極端干濕循環(huán)作用下飽和泥漿紅黏土的干縮裂隙發(fā)育特征

何岱洵，張家明，陳 茂，龍鄖鎧

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

在云貴高原干旱氣候環(huán)境中紅黏土干縮開裂是一種普遍的自然現(xiàn)象，在土木、水利和巖土等工程領(lǐng)域引發(fā)各種災(zāi)害[1-2]。紅黏土干縮開裂會(huì)降低土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[3-4]。如在強(qiáng)降雨期間，紅黏土的干縮裂隙可產(chǎn)生優(yōu)先流，加快降雨入滲補(bǔ)給地下水，引發(fā)降雨型地質(zhì)災(zāi)害[5]；紅黏土防滲襯砌干裂，雨季水庫蓄水初期會(huì)發(fā)生大量滲漏[6]；紅黏土地基干縮開裂，會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破壞[7]。

紅黏土的水敏性極強(qiáng)[8-9]，對(duì)干旱也比較敏感[10]，因此干濕循環(huán)會(huì)顯著影響紅黏土的工程地質(zhì)特性。目前，已有學(xué)者開展了干濕循環(huán)對(duì)紅黏土表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響研究[11-13]。例如：陳開圣[14]探究了貴州余慶—?jiǎng)P里高速公路紅黏土干縮裂隙的面積率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；李焱等[15]通過試驗(yàn)揭示了江西東鄉(xiāng)紅黏土裂隙度與干濕循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性；陳開圣[16]通過精細(xì)設(shè)計(jì)邊坡模型試驗(yàn)，探索了貴陽花溪紅黏土裂隙寬度、裂隙深度、裂隙率、裂隙條數(shù)、裂隙長度、裂隙塊區(qū)數(shù)隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律；熊俊豪等[17]通過試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)桂林雁山紅黏土裂隙率、裂隙長度的影響。

上述研究成果對(duì)更深入地認(rèn)識(shí)紅黏土干縮開裂的干濕循環(huán)效應(yīng)發(fā)揮了重要作用，但是針對(duì)極端干濕循環(huán)作用下紅黏土干縮裂隙的發(fā)育特征還缺乏系統(tǒng)研究。土體水分蒸發(fā)是干縮開裂的誘因，干縮開裂是土體蒸發(fā)失水到一定程度的產(chǎn)物[18]。紅黏土具有崩解性[19-20]，其可能影響干縮裂隙的發(fā)育規(guī)律。但是既有紅黏土干縮裂隙的研究很少考慮土體水分蒸發(fā)特征和崩解性的影響。

氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，云南地區(qū)的干旱化趨勢將會(huì)持續(xù)加重，干旱事件的發(fā)生頻率也將會(huì)繼續(xù)增加，其影響范圍逐漸擴(kuò)大[21-23]。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，云南地區(qū)的紅黏土生態(tài)邊坡逐漸增多，在旱季，澆水灌溉模擬降雨是生態(tài)邊坡養(yǎng)護(hù)的重要方式，邊坡紅黏土經(jīng)歷了極端干濕循環(huán)過程。此外，既有紅黏土干縮裂隙的研究都是以壓實(shí)樣為研究對(duì)象，但作為基礎(chǔ)研究，泥漿樣制備方便、重復(fù)性好。因此，為了研究極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土干縮裂隙發(fā)育規(guī)律的影響，本文以云南昆明呈貢地區(qū)紅黏土為研究對(duì)象，通過制備紅黏土初始飽和泥漿樣，在室內(nèi)進(jìn)行了5次干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析了極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)、干縮裂隙的形成及其演化、表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)紅黏土地區(qū)由干縮裂隙誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害和工程安全問題具有重要的防控指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料是昆明呈貢地區(qū)二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組灰?guī)r上覆紅黏土，取樣點(diǎn)深度為1.7 m，無植被根系，避免了根系和先期自然干縮開裂的影響。紅黏土的基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1，紅黏土黏粒(<5 μm)礦物成分的X射線衍射(XRD)測試結(jié)果見表2。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)參數(shù)

表2 紅黏土黏粒(<5 μm)礦物成分的X射線衍射測試結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟如下：①將取回的土樣在室內(nèi)風(fēng)干碾碎，并過2 mm篩子；②稱取一定量的篩下紅黏土細(xì)粒倒入不銹鋼桶內(nèi)，加入適量的蒸餾水，用木棍、大功率電動(dòng)攪拌器等工具充分?jǐn)嚢璩赡酀{，并先后用保鮮膜、濕抹布密封鋼桶，靜置于暗室24 h；③將泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后向?nèi)長×內(nèi)寬×深為200 mm×200 mm×20 mm的正方形有機(jī)玻璃容器中倒入675 g泥漿，在木桌子上均勻地手工振動(dòng)玻璃容器，制備成厚度為10 mm的均質(zhì)泥漿樣，按此步驟制備3個(gè)平行樣(S1、S2、S3)，并先后用保鮮膜、濕抹布密封玻璃容器，靜置于暗室24 h；④對(duì)試樣進(jìn)行干處理：對(duì)試樣用控溫烘箱進(jìn)行70℃恒溫干燥試驗(yàn)，干燥過程中對(duì)試樣定時(shí)稱重和對(duì)試樣表面進(jìn)行拍照(如圖1所示為自制的試樣稱重和拍照不銹鋼裝置，在暗室內(nèi)拍照，獲得相同光亮度、放大倍數(shù)、分辨率和表面積的圖像)，試樣出現(xiàn)裂隙前、后的時(shí)間間隔分別為1 h、0.5 h，如果試樣的質(zhì)量在2 h之內(nèi)無變化，即認(rèn)為干燥過程完成[24]，以上為第1次干濕循環(huán)，記為DW1；⑤對(duì)試樣進(jìn)行后續(xù)4次先濕后干循環(huán)試驗(yàn)，依次記為DW2、DW3、…、DW5，其路徑見圖2。對(duì)試樣進(jìn)行濕處理：將干燥試樣水平置于天平上，用噴霧器向試樣表面均勻、等速地噴灑蒸餾水，使試樣恢復(fù)到初始含水率(初始質(zhì)量)，用時(shí)控制為10 min，并先后用保鮮膜、濕抹布密封玻璃容器，靜置于暗室24 h，濕處理過程中禁止擾動(dòng)試樣，然后對(duì)試樣進(jìn)行干處理，方法如前所述；⑥將整個(gè)試樣于105℃烘干，測量試樣的干土質(zhì)量；⑦最后基于試樣的干土質(zhì)量、初始質(zhì)量和干燥過程中的質(zhì)量，計(jì)算試樣的質(zhì)量含水率和蒸發(fā)速率。本文取3個(gè)試樣測試結(jié)果的平均值進(jìn)行分析。

圖1 紅黏土試樣稱重和拍照裝置

圖2 紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)路徑示意圖

1.3 圖像處理

采用南京大學(xué)施斌教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的顆粒及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(PCAS)[25]進(jìn)行圖像處理，以S2試樣第1次干濕循環(huán)末期圖像為例，圖像處理流程如下(見圖3)：①裁剪中間區(qū)域：受有機(jī)玻璃容器邊界的影響，其附近的裂隙相對(duì)中間區(qū)域顯得雜亂破碎[見圖3(a)]，為了消除邊界的影響，提高分析結(jié)果的可靠度，選取中間700像素×700像素區(qū)域[見圖3(b)]作為分析對(duì)象，其實(shí)際尺寸為160.7 mm×160.7 mm，即圖像分辨率為4.36像素/mm；②灰度圖像：將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像[見圖3(c)]；③二值化圖像：設(shè)定一個(gè)灰度閾值將灰度圖像轉(zhuǎn)化為黑白圖像[見圖3(d)]，黑色區(qū)域?yàn)榱严?，白色區(qū)域?yàn)閴K區(qū)；④去除雜點(diǎn)：由于試樣雜質(zhì)和圖像噪聲等原因[26]，圖像二值化處理后塊區(qū)中有一些孤立的小黑點(diǎn)，但這些小黑點(diǎn)不是裂隙[見圖3(e)]，由于裂隙深度貫通試樣厚度，局部玻璃容器底部反光在裂隙中間形成孤立的白色小區(qū)域，但這些白色區(qū)域不是塊區(qū)[見圖3(f)]，因此應(yīng)采用軟件的去雜點(diǎn)功能消除塊區(qū)中的小黑點(diǎn)和裂隙中的白色小區(qū)域；⑤基于真實(shí)的二值化圖像獲取裂隙和塊區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)[見圖3(g)]。

圖3 紅黏土干縮裂隙圖像處理流程

1.4 測量參數(shù)

本研究測量的參數(shù)如下：

(1) 測量不同時(shí)刻試樣的含水率w(%)和水分蒸發(fā)速率Re(為單位時(shí)間內(nèi)的失水質(zhì)量，g/h)。

(2) 統(tǒng)計(jì)裂隙交點(diǎn)數(shù)Nn和裂隙條數(shù)NI。裂隙節(jié)點(diǎn)包括端點(diǎn)和交點(diǎn)，其中裂隙交點(diǎn)為3條或3條以上裂隙的相交點(diǎn)，兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間為1條裂隙[26]。

(3) 統(tǒng)計(jì)裂隙總長度L、裂隙平均長度La和裂隙平均寬度W。

(4) 統(tǒng)計(jì)土塊數(shù)Na、土塊平均面積Sav和土塊最大面積Smax。

(5) 統(tǒng)計(jì)表面裂隙率RSC，為裂隙面積與試樣的初始總面積之比。

(6) 計(jì)算表面裂隙的分形維數(shù)D，采用軟件中盒維法計(jì)算得到[24]。

需要說明的是，裂隙、土塊與面積或長度有關(guān)的參數(shù)都是通過軟件PCAS統(tǒng)計(jì)黑色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)、白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)來確定的，也可以基于圖像分辨率計(jì)算實(shí)際物理面積或長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅黏土的水分蒸發(fā)過程

紅黏土的水分蒸發(fā)速率Re與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線稱為蒸發(fā)曲線，紅黏土的含水率w與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線稱為干燥曲線[24]。不同干濕循環(huán)過程中紅黏土的蒸發(fā)曲線和干燥曲線，見圖4和圖5。

由圖4和圖5(a)可以看出：

圖4 不同干濕循環(huán)過程中紅黏土的蒸發(fā)曲線

圖5 不同干濕循環(huán)過程中紅黏土的干燥曲線及其局部特寫

(1) 不同干濕循環(huán)過程中紅黏土的蒸發(fā)曲線和干燥曲線，其形狀總體相似。

(2) 根據(jù)紅黏土水分蒸發(fā)速率Re隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律，紅黏土的蒸發(fā)曲線可分為4個(gè)階段：增速率階段(Ⅰ)、常速率階段(Ⅱ)、減速率階段(Ⅲ)、穩(wěn)定階段(Ⅳ)。其中，常速率階段紅黏土的水分蒸發(fā)速率總體穩(wěn)定，但也有先增后減的微小波動(dòng)，這是因?yàn)榧t黏土的干縮裂隙首先在常速率階段產(chǎn)生，增大蒸發(fā)面積，紅黏土的水分蒸發(fā)速率增大，隨著水分蒸發(fā)，紅黏土的含水率降低，其水分蒸發(fā)速率降低[24]。

(3) 在歷時(shí)方面，紅黏土減速率階段歷時(shí)最長，常速率階段、增速率階段次之，穩(wěn)定階段歷時(shí)最短。

(4) 在干燥初期，紅黏土的含水率與干燥時(shí)間幾乎呈直線關(guān)系，隨后紅黏土的干燥曲線趨于平緩，最后紅黏土的干燥曲線幾乎水平[見圖5(a)]，最終紅黏土含水率在1.01%～1.45%之間[見圖5(b)]。

(5) 從數(shù)量上看，不同干濕循環(huán)過程中紅黏土的蒸發(fā)曲線和干燥曲線在各蒸發(fā)階段的歷時(shí)、水分蒸發(fā)速率和干燥完成時(shí)間方面存在差異，但是差異并不顯著，尤其是后4次干濕循環(huán)試樣。例如：不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣(DW1至DW5)的增速率階段歷時(shí)依次為2 h、4 h、4 h、3 h、4 h，常速率階段歷時(shí)分別為8.5 h、5 h、4 h、6 h、6.5 h，試樣的最大水分蒸發(fā)速率分別為26 g/h、25 g/h、26.5 g/h、26 g/h、25.5 g/h，常速率階段試樣的平均水分蒸發(fā)速率依次為23.11 g/h、24.58 g/h、25.42 g/h、25.08 g/h、24.38 g/h(見圖4)，干燥完成時(shí)間分別為21.5 h、19.5 h、19 h、19 h、19 h[見圖5(b)]，后4次干濕循環(huán)紅黏土的水分蒸發(fā)速率比第1次干濕循環(huán)紅黏土的大。

以上分析表明，極端干濕循環(huán)作用會(huì)顯著影響紅黏土的水分蒸發(fā)過程，但影響程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減弱。

2.2 紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程

根據(jù)紅黏土干縮裂隙的特點(diǎn)，將第1次干濕循環(huán)過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程分為5個(gè)階段，以S2試樣為例簡述紅黏土干縮裂隙形成及其演化過程各階段的特征如下：第1階段為裂隙孕育階段，即裂隙出現(xiàn)之前，土體含水率逐漸減小，土顆粒干縮，并且呈非均勻運(yùn)動(dòng)，發(fā)生相互靠攏或分離；第2階段為裂隙形成階段，即從初始開裂至最后一條裂隙出現(xiàn)，土樣表面出現(xiàn)孤立的主裂隙，主裂隙延伸并近似垂直相交，形成主裂隙網(wǎng)絡(luò)和初級(jí)塊區(qū)，而主裂隙垂直衍生出子裂隙，形成次級(jí)塊區(qū)，子裂隙再衍生出次子裂隙，形成更次級(jí)塊區(qū)，直到最后一條裂隙開始形成[見圖6(a)、(b)、(c)、(d)];第3階段為裂隙條數(shù)穩(wěn)定階段，即裂隙條數(shù)不變，裂隙長度不斷增長[見圖6(e)]；第4階段為裂隙長度穩(wěn)定階段，即裂隙長度不變，裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已定形，但裂隙寬度不斷增加，塊區(qū)形狀基本不變，但面積仍繼續(xù)縮??；第5階段為表面裂隙率穩(wěn)定階段，即裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和塊區(qū)分布已經(jīng)固定，土體含水率和蒸發(fā)速率繼續(xù)減小，土體水分蒸發(fā)速率最終為零。

第2、3、4、5次干濕循環(huán)過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程類似，以S2試樣第2次干濕循環(huán)過程為例簡述紅黏土干縮裂隙的形成及其演化特征(見圖7)如下：首先在試樣表面隱隱約約出現(xiàn)裂隙網(wǎng)絡(luò)[見圖7(a)、(b)]，隨著試樣水分蒸發(fā)，裂隙寬度增加，裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得清晰[見圖7(c)、(d)、(e)]。對(duì)比第1次干濕循環(huán)(見圖6)，第2次干濕循環(huán)紅黏土干縮裂隙的形成及其演化具有以下特點(diǎn)：①在試樣表面最先出現(xiàn)的干縮裂隙不是隨機(jī)形成的孤立、明顯的主裂隙，而是隱隱約約的裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；②試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)幾乎同時(shí)出現(xiàn)和發(fā)展，沒有顯示出主裂隙、子裂隙、次子裂隙、更次子裂隙的逐級(jí)先后衍生關(guān)系；③試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)的形狀、位置與第1次干濕循環(huán)末期試樣的裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度吻合；④試樣表面新增一些微小的干縮裂隙。

圖6 第1次干濕循環(huán)過程中紅黏土試樣S2干縮裂隙的形成及其演化過程

圖7 第2次干濕循環(huán)過程中紅黏土試樣S2干縮裂隙的形成及其演化過程

以上分析表明：首次與后續(xù)極端干濕循環(huán)過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程不同，后續(xù)極端干濕循環(huán)過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程類似;首次極端干濕循環(huán)過程中紅黏土形成的干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)干濕循環(huán)紅黏土干縮裂隙的形成及其演化起控制性作用，后續(xù)極端干濕循環(huán)紅黏土的干縮裂隙是在首次極端干濕循環(huán)過程中紅黏土形成的干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的。

2.3 紅黏土表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖8展示了經(jīng)5次干濕循環(huán)后紅黏土試樣S2表面形成的典型干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，土樣表面被裂隙網(wǎng)絡(luò)分離為獨(dú)立的土塊。

由圖8可見：首次干濕循環(huán)后，土塊形狀相對(duì)規(guī)則，裂隙的邊壁光滑，彼此相互垂直[見圖8(a)]；第2次干濕循環(huán)之后，裂隙邊壁變得粗糙[見圖8(b)]；后3次干濕循環(huán)后，裂隙邊壁越來越光滑[見圖8(c)、(d)、(f)]。這些現(xiàn)象與紅黏土試樣表面裂隙分形維數(shù)的計(jì)算結(jié)果一致，即5次干濕循環(huán)后紅黏土試樣表面裂隙的分形維數(shù)依次為0.928、1.069 5、1.007 3、1.003 5、0.975 1。此外，圖8清晰地顯示了不同干濕循環(huán)過程中紅黏土試樣主體裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)特征相似，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣裂隙寬度減小，試樣表面新增了一些微小裂隙，土塊的數(shù)量增多、面積減小，試樣表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越破碎。

圖8 不同干濕循環(huán)過程中紅黏土試樣S2表面形成的典型干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

定量分析紅黏土裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)特征對(duì)土體干縮開裂形成機(jī)理和土體裂隙預(yù)測研究具有重要的意義。表3匯總了每次干濕循環(huán)后紅黏土表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)的平均值，圖9用曲線形式展示了紅黏土表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

表3 每次干濕循環(huán)后紅黏土表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)的平均值

由表3和圖9可知：隨著極端干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土表面干縮裂隙交點(diǎn)數(shù)、裂隙條數(shù)、裂隙總長度、土塊數(shù)快速增加[見圖9(a)、(b)、(d)、(g)]，土塊平均面積、土塊最大面積快速減小[見圖9(h)、(i)]，裂隙平均長度在最初2個(gè)干濕循環(huán)過程中快速減小，后3個(gè)干濕循環(huán)過程中緩慢減小[見圖9(e)]。以上分析表明：隨著極端干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土表面干縮裂隙和土塊數(shù)量增加，土塊面積減小，土體碎裂化加?。粡牡?次到第2次干濕循環(huán)過程中，紅黏土表面干縮裂隙平均寬度W、表面裂隙率RSC快速大幅度減小，從第2次到第5次干濕循環(huán)過程中，紅黏土表面干縮裂隙平均寬度W、表面裂隙率RSC緩慢減小并趨于穩(wěn)定，如第1次至第5次干濕循環(huán)后紅黏土表面裂隙率RSC依次為26.98%、13.57%、13.29%、12.77%、12.57%[見圖9(c)、(f)]。

選用表面裂隙率來評(píng)價(jià)土體干縮裂隙發(fā)育程度，則首次極端干濕循環(huán)作用對(duì)土體干縮裂隙發(fā)育的影響最顯著，后續(xù)干濕循環(huán)作用的影響強(qiáng)度逐漸減弱。

2.4 極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)速率的影響

土體水分蒸發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程，同時(shí)受外部環(huán)境因素和內(nèi)部因素的綜合影響[27]。本文開展的紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)，每次循環(huán)的干處理方式都是70℃室內(nèi)恒溫干燥試驗(yàn)，不同干濕循環(huán)的外部環(huán)境因素一致。因此，造成不同干濕循環(huán)作用下土體蒸發(fā)過程存在差異的原因是土體內(nèi)部因素。前文分析表明，后續(xù)干濕循環(huán)過程中紅黏土的水分蒸發(fā)速率比首次干濕循環(huán)的紅黏土大，這應(yīng)該與極端干濕循環(huán)作用改變了土體自身的物理特性和結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

土體水分蒸發(fā)速率與土體含水率、飽和度、滲透系數(shù)、含砂量、粗顆粒含量、孔徑、裂隙發(fā)育程度呈正相關(guān)關(guān)系，與土體黏粒含量、密度、含鹽量、孔隙氣體體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[27-34]。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體黏粒含量減少、粉粒含量增加[35]。紅黏土具有顯著的膨脹收縮性，極端干濕循環(huán)導(dǎo)致紅黏土產(chǎn)生大幅度的體積收縮、膨脹交替變形，土顆粒交替靠近、分離，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，導(dǎo)致土體疲勞損傷，破壞了土體結(jié)構(gòu)和顆粒團(tuán)聚性，增強(qiáng)了土的分散性[36-37]，降低了土體密度。此外，紅黏土在極端干濕循環(huán)過程中會(huì)發(fā)生顯著崩解，形成很多微小裂隙，增大了土體的空隙率[20]。上述這些變化都將增大土體的水分蒸發(fā)速率。

2.5 首次與后續(xù)極端干濕循環(huán)作用下紅黏土的干縮開裂機(jī)理

土體結(jié)構(gòu)影響紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程，圖10展示了紅黏土試樣S2每次干燥試驗(yàn)前的表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖10 紅黏土試樣S2每次干燥試驗(yàn)前的表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)

由圖10可以看出，首次與后4次干燥試驗(yàn)前試樣的表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)明顯不同。首次干燥試驗(yàn)前的試樣[見圖10(a)]是初始飽和泥漿樣，試樣還沒有經(jīng)歷干濕循環(huán)和崩解(見圖2)，土質(zhì)相對(duì)均勻，局部結(jié)構(gòu)性差異較?。欢?次干燥試驗(yàn)前的試樣[見圖10(b)、(c)、(d)、(e)]為經(jīng)歷了干濕循環(huán)和崩解的飽和泥漿樣，試樣表面變得粗糙。雖然不同干濕循環(huán)的紅黏土主體裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征相似，主體裂隙位置相同(見圖8)，Yesiller等[38]和Tang等[39]也有類似發(fā)現(xiàn)，但是首次與后4次極端干濕循環(huán)紅黏土的干縮開裂機(jī)理是不同的。

初始飽和泥漿樣[見圖10(a)]具有土質(zhì)的非均質(zhì)性和土樣表面含水率分布的非均勻性，土顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度大小不一，由基質(zhì)吸力和收縮膜的表面張力共同形成的張拉應(yīng)力場在土體中的分布也是非均勻的，很容易在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，一旦某點(diǎn)的張拉應(yīng)力超過土顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，便會(huì)張開形成裂隙[見圖6(a)]；在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，在尖端的引導(dǎo)下[見圖6(b)]，裂隙從水平方向和豎直方向繼續(xù)延伸，土塊不斷收縮，裂隙逐漸變寬加深[見圖6(c)、(d)。干縮開裂是一種在內(nèi)力作用下的張拉破壞，裂隙面是張拉面，因此裂隙發(fā)育方向總是垂直于最大拉應(yīng)力方向，子級(jí)裂隙一般垂直主裂隙發(fā)育，逐漸形成裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[40][見圖6(e)]。

本研究進(jìn)行的是先濕后干循環(huán)試驗(yàn)，而且濕處理過程中不能擾動(dòng)試樣。此外，紅黏土具有高收縮性、低膨脹性[41-42]，干濕循環(huán)會(huì)對(duì)土樣造成不可逆的結(jié)構(gòu)損傷[43]，而土體崩解也為不可逆的物理過程，因此紅黏土的脹縮變形過程是不可逆的[36]，即首次干濕循環(huán)形成的紅黏土干縮裂隙在后續(xù)循環(huán)的濕處理過程中不能完全自愈合，對(duì)后續(xù)干濕循環(huán)紅黏土干縮裂隙的形成及其演化起控制性作用。對(duì)于后續(xù)干濕循環(huán)，首次干濕循環(huán)形成的紅黏土裂隙面是軟弱張拉面，在干燥試驗(yàn)水分蒸發(fā)過程中，土體收縮，率先沿軟弱張拉面裂開，因此后續(xù)干濕循環(huán)的紅黏土干縮裂隙同時(shí)沿著先前裂隙張開(見圖8)。此外，土塊收縮進(jìn)程中，由于內(nèi)力分布不均，土塊內(nèi)部出現(xiàn)若干微小裂隙，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，微小裂隙增多[見圖8(b)、(c)、(d)、(e)]，而第5次循環(huán)后土塊看似塊狀[見圖8(e)]，其實(shí)已經(jīng)是散體狀，并非如圖8(a)所示的完整塊狀。

2.6 極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)過程和干縮裂隙發(fā)育強(qiáng)度影響的極限平衡狀態(tài)

極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)過程和干縮裂隙發(fā)育強(qiáng)度的影響程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減弱，并趨于穩(wěn)定，但首次干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)過程和干縮裂隙發(fā)育強(qiáng)度的影響尤為顯著，表明極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)過程和干縮裂隙發(fā)育強(qiáng)度的影響存在極限平衡狀態(tài)[44]。極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土影響的極限平衡狀態(tài)不僅體現(xiàn)在干縮裂隙方面，還體現(xiàn)在力學(xué)特性方面[35]。究其原因是極端干濕循環(huán)改變了紅黏土的物理特性和結(jié)構(gòu)特征，而且這種改變是不可逆的，紅黏土的脹縮變形是不可逆的，其變形隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，并趨于穩(wěn)定[36]，紅黏土的耐崩解性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減弱。以上原因?qū)е录t黏土對(duì)極端干濕循環(huán)的響應(yīng)越來越不明顯，但達(dá)到極限平衡狀態(tài)所需要的干濕循環(huán)次數(shù)可能會(huì)受干濕條件、循環(huán)路徑和土體特性的影響而不同。

以上分析表明，極端干濕循環(huán)作用顯著影響紅黏土的干縮開裂，該研究結(jié)果對(duì)紅黏土地區(qū)的工程防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。比如：工程實(shí)踐中應(yīng)盡量避免或減弱極端干濕循環(huán)的影響，紅黏土邊坡的澆水養(yǎng)護(hù)應(yīng)盡量安排在土體溫度較低的時(shí)間段；應(yīng)嚴(yán)格控制工程(如紅黏土邊坡工程、路基工程)周期，盡量讓紅黏土經(jīng)歷多次極端干濕循環(huán)過程，待紅黏土干縮裂隙達(dá)到極限平衡狀態(tài)后才進(jìn)行下一步工序。

3 結(jié) 論

通過對(duì)昆明呈貢地區(qū)紅黏土飽和泥漿樣進(jìn)行室內(nèi)極端干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)、干縮裂隙的形成及其演化、表面干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 紅黏土的蒸發(fā)曲線可分為4個(gè)階段，不同干濕循環(huán)過程中紅黏土的蒸發(fā)曲線和干燥曲線形狀相似，但紅黏土蒸發(fā)曲線各蒸發(fā)階段的歷時(shí)不等，后4次干濕循環(huán)的紅黏土干燥完成時(shí)間比第1次干濕循環(huán)的紅黏土短，其水分蒸發(fā)速率比第1次干濕循環(huán)的紅黏土大。

(2) 首次極端干濕循環(huán)過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程可分為5個(gè)階段，首次與后續(xù)干濕循環(huán)過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化特征、形成機(jī)理不同，首次干濕循環(huán)形成的紅黏土干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)干濕循環(huán)紅黏土干縮裂隙的形成及其演化起控制性作用。

(3) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土表面干縮裂隙交點(diǎn)數(shù)、裂隙條數(shù)、土塊數(shù)、裂隙總長度增加，土塊平均面積、土塊最大面積、裂隙平均長度、裂隙平均寬度、表面裂隙率減小，紅黏土碎裂化程度加劇。

(4) 極端干濕循環(huán)作用對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)過程和干縮裂隙發(fā)育強(qiáng)度的影響存在極限平衡狀態(tài)。