中國南方碳酸鹽巖上覆紅黏土龜裂研究進展

龍鄖鎧 張家明 陳 茂

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引 言

紅黏土是碳酸鹽巖風化殘坡積在熱帶、亞熱帶溫濕氣候條件下，經過紅土化地質作用而形成的棕紅、褐黃等色的高塑性黏土[1-2]，是一種典型的區域性特殊土，主要集中在廣西、貴州、云南、廣東和湖南等省，覆蓋面積高達1.08×106km2[3]．

紅黏土的脹縮性和裂隙性在公路、鐵路、水利和巖土工程等領域存在很多工程隱患[4-9]．紅黏土干縮開裂，增大蒸發面積，加快深度土體的水分蒸發，干縮裂隙的寬度和深度不斷擴展，劣化了土體結構，導致土體強度和穩定性降低[10]．在強降雨期間，干縮裂隙作為水分運移的快速通道，產生優先流[11]，加快水分滲入土體內部，導致土體強度和邊坡穩定性急劇下降，誘發滑坡等地質災害[12-16]．

受全球氣候變暖的影響，未來極端干旱和高強度降雨事件的發生頻率越來越高，影響范圍越來越廣[17]．據此推測，紅黏土干縮開裂及其誘發的工程問題可能會越發嚴重．文中從干縮變形、干縮裂隙和干縮進程的微觀結構變化等方面對中國南方碳酸鹽巖上覆紅黏土干縮性和裂隙性的研究成果進行總結，討論研究方法和內容，并指明今后的研究方向，旨在全面認識中國南方紅黏土的干縮裂隙性．

1 干縮變形

既有紅黏土干縮變形試驗的基本信息見表1(圓柱形式樣)．分析了試樣初始含水率、初始干密度、壓實度、溫度和干濕循環作用對干縮性能的影響．干縮性能的評價指標主要有：收縮量、軸向收縮率、徑向收縮率、環向收縮率、體縮率、相對收縮率、收縮系數．

由表1可知：干縮變形特性研究主要集中于干濕循環對紅黏土脹縮性能的影響．由于計算收縮量或收縮率所選取的基準不同，導致部分研究成果表述存在相互矛盾的現象．文中認為在分析干濕循環對紅黏土干縮變形特性的影響時，應先進行干濕循環處理，再進行脹縮試驗，以干濕循環前的初始狀態為基準來計算干縮性能評價指標更為恰當．因此，在這些指標的計算公式為

表1 干縮變形試驗的基本信息

Δa=h0-h

(1)

Δr=d0-d

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Δa、Δr、δa、δr、δC、δV、δi、αδ分別為軸向收縮量、徑向收縮量、軸向收縮率、徑向收縮率、環向收縮率、體縮率、相對收縮率、收縮系數；h0、d0、C0、V0依次為干濕循環前試樣的初始高度、直徑、周長、體積；h、d、C、V為試樣的實時高度、直徑、周長、體積；hi-2、hi-1、hi為干縮過程中第i-2、i-1、i時刻試樣的高度；Δδ、Δw分別為收縮曲線上兩點間的收縮率(體縮率)差值、含水率差值．

圖1為紅黏土干縮變形的相關曲線．

圖1 紅黏土干縮變形的相關曲線

由圖1可知：收縮量、最終軸向收縮率、最終環向收縮率、體縮率隨土體初始含水率的增加而增加[18-19]；初始干密度、壓實度越小，收縮量越大[20]；溫度越高，收縮越快，收縮率越大[21]；收縮時程曲線可劃分為3個階段，即直線快速收縮階段、外凸弧線減速收縮階段和直線緩慢收縮階段[22]，相對收縮率隨時間逐漸降低；收縮曲線分為3個階段，即快速收縮變形階段、過渡階段和緩慢變形階段(圖1c)，收縮系數隨含水率降低而逐漸降低，快速收縮變形階段的收縮量最大[23]；干濕循環路徑影響干縮過程[24]；干濕循環次數增加，收縮率[25]和最終體縮率增加[26]；整體軸向收縮系數隨初始含水率的增加而先增后減，拐點含水率為最優含水率；干濕循環產生的干縮變形是不可逆的；環向收縮率小于軸向收縮率[27]，干縮變形表現出各向異性；碳酸鹽巖紅土的收縮率比玄武巖紅土大．

2 干縮裂隙

在紅黏土干縮裂隙方面，主要采用室內試驗分析了干濕循環對土樣表面干縮裂隙結構形態的影響，但是試樣和干縮循環的方法不盡相同,見表2．干濕循環路徑有“先干后濕”和“先濕后干”，以后者居多，干濕處理方法不同，干處理以烘箱烘干為主，溫度高達105 ℃．

表2 室內干縮裂隙試驗的基本信息

由表2可知：干濕循環次數增加，裂隙的條數、深度、最大寬度和長度、塊區數、裂隙率、分形維數和節點數增大，而裂隙平均長度和塊區平均面積減小，但變化幅度逐漸減弱[28]，干濕循環對土體干縮開裂的影響具有平衡狀態特征；裂隙是路基土體失水與吸水的優先通道[29]；再次脫濕時，土體最先沿著之前的閉合裂隙開裂[30]．

在理論研究方面，文獻[12]假設紅黏土是均質、各向同性介質，提出了土體開裂深度的計算公式．結果表明開裂深度h與地表基質吸力u1和吸力梯度k有關，u1增大，h增大，k增大，h減小．

3 干縮進程的微觀結構及討論

在紅黏土干縮進程中微觀結構變化方面，以廣西貴港原狀紅黏土為對象，利用冷干法備樣進行壓汞試驗(mercury intrusion porosimetry，MIP)，分析在室溫下緩慢脫濕過程中土體孔隙變化規律[31-33]．談云志等[34]采用MIP測試了湖南長韶婁壓實紅黏土自然風干過程中孔隙變化．文獻[26]運用MIP研究了干濕循環對貴州凱羊高速公路壓實紅黏土孔徑分布的影響．張祖蓮等[35]使用掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)研究了干濕循環對云南壓實紅黏土微觀結構的影響．

在干旱氣候條件下，紅黏土干縮開裂是一種普遍的自然現象[36]．干縮裂隙擴展是土體體積收縮變形的一種表現形式[37]．土體干縮變形和干縮裂隙屬于宏觀表現，本質上歸因于土體微觀結構的變化[38]．

3.1 研究方法

3.1.1室內試驗的試樣制備

紅黏土干縮裂隙室內試驗的試樣以壓實樣為主，包括重型擊實和靜力壓實，僅文獻[33]以原狀紅黏土為試驗對象．針對壓實樣的研究對水庫大壩、防洪堤岸、路堤、填方邊坡、防滲襯砌工程有重要指導意義，但與實際工程又有所區別．這是因為土質學是影響土體干縮裂隙的重要因素[39-40]，為了方便制備樣品，部分壓實樣剔除了粒徑大于2 mm的顆粒，甚至更小的顆粒．文獻[35]認為以重塑土為對象的試驗結果與原狀土的實際情況可能存在差異．孫德安等[41]認為壓實或擊實樣無法真正模擬原狀樣的真實狀態，比如內部孔隙分布和裂隙的發展．泥漿樣制備方便、結構簡單、均質、重復性好，被多數學者用于研究普通黏性土和膨脹土干縮裂隙的影響因素和龜裂機理[42-44]．從基礎研究和工程實踐考慮，未來應加強基于泥漿樣、壓實樣和原狀樣的紅黏土干縮裂隙室內試驗研究．

3.1.2室內試驗方法

在研究干濕循環對干縮變形影響時，干濕處理方法、干縮循環路徑和循環次數存在差異．濕處理方法有浸水、注射器注水、飽和器中飽和，而干處理方法有自然風干、燃燒酒精加熱烘干、不同溫度烘箱烘干．不同處理方法模擬了不同的工況和氣候條件，試驗結果存在差異．浸水飽和-烘箱烘干法模擬一種極端的、劇烈的干濕環境[45]．此外，有些研究的干濕循環處理與干縮試驗同時進行，而另一些是分開進行．在干縮性能評價指標計算方法方面，不同研究選取的基準也不統一．

紅黏土干縮裂隙室內試驗至今仍沒有標準儀器，無統一試驗方法．試樣有圓柱體、長方體和邊坡模型，但以直徑、高度分別為61.8、20 mm的圓柱居多．濕處理方法有：噴霧、浸水飽和、注射器注水、氣壓噴水壺噴水；干處理方法有：紅外加熱、浴霸+暖風機加熱、烘箱烘干．干濕循環次數不等，以“先濕后干”為主．試驗結果可對比性差，在一定程度上制約著該領域的進展，應盡快制定可操作性強的試驗標準．

3.1.3裂隙網絡結構參數提取

在紅黏土干縮裂隙網絡結構參數提取方面，目前主要采用照相機獲得土樣表面裂隙圖片，然后運用圖像處理方法獲取裂隙的幾何參數，裂隙深度仍采用傳統手工測量．這種方法雖然只能提取土樣表面裂隙的二維信息，但該法成本低、方便快捷、普適性強，被廣大科研人員采用．為此，南京大學開發了一套適用于該方法的專門裂隙圖像處理系統PCAS供廣大科研工作者免費使用[46]．

隨著三維激光掃描技術的發展，可視化和定量化干縮裂隙的三維幾何形態已經成為可能，還可以測量試樣的體縮率．在室內，可采用瑞典ROMER RA-7520-2六軸關節臂三維測量儀進行掃描，KSCAN復合式三維掃描儀和MetraSCAN3D可適用于室內、現場試驗，后者掃描速度更快．針對現場大型干縮裂縫，可使用徠卡ScanStation C10三維激光掃描儀，見圖2．

圖2 三維激光掃描儀

三維激光掃描技術對土體內部隱藏的裂隙則無能為力．計算機斷層成像(computed tomography，CT)技術能夠可視化、量化土樣表面和內部裂隙，但是該技術對實驗設備和操作人員有更高要求，而且只適用于室內試驗．高密度電阻率成像(electrical resistivity tomography，ERT)技術已成功應用于普通黏性土干縮裂隙的室內外試驗，電阻率模型能夠很好地模擬裂隙的幾何形態，可監測裂隙的發展動態．分布式光纖傳感技術能夠監測普通黏性土的干縮變形過程[47]．數字圖像相關(digital image correlation，DIC)技術能夠無損獲取黏性土表面干縮變形位移和應變的時空演變規律．但是這些先進技術至今還沒有用于紅黏土干縮裂隙研究．

3.1.4室內試驗的邊界效應

裂隙首先從試樣邊界衍生，在邊界附近形成平行于邊界的裂隙，而且邊界附近的裂隙比中央破碎，證明邊界效應是明顯的，影響試驗結果的可靠性．此外，室內試驗模擬的環境與自然環境存在差異：自然環境只有一個蒸發面，即地表面，而有些室內試驗，土樣的頂面、底面同時暴露烘箱中，有兩個蒸發面；自然環境中只有地表面(土體表面)有熱源(太陽輻射)，只能從土體表面向下傳播熱量，土體溫度隨深度增加而降低，而在烘箱烘干模擬中，如果模具不隔熱，土樣周圍都有熱源，土樣迅速升溫而成為等溫體，與實際情況存在差異，但是溫度對裂隙的形成和發展影響明顯，見圖3．

圖3 自然環境與室內試驗環境的土體龜裂

為了降低或消除邊界效應，文獻[36]用內徑為16 cm×16 cm×3 cm的長方體玻璃缸制備樣品，選取12.5 cm×12.5 cm的中間區域作為研究對象．此外，在玻璃缸內壁涂抹凡士林，以盡可能消除內壁摩擦作用對土樣收縮變形的影響，但如果凡士林涂抹不均勻，反而會在土樣表面形成“雜點”．未來應開展更大尺度的室內模型試驗，選取中間區域進行分析．為了盡可能模擬自然環境，尤其是熱環境，應選擇隔熱板制作模具．

3.1.5土體微觀結構監測

土體微觀結構常用觀測方法有偏光顯微鏡、SEM、環境掃描電子顯微鏡、X射線衍射、MIP、CT、恒溫氮吸附[48]．目前采用了MIP和SEM研究紅黏土干縮進程中微觀結構變化規律．CT技術是一種無損觀測方法，不僅可以對試樣進行動態監測，還可以根據CT數計算土樣密度[49]．隨著CT技術的不斷發展和應用普及，CT是未來土體微觀結構監測的重要手段．

3.1.6干縮裂隙綜合試驗

紅黏土龜裂是不協調干縮變形的結果，本質上是隨著水分蒸發，土體微觀結構的改變．因此，紅黏土干縮裂隙是一個系統科學問題，應開展綜合試驗同時研究本文述及的3個方面．但到目前為止，紅黏土干縮裂隙綜合試驗的研究并不多見，僅文獻[22]聯合了干縮變形試驗與干縮裂隙試驗，文獻[34]結合了干縮變形試驗和MIP試驗．

在未來，整合室內干縮裂隙試驗與CT技術，能夠可視化、定量化試樣裂隙網絡的三維幾何形態，計算試樣的體縮率，觀測土體微觀結構變化．聯合現場原位干縮裂隙試驗、三維激光掃描技術與高密度電阻率成像技術，同樣可以達到室內綜合試驗的目的．

3.2 研究內容

對普通黏性土和膨脹土的干縮裂隙性已經開展了較為全面的研究，并取得了豐碩成果，但是紅黏土的工程地質特性不同于普通黏性土、膨脹土[50]，而且具有明顯的地域性．因此，從以下4個方面進一步開展紅黏土干縮裂隙性研究仍然具有重要的科學意義和工程實際意義．

紅黏土干縮變形、干縮裂隙、微觀結構變化3者耦合的干縮裂隙宏微觀綜合研究．內容包括：開展室內干縮裂隙試驗的邊界效應研究，確定合理的室內試驗尺度，形成操作性強的試驗標準；基于泥漿樣、壓實樣和原狀樣，研究溫度、濕度、干濕循環次數、土層厚度、粒度組成、礦物成分、土體結構和崩解性等對紅黏土干縮裂隙的形成和演化、三維幾何形態的影響；紅黏土不協調干縮變形與膠結狀態的關系；干縮進程中紅黏土孔隙大小、形狀、分布及顆粒接觸狀態的變化規律；天然干縮裂隙三維網絡結構與室內模擬試驗結果的異同；體縮率、干縮裂隙三維網絡結構參數、微觀結構參數之間的定量關系．

紅黏土蒸發特性與干縮裂隙性的耦合研究．土中水分蒸發是龜裂形成的前提和誘因，龜裂是土體干燥失水到一定程度的產物．但是目前紅黏土干縮裂隙研究很少考慮蒸發特性，只有綜合考慮紅黏土的蒸發特性，才能充分揭示紅黏土干縮裂隙的形成機理．應系統研究紅黏土的干燥曲線、蒸發曲線與干縮變形性能評價指標、干縮裂隙三維網絡結構、微觀結構演化的關系．

紅黏土與普通黏性土、膨脹土的干縮裂隙性對比研究．在干縮變形，干縮裂隙的形成、演化和三維網絡結構，微觀結構方面的差異；在干縮變形機理和龜裂機理方面的差異．

紅黏土干縮裂隙的形成理論研究和數值模擬．運用水土相互作用原理和基本土力學理論研究紅黏土的干縮裂隙機理，采用離散元模擬裂隙的形成和演化，預測紅黏土干縮裂隙的形成演化過程．

4 結 論

1) 現有研究主要分析了初始含水率、初始干密度、壓實度、溫度和干濕循環對紅黏土干縮變形的影響：初始含水率越大，初始干密度和壓實度越小，收縮性越強；溫度越高，收縮越快，收縮率越大；收縮曲線、收縮時程曲線均分為3個階段，收縮變形主要發生在第1階段；干濕循環產生的干縮變形是不可逆的，干濕循環路徑不同，干縮變形過程不同；收縮率隨干濕循環次數增加而增加，增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩定值；干縮變形表現出各向異性．

2) 主要探討了干濕循環對紅黏土表面裂隙結構形態的影響：干濕循環次數增加，裂隙更加發育，裂隙網絡更加復雜；干濕循環對土體開裂的影響具有平衡狀態特征．

3) 主要采用MIP研究了紅黏土干縮進程中孔徑及孔徑分布的變化規律．

4) 目前紅黏土干縮裂隙的研究方法主要是基于壓實樣的室內試驗，針對原狀樣和泥漿樣的試驗研究和理論研究很少，現場試驗和數值模擬未見報道．

5) 室內干縮裂隙試驗存在明顯的邊界效應，試驗模具應采用隔熱材料制作，未來應開展大尺度的室內模型試驗，形成操作性強的試驗標準．

6) 紅黏土干縮裂隙幾何形態研究主要集中在二維表面上，三維激光掃描技術、CT技術、ERT技術、分布式光纖傳感技術和DIC技術還未見應用，CT是未來土體微觀結構研究的重要手段．

7) 整合室內干縮裂隙試驗與CT技術，現場干縮裂隙試驗、三維激光掃描技術與高密度電阻率成像技術，開展室內、現場綜合試驗研究．

8) 今后的研究方向：紅黏土干縮變形、干縮裂隙、微觀結構變化三者耦合的干縮裂隙宏微觀綜合研究；紅黏土蒸發特性與干縮裂隙性的耦合研究；紅黏土與普通黏性土、膨脹土的干縮裂隙性對比研究；紅黏土干縮裂隙的形成理論研究和數值模擬．