小尺寸土樣整體收縮對裂隙發育的影響

邵燕華，吳思麟，徐浩青

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098)

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小尺寸土樣整體收縮對裂隙發育的影響

邵燕華，吳思麟，徐浩青

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098)

摘要：垃圾填埋場中壓實黏土襯墊會在天然的干濕循環過程中產生裂隙，從而對土體的滲透性造成影響。選取一種高嶺土在直徑為6.18 cm、高為4 cm的小環刀內制樣，發現隨脫水時間增加，整體收縮逐漸影響裂隙生成的現象；在不同溫度、干濕循環次數的條件下對試樣進行裂隙生成試驗，研究小尺寸試樣的整體收縮對表面裂隙發育的影響，并提出有效裂隙率的概念。結果表明：小尺寸試樣隨脫水時間的增加極易發生整體收縮，約束表面裂隙生成，最終導致試樣沿側面發生環狀破壞；在高溫脫水條件下對試樣進行適量次數的干濕循環，可以降低整體收縮對開裂產生的影響。

關鍵詞：小尺寸試樣；整體收縮；溫度；干濕循環

垃圾填埋場中用來防滲的水平壓實黏土襯墊會因天然的干濕循環產生裂隙[1]，國內外學者對裂隙土體進行了大量的試驗研究，發現存在裂隙的土體除了強度降低外，滲透系數也比無裂隙的土體增大了1到3個數量級[2-6]，故裂隙的存在有可能會為滲瀝液擊穿防污屏障后提供優先通道，從而污染地下水和土壤。對此，學者通過試驗研究了溫度、含水率、土體性質等[7-11]對裂隙生成的影響，發現試樣尺寸的大小對開裂有著一定程度的影響；何俊[12]等發現在土樣脫水過程中，土體會與器壁發生分離，對裂隙的形成產生影響，從而采用在容器壁上涂阿爾代膠的方法進行處理；Rayhani等[13]發現利用大尺寸試樣進行試驗得到的數據較標準室內試驗得到的更為精確；張家俊等[14]發現裂隙會因土樣尺寸過小而停止發育。上述研究雖提到了試樣尺寸對裂隙開裂的影響，卻并沒有進行深入的研究，本文的研究希望能得到試樣尺寸對裂隙發育的具體影響。

1 材料性質與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用南京市江寧區產的高嶺土，具體物理性質見表1，制樣含水率為28%，干密度為1.6 g/cm3。制樣環刀采用直徑為6.18 cm，高為4 cm的環刀。

表1 試樣物理性質指標

1.2 試驗方案

(1)時間對小尺寸試樣裂隙發育影響

(2)溫度對小尺寸試樣裂隙發育影響

將試樣分別在35、45、55、65、85、105℃時放入烘箱內干燥2 h，對脫水后的試樣表面進行拍照并用圖像處理軟件進行處理。

(3)干濕循環對小尺寸試樣裂隙發育影響

干燥過程溫度采用105℃，濕潤過程將試樣置于疊式飽和器中抽氣后浸泡于水中。第一次干燥過程根據經驗得到，即不出現整體收縮的脫水時間為10 min；之后的干燥過程由于濕潤過程浸沒于水中，含水率較高，故干燥時間暫定為20 min，濕潤過程設定為10 min；如此干濕循環8次，對每次干燥過程與濕潤過程后的試樣表面進行拍照并用圖像軟件處理。

2 試驗結果

2.1 時間對小尺寸試樣裂隙發育的影響

試樣裂隙發育隨脫水時間的變化情況見圖1。其中，裂隙比例是指試樣表面裂隙面積與環刀面積的比值，整體收縮與裂隙總和比例是指試樣整體收縮產生的空隙和表面裂隙的面積之和與環刀面積的比值。從圖1中可見，裂隙比例隨時間發展慢慢增大，當時間達到12 min時，試樣開始發生整體收縮，當時間達到30 min后，裂隙比例幾乎保持不變，而整體收縮卻未停止，即隨時間延長，裂隙發育趨于穩定，而試樣的整體收縮仍在進行。

為了更明確地說明試樣的整體收縮對表面裂隙生成的影響情況，在這里引入有效裂隙率的概念，有效裂隙率=裂隙比例/整體收縮與裂隙總和比例。從圖2可見，有效裂隙率隨脫水時間的增加而降低，在12 min時急劇下降，說明此時試樣開始出現整體收縮，而后有效裂隙率雖減小，但幅度已不大，說明試樣的整體收縮約束了其表面裂隙的生成。這種情況下由圖像處理軟件得到的裂隙各參數已經不能反映真實裂隙的變化情況。

2.2 溫度對小尺寸試樣裂隙發育的影響

綜上，淋水降溫依然未能根本解決高負載比鉆機車連續長下坡制動問題，必須研究其他形式的速度控制方法，筆者分析了采用緩速裝置來控制鉆機車車速的方法。

為了使小尺寸試樣表面裂隙發育更普遍真實，并且能夠適用于其它的室內試驗，故研究干燥時的溫度對裂隙發育的影響，其變化情況見圖3。從圖中可以看出，試樣表面裂隙比例隨溫度增加而從0開始慢慢增大，而整體收縮與裂隙總和比例則從4.5%開始不斷增大。說明，在試樣尺寸較小的情況下，溫度越高，試樣越易產生表面裂隙。但是不管低溫或高溫，試樣都在發生整體收縮。

整體收縮對表面裂隙發育的影響見圖4。從圖中可以看出，隨溫度升高，有效裂隙率在不斷的增大。這一現象說明溫度越高，整體收縮對試樣表面產生的裂隙的影響越小，試樣更易產生真實的裂隙。

2.3 干濕循環次數對小尺寸試樣裂隙發育的影響

試樣裂隙發育隨干濕循環次數的變化情況見圖5。從圖5可以看到，隨著干濕循環次數的增加，試樣表面裂隙不斷發展，其中試樣經第三次干燥后開始出現整體收縮，到第五次干燥后整體收縮明顯加快。

試樣整體收縮對表面裂隙的影響見圖6。由圖6可知，有效裂隙率隨著干濕循環次數的增加而呈降低的趨勢，其中，前四次的干濕循環的有效裂隙率在90%以上，說明此時試樣裂隙的發育還是比較普遍真實的，試樣尚未破壞；而從第五次干濕循環開始，有效裂隙率大幅度降低至66%，且經后續幾次干濕循環后，有效裂隙率依然沒有回升，說明試樣的整體收縮對表面裂隙產生了較大程度的影響，并且此影響是不可逆的。

3 分析與討論

3.1 時間對小尺寸試樣裂隙發育的影響分析

從試驗結果來看，隨著脫水時間的增加，試樣很快便出現整體收縮，并且約束了表面裂隙的發展。從試樣的破壞情況可知，試樣產生整體收縮使其側表面暴露于干燥環境中，從而導致側表面開始產生環狀裂隙。出現這一現象的原因是黏土滲透系數較低，且已經過一部分時間的干燥，從而使試樣表層含水率低于下層，試樣由原來的表層脫水變為更多的沿存在含水率梯度的側表面進行脫水，而此前出現的環狀裂隙則加劇了這一脫水狀態的改變，所以導致試樣發生了沿側表面的環狀破壞，從而制約上表面裂隙的開展。

3.2 溫度對小尺寸試樣裂隙發育影響的分析

首先從裂隙產生的機理[14]來看，在干燥環境中，試樣不同層脫水速率不均勻導致產生含水率梯度，在此作用下試樣上部受拉，下部受壓，當拉應力超過試樣抗拉強度時產生裂隙。高溫相較于低溫，脫水強度更劇烈，形成的含水率梯度更大，更易產生裂隙。低溫條件下試樣有整體收縮現象，但無裂隙，說明整體收縮影響裂隙生成。

3.3 多次干濕循環對試樣裂隙發育的影響分析

隨著干濕循環的反復進行，試樣表面裂隙逐步發育，等到一定程度時，其表面被分割成更小尺寸的部分，受尺寸效應的影響，此后基本不會再產生新的裂隙，即裂隙長度基本不變，而更容易發生寬度上的增大(見圖7)及整體的收縮。

3.4 評價整體收縮對裂隙產生的影響

綜合上述的試驗可以發現，當土體各層收縮差異較小時(如低溫)，不易產生裂隙，而更容易產生整體收縮。一旦發生整體收縮，則會使試樣在側面產生環狀裂隙，改變了試樣最初的脫水狀態，變為沿環狀裂隙脫水，從而影響表面裂隙生成，最終發生環狀破壞。這里引入了有效裂隙率的概念，即有效裂隙率=裂隙比例/整體收縮與裂隙總和比例。該參數可以反映整體收縮對表面裂隙產生的影響，并且可以評價試樣的破壞程度。

4 結論

1)小尺寸試樣隨著脫水時間的增加易發生整體收縮，整體收縮的不斷發展會極大的約束表面裂隙的生成，并且整體收縮會導致試樣沿側表面發生環狀破壞。

2)對試樣在高溫條件下進行適量次數的干濕循環，可以減少整體收縮對裂隙發育的影響，但是過多次的干濕循環會因為尺寸效應不再生成裂隙，而出現一定的整體收縮。

3)有效裂隙率可以評價裂隙發育是否普遍真實，可以衡量整體收縮對裂隙發育帶來的影響，但有效裂隙率大于何值時可以認為整體收縮對裂隙的影響可以忽略不計還沒有確切的結論，需要后續繼續開展研究。

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(責任編輯王利君)

Effect of the whole shrinkage of small size soil sample on the development of cracks

SHAO Yan-hua, WU Si-lin, XU Hao-qing

(College of Civil Engineering and Transportation, Hohai University, Jiangsu Nanjing 210098, China)

Abstract：The compacted clay liner used in the landfill site will produce cracks due to the natural wet-dry cycling, which will affect the permeability of the soil. This paper selected a kind of kaolin with a diameter of 6.18cm and height of 4cm small ring knife to make sample, which was used to study the effect of the whole shrinkage of small size specimen on the development of surface cracks in different temperature and wet-dry cycles. The results shows that the small size of the sample is extremely easy to produce the whole shrinkage with the increase of the dehydration time, which restrains the generation of surface cracks and eventually leads to the destruction along the side surface. Under the condition of high temperature dehydration, proper wet-dry cycling times can reduce the effect of the whole shrinkage on the cracking.

Key words：small size sample; whole shrinkage; temperature; wet-dry cycling

中圖分類號：TU45

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0016-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.004

作者簡介：邵燕華(1991-)，女，江蘇南通人，碩士，主要研究方向為環境巖土。

基金項目：國家科技重大專項(2012ZX07103005，2013ZX07113001)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(KYZZ_0142)

收稿日期：2015-10-29