干濕效應(yīng)下崩崗?fù)馏w的裂隙演化及收縮變形規(guī)律

王佳妮，張曉明，丁樹(shù)文，王云琦，段曉陽(yáng)，楊清杰

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070)

自然環(huán)境中在降雨—蒸發(fā)的交替變化下，崩崗?fù)馏w產(chǎn)生膨脹收縮現(xiàn)象并衍生大量的裂隙，降低土體的抗剪強(qiáng)度，破壞土體的穩(wěn)定性，加速崩塌的發(fā)生。為抑制崩崗侵蝕的發(fā)生，國(guó)內(nèi)學(xué)者們針對(duì)崩崗?fù)馏w的力學(xué)特性，如抗剪強(qiáng)度、滲透特性、固結(jié)特性、抗拉特性、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等方面做過(guò)大量的研究。對(duì)崩崗?fù)馏w裂隙性以及脹縮性的研究方面，張曉明等研究表明，在干濕循環(huán)效應(yīng)下，崩崗?fù)馏w內(nèi)會(huì)衍生大量的裂隙，引起土體不均勻沉降；劉昌鑫等研究表明，崩崗?fù)馏w裂隙比的增加主要發(fā)生在第2次干濕循環(huán)；魏玉杰等對(duì)崩崗不同土層進(jìn)行收縮試驗(yàn)表明，紅土層與過(guò)渡層收縮變化明顯，砂土層較為緩和，且土壤黏粒含量與軸向收縮率呈正相關(guān)。對(duì)崩崗?fù)馏w的裂隙性與脹縮性研究較少，且對(duì)裂隙發(fā)育與收縮變形分別單獨(dú)進(jìn)行研究，自然環(huán)境中兩者是同時(shí)發(fā)生且相互影響的，因此需要進(jìn)一步同時(shí)研究崩崗?fù)馏w的裂隙發(fā)育與收縮變形，并探討兩者之間的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)脹縮性與裂隙性的研究多集中于膨脹土，總結(jié)脹縮變形與裂隙產(chǎn)生的原因在于：一是其主要礦物成分為蒙脫石與伊利石，具有極強(qiáng)的親水特性；二是土體中的黏粒通過(guò)膠結(jié)作用形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體內(nèi)存在孔隙，當(dāng)水分子進(jìn)入孔隙時(shí)土體膨脹，當(dāng)干燥失水時(shí)孔隙縮小造成土體收縮；三是脫濕過(guò)程中黏粒之間形成水化膜，產(chǎn)生張拉力，當(dāng)張拉力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙產(chǎn)生。易順民等、唐朝生等研究表明，自然條件下裂隙看起來(lái)分布雜亂無(wú)章且發(fā)育隨機(jī)，但經(jīng)過(guò)野外統(tǒng)計(jì)和室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具有較好的分形特性，且存在較強(qiáng)的時(shí)序性。對(duì)于脹縮變形、裂隙發(fā)育的影響因素，學(xué)者們從土體結(jié)構(gòu)(初始干密度、含水率等)、土質(zhì)因素(黏粒含量、礦物含量等)、外界環(huán)境因素(溫度、濕度、界面粗糙度、邊界約束等)、土體尺寸(厚度、表面積等)等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，初步揭示了膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律。自然條件下降雨—蒸發(fā)的反復(fù)交替是土體膨脹收縮與裂隙發(fā)育的促使因素，因此有必要對(duì)干濕效應(yīng)進(jìn)行研究。

學(xué)者們對(duì)于收縮變形與裂隙發(fā)育規(guī)律的研究多集中于膨脹土，對(duì)崩崗?fù)馏w的研究較少。因此本文以湖北省通城縣的典型崩崗?fù)馏w為研究對(duì)象，對(duì)4層土進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)工業(yè)相機(jī)記錄脫濕過(guò)程中裂隙發(fā)育、土體收縮的動(dòng)態(tài)過(guò)程，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)裂隙參數(shù)、收縮參數(shù)定量化分析，研究干濕效應(yīng)下崩崗不同土層的裂隙發(fā)育與收縮變形規(guī)律，以及兩者之間的相互影響關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步研究崩崗失穩(wěn)機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自湖北省咸寧市通城縣五里鎮(zhèn)的瓢型崩崗(113°46′26′′E，29°12′39′′N(xiāo))，該崩崗發(fā)育完整，崩壁邊高約3.38 m，面積達(dá)126 m，植被覆蓋度約為35%。在野外進(jìn)行采樣時(shí)依據(jù)崩壁剖面土壤顏色、土壤深度對(duì)土層進(jìn)行劃分。表土層，取樣深度0.05—0.17 m，土體呈現(xiàn)暗紅色，根系肉眼可見(jiàn)，表層有稀疏的植被，土粒質(zhì)感細(xì)膩，具有較好的結(jié)構(gòu)性；紅土層，取樣深度0.17—0.49 m，土體為紅色，根系分布較少，土粒質(zhì)感細(xì)膩，結(jié)構(gòu)緊實(shí)；過(guò)渡層，取樣深度0.49—2.10 m，土壤顏色呈現(xiàn)淡紅色至灰白色，沒(méi)有植物根系，有輕微的砂質(zhì)干，結(jié)構(gòu)比較松散；砂土層，取樣深度2.10—3.10 m，土體顏色呈現(xiàn)灰白色，無(wú)植物根系，顆粒不均一，砂質(zhì)感較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)松散。

采取原狀土?xí)r，提前在環(huán)刀內(nèi)壁薄涂一層凡士林，環(huán)刀采用規(guī)格為50.46 mm×50 mm，在每層中部各取3個(gè)原狀土，并迅速用保鮮膜包裹，做好密封措施。原狀土主要用于測(cè)量土壤的自然含水率、干密度和毛管孔隙度。在每層中部用鐵鍬采集大量的土壤放入麻袋中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，包括有機(jī)質(zhì)含量測(cè)量、液塑限測(cè)量、礦物含量組成、顆粒組成、干濕循環(huán)試驗(yàn)等。4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成見(jiàn)表1和表2。

表1 崩崗4層土的基本物理性質(zhì)

表2 崩崗4層土的顆粒組成 單位：%

1.2 試樣制備

將采回的土風(fēng)干碾碎過(guò)2 mm篩后混合均勻，將土樣均勻加水為過(guò)飽泥漿狀態(tài)，密封在容器內(nèi)靜置24 h后，抽去表面清液，將泥漿試樣緩緩倒入培養(yǎng)皿(=15 cm，=1.6 cm)中，輕輕晃動(dòng)培養(yǎng)皿使試樣平整，共設(shè)計(jì)12個(gè)試樣(4層土×3組重復(fù))。并從剩余泥漿中取3個(gè)土樣采用烘干法測(cè)量含水率，其平均值即為土樣的初始含水率，以此方法測(cè)量4層土的初始含水率分別為38.03%，40.97%，42.88%，33.11%。

1.3 試驗(yàn)方法

在溫度和濕度都相對(duì)恒定的室內(nèi)(溫度(24±0.5)℃，相對(duì)濕度(65±2)%)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，脫濕過(guò)程采用同一風(fēng)速的低風(fēng)速風(fēng)扇置于試樣同一側(cè)加速水分的蒸發(fā)，并保證每個(gè)試樣間距為10 cm，保證其不受其他風(fēng)扇的影響。在脫濕初始階段，每隔4 h進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)稱(chēng)重拍照；當(dāng)開(kāi)始產(chǎn)生收縮或者裂隙時(shí)，時(shí)間間隔縮短至2 h；當(dāng)裂隙發(fā)育穩(wěn)定后，時(shí)間間隔增加至6 h至脫濕結(jié)束。稱(chēng)重是用于記錄水分蒸發(fā)過(guò)程，計(jì)算土體含水率的變化情況。拍照裝置見(jiàn)圖1。相機(jī)采用500萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)，將試樣放置在圖像校正板上保證每次拍攝位置和角度相同，上方相機(jī)用于記錄裂隙發(fā)育及徑向收縮，側(cè)方相機(jī)用于記錄軸向收縮，使用黑布進(jìn)行遮蔽避免其他光源的影響。

圖1 試驗(yàn)拍照裝置示意

數(shù)字圖像處理：先使用Photoshop軟件對(duì)圖片進(jìn)行裁剪，修正由于光源影響造成的顏色不均問(wèn)題，使用ImageJ-Fiji軟件對(duì)圖片進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化、去噪、骨架化等處理，進(jìn)行裂隙參數(shù)提取分析。裂隙參數(shù)包括表面裂隙率、裂隙總長(zhǎng)度、平均寬度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)和土塊個(gè)數(shù)。通過(guò)ImageJ-Fiji的比例尺設(shè)置功能將像素值轉(zhuǎn)化為實(shí)際值，進(jìn)行徑向收縮面積、開(kāi)裂面積、裂隙總長(zhǎng)度、裂隙平均寬度、徑向收縮率和軸向收縮率的測(cè)量。在脫濕過(guò)程中同時(shí)使用游標(biāo)卡尺對(duì)同一試樣的3個(gè)不同方向進(jìn)行高度測(cè)量，取其平均值，用于與軸向收縮率的圖像處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比修正。

裂隙參數(shù)：以往的研究中，定義表面裂隙率為裁剪掉邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的徑向收縮，僅計(jì)算裂隙面積與土樣初始表面積的占比，這樣計(jì)算的缺點(diǎn)在于忽略了脫濕初期裂隙的醞釀過(guò)程。因此，本文定義裂隙范疇包含徑向收縮區(qū)域，表面裂隙率為徑向收縮面積與開(kāi)裂面積之和與土樣初始表面積之比。參數(shù)表達(dá)式為：

(1)

式中：為表面裂隙率(%)；為徑向收縮面積與開(kāi)裂面積之和(cm)；為土樣初始表面積(cm)；為徑向收縮面積(cm)；為開(kāi)裂面積(cm)。

收縮參數(shù)中軸向收縮率、徑向收縮率的表達(dá)式：

(2)

(3)

式中：為土樣初始直徑(cm)；為收縮后的土樣直徑(cm)；為土樣初始高度(cm)；為收縮后的土樣高度(cm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單次脫濕下土體的裂隙發(fā)育

對(duì)4層土(3組重復(fù))第1次脫濕結(jié)束的裂隙參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3)發(fā)現(xiàn)，各土層3組重復(fù)試驗(yàn)的裂隙參數(shù)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生較大差異。以表土層為例，統(tǒng)計(jì)3個(gè)重復(fù)試樣的干縮開(kāi)裂終止圖(圖2)發(fā)現(xiàn)，其裂隙形態(tài)相似，均具備環(huán)形裂隙，不同之處在于裂隙產(chǎn)生部位不一致。在定量分析裂隙參數(shù)中S、S、S的表面裂隙率分別為12.99%，12.85%，13.20%，變異系數(shù)為1.11%；裂隙總長(zhǎng)度分別為94.52，92.71，93.43 cm，變異系數(shù)為0.80%；裂隙平均寬度分別為0.24，0.24，0.24 cm，變異系數(shù)為0；裂隙條數(shù)分別為15，14，14，變異系數(shù)為3.29%；裂隙交點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為10，9，9，變異系數(shù)為5.05%；被分割的土塊個(gè)數(shù)分別為6，5，6，變異系數(shù)為8.32%。所以對(duì)于相同配置的土樣，雖然裂隙的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，但僅僅體現(xiàn)在裂隙產(chǎn)生部位上，其他裂隙參數(shù)仍具備相似性。

圖2 表土層的干縮開(kāi)裂終止圖

表3 第1次脫濕結(jié)束后4層土的裂隙參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4層土的表面裂隙率與裂隙平均寬度的關(guān)系一致，表現(xiàn)為過(guò)渡層>紅土層>表土層>砂土層，與土體中黏粒含量的關(guān)系相同；而其裂隙總長(zhǎng)度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、被分割的土塊個(gè)數(shù)中，過(guò)渡層、紅土層、表土層相差不大，砂土層最小，表明過(guò)渡層表面裂隙率大于其他土層，主要貢獻(xiàn)來(lái)源于裂隙寬度。而過(guò)渡層與砂土層在崩崗垂直剖面上屬于相鄰?fù)翆?，兩者裂隙性的較大差異性破壞土體穩(wěn)定性，造成崩塌的發(fā)生。

由于前面分析重復(fù)試樣的裂隙參數(shù)具有相似性，因此4層土分別選取1個(gè)代表試樣S、S、S、S，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)表面裂隙率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成進(jìn)行相關(guān)分析(表4)，表明液限、塑性指數(shù)、黏粒含量與表面裂隙率均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，砂粒含量與表面裂隙率存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。塑性指數(shù)越大，土壤顆粒越細(xì)，黏粒的親水礦物含量越高。而在脫濕過(guò)程中，表層土體與風(fēng)、空氣等外界因素直接接觸，水分蒸發(fā)快，而下部土體由于水分蒸發(fā)遷移路徑長(zhǎng)以及吸力的產(chǎn)生，水分蒸發(fā)慢，致使土體形成上低下高的含水率梯度。而黏粒之間的黏結(jié)作用，以及黏粒之間的間隙較小，均會(huì)阻礙下部土體的水分蒸發(fā)，進(jìn)一步加大上下含水率梯度，形成受力不均的拉張應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)某一處的拉張力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙產(chǎn)生。因此，黏粒含量的增加進(jìn)一步加大表面裂隙率，砂粒的作用則與之相反。液限與表面裂隙率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，可能是因?yàn)橐合拊酱螅馏w由液態(tài)轉(zhuǎn)化為可塑狀態(tài)所需含水率越大，同時(shí)說(shuō)明在脫濕過(guò)程中土體更易由過(guò)飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可塑狀態(tài)，產(chǎn)生拉張力也越容易。

參考Wang等[11]的方法：將一定量的去質(zhì)子化丁香酚溶液(10%，v/v)加入到100 mL酪蛋白酸鈉溶液(2% w/v)中，磁力攪拌(600 r·min-1)30 min，得到丁香酚濃度為1%的混合溶液。在磁力攪拌(600 r·min-1)作用下，用3 mol·L-1的檸檬酸溶液將混合溶液pH調(diào)至7.0，得到丁香酚微乳。

表4 表面裂隙率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)

2.2 單次脫濕下土體的收縮特性

在二維條件下，對(duì)4層土(3組重復(fù))第1次脫濕結(jié)束的收縮參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表5)發(fā)現(xiàn)，各土層3組重復(fù)試驗(yàn)的收縮參數(shù)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生較大差異。以表土層為例，其S、S、S的軸向收縮率分別為19.50%，19.98%，19.46%，變異系數(shù)為1.20%；徑向收縮率分別為4.13%，3.95%，4.35%，變異系數(shù)為3.94%。所以對(duì)于相同配置的土樣，其收縮特性具有相似性。

表5 第1次脫濕結(jié)束后4層土的收縮參數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位：%

由于重復(fù)試樣的收縮參數(shù)具有相似性，因此4層土分別選取1個(gè)代表試樣S、S、S、S，將脫濕過(guò)程中其徑向收縮率()、軸向收縮率()進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。隨脫濕的進(jìn)行，徑向收縮率呈“S”形增大，軸向收縮率隨“廠”形增大，與范本賢等的研究結(jié)果一致。4層土的軸向收縮約在含水率30%時(shí)，急速增長(zhǎng)階段結(jié)束，此時(shí)徑向收縮才開(kāi)始產(chǎn)生。4層土的開(kāi)裂含水率分別為24.96%，26.15%，29.47%，22.36%，此時(shí)徑向收縮急速階段結(jié)束，表明脫濕過(guò)程中土體形態(tài)變化順序?yàn)檩S向收縮、徑向收縮、裂隙發(fā)育。脫濕結(jié)束時(shí)4層土的徑向收縮率分別為4.13%，5.51%，5.68%，2.39%，軸向收縮率分別為19.50%，30.63%，18.13%，10.00%，軸向收縮率大于其徑向收縮率，表明脫濕過(guò)程中土體在垂直面上的收縮變形大于其水平面上的收縮變形，且4層土之間徑向收縮率為過(guò)渡層>紅土層>表土層>砂土層，軸向收縮率為紅土層>表土層>過(guò)渡層>砂土層。

圖3 徑向收縮率、軸向收縮率隨含水率變化

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)4層土(S、S、S、S)的基本物理性質(zhì)、顆粒組成與土體徑向收縮率、軸向收縮率進(jìn)行相關(guān)分析(表6、表7)，液限、黏粒含量與土體徑向收縮率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，砂粒含量與徑向收縮率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土體干密度與軸向收縮率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表6 徑向收縮率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)

表7 軸向收縮率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)

黏粒含量、砂粒含量、液限對(duì)徑向收縮的作用機(jī)理與對(duì)收縮開(kāi)裂一致，而干密度越大，土體越緊實(shí)，脫濕過(guò)程中土壤顆粒在軸向上的位移受到限制，致使軸向收縮率越小。

2.3 干濕效應(yīng)下土體的裂隙發(fā)育

選取4層土代表試樣S、S、S、S進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程中每次脫濕結(jié)束的干縮開(kāi)裂圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖4)，可以看出，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，表土層、砂土層的裂隙骨架、裂隙形態(tài)基本未改變，而紅土層、過(guò)渡層的裂隙形態(tài)趨于復(fù)雜化，在前3次循環(huán)中主裂隙骨架未改變，同時(shí)產(chǎn)生許多新生裂隙，在后3次干濕循環(huán)中，基本沒(méi)有存在主裂隙，裂隙形態(tài)改變較嚴(yán)重，且4層土的裂隙寬度、徑向收縮明顯減小。

注：T為干濕循環(huán)次數(shù)。

對(duì)4層土的開(kāi)裂含水率()進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表8)。第1次脫濕中，4層土的開(kāi)裂含水率分別為24.96%，26.15%，29.47%，22.36%。根據(jù)馮延云等的研究，4層土的抗拉強(qiáng)度為過(guò)渡層>紅土層>表土層>砂土層，隨著脫濕的進(jìn)行，抗拉強(qiáng)度先逐漸增大后逐漸減小再趨于穩(wěn)定，且表土層、紅土層、過(guò)渡層在含水率為24.40%左右達(dá)到峰值，砂土層在25.80%左右達(dá)到峰值。將拉張力與抗拉強(qiáng)度結(jié)合分析，以過(guò)渡層為例，可分為5個(gè)階段：(1)含水率在42.88%～29.47%，隨著脫濕的進(jìn)行，土體產(chǎn)生拉張力，抗拉強(qiáng)度也逐漸增大，但此時(shí)拉張力小于抗拉強(qiáng)度；(2)在含水率為29.47%時(shí)，拉張力大于抗拉強(qiáng)度，裂隙產(chǎn)生；(3)含水率在29.47%～24.40%，拉張力與抗拉強(qiáng)度仍在增加，拉張力大于抗拉強(qiáng)度，裂隙延伸、拓寬；(4)含水率在24.40%～15.50%，拉張力增大，抗拉強(qiáng)度減小，裂隙拓寬、延伸；(5)含水率在15.50%～2.26%，拉張力與抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，裂隙發(fā)育穩(wěn)定。4層土之間，表土層、紅土層、過(guò)渡層均在抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值之前裂隙就已產(chǎn)生，砂土層在抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值之后裂隙才產(chǎn)生，表明脫濕過(guò)程中表土層、紅土層、過(guò)渡層拉張力的增大速度遠(yuǎn)大于砂土層。而表土層、紅土層、過(guò)渡層中，抗拉強(qiáng)度、開(kāi)裂含水率均為過(guò)渡層>紅土層>表土層，過(guò)渡層抗拉強(qiáng)度最大，說(shuō)明它需要產(chǎn)生更大的拉張力土體才能開(kāi)裂，而過(guò)渡層的開(kāi)裂含水率也最大，說(shuō)明它的拉張力最早大于抗拉強(qiáng)度，也表明過(guò)渡層的拉張力增大速度最快。

表8 干濕循環(huán)效應(yīng)下4層土的開(kāi)裂含水率(wc) 單位：%

隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，逐漸減小在=3后逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榈?次脫濕過(guò)程中裂隙周?chē)馏w結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，而增濕過(guò)程只是土體吸水膨脹，裂隙寬度逐漸縮小，當(dāng)其減小至裂隙兩邊土體貼近時(shí)，造成肉眼所見(jiàn)的裂隙愈合，但其并不能恢復(fù)土壤顆粒之間的黏結(jié)作用。所以再次進(jìn)行脫濕時(shí)，下部土體水分沿著裂隙部分蒸發(fā)，使上下含水率梯度減小，開(kāi)裂含水率也逐漸減小。但由于干濕循環(huán)作用的有限性，開(kāi)裂含水率趨于穩(wěn)定。4層土之間由=1至=3開(kāi)裂含水率的減少值分別為1.30%，1.70%，2.01%，0.40%，這與其裂隙開(kāi)裂面積有關(guān)，過(guò)渡層收縮開(kāi)裂面積最大，因此增濕后再進(jìn)行脫濕時(shí)，其下部土體水分蒸發(fā)的途徑更多一些，土體上下含水率更難形成大梯度差值，則其再次脫濕時(shí)所需的開(kāi)裂含水率值相對(duì)更小，造成4層土中過(guò)渡層的開(kāi)裂含水率減小值更大。

2.4 干濕效應(yīng)下的裂隙參數(shù)定量化分析

圖5(a)～圖5(f)為表面裂隙率、裂隙總長(zhǎng)度、裂隙平均寬度、裂隙總條數(shù)、裂隙交點(diǎn)個(gè)數(shù)、被分割的土塊個(gè)數(shù)隨干濕循環(huán)的變化。表面裂隙率與裂隙平均寬度的變化趨勢(shì)基本一致。隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行逐漸減小，表土層在=4后趨于穩(wěn)定，紅土層、過(guò)渡層、砂土層在=3后趨于穩(wěn)定，其中4層土由=1至=2表面裂隙率分別減小4.60%，8.75%，9.35%，1.01%，平均寬度分別減小0.1，0.2，0.2，0.02 cm，各土層之間變化幅度均為過(guò)渡層>紅土層>表土層>砂土層；由=2至=3表面裂隙率分別減小2.42%，2.51%，2.20%，1.42%，平均寬度分別減小0.04，0.03，0.02，0.04 cm，各土層之間減小幅度差別不明顯。表明第2次干濕循環(huán)對(duì)土體的干縮開(kāi)裂影響最大，且4層土之間受干濕循環(huán)的影響最大的是過(guò)渡層，砂土層最小。

圖5 4層土的裂隙參數(shù)隨干濕循環(huán)的變化

每層土的裂隙總長(zhǎng)度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、土塊個(gè)數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。表土層隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，各裂隙參數(shù)先緩慢增加，在=3時(shí)達(dá)到最大值，后有輕微減小，并在=4后趨于穩(wěn)定，表明表土層在前3次干濕循環(huán)的作用下，裂隙逐漸延伸、相交，并衍生新裂隙，在第4次干濕循環(huán)時(shí)某些部位裂隙愈合致使各參數(shù)減小。紅土層與過(guò)渡層的變化一致，各裂隙參數(shù)先緩慢增加，在=2時(shí)達(dá)到最大值，后大幅度減小，在=3后趨于穩(wěn)定。砂土層的各裂隙參數(shù)基本未發(fā)生改變，處于無(wú)波動(dòng)狀態(tài)。總結(jié)各土層均在=3后趨于穩(wěn)定，在=3之前均有漲幅。根據(jù)馮延云等的研究，因?yàn)殡S著干濕循環(huán)地進(jìn)行，各土層抗拉強(qiáng)度逐漸衰減在=3后趨于穩(wěn)定，使脫濕過(guò)程中拉張力大于抗拉強(qiáng)度，裂隙更容易產(chǎn)生，裂隙總長(zhǎng)度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、土塊個(gè)數(shù)均有漲幅。

2.5 干濕效應(yīng)下的收縮參數(shù)定量化分析

由圖2可以看出，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，其徑向收縮現(xiàn)象已經(jīng)不存在，土體邊緣以由徑向收縮轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘壛严?。這可能是因?yàn)樵鰸襁^(guò)程中土塊邊緣土體在水的作用下崩解、堆積在徑向收縮區(qū)域內(nèi)，與土塊分離，屬于邊緣閑散土壤顆粒，因此不對(duì)徑向收縮率進(jìn)行研究。在二維條件下，對(duì)土體表面裂隙率(圖5(a))與軸向收縮率(圖6)進(jìn)行對(duì)比分析。水平面上，表面裂隙率隨干濕循環(huán)逐漸減小，在=3時(shí)趨于穩(wěn)定；垂直面上，軸向收縮率隨干濕循環(huán)逐漸減小，在=4時(shí)趨于穩(wěn)定。由=1進(jìn)行到=6，4層土的表面裂隙率減小量分別為8.76%，12.46%，11.98%，2.63%，軸向收縮率減小量分別為3.50%，9.71%，7.51%，3.01%，4層土的表面裂隙率的變化量均大于其軸向收縮率的變化量，干濕循環(huán)對(duì)表面裂隙率的影響大于其軸向收縮。在4層土中，表面裂隙率的變化量為過(guò)渡層～紅土層>表土層>砂土層，軸向收縮率的變化量為紅土層>過(guò)渡層>表土層>砂土層，這是因?yàn)楸砻媪严堵手饕绊懸蛩貫轲ち：?，軸向收縮率的主要影響因素為土體的干密度。

圖6 4層土的軸向收縮率隨干濕循環(huán)的變化

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于相同配置的土樣，裂隙發(fā)育的隨機(jī)性?xún)H體現(xiàn)在發(fā)育部位上，其他裂隙參數(shù)、收縮參數(shù)仍具備相似性。單次脫濕條件下，4層土裂隙發(fā)育程度為過(guò)渡層>紅土層>表土層>砂土層，且過(guò)渡層表面裂隙率最大的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于裂隙平均寬度。

(2)隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，表土層、砂土層裂隙形態(tài)基本未改變，紅土層、過(guò)渡層整體趨于復(fù)雜化。各土層的表面裂隙率、裂隙平均寬度逐漸減小，裂隙總長(zhǎng)度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、土塊個(gè)數(shù)先增大后減小，各參數(shù)均在第3次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

(3)土體的收縮特性在干濕循環(huán)作用下是不可逆的。隨干濕循環(huán)的進(jìn)行，徑向收縮現(xiàn)象逐漸消失，軸向收縮率逐漸減小，在第4次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。其中干濕循環(huán)對(duì)水平面上表面裂隙率的影響大于其垂直面上的軸向收縮率。

(4)過(guò)渡層的徑向收縮率為最大值5.68%，紅土層的軸向收縮率為最大值30.63%，徑向收縮率與液限、黏粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，軸向收縮率與土體干密度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。