紅壤土干縮開裂特性試驗研究

胡 虎 （中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031）

1 引言

隨著水分流失，土體體積收縮，表面會出現(xiàn)縱橫交錯的裂隙網(wǎng)格，自然界中存在大量的這種現(xiàn)象。當(dāng)土壤表面出現(xiàn)裂縫并貫穿時，土體的力學(xué)性質(zhì)大幅改變，從而會引起誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。如1988～1992年東歐區(qū)域出現(xiàn)大片地域的建筑破壞，對地方經(jīng)濟造成重大打擊，而其根本原因就在于一段較長時間的干旱致使大范圍地基出現(xiàn)干裂，最終地基的承載力下降無法繼續(xù)維持房子穩(wěn)定[1]；美國Stockton和Wister大壩由于壩體表面出現(xiàn)大范圍干裂誘發(fā)管涌而最終導(dǎo)致垮塌[2]。因此，對粘性土的干縮特性開展研究，對粘性土干裂現(xiàn)象能進行預(yù)測及破壞效果評估，有利于幫助人們在工程和生活中科學(xué)合理地利用土體材料，避免重大事故的發(fā)生。

2 試驗方案

2.1 材料的選擇

本實驗中使用的粘土來自江西南昌紅壤土，土壤的級配曲線圖如圖1所示，土體的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)顯示該粘土級配良好。

2.2 樣品制備

本試驗的重點為紅壤土的干縮開裂，因此試驗的初始含水率控制為液體極限的1.5倍左右。通過將紅壤土與水混合后制成漿料進行干燥實驗，觀察干燥開裂的基本特征（例如初始、開裂時和最終質(zhì)量含水率，表面裂紋網(wǎng)絡(luò)幾何參數(shù)）。在測試之前，土壤被覆蓋12h，以便其有充分與水分混合的能力，使用刮刀手動將土壤放置于內(nèi)部尺寸為10×10cm的正方體玻璃容器中，為避免土壤粘附至容器內(nèi)壁上，將粘附住的粘土用刮刀刮至土層中，同時為保證容器的密封，粘合處采用的是雙層膠封。按一定質(zhì)量含水率加入水混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝箪o置，幾分鐘后在土樣的頂部形成過量的水層。這樣試驗的土樣制作基本完成。

2.3 試驗條件

本次干縮開裂試驗在能控制溫度和相對濕度的恒溫恒濕機中進行，空氣由空調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)循環(huán)，頂部有小孔進行空氣擴散。為實現(xiàn)實驗的均勻空氣流動條件，將恒溫恒濕機放置在溫度不低于10℃且空氣流通的房間內(nèi)，實驗進行中的每日蒸發(fā)量根據(jù)溫度濕度的不同而不一致。

本文主要根據(jù)不同層厚、溫度、濕度、干濕循環(huán)次數(shù)等4個因素對紅壤土干縮開裂的影響進行試驗分析，其中為研究層厚影響，考慮了10、15和20mm5種不同層厚情況；為研究溫度影響，考慮了5、20和40℃3種不同溫度；為研究濕度影響，考慮了30%、50%和80%3種不同濕度；為研究干濕循環(huán)影響，分別將層厚實驗中5、10和15mm3種實驗結(jié)果進行多次干濕循環(huán)。將恒溫恒濕機按照試驗條件設(shè)置完畢后，將盛有試樣的容器放入其中，定期取出測量其質(zhì)量變化，直至樣品質(zhì)量在24h前后質(zhì)量基本不變停止實驗。本試驗的校準(zhǔn)實驗為10mm厚紅壤土在恒溫20℃，恒濕50%的情況下進行，過程中記錄數(shù)據(jù)并拍攝圖片。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 紅壤土干縮開裂的形成過程

粘性土發(fā)生開裂破壞的根本原因是由于干燥產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過土體中的吸力，而這與干燥過程中水分蒸發(fā)、應(yīng)力變化和土壤收縮之間的關(guān)系是分不開的。本節(jié)主要介紹了所有開裂實驗的觀測結(jié)果。圖3顯示的是10mm厚粘土層從表面水分幾乎蒸發(fā)完畢至開裂完全結(jié)束的大致過程，全程時間大概為160h。在如圖2所示的樣本中，表面被各裂縫分割出一組具有特定尺寸的多邊形裂縫單元網(wǎng)絡(luò)，這些裂縫并不是表面裂縫，如圖3所示為在干燥結(jié)束時試樣的仰視圖，頂部表面的所有裂縫均可以在底部找到并一一對應(yīng)，這意味著表面的所有裂縫為貫穿裂縫，即裂縫從土樣表面垂直通到容器底部。

通過對比可以看出，較厚的粘土層比較薄的粘土層裂縫數(shù)量少，裂縫分割的單元面積大且裂縫相對較寬。這個結(jié)果的解釋可以用不同的干燥速度影響開裂過程來解釋（例如層越薄，干燥速度越快）。干燥開裂過程在快速干燥中往往更不規(guī)則，導(dǎo)致存在更多的分支，從而最終裂縫也會出現(xiàn)的更多。

可以將紅壤土干燥開裂的形成過程主要特征歸納為以下幾點：①隨著干燥進行，裂縫按順序出現(xiàn)，并按照T形彼此相交；②被裂縫分割的塊體單元與層厚有關(guān)系，層厚越厚，塊體單元越大；③層厚小到一定程度，裂縫交叉的角度從T形慢慢往Y形發(fā)展。

圖2 裂縫完全發(fā)展完畢

圖3 底部表面開裂結(jié)果

3.2 開裂形成過程中的形貌分析

眾所周知，自然界中并不是所有土體在干燥環(huán)境下都會產(chǎn)生開裂，比如含砂量相對較高的土體，盡管干燥過程中土體內(nèi)部仍會產(chǎn)生吸力，但無論含水量如何變化，土體的表面均不會出現(xiàn)裂縫，這說明開裂的形成過程與土質(zhì)條件密切相關(guān)。

部分土體干燥之所以容易產(chǎn)生開裂，主要與其中含有黏土礦物及其親水性強到一定程度相關(guān)。在高含水量條件下，黏土顆粒外圍包括一層較厚的水化膜，顆粒間距較大，在干燥過程中，水分逐漸被蒸發(fā)，水化膜逐漸變薄，在吸力作用下土顆粒重新排列，顆粒間距變短，孔隙不斷變小，在宏觀的表現(xiàn)上即是土體收縮變形，許多研究表明，土體的收縮性隨黏粒含量尤其是蒙脫石含量的增加而顯著增強。由于邊界效應(yīng)作用導(dǎo)致裂縫表面的第一條裂縫會出現(xiàn)在靠近邊界內(nèi)壁的部分，然后逐漸像土體中部發(fā)展，速度比較緩慢，當(dāng)表面的主裂縫發(fā)展完畢后，裂縫的數(shù)量和裂縫的寬度均快速增加。

可以將裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的過程可以分為3個不同的階段：初始階段，發(fā)展階段和穩(wěn)定階段。

①初始階段：隨著含水量降低，土壤表面，裂縫在初始階段發(fā)展緩慢，這個階段，土樣水分主要從表面蒸發(fā)，少數(shù)裂縫出現(xiàn)，其位置由于邊界效應(yīng)的存在幾乎可以預(yù)見出現(xiàn)在靠近邊界的附近，而室外的天然土壤最先出現(xiàn)的位置可能由土壤的各向異性決定隨機出現(xiàn)。

②發(fā)展階段：在土體表面出現(xiàn)一些裂縫之后，除垂直方向上的表面水分蒸發(fā)外，土壤水分還會從裂縫間隙中蒸發(fā)掉，裂縫擴展進入發(fā)展階段。在這個階段，隨著含水量的持續(xù)下降，裂縫發(fā)展很快，在這個階段形成的裂縫稱為主裂縫，這些裂縫一般會形成一個網(wǎng)絡(luò)，而裂縫分支即二次裂縫發(fā)育最有可能出現(xiàn)在現(xiàn)有裂縫的末端和交點處。

③穩(wěn)定階段：土壤和外界環(huán)境的水分交換基于水汽相對梯度進行，當(dāng)外界環(huán)境的相對濕度與土壤中的相對濕度相等時，水汽相對梯度為零，土壤與大氣之間的水分交換停止。隨著干燥的繼續(xù)進行，土體和裂縫的蒸發(fā)速率變小，裂縫發(fā)展減緩，達到穩(wěn)定狀態(tài)，但是這種穩(wěn)定狀態(tài)只是相對，指的是表面裂縫發(fā)展非常緩慢，而裂縫的發(fā)展受到土壤深層水分傳導(dǎo)的影響，需要較長時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文通過大量室內(nèi)干縮開裂試驗系統(tǒng)地研究了南昌紅壤土開裂行為的干縮變形特性及其影響因素，主要結(jié)合土樣干燥過程中水分蒸發(fā)的影響，描繪裂縫發(fā)展動態(tài)過程，確定裂縫出現(xiàn)位置及發(fā)展路徑，探索了該土樣干縮開裂過程中主要影響因素不同的影響規(guī)律。