黏性土干縮開裂特征規律研究現狀分析

胡忠平 段劉賀

摘 要 黏土在干燥氣候環境下會失水干縮變形并產生裂隙，裂隙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災害，因此關于黏土的干縮開裂研究逐漸成為國內外學者關注的熱點。基于國內外近些年關于黏土干縮開裂所開展的研究工作，從黏性土干縮開裂試驗方法及其開裂特征規律等方面對現有的研究成果進行總結歸納。

關鍵詞 黏土;干縮開裂;試驗方法;發育特征

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.26.095

1 黏土概述

黏土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，黏土干燥失水收縮易發生開裂，在工程表面形成犬牙交錯的裂隙網絡。裂隙的存在不僅降低了黏土體的整體性、連續性，還改變了黏土的物理力學性質，繼而引發一系列的工程地質問題。

黏土失水收縮引起的開裂問題涉及多個學科領域。在工程地質領域，裂隙的存在是造成土質邊坡發生滑坡和泥石流等災害的重要因素。土體中發育的裂隙為降水入滲提供了優先快捷的通道，土體滲透性成倍增加，其抗剪強度和邊坡安全系數大幅下降。在基礎工程建設方面，有研究顯示，紅黏土具有含水量高、塑性高、孔隙率高的特殊工程性質，在干濕循環條件下作為路基填料易發生變形破壞，對路基造成危害[1]。環境工程領域也存在不少關于土體開裂引發環境問題的報道，如在干濕循環、溫度變化等條件下用于垃圾填埋場的黏土襯墊層常發生嚴重開裂，導致防滲屏障阻隔功效降低甚至失效，垃圾滲濾液泄露入滲地下水，導致環境污染[2]。由此可見，黏土干縮開裂問題涉及領域廣泛、牽涉工程問題眾多，為了防治黏土在工程應用中的開裂現象，國內外眾多研究人員對此展開了研究。因此，基于國內外相關文獻資料，總結歸納有關黏性土干縮開裂的研究方法以及關于其開裂特征規律的研究進展。

2 黏性土干縮開裂試驗研究

2.1 室內試驗研究

在土體開裂室內試驗研究方法中，一般采用控制變量法和對比試驗研究一個或多個參數對土體裂隙發育特征及其形成機理的影響，包括試樣尺寸大小、土樣厚度、密度、含水量、蒸發率、環境溫度、相對濕度及干濕循環次數等。

孫希望等[3]對昆明地區壓實紅黏土開展直剪與三軸試驗，研究表明壓實紅黏土的抗剪強度與含水率呈負相關關系，與紅黏土壓實度呈正相關關系。Lakshmikantha等[4]提出土體開裂應力和試樣的尺寸密切相關。謝建寶等[5]以江蘇省常州地區的地表黏土為研究對象得出含水率變化速率和試樣裂隙率隨著土層的增厚而減小。唐朝生等[6]取南京地區的粉質黏土和淤泥質黏土進行相應室內試驗來研究土層厚度與裂隙網絡發育規律的關系。施國棟等[7]的室內龜裂試驗結果表明，隨著溫度升高，黏性土裂隙率和分維值增長且龜裂發育時間縮短，裂隙寬度變寬。周東等[8]以飽和黏土為研究對象，在改變環境溫度、濕度條件下進行研究觀察分析，結果表明裂隙率、平均塊區面積及分維數隨環境濕度的增加而減小，而塊區個數和最大塊區面積增加。黃少平等[9]開展了大量三軸壓縮試驗并建立劣化模型，發現隨著干濕循環次數增加，裂隙逐漸發育，黏土黏聚力呈指數下降趨勢且趨勢不斷減緩，抗剪強度顯著降低。當前對于各影響因素與黏土干縮開裂間的研究主要集中于黏土表面的開裂發育特征及規律，所以揭示黏土內部開裂情況是當前該領域仍需探討研究的方向。黏土干縮開裂受諸多因素影響，國內外不少學者也已對這些參數與黏土干縮開裂規律間的關系開展了研究，但黏土裂隙發育是一個繁復龐雜、多因素綜合作用的過程，因此針對各因素在影響裂隙產生發育過程的貢獻量及多因素耦合分析的研究在該領域未來發展中顯得尤為重要。

2.2 裂隙網絡定量分析

對裂隙網絡進行量化分析及評價也是研究黏土干縮開裂的重要環節。Baer等[10]采用攝像的方式記錄下裂隙發育照片，對土壤表面裂隙面積、裂隙邊緣分形維數、質量分形維數及土壤表面裂隙間的空隙數字化圖像進行分析研究。李雄威等[11]等學者運用MATLAB軟件對裂縫圖像進行二值化分析統計。劉春等[12]開發了巖土體裂隙網絡圖像分析系統CIAS，可直接得到裂縫各參數指標。楊振北等[13]以安徽省合肥市膨脹土為研究對象，開展了干濕循環-CT掃描試驗并提取灰度值及灰度共生矩陣來研究裂隙發育狀態的變化。

3 黏性土開裂特征規律研究

近年來，很多學者對黏性土開裂特征規律展開了觀察研究。施斌等[14]將黏性土龜裂過程分為龜裂形成、發展、穩定和固定四個階段。1）在試樣含水率相對較低的部分首先出現短小裂隙，不斷發展后構成裂隙骨架;2）裂隙骨架上逐漸發育次一級的龜裂;3）裂隙條數逐漸穩定，但其寬度不斷增加;4）龜裂網絡基本不變。施斌等[14]還發現了近乎所有裂紋都垂直相交，將土樣分割成以四邊形為主的多邊形塊區。陳開圣[15]發現，首次脫濕干縮下試樣邊界出現裂縫，加水后黏土樣表面中部出現大量短小裂隙，隨著脫濕加水循環繼續進行，裂隙從中部向邊緣發展且逐漸變大，細微裂隙逐步消失。張宏等[16]發現細小裂縫首先出現于試樣表面圓心和周邊，隨著試樣繼續干燥失水，裂隙延伸擴展，其長度和平均寬度達到峰值后，裂隙開始回縮。總體而言，在試驗中普遍發現裂隙先在試樣表面聯結較弱、應力集中處產生，第二期裂紋以稍大于90°方向向中間延伸發展，隨后產生的裂紋與前期裂紋基本呈垂直發育，形成的裂隙網絡將試樣分割成大多為四邊形的不規則多邊形。

4 結語

隨著我國各種工程建設活動的迅猛發展，黏土的應用也愈來愈廣泛。然而，黏土在干燥氣候環境下易失水干縮，產生裂隙，對相應工程的穩定性、安全性、可靠性帶來了極大危害。因此，研究黏土體干縮開裂問題對實際工程應用具有一定的指導意義。通過總結近年來國內外關于黏性土干縮開裂機理、研究方法及黏性土開裂特征規律等方面的研究成果，為黏土的工程應用提供一定的理論依據。

參考文獻：

[1] 王瑩瑩，張文慧，朱德志.初始含水率對紅黏土脹縮變形特性的影響試驗研究[J].科學技術與工程，2014，14（6）：242-246.

[2] Wang SW，Zhu W，Fei K，et al.Study on non-darcian flow sand-clay mixtures[J].Applied Clay Science，2018，151：102-108.

[3] 孫希望，徐運龍，楊果岳，等.昆明地區壓實紅黏土抗剪強度特征研究[J].土工基礎，2017，31（4）：465-467，499.

[4] Lakshmikantha MR，Prat PC，Ledesma A.Experimental evidence of size effect in soil cracking[J].Canadian Geotechnical Journal，2012，49（3）：264-284.

[5] 謝建寶，姚亞輝，龔緒龍，等.黏土失水開裂演化過程的影響試驗[J].地質學刊，2016，40（2）：346-351.

[6] 唐朝生，施斌，劉春，等.影響黏性土表面干縮裂縫結構形態的因素及定量分析[J].水利學報，2007，38（10）：1186-1193.

[7] 施國棟，孫柏坤，廖振修.兩處黏性土龜裂發展規律的實驗分析[J].安徽建筑大學學報，2015，23（1）：13-16.

[8] 周東，王利明，歐孝奪，等.環境溫濕度對黏土干縮裂縫結構形態影響[J].廣西大學學報：自然科學版，2012，37（2）：204-209.

[9] 黃少平，晏鄂川，陳前，等.干濕循環與持續浸泡下老黏土強度與變形特性變化[J].東北大學學報（自然科學版），2020，41（5）：649-654.

[10] Baer JU，Kent TF，Anderson SH.Image analysis and fractal geometry to characterize soil desiccation cracks[J].Geoderma，2009，154（1）：153-163.

[11] 李雄威，馮欣，張勇.膨脹土裂隙的平面描述分析[J].水文地質工程地質，2009，36（1）：96-99.

[12] 劉春，王寶軍，施斌，等.基于數字圖像識別的巖土體裂隙形態參數分析方法[J].巖土工程學報，2008，30（9）：1383-1388.

[13] 楊振北，胡東旭，汪時機.膨脹土脹縮裂隙演化及其擾動規律分析[J].農業工程學報，2019，35（17）：169-177.

[14] 施斌，唐朝生，王寶軍，等.粘性土在不同溫度下龜裂的發展及其機理討論[D].2009，15（2）：192-198.

[15] 陳開圣.干濕循環下紅黏土裂隙演化規律及對抗剪強度影響[J].水文地質工程地質，2018，45（1）：89-95.

[16] 張宏，何靈靈，劉海洋.呼和浩特地區壓實紅黏土收縮開裂特性研究[J].工程地質學報，2019，27（6）：

1311-1319.

（責任編輯：趙中正）