謝建寶， 姚亞輝， 龔緒龍， 張衛(wèi)強(qiáng)

(1. 江蘇省地質(zhì)工程有限公司，江蘇南京210018； 2. 國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210018； 3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051； 4. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

?

黏土失水開裂演化過(guò)程的影響試驗(yàn)

謝建寶1，2， 姚亞輝3， 龔緒龍2，4， 張衛(wèi)強(qiáng)2

(1. 江蘇省地質(zhì)工程有限公司，江蘇南京210018； 2. 國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210018； 3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051； 4. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

摘要：裂隙性為黏土的主要特性之一。探討?zhàn)ね恋拈_裂規(guī)律，對(duì)于分析地裂縫成因機(jī)理，開展預(yù)測(cè)研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了黏土干燥收縮過(guò)程中含水率的變化規(guī)律。分別制備不同厚度、寬度、含砂量的試樣，獲得不同條件下黏土失水過(guò)程含水率的變化規(guī)律。在試驗(yàn)所設(shè)定的條件下，土體開裂時(shí)的含水率很接近，平均約為33.48%；當(dāng)樣品寬度不變時(shí)，土層越厚，含水率變化速率越小；當(dāng)樣品厚度相同時(shí)，寬度不同，含水率變化速率幾乎相同；當(dāng)厚度、寬度都相同時(shí)，含水率變化速率隨含砂量的增大而減小。對(duì)于同一樣品，土體厚度越大，樣品裂隙率越小；土體厚度相同時(shí)，樣品的裂隙率隨著樣品寬度的增大先減小后增大，且樣品的開裂周期與樣品的裂隙率同步變化。

關(guān)鍵詞：黏土；含水率；失水；開裂；江蘇常州

0引言

裂隙性黏土是在自然地質(zhì)的形成過(guò)程中產(chǎn)生的一種多裂隙且具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，其主要成分是強(qiáng)親水性的礦物蒙脫石、伊利石及其混層黏土礦物。在干旱的氣候條件下，土體干縮失水，到達(dá)一定程度后，土體表面和內(nèi)部就會(huì)發(fā)育大量縱橫交錯(cuò)的干縮裂隙，在黏粒含量較高的膨脹土中，這種現(xiàn)象尤其普遍和典型。黏土干縮裂縫是自然界中常見的現(xiàn)象，它不僅破壞土體的整體性，而且也為降雨入滲提供了良好的通道，從而降低土體強(qiáng)度，是影響?zhàn)ね凉こ绦再|(zhì)的重要因素。工程中干縮裂縫的發(fā)育直接影響土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)而會(huì)縮短工程的服務(wù)年限，甚至直接威脅人的生命安全，造成不可估量的后果(姚海林等，2001；孔令偉等，2007；殷宗澤等，2012)；裂隙還會(huì)增加土體的風(fēng)化深度，加重坡面水土流失，破壞生態(tài)環(huán)境(唐朝生等，2012)。由此可見，土體干縮裂隙在邊坡穩(wěn)定性(殷宗澤等，2010，2011，2012)、地基承載力(孔德坊，1994；劉特洪，1997；Morrisetal., 1992)、堤壩穩(wěn)定性(王延貴，2003)、地裂縫形成(汪麗，2006)、土壤肥力(黃樹輝等，2004a，2004b；裴銀鴿等，2012;Bandyopadbyayetal.， 2003)等許多領(lǐng)域內(nèi)都有極其重要的影響。沈珠江等(2004)和鄧剛等(2006)采用非飽和簡(jiǎn)化固結(jié)理論，在對(duì)飽和土的有限元程序進(jìn)行相應(yīng)修改的基礎(chǔ)上，對(duì)黏土體干濕過(guò)程中表面裂縫的形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

地裂縫作為蘇錫常地區(qū)的一種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)該地區(qū)的發(fā)展造成了嚴(yán)重危害。研究黏土開裂的基本規(guī)律和裂隙分布狀況，并提出相應(yīng)的防治對(duì)策，對(duì)解決工程中土體開裂問(wèn)題具有重要意義。針對(duì)土體失水作用過(guò)程中表面裂縫的發(fā)育規(guī)律，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)等分析手段，從土體的外形尺寸和含砂量?jī)煞矫孢M(jìn)行研究，探討土體失水作用過(guò)程中土體含水率的變化規(guī)律，對(duì)蘇錫常地區(qū)地裂縫的形成機(jī)制進(jìn)行研究。

1土體失水開裂試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的土樣為江蘇常州地區(qū)的地表黏土，呈土黃色，取樣深度約1m。樣品制備：土樣取回室內(nèi)后，進(jìn)行機(jī)械粉碎，將粒徑>1cm的土塊粉碎；在105 ℃條件下，在烘箱內(nèi)干燥24h，使土樣的初始含水量為0。通過(guò)篩分篩選出粒徑<2mm的土樣，留作試驗(yàn)樣品。由于主要研究裂縫表面形態(tài)的演化特征，所以采用材質(zhì)較硬的鋼化玻璃作為黏土干縮試驗(yàn)容器的基底，玻璃模型幾何外形分5種類型，長(zhǎng)均為30cm，高均為10cm，寬分別為3、5、10、15、20cm5種。稱量?jī)x器采用精密電子稱，精度0. 01g。表1為土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。

表1　土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

黏土的礦物組成與黏土物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。X射線衍射(圖1)和X射線熒光(表2)分析結(jié)果表明，黏土樣中黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高是黏土與水作用明顯的原因，隨著含水量的變化，黏土的體積會(huì)發(fā)生顯著變化，因此宏觀上土體會(huì)產(chǎn)生明顯的變形現(xiàn)象。

圖1　試驗(yàn)黏土XRD光譜圖Fig.1　XRD spectrogram of the test clays

樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOCO210.501.4116.6161.958.531.179.0520.501.4216.6962.048.591.178.80

根據(jù)土體厚度不同共進(jìn)行5組試驗(yàn)，第1至第5組土樣厚度h分別為2.6、5.2、20、65、70mm。每組試驗(yàn)依據(jù)玻璃模型寬度不同分為5份樣品，1—5號(hào)樣品玻璃模型寬度d分別為3、5、10、15、20cm。為研究含砂量對(duì)黏土開裂的影響，選取含砂量分別為0、50、100、150g進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中烘箱溫度控制在65 ℃，定時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行拍照、稱量，觀察土體干燥過(guò)程中裂縫的演化過(guò)程。當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí)縮短稱量、拍照的時(shí)間間隔，增加稱量、拍照次數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)裝置Fig.2　Experimental equipments (a) group 1; (b) group 2; (c) group 3; (d) group 4; (e) group 5

2黏土失水作用過(guò)程中含水率變化規(guī)律

含水率的大小是影響?zhàn)ね馏w干縮開裂的關(guān)鍵因素，試驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)測(cè)量每個(gè)樣品的質(zhì)量，以統(tǒng)計(jì)樣品的含水率，其計(jì)算方法如下。

(1)

式(1)中，ω為含水率，m0為土體干質(zhì)量，mi為土體測(cè)試時(shí)的質(zhì)量。

表3為土體開裂時(shí)樣品的含水率統(tǒng)計(jì)表。結(jié)果顯示，土層的厚度、容器的寬度對(duì)土樣開裂時(shí)的含水率均沒有直接關(guān)系。在試驗(yàn)所設(shè)定的條件下，土體開裂時(shí)的含水率基本一致，約為33.48%。

表3　土體開裂時(shí)樣品的含水率

圖3是樣品寬度d分別為3、5、10cm時(shí)不同厚度含水率變化曲線。圖4為不同寬度含水率下降速率與土層厚度關(guān)系曲線。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)寬度不變時(shí)，土層越厚，含水率變化速率越小。

圖5—7是樣品厚度h為2.6、5.2、20mm時(shí)樣品含水率隨時(shí)間的變化曲線。當(dāng)厚度相同時(shí)，寬度不同，含水率變化速率幾乎相同，表4所示為同一厚度下，不同寬度的樣品含水率下降速率。由此可知，當(dāng)土樣厚度相同時(shí)，不同寬度的樣品含水率下降速率幾乎相同，并且隨著厚度的增加，同一樣品含水率下降速率逐漸減小。

圖8所示是厚度h=70mm、寬度d=20cm、含砂量不同時(shí)含水率隨時(shí)間的變化曲線。由圖8可知，含砂量為0g的樣品含水率下降速率最大，含砂量為150g的樣品含水率下降速率最小。表5為不同含砂量樣品含水率下降速率。由此可知，當(dāng)厚度、寬度都相同時(shí)，含水率變化速率隨含砂量的增大而減小。

3黏土失水作用過(guò)程中裂隙率變化規(guī)律

采用裂隙率來(lái)描述裂隙的總體分布特征，即使用MATLAB的圖形圖像像素統(tǒng)計(jì)功能，將土樣開裂和未開裂的部分,分別轉(zhuǎn)換成圖形圖像處理中所需要的像素，白色像素點(diǎn)代表試樣未開裂的部分，黑色像素點(diǎn)代表試樣開裂的部分，分別統(tǒng)計(jì)白色和黑色像素點(diǎn)數(shù)。黏土試樣的最終裂隙率即為黑色像素點(diǎn)數(shù)與總像素點(diǎn)數(shù)的百分比，如下式所示。

(2)

圖3　不同厚度含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.3　Variation curves of moisture content with time for samples with different thickness(a) d=3 cm; (b) d=5 cm; (c) d=10 cm

式(2)中，ε為裂隙率；Ai為第i條裂隙所占的面積；A為統(tǒng)計(jì)試樣面積；nh為黑色像素點(diǎn)數(shù)，即試樣中裂隙部分面積；nb為白色像素點(diǎn)數(shù)，即試樣中未開裂部分面積；n為總像素點(diǎn)數(shù)，即試樣的總面積。由

圖4　不同寬度含水率下降速率與土層厚度關(guān)系曲線Fig.4　Relationship of moisture content declining rate with soil thickness for samples with different widths

圖5　樣品含水率-時(shí)間函數(shù)曲線(土層厚度h=2.6 mm)Fig.5　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=2.6 mm)

裂隙率的定義可以看出，統(tǒng)計(jì)的裂隙率只考慮裂隙的平面形態(tài)，對(duì)其深度沒有研究，主要是目前的技術(shù)對(duì)裂隙深度的演化還不能進(jìn)行有效的、精確的定量統(tǒng)計(jì)，但所采用的裂隙率可以很好地表征裂隙特征對(duì)土體性能的影響。因此，選取上述方式所得到的裂隙率代表裂隙的綜合指標(biāo)。圖9為采用MATLAB軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理得到的灰度圖像。

圖6　樣品含水率-時(shí)間函數(shù)曲線(土層厚度h=5.2 mm)Fig.6　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=5.2 mm)

表6為同一寬度下，不同厚度的樣品裂隙率大小的對(duì)比表。對(duì)于同一樣品，土體厚度越大，樣品裂隙率越小。表6直觀地反映了裂隙率隨樣品厚度的變化規(guī)律，開裂過(guò)程中裂隙率由大到小依次為：h=2.6mm>h=5.2mm>h=20mm> h=65mm。開裂周期由小到大為h=2.6mm

圖7　樣品含水率-時(shí)間函數(shù)曲線(土層厚度h=20 mm)Fig.7　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=20 mm)

樣品編號(hào)含水率下降速率k12345h=2.6mm-1.46-0.97-1.23-0.89-1.28h=5.2mm-2.45-2.01-1.87-1.98-2.21h=20mm-7.10-7.02-6.96-7.54-7.37h=65mm-12.70-12.92-11.67-13.45-12.89h=70mm-13.00-12.78-12.93-13.17-12.39

圖8　不同含砂量樣品含水率-時(shí)間函數(shù)曲線Fig.8　Function curves of moisture content and time for samples with different sand contents

含砂量/g050100150含水率下降速率k-1.11-0.84-0.52-0.47

圖9　MATLAB圖像處理Fig.9　Image processing by MATLAB(a) before processing; (b) after processing

表7為同一厚度下，不同寬度的樣品裂隙率大小的對(duì)比表。表7顯示，土體厚度相同時(shí)，樣品的裂隙率隨寬度的增大先減小后增大，且開裂周期與裂隙率同步變化。當(dāng)樣品寬度<5～10cm時(shí)，樣品的裂隙率、開裂周期隨著寬度的增大而減??；當(dāng)樣品寬度>5～10cm時(shí)，樣品的裂隙率、開裂周期隨著寬度的增大而增大。

表6　同一寬度下不同厚度的樣品裂隙率大小比較

表7　同一厚度下不同寬度的樣品裂隙率大小比較

4結(jié)論

黏土干縮裂縫的形成和發(fā)展會(huì)對(duì)土體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和滲透性等產(chǎn)生影響，其影響范圍廣泛分布于土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)、工程地質(zhì)和環(huán)境保護(hù)等學(xué)科。通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究黏土干縮裂縫的形成和發(fā)展過(guò)程中土體寬度、厚度、含砂量3個(gè)因素對(duì)土體含水率變化的影響規(guī)律。

(1) 在試驗(yàn)所設(shè)定的所有條件下，土體開裂時(shí)的含水率非常接近，平均約為33.5%。

(2) 當(dāng)樣品寬度不變時(shí)，土層越厚，含水率變化速率越??；當(dāng)樣品厚度相同時(shí)，寬度不同，含水率變化速率幾乎相同。

(3) 當(dāng)厚度、寬度都相同時(shí)，含水率變化速率隨含砂量的增大而減小。

(4) 對(duì)于同一樣品，土體厚度越大，樣品裂隙率越小；土體厚度相同時(shí)，樣品的裂隙率隨著樣品寬度的增大先減小后增大，且樣品的開裂周期與裂隙率同步變化。當(dāng)樣品寬度<5～10cm時(shí)，樣品的裂隙率、開裂周期隨著樣品寬度的增大而減??；當(dāng)寬度>5～10cm時(shí)，樣品的裂隙率、開裂周期隨著樣品寬度的增大而增大。

參考文獻(xiàn)：

鄧剛，沈珠江，楊代泉，2006.黏土表面干縮裂縫形成過(guò)程的數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào)，28(2):241-248.

黃樹輝，呂軍，曾光輝，2004a.水稻土裂縫的生產(chǎn)對(duì)N2O釋放的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，24(4):410-413.

黃樹輝，呂軍，2004b.水稻土裂縫的演變及其還原酶活性的變化研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，18(1):39-42.

孔德坊，1994.裂隙性黏土[M].北京：地質(zhì)出版社.

孔令偉，陳建斌，郭愛國(guó),等，2007.大氣作用下膨脹土邊坡的現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，29(7):1065-1073.

劉特洪，1997.工程建設(shè)中的膨脹土問(wèn)題[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

裴銀鴿，徐則民，張家明，2012.土體干縮裂縫研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，23(4):1137-1144.

沈珠江，鄧剛，2004.黏土干濕循環(huán)中裂縫演變過(guò)程的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，25(增刊2):1-6.

唐朝生,施斌,劉春，2012.膨脹土收縮開裂特性研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，20(5):663-673.

王延貴，2003.沖積河流岸灘崩塌機(jī)理的理論分析及試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.

汪麗，2006．地表水與地裂縫活動(dòng)關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[D]．陜西西安：長(zhǎng)安大學(xué).

姚海林，鄭少河，陳守義，2001.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)，23(5):606-609.

殷宗澤,韋杰,袁俊平，等，2010.膨脹土邊坡的失穩(wěn)機(jī)理及其加固[J].水利學(xué)報(bào)，41(1):1-6.

殷宗澤,徐彬，2011.反映裂隙影響的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),33(3):454-459.

殷宗澤,袁俊平，韋杰，等，2012.論裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，34(12):2155-2161.ALBRECHTBA,BENSONCH， 2001.Effectofdesiccationoncompactednaturalclays[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, 127(1):67-75.

BANDYOPADBYAYKK，MOHANTYM，PAINULIDK， 2003.InfluenceoftillagepracticesandnutrientmanagementoncrackparametersinvertisolofcentralIndia[J].SoilandTillageResearch, 71(2): 133-142.

MORRISPH,GRAHAMJ,WILIAMSDJ， 1992.Crackingindryingsoils[J].CanadianGeotechnicalJournal, 29(2):263-267.

Experimental study on the influence factors of evolution process of clay dehydration cracking

XIE Jianbao1,2, YAO Yahui3, Gong Xulong2,4, ZHANG Weiqiang2

(1.JiangsuGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Nanjing210018,Jiangsu,China; 2.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources,Nanjing210018,Jiangsu,China; 3.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,CGS,Baoding071051,Hebei,China; 4.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)

Abstract：Fissure is one of the main characteristics of clay. Clarifying the cracking rules of the clay is of important theoretical significance and engineering value to illuminate the genetic mechanisms of ground fissure and conduct prediction research. This work studied the variations of water content during the clay drying shrinkage based on indoor experiments. Samples with different thicknesses, widths and sand contents were prepared, respectively, and the variations of water content during clay dehydration process under varying conditions were obtained. Under the condition of the experiment, the water content of all clay is about 33.48% when the clay began to crack. With the same sample width, the thicker the soil is, the smaller the variation rate of water content is. When the samples have the same thickness, the variation rate of water content hardly changes with the sample width. When the sample thickness and width are the same, the change rate of water content is inversely proportional to the amount of sand. For the same soil sample, the greater the thickness is, the smaller the fissure rate is. With the same sample thickness, the sample fissure rate first decreases and then increases with the increasing sample width, and the cracking cycle changes synchronously with the fissure rate.

Keywords：clay; water content; water loss; cracking; Changzhou in Jiangsu Province

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.346

收稿日期：2015-01-12；修回日期：2015-11-02；編輯：蔣艷

基金項(xiàng)目：國(guó)土資源部行業(yè)科研專項(xiàng)“蘇南平原區(qū)地裂縫成因機(jī)制及預(yù)警研究”(201411096)

作者簡(jiǎn)介：謝建寶(1968—)，男，高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察與研究工作,E-mail： xiejianbao@163.com

中圖分類號(hào)：P694; TU411.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3636(2016)02-0346-06