土體裂隙形成機理研究進展

王梓

摘 要 土體在干燥氣候環境下會失水干縮發生變形并產生裂隙，裂隙的形成及發展會對土體的工程性質產生顯著影響，并由此引發各種工程地質問題及災害，因此關于土體的干縮開裂研究也逐漸成為國內外學者關注的熱點。基于國內外近些年關于土體裂隙形成所開展的研究工作，作者就土體裂隙形成機理方面對近些年現有的研究成果進行總結歸納。

關鍵詞 土體;裂隙;機理;改良措施

1概述

土體作為載體被廣泛應用于人類工程地質活動中，如工程建筑中的基礎處理、高速公路和鐵路工程路基處理及邊坡穩定與加固處理等。然而，在氣候干旱環境下，土體干燥失水易收縮開裂，這一問題涉及農業土壤科學領域、工程地質、基礎工程建設、環境工程等眾多領域。裂隙的存在不僅降低了土體的整體性、連續性，還改變了土體的物理力學性質，繼而引發一系列的工程地質問題。因此，為了防治土體在工程應用中形成裂隙，國內外眾多研究人員對其開裂機理展開了研究。本文基于國內外相關文獻資料，探討了土體裂隙形成機理的研究進展。

2土體裂隙形成機理研究

土體失水收縮形成裂隙的發育過程繁復龐雜。為在實際工程中土體的有效應用提供一定的理論依據，掌握裂隙發育機理的規律十分必要。總體來看，對土體開裂的機理研究可以從宏觀和微觀兩個角度著手。

從宏觀上看，土中水分蒸發是土體干縮開裂的先決條件，而含水率和蒸發速率則是表征水分蒸發的兩個重要參數。唐朝生等[1]提出飽和土體隨其中水分的逐漸蒸發慢慢轉變為非飽和土體，當含水率下降到臨界含水率時土體表面就會產生裂隙。吳珺華等[2]提出變濕概念，即單位時間內隨深度的增加土體含水率的變化，當最大變濕不小于臨界變濕時，土體即發生開裂。但結合已有的研究資料可知，土體的臨界含水率是一個變值，受溫度、土體狀態等多重因素的影響，所以有學者引出一個動態參數，即蒸發速率來表征土體含水率在土體干縮開裂中產生的影響，并通過試驗指出蒸發速率與臨界含水率間存在一定的作用。

從力學角度來看，基質吸力和抗拉強度在裂隙發育過程中起到了重要作用。土體開裂是一種張拉破壞形式，在干燥過程中土體會產生基質吸力，其引起的不均勻張拉應力場在土顆粒連接較弱處易發生應力集中，當此處張拉應力場大于土體自身的抗拉強度時裂隙形成[3]。Yesiller等[4]以某一垃圾填埋場的壓實襯砌土為研究對象開展室內試驗，量測CIF和吸力值，發現隨著含水量的降低會導致吸力快速增加，從而引發土體收縮，使其產生張拉應力場進而生成裂隙。李順群等[5]基于彈性理論和增量理論，初步得出了裂隙深度與非飽和土抗拉強度和基質吸力間的關系并建立了相關數學方程，上述研究成果充分說明了基質吸力和抗拉強度這兩個力學參數在土體干燥過程中對裂隙發育演化的制約作用。

土體收縮是裂隙產生并開展的必要條件，其微觀本質為土體微觀結構的變化。吳珺華等[5]闡明不同的變濕致使土體沿深度發生不同程度的收縮變形，不均勻的變形到達一定程度后即使土體產生裂隙。陳建平等[6]用掃描電鏡對土試樣進行掃描，并對SEM圖像進行處理，得到結論隨著壓應力的增大，大顆粒破碎為小顆粒，大孔隙減少，分形維數及豐度降低。王清等[7]根據SEM圖像提出土體結構單元體形狀、定向性、孔隙特性等要素對土體的變形進行剖析。施斌[8]提出概率熵，并基于Videolab圖像分析系統用對土體在擊實過程中產生的5種結構類型進行量化評估。李曉軍等[9]從CT數和CT圖像兩方面分析了土體細觀結構的變化情況。袁俊平等[10]應用CT圖像揭示了裂隙在立體空間的演化全過程，描述了裂隙發育的深度。隨著技術軟件的發展、更新，對土體裂隙開展規律的研究由集中于宏觀和土體表面逐漸向微觀和三維空間發展，從而使得裂隙開展發育機理研究更為系統深刻，為實際工程應用提供一定的理論依據。

3結束語

隨著我國各種工程建設活動的迅猛發展，土體的應用也愈來愈普遍廣泛。然而土體在干燥氣候環境下易失水干縮，產生裂隙，這對相應工程的穩定性、安全性、可靠性帶來了極大的危害，因此研究土體干縮開裂問題對實際工程應用具有一定的指導意義。本文總結了近年來國內外關于土體裂隙形成機理方面的研究成果，為土體的工程應用提供了一定的理論依據。

參考文獻

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