晴雨交替環(huán)境的膨脹土裂隙發(fā)展規(guī)律研究

佟宏偉

（上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司，上海市 200002）

0 引言

膨脹土的裂隙很容易出現(xiàn)與發(fā)展。膨脹土地基與邊坡中的裂隙存在，一方面由于裂隙導(dǎo)水性質(zhì)遠(yuǎn)好于均勻土體，裂隙通道增加了土體的滲透性，加劇了土體結(jié)構(gòu)的濕化變形與膨脹土的脹縮，使土體強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)破壞；另一方面裂隙面兩側(cè)土體不接觸或弱接觸，裂隙面上的正應(yīng)力接近為0，裂隙的存在使土體裂隙面強(qiáng)度遠(yuǎn)小于同樣應(yīng)力環(huán)境的均勻土體強(qiáng)度，使土體更容易沿裂隙面滑動(dòng)失穩(wěn)。

對(duì)于膨脹土邊坡與地基，由于氣候條件的變化，晴雨交替，膨脹土反復(fù)吸水和失水，土體裂隙經(jīng)歷了“發(fā)育-閉合-再發(fā)育”的反復(fù)循環(huán)過程，裂隙的產(chǎn)生與發(fā)展肯定與干旱環(huán)境不一樣。正是由于這種不同，所以在不同地區(qū)，由于氣候環(huán)境不同，類似性質(zhì)的土體裂隙也不同，在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行區(qū)分。

膨脹土裂隙方面研究相對(duì)較多。Chertkov[1]研究了膨脹土干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)的曲折性。Scott[2]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)研究了土體裂隙密度的分布，認(rèn)為裂隙密度近似服從指數(shù)分布。Vogel[3]研究了裂隙的幾何特征。Nahlawi和Kodikara[4]研究了在實(shí)驗(yàn)室條件下比較薄的粘土層在恒溫恒濕條件下裂縫的發(fā)展情況。H.NA HLAWI[5]通過觀察裂縫形態(tài)的演化，來解釋粘土裂縫形成的瞬態(tài)機(jī)理。袁俊平[6,7]從統(tǒng)計(jì)分析的角度對(duì)裂隙的特征和影響作了初步的定量研究。唐朝生[8-10]對(duì)不同土層厚度、干濕循環(huán)次數(shù)和土質(zhì)成分等條件下獲得的干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量分析和對(duì)比。王景明[11]在研究黃土構(gòu)造裂隙中用玫瑰花圖作為描述裂隙的方法。孔德坊[12]用直方圖直觀的表明了裂隙的傾角、長(zhǎng)度、間距和裂隙灰白粘土厚度的分布特征。在裂隙開展深度研究方面，F(xiàn)redlund[13]在其專著《非飽和土土力學(xué)》中指出，土質(zhì)邊坡的裂縫開裂深度；姚海林[14]結(jié)合斷裂力學(xué)求得裂縫開裂深度的計(jì)算公式。

但是，在晴雨交替導(dǎo)致膨脹土干濕循環(huán)條件下的膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律，依然沒有存在定論。

1 晴雨條件下的裂隙發(fā)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的主要目的是通過干旱少雨環(huán)境，以及降水多發(fā)環(huán)境下的裂隙開展模擬試驗(yàn)，研究不同氣候條件下土體裂隙開展規(guī)律以及裂隙參數(shù)是否存在差異。

雖然在干旱地區(qū)與多雨地區(qū)的溫度、濕度不同，但是模擬試驗(yàn)的目的只是為了模擬晴雨交替與單純的無(wú)雨環(huán)境的對(duì)比，影響因素過多會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果的分析變得復(fù)雜。試驗(yàn)選擇溫度、濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)相同的同一個(gè)試驗(yàn)槽。

試驗(yàn)開始前，分別填筑同樣的膨脹土試樣，初始含水率均為30.0%，兩個(gè)區(qū)域之間用柔性格擋，保證兩部分土體中間不開裂（見圖1）。

試驗(yàn)期間，在實(shí)際沒有降水的天氣，試驗(yàn)槽兩個(gè)區(qū)域同樣敞開，使土體失水干縮。在降水天氣，為了防止土體表面的裂隙結(jié)構(gòu)被沖刷，利用土工膜與彩條布做防雨覆蓋。晴雨交替區(qū)用噴霧器定期噴灑一定質(zhì)量的水來模擬降水，模擬降水結(jié)束后，依然讓土體蒸發(fā)，形成晴雨交替。

圖1 不同氣候裂隙模擬試驗(yàn)分區(qū)

試驗(yàn)在夏季中國(guó)江淮地區(qū)進(jìn)行，以試驗(yàn)開始的時(shí)間7月10日為基準(zhǔn)D0，試驗(yàn)期間早、中、晚、夜每天4次左右，對(duì)環(huán)境溫度、濕度以及光照度進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)記錄結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 試驗(yàn)期間的環(huán)境溫度

圖3 試驗(yàn)期間的環(huán)境濕度

圖4 試驗(yàn)期間的日間光照度

試驗(yàn)開始階段的氣溫平均在35℃，后期平均為30℃。環(huán)境相對(duì)濕度值較大，平均在70%左右，但是總體土表的濕度值大于環(huán)境濕度，總體以蒸發(fā)為主，試樣的含水率在非降水時(shí)間處于降低趨勢(shì)。由于天氣與樹木的影響，試驗(yàn)期間的光照度波動(dòng)很大，但光照度的變化不影響試驗(yàn)過程。

2 單純干旱氣候下的土體裂隙開展過程

試驗(yàn)填筑完成后，由于氣溫較高，土體表面迅速失水，膨脹土收縮開裂，10 min之后，可以在土表發(fā)現(xiàn)細(xì)微可見的裂隙；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裂隙逐漸發(fā)展，1 h后，裂隙變得非常明顯，土體表面可見多條小裂隙分布；試驗(yàn)進(jìn)行24 h后，土體表面裂隙尺寸增加、長(zhǎng)度增加，一些裂隙連接到一起；試驗(yàn)48 h之后，土體表面裂隙形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，裂隙尺寸進(jìn)一步增加；試驗(yàn)進(jìn)行到更長(zhǎng)時(shí)間后，裂隙形態(tài)與48 h的裂隙形態(tài)基本相似，整體變化不大。

由圖5中可以看出，由于試驗(yàn)環(huán)境、狀態(tài)、土體都一樣，所以裂隙開展的過程、結(jié)果以及裂隙形態(tài)、尺寸等數(shù)據(jù)也基本一樣。

試樣填筑完成后，觀測(cè)土體。圖中可以明顯看出，干旱區(qū)與晴雨交替區(qū)的初始情況基本一樣。表層土體蒸發(fā)失水后微細(xì)裂隙出現(xiàn)（見圖5）；60 min的測(cè)值有著明顯的變化，此時(shí)，兩個(gè)模擬區(qū)域的裂隙都明顯可見；1 000 min后，土體裂隙發(fā)育，裂隙呈現(xiàn)網(wǎng)格狀分布。

與表層測(cè)值相對(duì)照的是，10 cm以下裂隙觀測(cè)值在短時(shí)間內(nèi)均保持穩(wěn)定，短期內(nèi)未受土體表面蒸發(fā)影響。試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，土體裂隙的深度整體小于20 cm。

3 晴雨交替的土體表面裂隙變化

試驗(yàn)進(jìn)行一周后，裂隙發(fā)展基本穩(wěn)定。針對(duì)晴雨交替區(qū)進(jìn)行模擬降水，整個(gè)試驗(yàn)過程模擬降水3次，降水量分別對(duì)應(yīng)中雨、大雨與小雨，見表1。

試驗(yàn)開始后的D8時(shí)間，利用噴霧器對(duì)晴雨區(qū)進(jìn)行模擬降水。降水前后的試驗(yàn)區(qū)表面情況見圖6。降水前兩區(qū)域土體表面干硬，裂隙發(fā)育，次級(jí)裂隙較少。模擬降水后，晴雨交替區(qū)土體表層含水率增加，表面裂隙尺寸略有減小，裂隙形態(tài)未發(fā)生變化（見圖 6）。

圖5 裂隙隨時(shí)間的變化

表1 晴雨交替區(qū)降水量表

圖6 D8模擬降水前后的土體表面變化

模擬降水試驗(yàn)結(jié)束后，繼續(xù)使試驗(yàn)土體自然失水，晴雨區(qū)表層土體含水率從模擬降水狀態(tài)迅速降低，裂隙再次開展。圖7中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于降水之前存在的主裂隙，形態(tài)未見改變，尺寸略有不明顯的增加。而主裂隙網(wǎng)格之間，次級(jí)裂隙開始出現(xiàn)，次級(jí)裂隙的尺寸遠(yuǎn)小于主裂隙尺寸。

圖7 雨晴交替再次蒸發(fā)后的土體表面裂隙變化

整個(gè)雨晴過程，干旱區(qū)裂隙形態(tài)未見改變。

試驗(yàn)土體的裂隙發(fā)育再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，裂隙形態(tài)、尺寸等參數(shù)在D9-D12期間未見明顯改變。對(duì)晴雨區(qū)土體再次進(jìn)行模擬降水，降水后的土體表面裂隙情況見圖8。

圖8 D12模擬降水前后的土體表面變化

圖8中可以明顯看出，降雨后，由于土體吸水膨脹，土體表面次級(jí)裂隙收縮并閉合。而主裂隙，由于裂隙尺寸較大，土體的膨脹不足以是裂隙閉合，裂隙形態(tài)沒有明顯的改變。由于雨量較大，部分裂隙位置，裂隙壁產(chǎn)生坍塌，尺寸較大的裂隙坍塌更為明顯。

降水完成后，再次進(jìn)入蒸發(fā)階段。與前面的雨后蒸發(fā)一樣，土體表面次級(jí)裂隙發(fā)育。圖9中可以明顯看出，第二次雨晴循環(huán)后的次級(jí)裂隙尺寸較第一次有明顯的增加，次級(jí)裂隙的寬度雖依然小于主裂隙，但是接近主裂隙尺寸的數(shù)量級(jí)，少量次級(jí)裂隙形成新的主裂隙。

隨后的模擬降水后的土體表面裂隙特征都因循此規(guī)律變化，隨著晴雨交替次數(shù)的增加，土體表面越來越破碎。

4 晴雨交替的土體裂隙參數(shù)對(duì)比

圖9 D12模擬降水前后的土體表面變化

試驗(yàn)?zāi)┢冢?jīng)過開挖進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，不同氣候條件下的土體含水率變化不同（見圖10）。干旱區(qū)的表層含水率在試驗(yàn)?zāi)┢谳^低，而晴雨交替區(qū)域，由于降水的影響，在試驗(yàn)?zāi)┢诘暮矢哂诟珊祬^(qū)域。另外由于試驗(yàn)槽底部的防水處理，試驗(yàn)?zāi)┢冢讓油馏w的含水率較初始含水率略有升高。

圖10 不同氣候條件下的土體含水率變化

在試驗(yàn)中利用人工測(cè)量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)輔助以圖形識(shí)別后發(fā)現(xiàn)，干旱氣候條件下的土體裂隙寬度、裂隙數(shù)量以及裂隙在平面上的比例都隨著試驗(yàn)的進(jìn)行、含水率的降低而升高。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，各參數(shù)趨于穩(wěn)定（圖11、圖12）。

圖11 干旱氣候條件下的土體裂隙參數(shù)變化

圖12 降水后的土體裂隙參數(shù)變化

晴雨交替氣候的土體裂隙參數(shù)，在試驗(yàn)初期與干旱氣候一樣（見圖12）。一次降水模擬后，短時(shí)間內(nèi)由于含水率的增加，土體膨脹，裂隙寬度變小，裂隙在平面上的相對(duì)密度值也隨之變小，裂隙數(shù)量少量的減少。隨著降水過程的結(jié)束，裂隙數(shù)量急劇上升，裂隙密度也隨之上升。裂隙數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同時(shí)間干旱區(qū)的裂隙數(shù)，次級(jí)裂隙發(fā)育。但由于次級(jí)裂隙寬度較小，平均的裂隙寬度在一段時(shí)間內(nèi)降低。所有參數(shù)隨之試驗(yàn)條件的穩(wěn)定不變，裂隙參數(shù)同樣趨于穩(wěn)定。

結(jié)合透明的試驗(yàn)槽壁的觀察，試驗(yàn)?zāi)┢诟珊祬^(qū)的裂隙開展深度最大值為21.0 cm。晴雨交替試驗(yàn)區(qū)15 cm以上裂隙發(fā)育，裂隙最大深度在19.0 cm。

由數(shù)據(jù)（見圖13）可以看出，晴雨交替情況下降水限制了裂隙深度方向上的開展，最大裂隙深度在一定時(shí)間段內(nèi)小于干燥區(qū)裂隙最大深度，但是隨著降水結(jié)束，土體繼續(xù)蒸發(fā)失水，裂隙深度可達(dá)到與同等條件下干旱區(qū)的裂隙開展深度。

5 晴雨交替下的膨脹土裂隙發(fā)展規(guī)律

試驗(yàn)?zāi)M的自然環(huán)境晴雨交替，降水與干燥主要通過土體上表面進(jìn)行，試驗(yàn)過程中土體含水率以及含水率的變化都不均勻。表層土體干濕循環(huán)，下部土體的含水率變化一般小于上部，深部土體幾乎沒有干濕循環(huán)。

圖13 不同氣候條件下的土體裂隙開展深度

通過模型試驗(yàn)?zāi)M了晴、雨氣候，觀測(cè)不同時(shí)間下的裂隙發(fā)展得到了如下規(guī)律：

（1）單純干旱氣候下，土體裂隙迅速開展。隨著干旱期的增長(zhǎng)，土體蒸發(fā)影響深度逐漸增加，土體裂隙尺寸快速增長(zhǎng)后慢慢趨緩，但是隨著干旱氣候的時(shí)間變化而增長(zhǎng)。

（2）降水氣候下，土體表層含水率迅速增加，裂隙愈合。但是隨著雨后干旱期，裂隙再次開展。

（3）對(duì)于平面土體模型，晴雨交替循環(huán)次數(shù)的增加使土體次級(jí)裂隙發(fā)育，土體表面更為破碎。試驗(yàn)?zāi)M的晴雨交替環(huán)境與單一干旱氣候相比，對(duì)應(yīng)最大裂隙寬度以及裂隙深度的發(fā)展，沒有太大的變化。干濕循環(huán)本身對(duì)裂隙深度的影響較小。

[1]Chert V Y,Ravina I.Tortuosity of crack networks in swelling clay soils[J].Soil Science Society of American Journal,1999,63（6）:1523-1530.

[2]Scott,G.J.T.,Webster,R.,Nortcliff,S.An analysis of crack pattern in clay soil:its density and orientation[J].Journal of Soil Science,1986（37）:653-668.

[3]Vogel,H.J.,Weller,U.,Babel,U.Estimating orientation and width of channels and cracks atsoilpolished blocks-a stereological approach[J].Geoderma,1993（6）:301-316.

[4]Nahlawi,Kodikara.Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers[J].Geotechnical and Geological Engineering,2006,24（6）:1641-1664.

[5]H.NAHLAWI,J.K.KODIKARA.Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers[J].Geotechnical and Geological Engineering,2006（24）.

[6]袁俊平,殷宗澤.膨脹土裂隙的量化指標(biāo)與強(qiáng)度性質(zhì)研究[J].水利學(xué)報(bào),2004（6）:108-113.

[7]袁俊平.非飽和膨脹土的裂隙概化模型與邊坡穩(wěn)定研究[D].江蘇南京:河海大學(xué),2003

[8]唐朝生,施斌,劉春,等.黏性土在不同溫度下干縮裂縫的發(fā)展規(guī)律及形態(tài)學(xué)定量分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(5）:743-749.

[9]唐朝生,施 斌,劉 春,等.影響?zhàn)ば酝帘砻娓煽s裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)的因素及定量分析[J].水利學(xué)報(bào),2007,38（10）:1186-1192.

[10]唐朝生,崔玉軍,施斌,等.土體干燥過程中的體積收縮變形特征[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33（8）:1271-1279.

[11]王景明,等.黃土構(gòu)造節(jié)理的理論及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1996.

[12]孔德坊,等.裂隙性粘土[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[13]D·G弗雷德隆德,H·拉哈爾左.非飽和土土力學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[14]姚海林,鄭少河,陳守義.考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23（5）:606-609.