李雄威，王愛軍，王 勇，王繼果，李書進

（1.常州工學院 常州市建設(shè)工程結(jié)構(gòu)與材料性能研究重點實驗室，江蘇 常州 213002；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；3.三江學院 土木工程學院，南京 210012）

1 引 言

膨脹土對環(huán)境變化非常敏感，特別是久旱降雨及多雨炎熱的氣候條件時這種敏感性會對膨脹土塹坡造成嚴重的危害，而且這種破壞隨氣候變化和季節(jié)變遷，具有潛在性、長期性和反復(fù)性。氣象條件的急速變動極易導致膨脹土性狀劣化，進而誘發(fā)膨脹土邊坡的災(zāi)變[1-3]。在太陽輻射作用下，膨脹土會發(fā)生水分遷移，而不均勻的水分遷移過程會引起不均勻收縮，從而導致土體產(chǎn)生無序的裂隙，可見要研究膨脹土邊坡的災(zāi)變機制，就有必要對膨脹土裂隙的開展規(guī)律進行深入研究[4-6]。目前對膨脹土裂隙的研究主要集中在土表裂隙特征描述，對膨脹土豎向裂隙產(chǎn)生、發(fā)展、演化過程的研究鮮見報道，對氣候作用下裂隙的產(chǎn)生及演化過程中土體的濕熱變化還缺乏了解[7]，因此有必要改進試驗方法，對豎向裂隙的變化過程進行定量分析。

膨脹土人工塹坡的形成是人類改造自然的結(jié)果，常常又以破壞自然界原有平衡為代價，既破壞自然植被覆蓋，造成水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化，又為坡體災(zāi)變埋下了隱患。植被防護是膨脹土邊坡防護的重要措施之一，能加強邊坡穩(wěn)定和美化環(huán)境[8-9]。想要最大限度的發(fā)揮植被防護功效，即維持邊坡穩(wěn)定又美化生態(tài)環(huán)境，就需要對植被覆蓋下膨脹土的裂隙和濕熱特性進行深入研究，合理且充分地利用植被功效，改進防護技術(shù)[10-12]。

本次對膨脹土試樣進行持續(xù)蒸發(fā)狀態(tài)下的室內(nèi)模擬試驗，研究持續(xù)脫濕過程中膨脹土裂隙的產(chǎn)生、拓展規(guī)律，量化土體濕熱變化過程，為新開挖膨脹土塹坡的植被防護措施提供理論依據(jù)。

2 試驗方案

試驗用土取自廣西南寧市郊外廣西農(nóng)業(yè)科學院水牛所草場坡地的原狀土塊，基本處于飽和狀態(tài)。原狀土樣基本性質(zhì)見表1、2。

持續(xù)蒸發(fā)室內(nèi)模擬試驗分為3 種不同試驗方案：（1）無植被覆蓋試驗，模擬新開挖膨脹土蒸發(fā)狀態(tài)；（2）植被覆蓋試驗，模擬新開挖膨脹土蒸發(fā)、蒸騰狀態(tài)；（3）農(nóng)膜覆蓋試驗，模擬新開挖膨脹土蒸發(fā)作用被遏制時的狀態(tài)。

不同試驗狀態(tài)下所用原狀膨脹土試樣尺寸（長×寬×高）均為400 mm×150 mm×400 mm。為確保表面裂隙能貫通土表，并在側(cè)面觀測豎向裂隙開展，設(shè)計土樣長寬比大于2:1。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

試驗前，將從現(xiàn)場取回的原狀膨脹土試塊（試樣用細鋼絲切割）除試驗面外，其余各面均用雙層2 cm 厚的保溫棉裹緊，在其外面再利用4 cm 厚的擠塑板圍成模型箱，用透明膠帶將其固定，并用玻璃膠將箱體縫隙密封，在土樣與模型箱之間的間隙用保溫棉塞緊，保證試樣土體溫度和水分主要沿豎向變化。利用TDR 溫度一體化傳感器測試土體體積含水率和溫度變化（型號：TDC220D），為減小對土體的擾動，沿著試樣深度方向按照一定的距離錯位布置傳感器，見圖1（圖中B為試樣寬度）。

植被覆蓋試樣在蒸發(fā)試驗前30 d 左右，將試樣表面的保護膜去掉，并在土表鋪設(shè)1 層1～2 cm 厚的營養(yǎng)土，將生長狀態(tài)良好的馬尼拉草皮移植到試樣上，充分給水保持土體飽和狀態(tài)養(yǎng)護30 d 左右，再開始蒸發(fā)試驗。

長弧氙燈是一種在管狀石英泡殼內(nèi)充有適量高純度氙氣、二端封有極距大于100 mm 的釷鎢、鋇鎢或鈰鎢電極的氙燈。氙在電場的激發(fā)下，能射出類似太陽光的連續(xù)光譜。因其發(fā)出的光和太陽光光譜接近，波長主要在290～800 nm 之間，色溫為5 500～6 000 K，是目前較理想的室內(nèi)模擬太陽光的光源，被譽為“人造小太陽”。

在恒溫恒濕實驗室內(nèi)，確保溫度在（24±2）℃和濕度（60±5）%恒定。利用長弧氙燈加工制作模擬自然日照的試驗裝置，通過調(diào)節(jié)裝置獲得600 W/m2左右的試驗輻射強度。開始試驗前，將試樣在恒溫恒濕室內(nèi)靜置1～2 d，待試樣土體溫度與環(huán)境中溫度保持平衡后再開始試驗。在相同的光照條件下，每天9:00 打開氙燈開始光照，17:00 停止光照，光照8 h，持續(xù)30 d，模擬持續(xù)蒸發(fā)的氣候條件。利用手持太陽功率計量測不同狀態(tài)下試樣在蒸發(fā)試驗時土表4個角總輻射量和反射量，在土表對角放置2 支溫度計，測量光照之前土表溫度和光照結(jié)束時土表溫度。

（1）無植被覆蓋試樣

每天光照8 h 結(jié)束后，用數(shù)碼相機記錄土表裂隙發(fā)育分布狀況，同時，用精度為0.5 mm 的刻度尺在同一位置量測最大裂縫寬度，再打開模型箱側(cè)面的擠塑板保溫棉及農(nóng)膜保鮮膜，從側(cè)面觀察豎向裂隙產(chǎn)生及拓展狀況，并用0.5 mm 刻度尺量測裂隙寬度和深度，觀察完豎向裂隙后，迅速將試樣恢復(fù)原來的狀態(tài)。利用TDR 溫度一體化傳感器獲取試樣在光照、停止光照期間土體溫度和水分變化過程。

（2）植被覆蓋試樣

每隔若干天，在8 h 光照結(jié)束后打開側(cè)面擠塑板，按觀察無植被覆蓋試樣側(cè)面裂隙發(fā)育的方法觀察淺根系植被覆蓋試樣側(cè)面裂隙發(fā)育演化特性。同時，利用TDR 傳感器獲取試樣土體濕熱動態(tài)變化。

（3）農(nóng)膜覆蓋的試樣

持續(xù)30 d蒸發(fā)試驗結(jié)束后，打開擠塑板和農(nóng)膜，觀察土表及側(cè)面豎向裂隙發(fā)育分布狀況，用數(shù)碼相機記錄下。同時，每天利用TDR 傳感器獲取試樣土體濕熱動態(tài)變化。

試驗前完成膨脹土蒸發(fā)狀態(tài)下TDR 標定試驗。

3 試驗結(jié)果

3.1 膨脹土平面裂隙拓展特性

（1）無植被覆蓋試樣

蒸發(fā)試驗第1 天光照8 h 結(jié)束時，土表蒸發(fā)失水，收縮開裂形成3 條主要裂縫，平行于試樣寬度方向。隨后，光照30 d 內(nèi)土表裂隙主要圍著3 條主裂縫寬度和深度不斷拓展發(fā)育變化。土表裂隙隨光照時間的變化，見圖2。

圖2 試樣表面裂隙Fig.2 Surface fissure of soil sample

每天光照結(jié)束時，用數(shù)碼相機記錄土表裂隙發(fā)育狀態(tài)，將拍攝的土表裂隙圖片利用MATLAB 軟件自編程序進行二值化處理，計算并整理土表裂隙率隨光照天數(shù)的變化規(guī)律，如圖3 所示。光照一開始，土表的裂隙率隨光照天數(shù)的持續(xù)上升，4～5 d的時候裂隙率達到峰值，隨后土表裂隙率開始緩慢減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 表面裂隙率變化Fig.3 Changes of surface fissure ratio

每天8 h 光照結(jié)束后，用精度為0.5 mm 的刻度尺量測3 條主裂縫的最大寬度，并記錄下裂縫寬度隨光照天數(shù)增加的變化情況（附原始記錄）。土樣表面在第1 天光照形成的3 條主裂縫分別標記①、②、③。隨著蒸發(fā)的持續(xù)，3 條主裂縫最大寬度的變化見圖4 所示。光照前5 d 內(nèi)，3 條主裂縫寬度急劇增加，尤其是②、③號裂縫，并在第3 天達到最大，分別為12 mm 和8 mm，①號裂縫在第五天達到最大，為3.5 mm。當每條裂縫寬度達到最大時，隨著蒸發(fā)天數(shù)持續(xù)，3 條主裂縫寬度開始縮減，并逐漸趨于穩(wěn)定，最終分別維持在2.5、5.5、6.0 mm，與室外現(xiàn)場試驗裂縫寬度實測平均值5.0 mm 比較接近[7]。這主要是因為微裂隙的出現(xiàn)以及裂隙向土體深部發(fā)展的過程，降低了主裂隙的寬度。

圖4 裂縫變化Fig.4 Changes of fissure

（2）植被覆蓋試樣

對于植被覆蓋試樣，由于養(yǎng)護時間較短，植被根系入土較淺，淺根系植被覆蓋試樣在持續(xù)蒸發(fā)試驗結(jié)束后，鏟除草皮，試樣表面無明顯裂隙，見圖5(a)。由圖可見，持續(xù)蒸發(fā)的氣候環(huán)境下，植被的存在可抑制裂隙的發(fā)展。

（3）農(nóng)膜覆蓋試樣

光照30 d 結(jié)束后，打開農(nóng)膜觀察土體表面，發(fā)現(xiàn)土體沒有出現(xiàn)裂隙，見圖5(b)。農(nóng)膜覆蓋下膨脹土蒸發(fā)作用被遏制，有效地抑制了裂隙的產(chǎn)生。

圖5 試樣表面Fig.5 Sample surface

3.2 膨脹土豎向裂隙拓展特性

（1）無植被覆蓋試樣

每天光照8 h 后，打開模型箱側(cè)面，觀察土體豎向裂隙拓展狀態(tài)，記錄豎向裂隙演化過程，見圖6。由圖可見，蒸發(fā)第1 天在表面形成的裂縫②、③貫通土樣，用精度為0.5 mm 的刻度尺量測裂縫②、③在土樣中形成的裂隙深度分別為41 mm 和33mm。裂縫②、③在土體中形成貫通裂縫④，貫通裂縫④的最底部距離土表67 mm。表面裂縫①隨蒸發(fā)持續(xù)，裂縫貫通土表，到第6 天，在土體側(cè)面與貫通裂縫④連通。貫通裂縫④左側(cè)底部，在第2 天試驗結(jié)束時產(chǎn)生1 條豎向的微裂縫，記為裂縫⑤。

圖6 土體豎向裂隙Fig.6 Soil vertical fissure

裂縫⑤長度和寬度變化如圖7 所示。裂縫⑤隨著光照的持續(xù)逐漸向深度方向發(fā)展，前5 d 變化速度較快，第5～9 天變化速度減緩，第9 天以后裂隙深度趨于穩(wěn)定，裂縫最底部距離土體表面約32 cm。裂縫寬度從裂縫⑤的頂部向底部不斷變大，頂部裂縫寬度變化速度最快，越往下裂縫變化的越緩慢。隨著光照持續(xù)，裂縫寬度始終不斷的緩慢增加，頂部裂縫寬度在a 處最大達到5.5 mm，中間b 處達3.5 mm，底部c 處達2 mm。

圖7 裂縫⑤變化Fig.7 Variations of fissure ⑤

（2）植被覆蓋試樣

植被覆蓋下的試樣，持續(xù)蒸發(fā)30 d，每天試驗結(jié)束后，打開模型箱側(cè)面，觀察植被覆蓋下的土樣，量測裂隙沿深度方向的開展情況。觀察發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)蒸發(fā)、蒸騰作用下土體始終沒有出現(xiàn)明顯的豎向裂縫。試驗結(jié)束后，用鏟刀鏟除草皮，觀察草皮的根系，此時的根系已經(jīng)植入表層土體1 cm 左右，見圖8(a)。

（3）農(nóng)膜覆蓋試樣

農(nóng)膜覆蓋下試樣在持續(xù)蒸發(fā)30 d 后，打開農(nóng)膜觀察土體側(cè)面裂隙發(fā)育分布情況，見圖8(b)?？梢?，農(nóng)膜覆蓋下土體側(cè)面沒有明顯的裂縫，說明限制膨脹土的蒸發(fā)能有效阻止土體裂隙的開展。

圖8 第30 天土體側(cè)面Fig.8 Profile of soil sample at the 30rd day

3.3 膨脹土濕熱特性

（1）試樣表面輻射及溫度變化規(guī)律

試樣表面的總輻射量、反射量和凈輻射量以及光照前后的試樣表面溫度變化，見表3。將每天土體表面最高溫度與最低溫度之差，即溫差變化整理對比如圖9 所示。由圖可見，植被覆蓋下試樣表面溫差最小，平均為8.4 ℃，無植被覆蓋和農(nóng)膜覆蓋時試樣表面溫度變化較大，且兩者接近，在14 ℃左右。植被覆蓋下土表最高溫度33 ℃，遠小于其他試驗狀態(tài)下的土表溫度，植被的存在吸收了部分輻射，降低了土表溫度。無光照時，植被覆蓋作用減緩了土體溫度的散失，每天開始光照之前，植被覆蓋下試樣土表溫度最高24.6 ℃。

表3 試樣表面輻射和溫度變化Table 3 Changes of radiation and temperature on the sueface of soil sample

圖9 土樣表面溫差變化Fig.9 Changes in temperature on the s urface of soil sample

（2）試樣體積含水率變化規(guī)律

在持續(xù)30 d 蒸發(fā)試驗結(jié)束后，沿深度方向各測點體積含水率總的變化量對比如圖10 所示。在相同光照條件下，經(jīng)歷相同蒸發(fā)時間后，無植被覆蓋試樣體積含水率變化幅度最大，明顯大于植被覆蓋下的試樣。有無植被覆蓋下試樣表層土體（測點1）體積含水率變化都比較大，而農(nóng)膜覆蓋下試樣各測點體積含水率沒有明顯變化。

圖10 體積含水率變化Fig.10 The changes in volume moisture content

試樣表層土體（測點1）30 d 體積含水率累計變化對比如圖11 所示。由圖可見，農(nóng)膜覆蓋下試樣表層土體體積含水率變化不大；有無植被覆蓋試樣表層土體體積含水率隨著光照時間的變化規(guī)律相似，在光照前5 d，脫濕較快，從第5 天開始，兩者變化速率開始變緩，無植被覆蓋下試樣表層土體的脫濕量逐漸大于有植被覆蓋下試樣。

將有無植被覆蓋試樣表層土體體積含水率累計變化曲線按照前5 d 光照和后25 d 光照分成2 階段進行線性分析，獲得表層土體脫濕速率，見表4。在蒸發(fā)初期，有、無植被覆蓋土樣蒸發(fā)脫濕速率分別為0.47%/d、0.46%/d，比較接近，但從第5 天開始，兩者的脫濕速率都開始減小，植被覆蓋下的脫濕速率減為0.07%/d，無植被覆蓋的減為0.17%/d。對于長期蒸發(fā)過程，植被的覆蓋可減緩?fù)馏w脫濕速率，降低土體脫濕量，起到保持土體持水能力的作用。

圖11 體積含水率累計變化Fig.11 Accumulative changes of volumetric moisture contents

表4 表層土體脫濕速率Table 4 The drying rate of surface soil

（3）試樣溫度變化規(guī)律

每天光照8 h，沿深度方向土體溫度變化的對比如圖12 所示。由圖可見，土體溫度在28 cm 范圍內(nèi)變化幅度較大，植被覆蓋膨脹土溫度變化幅度最小，表層土體（測點1）溫度平均變化為2.03 ℃，明顯小于無植被覆蓋的7.36 ℃和農(nóng)膜覆蓋的9.72 ℃，植被覆蓋有效地減小土體溫度變化達5 ℃左右。在太陽輻射下，膨脹土溫度變化的影響深度有限，沿著深度方向土體溫度變化幅度逐漸減小。植被覆蓋下土體溫度變化在20 cm 處趨于平緩，無植被覆蓋和農(nóng)膜覆蓋的土體溫度變化在28 cm 處趨于平緩，說明植被覆蓋可減小溫度變化影響深度，同時可見無植被覆蓋土體溫度變化影響深度28 cm 與其豎向裂隙開展深度32 cm 比較接近。

圖12 溫度變化對比Fig.12 Comparison of temperature changes

土體每天溫度時程變化的對比如圖13 所示。每天溫度變化規(guī)律相似，光照8 h，土體溫度不斷上升，停止光照后，土體溫度開始逐漸降低，直至與環(huán)境中的溫度保持平衡。但是，不同狀態(tài)下土體溫度變化幅度和劇烈程度不同，即農(nóng)膜覆蓋土體溫度變化幅度最大，其次是無植被覆蓋土體，有植被覆蓋土體溫度變化幅度最小，溫度上升和下降都比較平緩；隨著蒸發(fā)過程的持續(xù)，無植被覆蓋與農(nóng)膜覆蓋土體溫度變化越來越接近，但兩者的溫度變化幅度都明顯大于有植被覆蓋下土體；有植被覆蓋土體溫度變化曲線隨光照時間持續(xù)整體有所上升，這是由于植被覆蓋，對土體溫度變化具有“削峰填谷”的作用。所以，植被覆蓋不但能減小土體溫度變化的劇烈幅度，而且還能保溫，降低土體熱量的散失速度。

圖13 土體溫度變化對比Fig.13 Comparison of soil temperature changes

4 結(jié) 論

（1）持續(xù)蒸發(fā)狀態(tài)下，植被覆蓋和農(nóng)膜覆蓋土體表面及豎向均未出現(xiàn)明顯裂隙。對無植被覆蓋的土體，將土樣尺寸長寬比確定為大于2:1 的形式，可觀測到土體表面在持續(xù)蒸發(fā)作用下形成平行于寬度方向的3 條主要裂隙，這種處理方式可以保證從側(cè)面觀測到土體豎向裂隙拓展過程。

（2）無植被覆蓋膨脹土豎向裂隙拓展特性。在距離土表6.7 cm 范圍內(nèi)，共出現(xiàn)3 條豎向裂隙，在6.7 cm 以下只出現(xiàn)1 條豎向裂隙，該豎向裂隙隨著持續(xù)蒸發(fā)，不斷往深度方向發(fā)展，第2～5 天裂隙長度迅速增加，第5～9 天裂隙長度開始緩慢增加，第9 天后裂隙長度趨于平穩(wěn)，不再增加，此時豎向裂隙深度達32 cm，說明大氣作用對膨脹土裂隙開展深度影響有限。

（3）無植被覆蓋下土體濕熱影響深度為28 cm，與豎向裂隙開展深度32 cm 接近，而植被覆蓋下土體濕熱影響深度為20 cm；無植被覆蓋時，表層土體蒸發(fā)脫濕量為7.38%，初始蒸發(fā)脫濕速率0.46%/d，5 d 后脫濕速率開始減小，減為0.17%/d；植被覆蓋時，表層土體脫濕量為5.29%，初始脫濕速率為0.47%/d，5 d 后脫濕速率減為0.07%/d；農(nóng)膜覆蓋時，土體蒸發(fā)受到遏制；持續(xù)30 d 蒸發(fā)，平均每天光照8 h 溫度變化，無植被覆蓋的為7.36 ℃；農(nóng)膜覆蓋的為9.72 ℃；植被覆蓋的為2.03 ℃。說明植被作用可減小土體濕熱變化幅度，降低水分遷移速率，起到保持土體濕度，調(diào)節(jié)土體溫度的作用。

本文采用自制的陽光輻射模擬試驗裝置對持續(xù)蒸發(fā)狀態(tài)的膨脹土裂隙和濕熱特性展開分析，試驗中考慮植被蒸騰作用對膨脹土的裂隙拓展和濕熱變化過程的影響，試驗結(jié)果為進一步研究植被對膨脹土工程性質(zhì)的作用機制奠定了基礎(chǔ)，研究結(jié)果可服務(wù)于膨脹土塹坡的植被防護和植被恢復(fù)，同時也可為類似研究項目提供借鑒。

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