昆明呈貢石灰?guī)r上覆紅黏土干縮裂隙的溫度效應(yīng)

何岱洵，張家明，陳 茂，龍鄖鎧，徐則民

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

紅黏土是紅土的一個(gè)亞類（屈儒敏等，1987；Gao，2014），是一種分布于熱帶、亞熱帶的區(qū)域性特殊土（范聞芳和Clarke，1972；徐則民等，2005；楊社鋒等，2006）。紅黏土對(duì)干旱比較敏感（D’angelo et al.，2014），干縮裂隙普遍發(fā)育，在土木、水利和巖土等工程領(lǐng)域引發(fā)各種問題（裴銀鴿等，2012；何忠明等，2019；王雙明等，2022）。例如，湖南郴寧高速公路沿線分布有大量紅黏土，用紅黏土填筑的路堤產(chǎn)生很多裂隙，大大降低了路堤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，干縮裂隙還導(dǎo)致紅黏土路塹邊坡滑坡（陳愛軍等，2013）；貴州高速公路紅黏土邊坡開挖后普遍發(fā)生坍塌（張漣英等，2014）；貴州安順老海子水庫用紅黏土作防滲襯砌，旱季紅黏土干裂，雨季水庫蓄水初期發(fā)生大量滲漏（彭宏艷，1996）；2010年至2013年，昆明地區(qū)連續(xù)四年大旱，紅黏土失水產(chǎn)生大量干縮裂隙，誘發(fā)了多起高壓輸電線鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉降（吳讓新等，2015）。

紅黏土干縮裂隙的現(xiàn)有研究主要集中在干濕循環(huán)對(duì)表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響（吳勝軍等，2011；楊澍，2014；趙雄飛等，2016）。例如，陳開圣（2018）探究了貴州余慶-凱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（2018）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（2019）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、深度、裂隙率、條數(shù)、長(zhǎng)度、塊區(qū)數(shù)隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律；熊俊豪等（2020）研究了桂林雁山紅黏土干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)裂隙率、裂隙長(zhǎng)度的影響。

溫度是影響土體干裂的主要外部因素（唐朝生等，2012）。唐朝生等（2007a，2012）、施斌等（2009）研究了溫度對(duì)南京黏性土（下蜀黃土）和巴黎Romainville膨脹土干縮裂隙形成和演化的影響。紅黏土與其他黏性土、膨脹土不同（廖義玲等，2000；黃丁俊等，2015；穆坤等，2016），但是關(guān)于溫度對(duì)紅黏土干縮裂隙結(jié)構(gòu)和形態(tài)影響的研究還未見報(bào)導(dǎo)。以往研究紅黏土干縮裂隙都是以壓實(shí)樣為對(duì)象，但是作為基礎(chǔ)研究，泥漿樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)均質(zhì)，易于制備，試驗(yàn)具有較好的重復(fù)性，便于結(jié)果分析（唐朝生等，2012）。因此，為探究溫度對(duì)紅黏土干縮開裂的影響，本研究以初始飽和的紅黏土泥漿樣為對(duì)象，試驗(yàn)分析了溫度對(duì)紅黏土水分蒸發(fā)、干縮裂隙的形成和演化，以及表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。研究結(jié)果為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)紅黏土干縮開裂機(jī)理及紅黏土地區(qū)的工程防災(zāi)減災(zāi)有重要指導(dǎo)意義（劉慶等，2022）。

1 試驗(yàn)材料和方法

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1.7 m，無植被根系，避免了根系和先期干裂的影響。其基本物理性質(zhì)如表1所示，黏粒（<5 μm）的XRD測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)Table 1 Physical behaviors of red clay

表2 紅黏土黏粒（<5 μm）的礦物成分Table 2 Mineral components of clay（<5 μm）in red clay

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟如下：（1）將獲取的土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過風(fēng)干和粉碎處理，并通過2 mm篩孔篩選；（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(zhǎng)×內(nèi)寬×深為350 mm×350 mm×100 mm的正方形鋼化玻璃容器中倒入1814 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10 mm的均質(zhì)泥漿樣。按此步驟一共制備9個(gè)試樣，并先后用保鮮膜、濕抹布密封玻璃容器，靜置于暗室24 h；（4）將試樣分成3組S1、S2和S3，每組3個(gè)平行樣，用控溫烘箱分別進(jìn)行30℃、50℃和70℃恒溫干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境條件為恒溫常壓，測(cè)試結(jié)果取平均值。干燥過程中定時(shí)稱重試樣和對(duì)試樣表面進(jìn)行拍照，土樣表面出現(xiàn)裂隙前、后的拍照間隔分別是1 h、0.5 h。圖1所示為自制的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。如果試樣的質(zhì)量在兩個(gè)小時(shí)之內(nèi)無變化，即認(rèn)為干燥過程完成（唐朝生等，2012）；（5）干燥試驗(yàn)結(jié)束后，在試樣中間區(qū)域選擇15～20塊土塊，用游標(biāo)卡尺測(cè)量土塊厚度；（6）最后將整個(gè)試樣105℃烘干，測(cè)量試樣的干土質(zhì)量，并用蠟封法測(cè)量若干土塊的體積，計(jì)算土塊的干密度；（7）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。

圖1 干縮裂隙試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device of desiccation cracking

1.3 圖像處理

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）（施斌等，2009）進(jìn)行圖像處理。以土樣S1-2的末期圖像為例，流程如圖2所示：（1）裁剪中心區(qū)域：由于玻璃容器邊界的影響，裂隙在其附近比在中心區(qū)域更加雜亂破碎（圖2a）。為了抑制邊界影響，增強(qiáng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇了中心的700像素×700像素區(qū)域（圖2b）作為分析目標(biāo)，相當(dāng)于實(shí)際的156.5 mm×156.5 mm區(qū)域，圖像的解析度為4.47像素/mm；（2）灰度轉(zhuǎn)換：將原彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像（圖2c）；（3）圖像二值化：通過設(shè)定灰度閾值，灰度圖像被轉(zhuǎn)化為黑白圖像（圖2d），黑色區(qū)代表裂隙，白色區(qū)代表塊區(qū)；（4）去噪點(diǎn)：由于試樣雜質(zhì)和圖像噪聲等因素（Liu et al.，2016），二值化處理后，塊區(qū)中存在一些孤立的小黑點(diǎn)，但并非裂隙（圖2e）。裂隙由于其深度穿透了試樣的厚度，底部反光導(dǎo)致裂隙中間形成孤立的白色小區(qū)域，但這并非塊區(qū)（圖2f）。因此，應(yīng)用軟件的去噪功能，消除塊區(qū)中的小黑點(diǎn)以及裂隙中的白色小區(qū)域；（5）基于修正后的二值化圖像，得出裂隙和塊區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（圖2g）。

圖2 圖像處理流程Fig.2 Image processing proceduresa-原始圖像；b-裁剪中間區(qū)域；c-灰度圖像；d-二值化圖像；e-去除塊區(qū)中的小黑點(diǎn)；f-去除裂隙中的白色區(qū)域；g-參數(shù)匯總表a-original image；b-cropped center area；c-gray level image；d-binary image；e-after removal of small black spots in aggregates；f-after removal of white areas in cracks；g-parameter summary

1.4 測(cè)量參數(shù)

本研究測(cè)量的參數(shù)如下：

（1）初始開裂時(shí)間tic（試樣表面剛出現(xiàn)裂隙的時(shí)刻），裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)間tni，裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)間tl，表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)間trsc，干燥完成時(shí)間tf。由于存在圖像誤差和處理誤差，試驗(yàn)?zāi)┢趫D像處理所得的表面裂隙率都有微小的變化，因此以最后一刻圖像的表面裂隙率為基準(zhǔn)，表面裂隙率差值剛好小于0.1%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻定義為trsc。

（2）不同時(shí)刻試樣的含水率w和蒸發(fā)速率Re（單位時(shí)間內(nèi)的失水質(zhì)量，g/h），試樣的初始含水率wini，初始臨界含水率wic（tic對(duì)應(yīng)的含水率）和最終含水率wf（tf對(duì)應(yīng)的含水率）。

（3）裂隙交點(diǎn)數(shù)Nn和裂隙條數(shù)Nl，裂隙節(jié)點(diǎn)包括端點(diǎn)和交點(diǎn)，其中交點(diǎn)為三條或三條以上裂隙的相交點(diǎn)，兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間為一條裂隙（Liu et al.，2016）。

（4）裂隙總長(zhǎng)度L，裂隙平均長(zhǎng)度La，裂隙平均寬度W。

（5）土塊數(shù)Na，土塊平均面積Sav，土塊最大面積Smax。

（6）表面裂隙率Rsc、平均干縮厚度Hf、土塊的干密度ρd，其中表面裂隙率為裂隙面積與試樣的初始總面積之比，平均干縮厚度為tf對(duì)應(yīng)時(shí)刻多塊土塊厚度的平均值。

（7）表面裂隙的分形維數(shù)D，軟件采用盒維法計(jì)算所得（唐朝生等，2012；Liu et al.，2016）。

需要說明的是，裂隙、土塊與面積或長(zhǎng)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(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅黏土的水分蒸發(fā)過程

蒸發(fā)速率Re與干燥時(shí)間的關(guān)系稱為蒸發(fā)曲線，含水率w與干燥時(shí)間的關(guān)系稱為干燥曲線（唐朝生等，2012）。如圖3 所示，紅黏土的蒸發(fā)曲線形狀與膨脹土（唐朝生等，2012）類似，而且不同溫度條件下的蒸發(fā)曲線形狀相似，可分為3個(gè)階段：Ⅰ常速率階段、Ⅱ減速率階段和Ⅲ穩(wěn)定階段。在30℃、50℃和70℃干燥試驗(yàn)中，常速率階段的平均蒸發(fā)速率分別為11.27 g/h、24.75 g/h 和43.80 g/h，隨后水分蒸發(fā)進(jìn)入減速率階段，最后是穩(wěn)定階段。不同于膨脹土（唐朝生等，2012），無論高溫還是低溫干燥試驗(yàn)，紅黏土的減速率階段歷時(shí)最長(zhǎng)，常速率階段歷時(shí)次之，穩(wěn)定階段歷時(shí)最短。常速率階段和減速率階段的歷時(shí)隨溫度升高而減短，穩(wěn)定階段歷時(shí)與溫度的相關(guān)性不明顯。此外，根據(jù)干燥曲線計(jì)算發(fā)現(xiàn)，溫度升高，常速率階段的蒸發(fā)份額逐漸增大，30℃時(shí)占37.01%，50℃時(shí)占41.66%，70℃時(shí)占60.71%，這與膨脹土（唐朝生等，2012）也不相同。

圖3 試樣蒸發(fā)速率及含水率隨干燥時(shí)間的變化Fig.3 Changes of evaporation rate and water content of specimens with drying timea-30℃干燥試驗(yàn)；b-50℃干燥試驗(yàn)；c-70℃干燥試驗(yàn)a-30℃desiccation test；b-50℃desiccation test；c-70℃desiccation test

試樣靜置過程中有不同程度的蒸發(fā)，3 組試樣的平均初始含水率wini在92.25%～95.59%之間，但差異不大（圖3），每組3個(gè)平行樣的初始含水率幾乎相等。紅黏土的干燥曲線形狀與膨脹土（唐朝生等，2012）類似，而且不同溫度的干燥曲線總體相似，在干燥初期（常速率階段），試樣含水率與干燥時(shí)間幾乎呈直線關(guān)系，隨后（減速率階段）干燥曲線趨于平緩，最后（穩(wěn)定階段）干燥曲線幾乎水平。溫度對(duì)干燥曲線的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面（表3）：（1）溫度升高，干燥完成時(shí)間tf減短，最終含水率wf降低（30℃、50℃、70℃時(shí)，tf=120.3 h、57.3 h、31.3 h，wf=3.87%、3.04%、1.52%）。（2）溫度升高，水分子的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能增大，而水的粘滯性、表面張力及土體的持水能力減弱，黏土顆粒的部分吸附結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水，擴(kuò)散層變薄，黏土顆粒對(duì)水分子的有效約束能力降低，空氣濕度降低，土-氣界面間的相對(duì)濕度梯度增大，這些變化都導(dǎo)致土中水更容易逃逸到空氣中（唐朝生等，2012），因此紅黏土的水分蒸發(fā)速率隨溫度升高而增大。隨著干燥的持續(xù)，土體含水率降低，可蒸發(fā)水源減少，吸力增大，土-氣界面間的相對(duì)濕度梯度降低，水-氣界面埋深增大，氣泡干擾水汽分子的遷移，這些變化都將導(dǎo)致水汽分子的逃逸受阻，逃逸路徑變長(zhǎng)（唐朝生等，2012），因此蒸發(fā)速率逐漸降低。影響土體水分蒸發(fā)的因素可歸納為兩大類：外部環(huán)境因素、內(nèi)部土性因素（歐陽斌強(qiáng)等，2016）。紅黏土與膨脹土的土性因素不同，即使外部環(huán)境因素一致，蒸發(fā)速率也不會(huì)相同。就泥漿樣室內(nèi)干燥試驗(yàn)而言，導(dǎo)致蒸發(fā)速率不同的主要土性因素可能是成分（粒度成分、礦物成分和化學(xué)成分）差異、水的形態(tài)差異、水分常數(shù)差異和土體結(jié)構(gòu)差異。

表3 出現(xiàn)裂隙和裂隙穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間及對(duì)應(yīng)含水率Table 3 Time and water content in the beginning and stable state of cracks

2.2 紅黏土干縮裂隙的形成和演化過程

根據(jù)紅黏土干縮裂隙形成和發(fā)展的特點(diǎn)，確定4 個(gè)時(shí)間參數(shù)：初始開裂時(shí)間tic、裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)間tni、裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)間tl、表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)間trsc（表3）。以這4 個(gè)時(shí)間為界，將紅黏土的形成和演化分為5 個(gè)階段。無論高溫還是低溫干燥試驗(yàn)，紅黏土的形成和演化過程類似，以試樣S1-3的局部圖像為例簡(jiǎn)述各個(gè)階段的特點(diǎn)（圖4）。

圖4 試樣S1-3的干縮裂隙發(fā)展過程Fig.4 Formation and development process of surface cracks for the samples S1-3a-失水29 h；b-失水35 h；c-失水39 h；d-失水44 h；e-失水69 h；f-失水85 h；g-失水116 h；h-失水121 ha-drying time of 29 h；b-drying time of 35 h；c-drying time of 39 h；d-drying time of 44 h；e-drying time of 69 h；f-drying time of 85 h；g-drying time of 116 h；h-drying time of 121 h

第1 階段，裂隙孕育階段（試驗(yàn)起時(shí)～tic）。隨著土體水分蒸發(fā)，飽和泥漿樣的含水率快速降低，土樣表面首先轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，在土顆粒間的張應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度相互作用下，土顆粒非均勻運(yùn)動(dòng)，發(fā)生相互靠攏或分離。

第2 階段，裂隙形成階段（tic～tni），可細(xì)分為龜裂形成期和龜裂發(fā)展期（施斌等，2009）。隨著土顆粒非均勻運(yùn)動(dòng)加劇，土體發(fā)生非均勻收縮，在土樣表面出現(xiàn)若干孤立的主裂隙（圖4a），主裂隙繼續(xù)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)（圖4b）。在主裂隙形成的同時(shí)或形成后，主裂隙垂直衍生出子裂隙（圖4c），子裂隙與其他裂隙垂直相連形成次級(jí)塊區(qū)，子裂隙再衍生出次子裂隙，形成更次級(jí)塊區(qū)（圖4d），依次類推，直到最后一條裂隙開始形成。

第3 階段，裂隙條數(shù)穩(wěn)定階段（tni～tl），也稱為龜裂穩(wěn)定期（施斌等，2009）。裂隙條數(shù)不變，長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)（圖4e～4f）。

第4 階段，裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定階段（tl～trsc）。裂隙長(zhǎng)度不變，裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)定形，但裂隙寬度不斷增大，表面裂隙率繼續(xù)增長(zhǎng)，塊區(qū)形狀基本不變，但面積仍繼續(xù)縮?。▓D4f～4g）。

第5 階段，表面裂隙率穩(wěn)定階段（trsc～tf），也稱為龜裂固定期（施斌等，2009）。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，蒸發(fā)速率最終為零（圖4g～4h）。

但是，不同溫度條件下，紅黏土干縮裂隙的形成和演化過程仍然存在顯著差異。如表3所示，溫度升高，初始開裂時(shí)間、裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)間、裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)間、表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)間和干燥完成時(shí)間減小。圖5為干縮裂隙形成和演化5個(gè)階段的時(shí)間比例分布圖，溫度升高，裂隙孕育時(shí)段和裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)段的比例下降，裂隙形成時(shí)段和裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)段的占比變化不大，而表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)段的比例增大，說明高溫加快紅黏土干縮開裂。這是因?yàn)闇囟壬?，蒸發(fā)速率增大，土體含水率快速降低（圖3），基質(zhì)吸力發(fā)展迅速，土顆粒間的張應(yīng)力快速超過土粒間的抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生裂隙（唐朝生等，2012）。初始臨界含水率wic隨溫度升高而增大（表3），說明高溫條件下紅黏土更容易干縮開裂。這是因?yàn)檎舭l(fā)從土體表層開始，溫度越高，表層土體的含水率快速減小，基質(zhì)吸力快速增大，而表層以下土體的含水率還維持飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力為零，導(dǎo)致土體水分分布和基質(zhì)吸力分布的非均勻性增大，土-氣界面間的相對(duì)濕度梯度增大，土體更容易開裂，開裂時(shí)的wic更大。此外，有研究表明土體的強(qiáng)度參數(shù)隨溫度升高而降低（Mitchell，1964；Huckel et al.，1990），有利于土體開裂。

圖5 干縮裂隙發(fā)展時(shí)間段比例分布Fig.5 Time period distribution of development of desiccation cracks1-裂隙孕育時(shí)段；2-裂隙形成時(shí)段；3-裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)段；4-裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)段；5-表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)段1-gestation stage of desiccation cracking；2-initiation and development stage of desiccation cracking；3-stable stage of crack segment number；4-stable stage of crack length；5-stable stage of surface crack ratio

表面裂隙率Rsc與含水率w的關(guān)系稱為開裂曲線（唐朝生等，2012）。如圖6所示，不同溫度的開裂曲線形狀相似，在裂隙出現(xiàn)的初始階段，Rsc隨含水率的減小緩慢增加，隨后Rsc進(jìn)入快速線性發(fā)展階段，最后RSC逐漸趨于穩(wěn)定。這與干縮裂隙的形成和演化過程有關(guān)，在初始階段，僅形成數(shù)條孤立的主裂隙，以長(zhǎng)度延伸為主，Rsc增加緩慢，隨后每條主裂隙同時(shí)衍生出數(shù)條子裂隙，主裂隙以寬度增加為主，Rsc增加迅速，最后主裂隙不再變化，子裂隙以長(zhǎng)度增加為主，寬度變化不大，Rsc逐漸穩(wěn)定。試驗(yàn)完成后，30℃、50℃和70℃干燥試樣的表面裂隙率平均值分別為27.3%、29.4%和30.5%，說明高溫促進(jìn)干縮裂隙的發(fā)展。這是因?yàn)楦邷丨h(huán)境下，基質(zhì)吸力增加速率快，表層土體中吸力的增加會(huì)導(dǎo)致土顆粒排列更緊密，為裂隙發(fā)展提供更多的空間（唐朝生等，2012）。

圖6 干燥過程中試樣表面裂隙率與含水率的變化關(guān)系Fig.6 Changes of surface crack ratio with decreasing water content during drying

2.3 紅黏土表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)

2.3.1 裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 種溫度下紅黏土試樣的典型表面裂隙結(jié)構(gòu)如圖7所示，可以看出，溫度越低，裂隙寬度越小，間距越密，土塊面積越小，表面越破碎，裂隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；溫度越高，裂隙寬度越大，間距越疏松，土塊面積越大，裂隙結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單。裂隙的相交形式有“T”形、“Y”形和“十”形。土塊形狀有三邊形、四邊形和五邊形，其中以四邊形居多。

圖7 不同溫度下紅黏土典型表面裂隙結(jié)構(gòu)Fig.7 Typical surface crack structures of red clay under different temperaturesa-30℃，試樣S1-3；b-50℃，試樣S2-2；c-70℃，試樣S3-3a-30℃，specimen S1-3；b-50℃，specimen S2-2；c-70℃，specimen S3-3

如表4所示，溫度升高，裂隙交點(diǎn)數(shù)、裂隙條數(shù)、裂隙總長(zhǎng)度減小，裂隙平均長(zhǎng)度和裂隙平均寬度增大，而表面裂隙的分形維數(shù)變化不大，這與南京黏性土（唐朝生等，2007a；施斌等，2009）的變化規(guī)律是一致的。紅黏土的裂隙條數(shù)Nl與裂隙交點(diǎn)數(shù)Nn之比在2.02～2.10之間，這個(gè)比值比南京黏性土（唐朝生等，2007a）高。根據(jù)唐朝生等（2007a）的研究成果，可以判斷土塊以四邊形為主。紅黏土的表面裂隙率Rsc隨溫度升高而增大，這與膨脹土（唐朝生等，2012）的變化規(guī)律一致，但與南京黏性土（唐朝生等，2007b；施斌等，2009）相反。

表4 干縮裂隙的相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters of desiccation cracks

2.3.2 土塊分布

如表5 所示，溫度升高，土塊數(shù)減少，土塊平均面積和土塊最大面積增大，這與南京黏性土（唐朝生等，2007a；施斌等，2009）的變化規(guī)律一致。土塊平均干縮厚度隨溫度升高而增大，這與膨脹土（唐朝生等，2012）的變化也是一致的。土塊的干密度隨溫度升高而增大，說明溫度升高，土體干縮越顯著，土體越密實(shí)，孔隙越小。

表5 土塊的相關(guān)參數(shù)Table 5 Measured parameters of aggregates

以上定性描述和定量分析表明，溫度升高，裂隙寬度增大，裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這是因?yàn)闇囟壬?，水分蒸發(fā)速率增大，土體表面一旦出現(xiàn)裂隙，水分從裂隙側(cè)壁快速蒸發(fā)，表層土體含水率很快降低，土顆粒間作用力增強(qiáng)，出現(xiàn)裂隙的概率減小，因此高溫條件下，裂隙條數(shù)減少，間距增大，土塊面積增大（施斌等，2009），水平方向的收縮量增大，裂隙寬度增大。

3 結(jié)論

（1）紅黏土的蒸發(fā)過程可分為3個(gè)階段：常速率階段、減速率階段、穩(wěn)定階段。減速率階段歷時(shí)最長(zhǎng)，常速率階段歷時(shí)次之，穩(wěn)定階段歷時(shí)最短。溫度升高，常速率階段的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)量增大，常速率階段和減速率階段的歷時(shí)減短，干燥完成時(shí)間tf減小，最終含水率wf降低。

（2）以初始開裂時(shí)間tic、裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)間tni、裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)間tl、表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)間trsc為界，將紅黏土干縮裂隙的形成和演化分為5 個(gè)階段：裂隙孕育階段、裂隙形成階段、裂隙條數(shù)穩(wěn)定階段、裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定階段和表面裂隙率穩(wěn)定階段。溫度升高，tic、tni、tl、trsc和tf減小，裂隙孕育時(shí)段和裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)段的比例下降，裂隙形成時(shí)段和裂隙長(zhǎng)度穩(wěn)定時(shí)段的占比變化不大，表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)段的比例增大，初始臨界含水率增大。隨著土體含水率持續(xù)減小，表面裂隙率Rsc在裂隙出現(xiàn)的初始階段緩慢增加，隨后Rsc進(jìn)入快速線性增長(zhǎng)階段，最后Rsc逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）溫度升高，裂隙交點(diǎn)數(shù)、裂隙條數(shù)和裂隙總長(zhǎng)度減小，裂隙平均長(zhǎng)度、裂隙平均寬度和表面裂隙率增大，干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單。溫度升高，土塊數(shù)減少，土塊平均面積、土塊最大面積、干縮厚度和干密度增大，土塊以四邊形為主。

（4）溫度顯著影響紅黏土的水分蒸發(fā)過程，干縮裂隙的形成和演化，表面裂隙結(jié)構(gòu)和形態(tài)。紅黏土地區(qū)可通過控溫措施（如披覆塊石等）抑制紅黏土干縮裂隙發(fā)育，防治干縮裂隙誘發(fā)的各種地質(zhì)災(zāi)害。