不同環(huán)境溫度和含砂率對(duì)黏性土干縮開裂影響試驗(yàn)研究

盧 毅，卜 凡，蔡田露，龔緒龍，陸 華，萬佳俊，王 梓，顧 凱

1.自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院）， 南京 210049；2. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 211100；3.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023

黏性土對(duì)于周圍環(huán)境的變化是十分敏感的。隨著近年來全球氣溫不斷升高，極端高溫氣候頻發(fā)，世界各地頻繁出現(xiàn)地面干縮、開裂等現(xiàn)象，這將對(duì)土體本身的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及滲透性產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)也將威脅地表植被的生長以及建筑物的正常使用（曹玲等，2016；孔令偉等，2007；張勇等，2020）。在邊坡工程方面，吳美蘇等（2019）的研究結(jié)果表明，土體內(nèi)部裂隙為雨水下滲提供了優(yōu)先通道，大幅降低了土體的強(qiáng)度，是邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)的主要原因；殷宗澤等（2012）探討了膨脹土邊坡失穩(wěn)的原因，發(fā)現(xiàn)多裂隙性是其易于失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，并從不同角度進(jìn)行了論證；陳鐵林等（2006）研究了裂隙對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示含有裂隙的超固結(jié)土邊坡，降雨容易沿裂隙入滲至土坡內(nèi)部，弱化吸力，削減了土體的整體強(qiáng)度，進(jìn)而誘發(fā)滑坡。在環(huán)境巖土工程中，裂隙的存在將直接或間接地對(duì)土體內(nèi)部的物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)以及生物場(chǎng)造成影響，具體表現(xiàn)為加速地下污染物的運(yùn)移，增加了地下水資源受污染的風(fēng)險(xiǎn)；為地下咸水的運(yùn)移提供“便捷通道”（陳正漢等，2019；崔玉軍等，2006），加劇了土壤的鹽漬化；此外也使得農(nóng)作物根系處的養(yǎng)分難以保留（Novak et al., 2000）。

目前國內(nèi)外研究人員對(duì)于土體開裂影響因素的研究已有較大的進(jìn)展，如探究厚度變化、干濕循環(huán)次數(shù)、界面摩擦力、邊界及尺寸效應(yīng)對(duì)于土體裂隙形成及發(fā)育的影響，對(duì)土體開裂機(jī)理有更深層次的認(rèn)知與研究（袁權(quán)等，2016；曾浩等，2019；Tang et al., 2010；徐其良等，2018；Morris et al., 1993；劉昌黎等，2018）。上述研究中所采用的試驗(yàn)材料均為無砂顆粒的黏性土，自然界中的土體的粒度成分是十分復(fù)雜的，除均質(zhì)黏土外還包含不同含砂率的砂—黏混合物。王云等（2016）對(duì)于不同摻砂量的紅黏土的擊實(shí)與收縮特性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)摻砂比越高，改良紅黏土的最優(yōu)含水率越小，最大干密度越大。然而，對(duì)于摻砂黏土干縮、開裂的研究相對(duì)較少，通過摻入不同含量的砂粒，導(dǎo)致土體內(nèi)部水分的運(yùn)移以及裂隙的發(fā)育、發(fā)展形式等有待進(jìn)一步的探索、研究。

此外，土體開裂是一個(gè)由多重因素共同作用下完成的復(fù)雜過程。其中環(huán)境溫度所帶來的影響是十分關(guān)鍵的（唐朝生等，2012）。唐朝生等（2007）通過設(shè)置不同環(huán)境溫度條件，探究土壤表面由于水分散失而產(chǎn)生的收縮、開裂現(xiàn)象，結(jié)果表明較高的環(huán)境溫度將在一定程度上提升土體的開裂行為。陳曉靜等（2020）認(rèn)為蒸發(fā)環(huán)境是決定土體裂隙發(fā)育最終呈現(xiàn)形態(tài)的主要因素，并且裂隙發(fā)展的速率不隨時(shí)間單調(diào)變化,而是與周圍環(huán)境直接相關(guān)。劉觀仕等（2020）指出，土體裂隙發(fā)育初期的速率以及裂隙回穩(wěn)速率與環(huán)境溫度呈正比，且高溫條件可使土體表面產(chǎn)生更多難以觀察的微裂隙，而低溫情況下則有利于土體的收縮應(yīng)力向更深層處進(jìn)行傳遞，導(dǎo)致裂隙數(shù)量減少，但寬度及延長深度更大。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀與亟待解決的問題，本文設(shè)置不同環(huán)境溫度、含砂率條件，展開一系列室內(nèi)蒸發(fā)試驗(yàn)，通過記錄試驗(yàn)過程中土體內(nèi)部水分散失以及表面裂隙發(fā)育、發(fā)展情況，利用相關(guān)圖形分析軟件，對(duì)裂隙率、裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)進(jìn)行定量分析，進(jìn)而探究不同溫度、含砂率對(duì)土體干縮、開裂的影響機(jī)理。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可對(duì)實(shí)際工程、環(huán)境中砂—黏混合物的蒸發(fā)以及裂隙的發(fā)育、發(fā)展等提供一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用黏性土取自南京市某地區(qū)下蜀土，室內(nèi)測(cè)得其基本物理性質(zhì)如表1所示；試驗(yàn)用砂粒取自南京某工地，其顆粒粒徑為0.075~0.1 mm、0.1~0.25 mm、0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm的顆粒含量分別為2.2%、31.9%、49.1%、16.6%、0.2%。將帶回的下蜀土烘干，用碎土機(jī)進(jìn)行研磨后過2 mm的篩備用（粒徑分布曲線如圖1所示），而砂粒則烘干后過2 mm篩即可。

圖1 試驗(yàn)所用黏土的粒徑分布曲線Fig. 1 Grain size distribution of the clay soil used in the experiment

表1 試驗(yàn)所用黏土的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the clay soil

1.2 試驗(yàn)方案

經(jīng)研究表明厚度是影響土體開裂程度的關(guān)鍵因素，在有限的范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育的密集度與多樣性與土體的厚度成反比（駱趙剛等，2020）。因此，為了獲得具有較為普遍性的土體裂隙發(fā)育特征，本次試驗(yàn)將試樣的厚度設(shè)置為10 mm。同時(shí)，通過改變環(huán)境溫度以及含砂率，以獲得試樣的相對(duì)蒸發(fā)速率、臨界開裂含水率以及裂隙率的變化情況。

試驗(yàn)規(guī)定試樣尺寸為160 mm×160 mm×10 mm，同時(shí)設(shè)置試樣含砂率（Rs）為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%。含砂率的計(jì)算方法如公式（1）所示。此外，由于砂粒相較于黏性土的吸水率較小，故本次試驗(yàn)在制樣時(shí)只考慮黏性土的含水率。制樣方法如下：首先稱取定量的黏土放置于容器中，加入足量的水后進(jìn)行充分地?cái)嚢瑁瑢⑵渲瞥娠柡湍酀{；將泥漿放置于振動(dòng)臺(tái)上勻速振動(dòng)5 min以排出多余氣泡，而后用試管抽取泥漿表層清液（駱趙剛等，2020），此時(shí)計(jì)算得到飽和泥漿的含水率（w）約為50%；之后向泥漿中加入相應(yīng)質(zhì)量的砂粒，并且再次將試樣置于振動(dòng)臺(tái)上勻速振動(dòng)5 min；振動(dòng)完畢后將砂—黏混合物倒入試驗(yàn)容器中，且混合物厚度控制在10 mm，最后用保鮮膜進(jìn)行塑封并靜置24 h，試樣制備完畢。此外，由于不同含砂率試樣中黏土含量不同，即試樣的初始含水率（wi）不同，因此根據(jù)公式（2）對(duì)不同含砂率試樣的初始含水率進(jìn)行計(jì)算。不同含砂率試樣的初始含水率（wi），及其中黏性土質(zhì)量（mc）與砂性土質(zhì)量（ms）如表2所示。

表2 不同含砂率試樣各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Various parameters of samples with different sand contents

式中：Rs為含砂率，%；ms為砂性土的質(zhì)量，g；mc為黏性土的質(zhì)量，g。

式中：wi為不同含砂率試樣的含水率（i=0-70%），g；w為飽和泥漿的含水率，%；mic為不同含砂率試樣中黏性土的質(zhì)量（i=0~70%），g；mis為不同含砂率試樣中砂性土的質(zhì)量（i=0~70%），g。

在試驗(yàn)過程中，控制恒定環(huán)境溫度分別為35℃、45℃、60℃。同時(shí)，定時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行拍照與稱量，觀察其裂隙發(fā)育特征以及含水率的變化情況，且不同溫度、含砂率試樣均設(shè)置2個(gè)對(duì)照試樣。最后利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)試樣表面的裂隙率（Rc，即試樣表面裂隙面積與試樣表面積的比值）與裂隙平均寬度（Caw）進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果取各對(duì)照試樣的均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同溫度和含砂率對(duì)于相對(duì)蒸發(fā)速率的影響

圖2為不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下，不同含砂率試樣的平均蒸發(fā)速率（試樣完全干燥過程中，單位時(shí)間內(nèi)的水分蒸發(fā)量，g/h）變化曲線。從圖1中可以看出，相同含砂率試樣的平均蒸發(fā)速率，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提升而逐漸增加，而當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由50℃增加至65℃時(shí)，各試樣平均蒸發(fā)速率的增幅較35℃升至50℃時(shí)小。同時(shí)，對(duì)比三種養(yǎng)護(hù)溫度條件下，含砂率為0與10%，以及10%~70%試樣的平均蒸發(fā)速率可以發(fā)現(xiàn)，后者隨著含砂率的增加均呈現(xiàn)出近似線性減少的趨勢(shì)，但環(huán)境溫度越高時(shí)，下降趨勢(shì)越明顯；而前者則呈現(xiàn)近似指數(shù)型的降低趨勢(shì)（如圖2中虛線部分所示），且該趨勢(shì)隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提升而逐漸增加。

圖2 土體平均蒸發(fā)速率變化曲線Fig. 2 The average evaporation rates of soil at different temperatures

相關(guān)研究表明，決定土體內(nèi)部水分蒸發(fā)的必要條件為土體-空氣交互界面上蒸汽壓的差值，即土體內(nèi)部孔隙水液面處蒸汽壓大于外界環(huán)境中的蒸汽壓時(shí)，蒸發(fā)作用便會(huì)進(jìn)行。一般地，初始狀態(tài)為飽和的土體，在環(huán)境條件穩(wěn)定的情況下，其蒸發(fā)過程主要分為常速率階段（第Ⅰ階段）、減速率階段（第Ⅱ階段）以及殘余階段（第Ⅲ階段） （唐朝生等，2011）。其中，第Ⅰ、Ⅱ階段的水分補(bǔ)給主要來自于土體內(nèi)部的自由水，幫助水分自下而上運(yùn)移的通道則成為了影響蒸發(fā)過程中土體含水率變化的關(guān)鍵因素。如圖2所示為相同養(yǎng)護(hù)溫度條件下各試樣的平均蒸發(fā)率曲線（其中k35℃、k50℃、k65℃分別表示不同溫度條件下，試樣中添加砂粒后平均蒸發(fā)速率隨含砂率增加而獲得的擬合曲線的斜率值）。隨著試樣中砂粒從無到有，以及含砂率的不斷增加，各試樣的平均蒸發(fā)速率先呈快速降低趨勢(shì)，后近似呈線性降低趨勢(shì)。影響原因可由圖3解釋說明，圖3 （a）為純黏土試樣的蒸發(fā)過程示意圖，由于試驗(yàn)所用黏土在制樣前均已被研磨且過2 mm的篩，因此認(rèn)為純黏性土試樣內(nèi)部近似呈均勻狀態(tài)，水分可自下而上通過較短的距離運(yùn)移至土體表面。圖3 （b）為含砂試樣內(nèi)部蒸發(fā)過程示意圖，砂粒的存在使得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，改變了部分的水分運(yùn)移通道，并延長了輸送距離，且隨著含砂率的增加，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。同時(shí)，對(duì)圖2中含砂粒試樣的平均蒸發(fā)率曲線進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的提升，擬合曲線的斜率相應(yīng)變大（k35℃=0.00135＜k50℃=0.00408＜k65℃=0.00505），這是因?yàn)榧幢阃馏w內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了改變，而較高的環(huán)境溫度使得水分子的動(dòng)能加劇，同時(shí)弱化了顆粒間毛細(xì)水彎液面上的表面張力以及削減了土體的保水能力，使得水分蒸發(fā)速率一直處于高速狀態(tài)。

圖3 不同含砂率土體內(nèi)部水分運(yùn)移過程示意圖Fig. 3 Diagram showing water transport processes in soils with different sand contents

2.2 不同溫度和含砂率對(duì)臨界開裂含水率的影響

當(dāng)試樣表面出現(xiàn)第一條裂隙時(shí)的含水率被定義為臨界開裂含水率，然而由于試驗(yàn)所設(shè)置的含砂率梯度較大，因此各試樣之間的初始含水率相差較大（見表2）。本文通過計(jì)算試樣初始含水率與臨界開裂含水率的比值，將其定義為臨界開裂比（Cr），以探究不同環(huán)境溫度，含砂率對(duì)土體裂隙形成的影響。圖4為不同含砂率試樣臨界開裂比的變化曲線，從圖中可知當(dāng)試樣的含砂率為0時(shí)，環(huán)境溫度為35℃、50℃、65℃的試樣的臨界開裂比分別為1.0499、1.0484、1.0479，然而當(dāng)純黏土試樣中摻入砂粒后，臨界開裂比均呈現(xiàn)大幅度降低的趨勢(shì)，且隨著含砂率的增加，各試樣臨界開裂比的波動(dòng)幅度較為穩(wěn)定，由此說明土樣表面開始產(chǎn)生裂隙時(shí)的含水率主要取決于其內(nèi)部是否含有砂粒，即當(dāng)試樣中含有砂粒時(shí)能夠明顯地提升土體開裂時(shí)的含水率，而砂粒含量高低的影響程度較小。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可由圖5進(jìn)行解釋說明。由于含砂的土體在干燥過程中，隨著內(nèi)部水分的散失，將由四周向中心區(qū)域產(chǎn)生不同程度的收縮，同時(shí)產(chǎn)生不均勻沉降（如圖5a與圖5b所示）。而砂粒相較于黏土而言被認(rèn)為不具備收縮性質(zhì)，因此含砂的土樣在收縮、沉降時(shí)，加深了局部地區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中與不均勻收縮的程度，進(jìn)而導(dǎo)致土體表面提前產(chǎn)生裂隙（如圖5c所示）。此外，通過對(duì)比圖4中相同含砂率試樣在不同環(huán)境溫度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)的臨界開裂比可知，臨界開裂比與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其原因是由于較高的環(huán)境溫度加劇了土體內(nèi)部水分子的動(dòng)能，導(dǎo)致單位運(yùn)移通道與時(shí)間內(nèi)迅速通過大量的自由水，因此在一定程度上也提升了土體的收縮、變形能力，使得表面裂隙提前產(chǎn)生。

圖4 不同含砂率土體臨界開裂比變化曲線Fig. 4 Curves of critical cracking ratio of soils with different sand contents

2.3 不同溫度和含砂率對(duì)于裂隙發(fā)育的影響

如前文所述，砂粒不具備收縮性質(zhì)，因此含砂的土體在干燥過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中或不均勻沉降而產(chǎn)生裂隙時(shí)，由于砂粒的存在將導(dǎo)致其收縮范圍減小。圖6分別為不同環(huán)境溫度條件下，不同含砂率試樣隨干燥時(shí)間增加，表面裂隙率（Rc）的變化情況。雖然含砂率不同的試樣，裂隙率的增長趨勢(shì)不同，但當(dāng)裂隙發(fā)育穩(wěn)定時(shí)，含砂率越低，試樣的裂隙率越大，其中最低與最高含砂率試樣的裂隙率分別降低了97.9%（35℃）、97.3%（50℃）、96.2%（60℃），這與前文所述觀點(diǎn)一致。同時(shí)，當(dāng)干燥過程進(jìn)行約40%后，試樣裂隙率的增長幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，并且土體中的含砂率越低，其裂隙率達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長，這是因?yàn)樯傲５拇嬖谙拗屏送馏w的收縮，導(dǎo)致裂隙發(fā)育提前停止。此外，圖7統(tǒng)計(jì)了不同含砂率試樣的裂隙平均寬度，當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著含砂率的增加，裂隙的平均寬度逐漸降低，其中最低與最高含砂率試樣的裂隙平均寬度分別降低了70.7%（35℃）、78.3%（50℃）、73.9%（60℃），這也進(jìn)一步印證了上述的觀點(diǎn)。

圖6 不同環(huán)境溫度、含砂率土體的裂隙率變化曲線Fig. 6 Curves of crack ratio of soils with different environmental temperatures and sand contents

圖7 不同環(huán)境溫度、含砂率土體的裂隙平均寬度變化曲線Fig. 7 Variations of average crack widths of soils with different environmental temperatures and sand contents

圖8給出了相同含砂率的土體在不同環(huán)境溫度養(yǎng)護(hù)下的裂隙率變化及對(duì)比情況。從圖中可以看出，較高的環(huán)境溫度，促進(jìn)了試樣表面裂隙的發(fā)育，并且試樣的穩(wěn)定裂隙率也與環(huán)境溫度成正相關(guān)（圖9），其中35℃下養(yǎng)護(hù)的試樣的裂隙率較65℃，分別降低了18.7%（Rs=0）、17.9%（Rs=10%）、7.6%（Rs=20%）、33.7%（Rs=30%）、29.8%（Rs=40%）、62.1%（Rs=50%）、42.2%（Rs=60%）、55.6%（Rs=70%）。同時(shí)，通過對(duì)圖7進(jìn)行縱向分析可知，高溫環(huán)境加劇了土體內(nèi)部的水分運(yùn)移，一定程度上導(dǎo)致運(yùn)移通道急速擴(kuò)張，從而提升了土體的收縮變形能力，即裂隙的平均寬度隨環(huán)境溫度的增加而增加。

圖8 相同含砂率土體在不同環(huán)境溫度條件下裂隙率變化曲線Fig. 8 Curves of crack ratios of soils with the same sand content under different environmental temperatures

圖9 土體裂隙率隨不同環(huán)境溫度變化的曲線Fig. 9 Variations of soil crack ratios with different environment temperatures

隨著干燥過程的持續(xù)進(jìn)行，土體表面的水分逐漸散失，下部自由水供給量減小，此時(shí)土體表面張力大于自身的抗拉強(qiáng)度，裂隙便會(huì)產(chǎn)生，形態(tài)自上而下呈“V”字型發(fā)育?；跀嗔蚜W(xué)理論的裂紋擴(kuò)展機(jī)理可知，在裂紋發(fā)育過程中，其尖端處將出現(xiàn)應(yīng)力集中以及端部區(qū)域的應(yīng)力無限大現(xiàn)象，使得裂紋尖端出現(xiàn)塑性屈服（馮森等，2020）。理論上，若無邊界以及深度限制時(shí)，裂隙將向下無限延伸發(fā)育。然而當(dāng)土體內(nèi)部砂粒與裂隙尖端相接觸時(shí)，由于受到阻礙導(dǎo)致應(yīng)力集中消失，裂隙停止縱向發(fā)育，并且隨著含砂率的增加，裂隙的縱向發(fā)育越困難，宏觀表現(xiàn)為裂隙的寬度逐漸減小（如圖7，圖10所示）。此外，砂粒的存在也將影響裂隙的形成及發(fā)育走勢(shì)。通過記錄試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，黏土含量較大的試樣，失水收縮時(shí)表面產(chǎn)生的沉降較為均勻，產(chǎn)生裂隙的拉力方向主要沿水平方向分布，且相同裂隙的寬度較為均勻；然而當(dāng)試樣中存在砂粒時(shí)的裂隙發(fā)育形式則有所不同，隨著內(nèi)部水分的流失，土體表面產(chǎn)生明顯的不均勻沉降現(xiàn)象，局部地區(qū)出現(xiàn)隆起，故導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生的拉力除水平方向外還存在部分縱向分量，裂隙的寬度隨延伸距離而不斷減小。綜上所述，砂粒能在一定程度上抑制土體裂隙的形成及發(fā)育，而高溫環(huán)境則將弱化這一抑制作用。

圖10 不同含砂率土體表面裂隙網(wǎng)絡(luò)Fig. 10 Soil surface crack network with different sand contents

3 結(jié)論

本研究通過改變黏土體內(nèi)部含砂率以及養(yǎng)護(hù)溫度，開展了一系列室內(nèi)干燥試驗(yàn)，從蒸發(fā)速率變化、裂隙的形成及發(fā)展等方面研究了二者對(duì)砂—黏混合物干縮開裂的影響，得到以下結(jié)論：

（1）相較于純黏土而言，砂粒的存在，將導(dǎo)致土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改變了部分的水分運(yùn)移通道，從而延長了自由水的運(yùn)移路徑，因此水分蒸發(fā)速率隨著含砂率的增加而減弱。

（2）由于砂粒較黏土而言收縮性較小，因此含砂的黏土在干燥收縮過程中將產(chǎn)生局部地區(qū)的應(yīng)力集中與不均勻沉降現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土體表面提前產(chǎn)生開裂，此現(xiàn)象受含砂率的影響較小，與是否含砂有關(guān)。

（3）砂粒的存在將直接影響土體裂隙發(fā)育的深度與延伸長度，土體含砂率越高，裂隙發(fā)育縱深越小，延伸長度越短，同時(shí)裂隙的平均寬度也與含砂率呈負(fù)相關(guān)。

（4）較高的環(huán)境溫度加劇了土體內(nèi)部水分子的熱運(yùn)動(dòng)，提升了水分的動(dòng)能，使得疏水通道急速擴(kuò)張。即相同含砂率條件下，環(huán)境溫度越高，水分蒸發(fā)速率、土體表面形成的裂隙寬度越大，同時(shí)在一定程度上使表面裂隙提前產(chǎn)生。