)生徑向收縮的條件為土體產(chǎn)生拉張應(yīng)力，土體開始產(chǎn)生裂隙的條件為土體產(chǎn)生的拉張應(yīng)力超過抗拉強度；抗拉強度越大，土體越難開裂，開裂含水率越小，開裂含水率與開縮含水率之間的差值越大；因此開縮含水率與開裂含水率的差值可以表示脫濕過程中土體產(chǎn)生抗拉強度的大小。當(dāng)高徑比較小時，開縮含水率與開裂含水率之間的差值越小，抗拉強度越小，脫濕過程中拉張應(yīng)力更容易超過抗拉強度，也就意味著越早產(chǎn)生裂隙。

對各土層土樣3～10的裂隙參數(shù)進(jìn)行提取繪制變化曲線圖（圖6）。隨著高徑比的增加，收縮開裂裂隙度整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。表土層、紅土層、過渡層在高徑比= 0.147 (7) 時收縮開裂裂隙度達(dá)到峰值17.79%、21.85%、22.44%，砂土層在= 0.234 (10) 時達(dá)到峰值5.90%。由于此峰值并不是特別明顯且受土樣數(shù)量的限制，還需進(jìn)一步試驗進(jìn)行驗證。

對于徑向收縮土樣，表土層的8、9、10收縮開裂裂隙度分別為：16.50%、16.65%、16.41%；紅土層9、10分別為19.11%、18.05%，過渡層9、10分別為20.95%、15.53%，砂土層7、8、9、10分別為4.63%、3.12%、5.37%、5.90%。除過渡層外，其他3個土層收縮開裂裂隙度受高徑比的影響不大。

圖6 4層土的裂隙參數(shù)隨高徑比變化

4層土的長徑比隨著高徑比增加整體呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)高徑比= 0.067～0.107（3～5），下降趨勢最顯著；高徑比= 0.107～0.183（5～9），呈波動式下降，但下降幅度明顯減??；高徑比= 0.183～0.234（9～10），處于穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合圖5，土樣9～10為僅產(chǎn)生徑向 收縮的土樣，所以高徑比對徑向收縮土樣的長徑比影響不大。

4層土的寬徑比隨著高徑比的增加整體呈現(xiàn)上升的趨勢。紅土層、過渡層高徑比= 0.067～0.16（3～8），呈波動式上升，上升幅度較??；高徑比= 0.16～0.234 （8～10），寬徑比波動較大，先呈快速增大后快速減小，在高徑比= 0.183（9）處達(dá)到最大值。表土層從高徑比= 0.147（7）處開始快速增大后快速減小，在高徑比=0.16（8）處達(dá)到最大值。結(jié)合圖5，紅土層8～10、過渡層土樣8～10、表土層7～10為由收縮開裂土樣過渡至徑向收縮的土樣，所以干縮開裂土樣的寬徑比隨高徑比的增加呈緩慢增加的趨勢，徑向收縮土樣的寬徑比受高徑比的影響較大，表土層在高徑比=0.16時達(dá)到最大值，紅土層、過渡層在高徑比=0.183時達(dá)到最大值。砂土層的寬徑比波動幅度較小。

4層土的裂隙條數(shù)、裂隙交點個數(shù)、被分割的土塊個數(shù)隨著高徑比增加整體呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)高徑比= 0.067～0.107（3～5），下降趨勢最顯著；高徑比=0.107～0.147（5～7），呈緩慢下降趨勢，變化幅度明顯減?。? 0.147～0.234（7～10）時，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對各土層土樣3～10的徑向收縮面積與開裂面積進(jìn)行細(xì)化分析（圖7）。因為土樣的表面積不一致，因此不同土樣的徑向收縮面積、開裂面積不存在相對性，無法進(jìn)行比較。此處采用開裂面積占比、徑向收縮面積占比進(jìn)行對比分析。開裂面積占比為開裂面積與土樣初始表面積的比值，徑向收縮面積占比為徑向收縮面積與土樣初始表面積的比值。開裂面積占比與徑向收縮面積占比之和為收縮開裂裂隙度。公式如下：

式中δ為開裂面積占比，%；δ為徑向收縮面積占比，%。

圖7 4層土的收縮、開裂面積占比隨高徑比變化

隨著高徑比的增加，開裂面積占比逐漸減少，徑向收縮面積占比逐漸增加，至土樣形態(tài)變化為僅徑向收縮時，開裂面積占比為0。當(dāng)高徑比=0.067時，表土層的開裂面積占比、徑向收縮面積占比分別為：6.31%、6.18%，紅土層分別為：10.92%、2.05%，過渡層分別為：12.51%、2.66%，砂土層分別為：0.99%、2.06%，開裂面積占比：過渡層＞紅土層＞表土層＞砂土層。當(dāng)高徑比=0.183時，4層土的徑向收縮面積占比分別為：16.65%、19.11%、20.95%、5.37%，過渡層＞紅土層＞表土層＞砂土層，過渡層徑向收縮現(xiàn)象最顯著。

隨高徑比的增加，徑向收縮率而呈波動式上升趨勢（圖8）。以表土層為例，3～10的徑向收縮率分別為：1.27%、2.50%、4.13%、7.42%、6.20%、8.50%、8.92%、7.50%，因為高徑比的增加使拉張應(yīng)力增大，從而促使徑向收縮率增大，但由于設(shè)置的高徑比之間差值不大，且試驗過程中會受到其他外部環(huán)境因素的影響，致使其變化存在波動性；3～10的軸向收縮率分別為：22.00%、20.00%、19.50%、18.76%、18.95%、16.45%、20.45%、15.49%，軸向收縮率隨高徑比的增加，整體呈現(xiàn)波動式下降的趨勢。各裂隙、收縮參數(shù)隨高徑比的變化存在波動性，原因在于試驗設(shè)置各組高徑比之間的差值較小，使得各組之間裂隙、收縮參數(shù)變化量不大，同時試驗過程中會受到環(huán)境等客觀因素的影響，使數(shù)據(jù)存在波動性。波動的原因是否存在厚度與表面積的耦合效應(yīng)，還需進(jìn)一步對厚度和表面積兩個因素進(jìn)行單獨試驗進(jìn)行對比分析。

圖8 4層土的徑向、軸向收縮率隨高徑比變化

3 結(jié) 論

1）崩崗4層土中，過渡層與砂土層在崩崗垂直剖面上屬于相鄰的下部土層，而兩者收縮開裂性能的較大差異會破壞土體的承載力與穩(wěn)定性，加速崩塌的發(fā)生。

2）當(dāng)土體的高徑比相同時，其水平面上裂隙發(fā)育、徑向收縮具有相似性。當(dāng)高徑比不同時，隨高徑比的增加，裂隙發(fā)育減弱，徑向收縮增強。當(dāng)高徑比到達(dá)某一臨界值時，土體呈現(xiàn)無裂隙發(fā)育，僅核心收縮現(xiàn)象。在崩崗4層土中，紅土層、過渡層臨界值較大，砂土層最小。

3）對于干縮開裂土樣，隨高徑比的增加，收縮開裂裂隙度、寬徑比、徑向收縮率呈現(xiàn)整體增加的趨勢，其余參數(shù)均呈現(xiàn)整體減小的趨勢。對于徑向收縮土樣，寬徑比受高徑比的影響較大，其余參數(shù)波動幅度不大，由于本試驗的徑向收縮土樣較少，因此具體影響仍需進(jìn)一步試驗進(jìn)行研究分析。

4）高徑比增加對土體抗拉強度的增大作用大于拉張應(yīng)力，致使開縮含水率隨高徑比的增加逐漸減小，開裂含水率逐漸增大。在崩崗4層土中，受到黏粒含量的影響，過渡層的2個臨界含水率值最大，砂土層最小。

[1] Fredlund D G, Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M]. New York: Wiley, 1993.

[2] Yesiller N, Miller C J, Inci G, et al. Desiccation and cracking behaviour of three compacted landfill liner soils[J]. Engineering Geology, 2000, 57: 105-121.

[3] Nahiawi H, Kodikara J K. Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2006, 24: 1641-1664.

[4] 張曉明，丁樹文，蔡崇法，等. 干濕效應(yīng)下崩崗巖土不均勻沉降變形規(guī)律與崩壁崩塌機制[J]. 巖土力學(xué)，2013，34(S2)：299-305.

Zhang Xiaoming, Ding Shuwen, Cai Chongfa, et al. Mechanism of effects of wetting-drying on nonuniform settlement and caved wall collapsed in slope disintegration erosion area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(S2): 299-305.

[5] 朱洵，李國英，蔡正銀，等. 濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(4)：159-167.

Zhu Xun, Li Guoying, Cai Zhengyin, et al. Failure modes and slope stability of expansive soil canal under wet-dry cycles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 59-167. (in Chinese with English abstract)

[6] 周紅藝，李輝霞，葉奇，等. 華南活動崩崗崩壁土體裂隙發(fā)育規(guī)律試驗研究[J]. 水土保持研究，2016，23(1)：338-342.

Zhou Hongyi, Li Huixia, Ye Qi, et al. Simulation of morphological development of soil cracks in the collapsing hill region of southern China[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2016, 23(1): 338-342.

[7] 朱磊，陳玖泓，劉德東. 土壤表面干縮裂隙形態(tài)定量分析及其數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(14)：8-14.

Zhu Lei, Chen Jiuhong, Liu Dedong. Morphological quantity analysis of soil surface shrinkage crack and its numerical simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(14): 8-14. (in Chinese with English abstract)

[8] 彭旭東，戴全厚，李昌蘭，等. 模擬雨強和地下裂隙對喀斯特地區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(2)：131-140.

Peng Xudong, Dai Quanhou, Li Changlan, et al. Effect of simulated rainfall intensities and underground pore fissure degrees on soil nutrient loss from slope farmlands in Karst Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 131-140. (in Chinese with English abstract)

[9] 唐朝生，施斌，劉春. 膨脹土收縮開裂特性研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2012，20(5)：663-673.

Tang Chaosheng, Shi Bin, Liu Chun. Study on desiccation cracking behaviour of expansive soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2012, 20(5): 663-673.

[10] 曾浩，唐朝生，劉昌黎，等. 膨脹土干燥過程中收縮應(yīng)力的測試與分析[J]. 巖土工程學(xué)報，2019，41(4)：717-725.

Zeng Hao, Tang Chaosheng, Liu Changli, et al. Measurement and analysis of shrinkage stress of expansive soils during drying process[J]. Chinese Journal of Geootechnical Engineering, 2019, 41(4): 717-725.

[11] Rayhani M H T, Yanful E K, Fakher A. Desiccation-induced cracking and its effect on the hydraulic conductivity of clayed soils from Iran[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44(3): 276-283.

[12] Peron H, Herchel T, Laloui L, et al. Fundamentals of desiccation cracking of fine-grained soils: Experimental characterization and mechanisms identification[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2009, 46(10): 1177-1201.

[13] 唐朝生，施斌，崔玉軍. 土體干縮裂隙的形成發(fā)育過程及機理[J]. 巖土工程學(xué)報，2018，40(8)：1415-1423.

Tang Chaosheng, Shi Bin, Cui Yujun. Behaviors and mechanisms of desiccation cracking of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(8): 1415-1423.

[14] Albrecht B A, Benson C H. Effect of desiccation on compacted natural clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 1271: 67-75.

[15] 王東偉，唐朝生，李勝杰，等. 膨脹土干縮變形特性試驗研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報，2019，25(5)：756-765.

Wang Dongwei, Tang Chaosheng, Li Shengjie, et al. Experimental study on volumetric shrinkage behavior of expansive soil[J]. Geological Journal of China Universities, 2019, 25(5): 756-765.

[16] Corte A, Higashi A. Experimental research on desiccation cracks in soil[R]. U.S. Army Snow Ice and Permafrost Research Establishment. Illinois, USA, 1960.

[17] Omidi G H, Thomas J C, Brown K M. Effect of desiccation cracking on the hydraulic conductivity of a compacted clay liner[J]. Water, Soil and Soil Pollution, 1996, 89: 91-103.

[18] 楊振北，胡東旭，汪時機. 膨脹土脹縮裂隙演化及其擾動規(guī)律分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(17)：169-177.

Yang Zhenbei, Hu Dongxu, Wang Shiji. Evolution law of expansion-shrinkage crack and its disturbance rule of expansive soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 169-177. (in Chinese with English abstract)

[19] 曹玲，王志儉，張振華. 降雨-蒸發(fā)條件下膨脹土裂隙演化特征試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2016，35(2)：413-421.

Cao Ling, Wang Zhijian, Zhang Zhenhua. Experimental research of cracking process of expansive soil uunder rainfall infiltration and evaporation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(2): 413-421.

[20] 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.

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)

[21] 葉萬軍，萬強，申艷軍，等. 干濕循環(huán)作用下膨脹土開裂和收縮特性試驗研究[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報，2016， 36(4)：541-547.

Ye Wanjun, Wan Qiang, Shen Yanjun, et al. Cracking and shrinkage properties of expansive soil under wetting-drying cycles[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2016, 36(4): 541-547.

[22] Rodriguez R, Sanchez M, Ledesma A, et al. Experimental and numerical analysis of desiccation of a mining waste[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44: 644-658.

[23] 唐朝生，崔玉軍，施斌，等. 膨脹土收縮開裂過程及其溫度效應(yīng)[J]. 巖土工程學(xué)報，2012，34(12)：2181-2187.

Tang Chaosheng, Cui Yujun, Shi Bin, et al. Shrinkage and desiccation cracking process of expansive soil and its temperature-dependent behaviour[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(12): 2181-2187.

[24] 曾浩，唐朝生，劉昌黎，等. 控制厚度條件下土體干縮開裂的界面摩擦效應(yīng)[J]. 巖土工程學(xué)報，2019，41(3): 544-553.

Zeng Hao, Tang Chaosheng, Liu Changli, et al. Effects of boundary friction and layer thickness on desiccation cracking behaviors of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(3): 544-553.

[25] 袁權(quán)，謝錦宇，任柯. 邊界約束對膨脹土干縮開裂的影響[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，2016，24(4)：604-609.

Yuan Quan, Xie Jinyu, Ren Ke. Effect of boundary constrains on desiccation crack of swelling soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2016, 24(4): 604-609.

[26] 駱趙剛，汪時機，楊振北，等. 膨脹土裂隙發(fā)育的厚度效應(yīng)試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2020，42(10)：1922-1930.

Luo Zhaogang, Wang Shiji, Yang Zhenbei, et al. Thickness effect on crack evolution of expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(10): 1922-1930.

[27] 朱磊，馬榮，范東峻，等. 考慮相關(guān)長度的土壤開裂模型改進(jìn)及其參數(shù)對裂隙形態(tài)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(24)：123-131.

Zhu Lei, Ma Rong, Fan Dongjun, et al. Soil cracking improved model considering with correlation length and effect of its parameters on crack morphology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 123-131. (in Chinese with English abstract)

[28] Lakshmikantham R, Pratpere C, Ledesmaalberto. Experimental evidence of size effect in soil cracking[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2008, 49(3): 264-284.

[29] Nahlawi H, Kodikara J K. Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layer[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2006, 24: 1641-1664.

[30] 萬勇善，史德明，席承藩. 南方花崗巖侵蝕區(qū)土壤退化的研究[J]. 水土保持學(xué)報，1991，5(8)：80-87.

Wan Yongshan, Shi Deming, Xi Chengfan. Research on soil degradation in granite erosion area in south China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1991, 5(8): 80-87.

[31] 吳志峰，王繼增. 華南花崗巖風(fēng)化殼巖土特性與崩崗侵蝕關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報，2000，14(2)：31-35.

Wu Zhifeng, Wang Jizeng. Relationship between slope disintegration and rock soil characteristics of granite weathering mantle in south China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000, 14(2): 31-35.

[32] 夏棟. 南方花崗巖區(qū)崩崗崩壁穩(wěn)定性研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

Xia Dong. Research on Stability of Collapsing Gully Wall in Granite Region of South China[D]. Wu Han: Huazhong Agricultural University, 2015.

[33] 馮延云. 崩崗?fù)馏w抗拉力學(xué)特性及對崩崗穩(wěn)定性影響研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

Feng Yanyun. Study on the Tensile Properties of Collapsed Soil and Its Influence on the Stability of Collapsed Soil[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2020.

[34] 劉昌鑫，潘健，鄧羽松，等. 干濕循環(huán)作用對崩崗?fù)馏w穩(wěn)定性的研究[J]. 水土保持學(xué)報，2016，30(6)：253-258.

Liu Changxin, Pan Jian, Deng Yusong, et al. The influence of wet-dry cycles on collapsing gullt stability[J]. Joural of Soil and Water Conservation, 2016, 30(6): 253-258.

[35] 魏玉杰，吳新亮，蔡崇法. 崩崗體剖面土壤收縮特性的空間變異性[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(6)：153-159.

Wei Yujie, Wu Xinliang, Cai Chongfa. Spatial variability of soil shrinkage characteristics in profile of slope disintegration body[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 153-159.

[36] 張家俊，龔壁衛(wèi)，胡波，等. 干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙演化規(guī)律試驗研究[J]. 巖土力學(xué)，2011，32(9)：2729-2734.

Zhang Jiajun, Gong Biwei, Hu Bo, et al. Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9): 2729-2734.

Shrinkage and cracking characteristics of Benggang soil under the condition of controlling height-diameter ratio

Wang Jiani, Zhang Xiaoming※, Ding Shuwen, Wang Qian, Nie Daoxiang

(430070,)

Shrinkage and cracking of Benggang soil often occur and vary significantly in different soil layers during water evaporation. That is because there are the hydrophilic clay minerals (kaolinite and hydromica) in the special soil with stratification after natural geological evolution. This study aims to clarify the influence of height-diameter ratios on soil shrinkage and cracking characteristics. The Benggang soil was selected in the Wuli Town, Tongcheng County, Hubei Province of China. 10 groups of height-diameter ratio were then designed for the experiment. The soil samples were configured as supersaturated mud, where the water evaporation was accelerated using low-speed wind fans. The soil morphologies before and after dehumidification were characterized at a fixed position. Digital image processing was also utilized to carry out a quantitative analysis. Therefore, the shrinkage and cracking mechanism of Benggang soil were addressed under the condition of controlling the height-diameter ratio. The results are listed as follows. 1) There was the strongest radial shrinkage and cracks development in the transition layer, whereas, the weakest in the sandy layer among the four layers of Benggang soil. The transition and sandy layers were then defined as the lower soil adjacent to the soil layer in the vertical section. The less difference between the two soil layers was contributed to the stability and bearing capacity of Benggang soil, thereby relieving the collapse of the Benggang wall. 2) The samples with a smaller height-diameter ratio developed significant cracks, but the radial shrinkage was not outstanding. By contrast, there was no crack in the samples with a larger height-diameter ratio, but the radial shrinkage was significant. Among them, the specific critical values of the height-diameter ratio for the four soil layers during the transition from the drying cracking to radial shrinkage state were achieved, 0.147-0.160, 0.160-0.183, 0.160-0.183, and 0.134-0.147, respectively. 3) The crack parameters and radial shrinkage ratio were similar, but the axial shrinkage ratio increased as the thickness of the soil layer increased, particularly when the height-diameter ratio was the same, even though the height and diameter were different. More importantly, the crack morphology developed more complex from the topsoil to the transition layer, but the sandy layer remained unchanged. 4) The shrinkage water content gradually increased with the increase of height-diameter ratio, whereas, the crack water content gradually decreased. The difference between them was then represented by the tensile strength of soil during the dehumidification. Correspondingly, the degree of shrinkage and cracking, the width-diameter ratio, and the radial shrinkage ratio increased with the increase of the height-diameter ratio, whereas the rest parameters showed a decreasing trend. Therefore, there was the most significant influence of height-diameter ratio on the shrinkage and cracking characteristics in the transition layer, whereas, the least influence was found in the sandy layer. The finding can also provide strong theoretical support to reveal the collapse mechanism of Benggang soil for higher stability in construction projects.

crack; shrinkage; quantitative analysis; Benggang; height-diameter ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016

TU443

A

1002-6819(2021)-21-0134-09

王佳妮，張曉明，丁樹文，等. 控制高徑比條件下崩崗?fù)馏w的收縮開裂特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(21)：134-142.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016 http://www.tcsae.org

Wang Jiani, Zhang Xiaoming, Ding Shuwen, et al. Shrinkage and cracking characteristics of Benggang soil under the condition of controlling height-diameter ratio[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 134-142. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016 http://www.tcsae.org

2021-06-08

2021-08-12

國家自然科學(xué)基金（41771307；41201271）；國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFC0505302）；長江科學(xué)院開放研究基金資助項目（CKWV2017522/KY）；2020年湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（S202010504045）

王佳妮，研究方向為崩崗?fù)馏w的穩(wěn)定性。Email：798603101@qq.com

張曉明，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為崩崗崩塌及土壤侵蝕過程。Email: zxm_huanong@mail.hzau.edu.cn