基底潛山對土體失水收縮開裂動態(tài)過程影響的試驗研究

基底潛山對土體失水收縮開裂動態(tài)過程影響的試驗研究

龔緒龍1， 孫強1，2， 張衛(wèi)強2， 薛雷3

(1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室(江蘇省地質調查研究院)，江蘇 南京210049；

2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116；

3.中國科學院工程地質力學重點實驗室 中國科學院地質與地球物理研究所，北京100029)

摘要：利用失水收縮性強的黏土，進行含有基底潛山和無潛山兩種情況下土體失水開裂特征試驗。研究表明：(1)土體失水開裂過程可劃分為開裂前Ⅰ、快速開裂Ⅱ、開裂趨于停滯Ⅲ三個階段；(2)含有潛山的試驗中裂縫發(fā)育演化時受到了基底起伏的顯著影響；(3)在Ⅲ階段，盡管表面開裂仍在發(fā)生，裂縫發(fā)育的整體格局已經不再發(fā)生顯著變化；從裂縫形態(tài)看，后期裂縫與前期裂縫主要呈現(xiàn)為垂直相交，特別是在起伏區(qū)范圍內。飽和黏土表面開裂主要是由水分喪失引起的土體基質吸力和表面收縮率的變化產生的，邊界條件和基底起伏對開裂有著顯著控制作用。

關鍵詞：地質環(huán)境； 土體裂縫； 地質災害； 潛山

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室開放課題；國家自然科學

作者簡介：龔緒龍(1982-)，男，湖北枝江人，工程師，主要從事環(huán)境地質領域研究.E-mail：xulonggong@126.com

通訊作者：孫強(1981-)，男，河北衡水人，副教授，主要是從事工程地質與地質災害教學與研究工作.E-mail：Sunqiang04@126.com

中圖分類號:P642.11文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0011

The Influence of a Buried Hill in Basement on the Dynamic

Process of Cracking Due to Soil Desiccation

GONG Xu-long1， SUN Qiang1，2， ZHANG Wei-qiang2， XUE Lei3

(1.KeylaboratoryforEarthFissuresGeologicalDisaster，MinistryofLandandResources，Nanjing，Jiangsu210049，China；

2.SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221116，China；

3.KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics，InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademy

ofSciences，Beijing100029，China)

Abstract：The cracking of soil has resulted in significant geological engineering and environmental problems.Indoor experiments on water loss ratio and the desiccation cracking of clay were carried out at room temperature.The research results indicate that：(1) the cracking progress can be divided into pre-cracking， rapid cracking， and cracking stagnation stages， (2) the cracking process is influenced by the buried hill of basement， and (3) though the surface cracking persists， the pattern of cracking has not significantly changed.The later cracks were approximately perpendicular to the early cracks，especially in the basement zone.The change in metric suction and surface shrinkage through water loss leads to the desiccation and cracking of the clay and the cracking process is controlled primarily by the boundary and geomorphologic form of the basement.

Key words： geological environment； soil crack； geological hazard； buried hill

0引言

土體開裂是地表土層發(fā)生變形的一種現(xiàn)象[1-3]。隨著人類工程活動和資源開發(fā)的影響日益擴大，地裂縫的發(fā)育和擴展帶來了大量的危害[4-20]。例如，導致土體強度降低[4-5]，誘發(fā)土質邊坡失穩(wěn)[6-8]；地基承載力下降，引起上部建筑物變形破壞[9-11]；誘發(fā)堤壩潰決[12]；導致土壤水分快速蒸發(fā)，致使土壤肥力下降[14-20]等。因此，土體開裂成為眾多研究人員關注的問題。

土體裂縫成因大致可劃分為構造和非構造兩種。構造裂縫有規(guī)律可循，幾何形態(tài)一般較為簡單，多呈現(xiàn)為一組或多組主控裂隙(如平行、共軛或垂直等)，在底部巖層中亦相應裂縫發(fā)育；裂縫發(fā)育規(guī)模和區(qū)域較大，延伸較長，分支較少，縱向切深較大，剪切裂隙；基底構造簡單平緩的地帶一般不發(fā)育。對區(qū)域工程活動起到制約性影響。非構造裂縫發(fā)育多呈現(xiàn)為較為雜亂形態(tài)，一般無固定的組(系)；裂縫發(fā)育規(guī)模小，一般多集中在局部地帶或區(qū)域，與基底巖層裂縫無對應關系；裂縫發(fā)育地帶內其規(guī)模和形態(tài)變化很大，一般延伸和縱向切深較小。目前對考慮構造效應和非構造效應共同作用下土體裂縫研究還很少。

事實上土體開裂現(xiàn)象在近地表環(huán)境十分普遍，但其發(fā)生需要具備一定的條件。一般說來土體開裂主要受物質基礎、受力狀態(tài)、邊界環(huán)境三方面因素的影響。物質基礎包括土體的礦物組成、含水量等，是開裂現(xiàn)象所依附的載體和承受體；受力狀態(tài)控制著土體變形規(guī)律和臨界開裂條件；邊界環(huán)境因素決定著土體與周圍介質之間的物質和能量交換。上述三個因素可以表示為圖1(a)所示的封閉三角形。土體開裂三角形基本上對影響土體開裂因素進行了高度概括，可以對土體開裂現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展進行解釋。但是，為了更好地對土體開裂發(fā)生和發(fā)展的時空演化特征和臨界條件進行研究，將開裂三角形擴大到包括土體結構(影響著開裂的孕育和演化過程)在內的附加維，從而形成了圖1(b)所示的土體開裂四面體。

圖1　土體開裂主控因素 Fig.1　The main control factors of soil cracking

本文利用失水收縮性強的黏土，進行含有基底潛山和沒有潛山兩種情況下的土體失水開裂特征試驗，在此基礎上分析探討土體干縮開裂發(fā)育的動態(tài)過程特征與基底起伏對裂縫發(fā)育的影響。

1試驗設計

試驗模型箱用50 cm×50 cm×30 cm的玻璃制成。試驗分為無潛山和底部含有潛山兩種情況進行。試驗對黏土處于自然風干狀態(tài)下失水產生裂縫進行研究。所取黏土屬風化殘積物，其物理力學性質如表1。試驗時將土和水充分攪拌，使黏土處于流動狀態(tài)(圖2)，然后對試驗過程進行了連續(xù)觀測，對其失水收縮與開裂過程進行了詳細記錄。

圖2　試驗初始狀態(tài) Fig.2　The initial state of test model

內容數(shù)值塑限ωp/%28液限ωL/%37塑性指數(shù)ⅠP/%9比重2.69小于某粒徑/mm的百分含量/%<0.0020.41<0.0061.85<0.014.39<0.02516.7<0.03829.5<0.05343.1<0.07562.8

無潛山的試驗是箱底直接平坦的情況，飽水黏土初始厚度5 cm，放置于通風較好位置。底部含有潛山的試驗設計為：底部預置4 cm高混凝土，在中部預設了由硬化的水泥構成的7 cm高的潛山(圖3)，潛山頂點到圖中上、下、左、右側容器壁的垂直距離分別為25、25、23、27 cm；潛山底部半徑約為13.2 cm；圖3(b)中顯示的A、B點為設計的潛山陡面處(紅色線所圈區(qū)域)的曲率近似最大位置；試驗時飽和黏土覆蓋厚度約為12 cm(超過潛山頂面3 cm)。

圖3　模型裝置 Fig.3　Test model

2開裂過程裂縫發(fā)育特征動態(tài)分析

2.1無潛山試驗裂縫發(fā)育特征

由圖4可知，在靜置8天(190 h，圖4(a))左右時土體已經出現(xiàn)了較為明顯的裂縫發(fā)育跡象；10天(240 h，圖4(b))時裂縫已經發(fā)育至整個試樣表部范圍內，通過與圖4 (c)、(d)對比分析可知，此時試樣的最終裂縫發(fā)育形態(tài)已經有所顯現(xiàn)；在之后隨著土體水分的進一步失去，土體裂縫的寬度和深度迅速增加，并且在已經被切割的土體小塊上發(fā)育了新的次一級裂縫，造成土塊進一步被切割。從裂縫發(fā)育和演化的過程來看，裂縫一般首先在容器的邊緣出現(xiàn)，初始裂縫和次一級裂縫之間多呈現(xiàn)為垂直關系。

圖4　 裂縫演化過程(無潛山) Fig.4　Development process of cracks (without buried hill)

2.2含基底潛山試驗裂縫發(fā)育特征

按裂縫出現(xiàn)時間順序對主要裂縫進行了編號：F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11。隨著失水增加，土體裂縫開始出現(xiàn)在位于邊界范圍的區(qū)域(圖5)，開裂的起點位于右側器壁，F(xiàn)1的發(fā)育演化顯著受邊界條件的影響，而與潛山基本無關聯(lián)。隨著土體失水增加，已形成的裂縫F1的長度、寬度和深度快速生長；另外容器邊緣部位也有長度較短的裂縫發(fā)育(圖5(b)～(d))。

圖5　土體開始開裂 Fig.5　The beginning of soil cracking

圖6顯示出其后發(fā)育的主要裂縫F2、F3、F4、F5、F6、F7都在潛山范圍內發(fā)育；F2、F3、F4三條裂縫的開裂點近似與圖3(b)中的A點對應，三條裂縫呈現(xiàn)為放射狀發(fā)育；F5的開裂點與圖3(b)中的B點對應，且與F4垂直相交；F6、F7兩條裂縫近似平行發(fā)育，且與F3、F5垂直；F2、F3、F4、F5、F6、F7將潛山頂部切割為孤立的塊體。

由圖6可以明顯地看出， 裂縫的發(fā)育演化徑跡和過程受到了基底起伏的顯著影響，體現(xiàn)為裂縫發(fā)育長度超長，且裂縫整體開裂方向圍繞潛山發(fā)育。這個階段的開裂與基底起伏造成的沉降差有關，潛山周圍所在位置更加有利于水分的蒸發(fā)。從開裂的空間形態(tài)來看，裂縫發(fā)育整體格局都明顯受到了潛山的控制，主要裂縫F2、F3、F4、F5、F6、F7的開裂點均在潛山范圍內；且由圖6(a)～(d)可知，在439～901 h的時間段內的裂縫發(fā)育規(guī)律主要為：(1)F1～F7裂縫的長度、寬度和深度有了很大發(fā)展，成為控制了后續(xù)裂縫的發(fā)育；(2)潛山范圍外的區(qū)域裂縫多發(fā)育在容器邊緣位置，且規(guī)律相對不明顯，如F8、F10的開裂點位于土體與容器交界部位，且三條裂縫均發(fā)育在前期控制性裂縫切割形成的土塊上；(3)潛山頂部范圍土體開裂程度最為嚴重，近似呈放射狀開裂，且可以從頂部看到模型預先設計起伏所用的硬化水泥。需要指出的是，若含水量進一步降低，圖6中較大的塊體仍有可能開裂，但這個過程需要更長時間。

圖6　裂縫演化過程 Fig.6　Development process of the cracks

圖7中圈出了基底起伏涵蓋的范圍，并給出了568 h后的土體表面高度的等值線(568 h之后等高線幾乎不變)。根據(jù)圖7可知，潛山范圍內的主要裂縫F2、F3、F4、F5、F7發(fā)育基本都在等值線較為密集的部位，即主要裂縫的開裂點近似對應著潛山的山腰位置(如圖3(b)中A、B點所對應部位)，該部位開裂點的形成明顯受到了土體收縮過程中局部應力場和變形場控制。

圖7　土體裂縫發(fā)育與地形等值線 Fig.7　Developement of soil cracks and terrain contour

試驗時土樣初始含水量較高，在試驗的前410 h，土樣表面未觀測到發(fā)生明顯開裂現(xiàn)象，但在玻璃與土樣交界部位可以發(fā)現(xiàn)較為明顯的收縮痕跡。根據(jù)試樣開裂過程中表面開裂率(試樣表面裂縫面積總和與試樣初始表面面積的百分比)和裂縫發(fā)育條數(shù)，可以將裂縫發(fā)育演化的動態(tài)特征過程劃分為開裂前Ⅰ(0～410 h)、快速開裂Ⅱ(410～640 h)、開裂趨于停滯Ⅲ(>640 h)三個階段(圖8)。這里，需要說明的是，盡管在第Ⅲ階段裂縫的條數(shù)和開裂面積率仍然會有較大增長，但從開裂后土體裂縫的空間分布格局來看，已經不會產生大的改變。

圖8　裂縫面積率、裂縫條數(shù)與時間的關系曲線 Fig.8　Relationship between crack area ratios，crack numbers and time

3結論與建議

通過室內試驗對有無基底潛山的土體失水開裂的全動態(tài)過程進行了研究，得到了以下結論。

(1) 土體失水開裂過程可劃分為開裂前Ⅰ、快速開裂Ⅱ、開裂趨于停滯Ⅲ三個階段。

(2) 裂縫動態(tài)演化過程中受到了模型邊界和潛山起伏的顯著影響；在潛山起伏區(qū)，裂縫開裂點一般位于潛山山腰拐點處，山頂裂縫近似呈放射狀發(fā)育；潛山區(qū)的主要裂縫是整個區(qū)域發(fā)育的控制性裂縫。

(3) 從裂縫形態(tài)看，后期裂縫與前期裂縫主要呈現(xiàn)為垂直相交，特別是在潛山范圍內和土體與容器交接的邊緣部位。

對于土體開裂的過程中不同期次發(fā)育的物理力學-幾何形態(tài)的動力學過程和機理需進一步深入分析。需要指出的是，由于土體失水開裂過程的復雜性，特別是土體本身物理性質、基底起伏形態(tài)、容器幾何-物理特征和環(huán)境因素等，需進一步深入研究。

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