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(1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點試驗室，湖北 宜昌 443002； 3.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

在干燥條件下，隨著水分的蒸發(fā)，黏性土將會發(fā)生收縮變形并產(chǎn)生干縮裂縫，這對土體的強度、變形和滲透性產(chǎn)生極大的影響。Boynton和Daniel[1]與Rayhani等[2]的試驗結(jié)果表明土中干縮裂隙將以若干個數(shù)量級提高土的滲透性；Saada等[3]研究結(jié)果表明土中的干縮裂隙增加了土中薄弱區(qū)，導致土體抗剪強度下降以及壓縮性提升。不僅如此，土體中的干縮裂縫還直接或間接地影響了地質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如裂隙加快了土中鹽分的運輸，這將增加土壤和地下水受污染的風險，而且加快農(nóng)作物根系下營養(yǎng)物質(zhì)的流失[4]。相關(guān)研究表明，裂隙將會導致滑坡、基礎(chǔ)、路堤、土壩以及其他與黏性土相關(guān)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[5-11]。由于極端干旱日益頻繁發(fā)生，黏性土的失水開裂現(xiàn)象得到了學界越來越多的關(guān)注。

黏性土干縮裂隙的產(chǎn)生與發(fā)展和很多因素有關(guān)。目前針對黏性土失水開裂影響因素的研究中，所用試驗材料基本上為不含粗顆粒的過篩土(土顆粒粒徑≤2 mm)[12-13]。然而在自然界中，黏性土不僅是包含土顆粒、水和空氣的一種高度復雜的材料，而且還含有一定量的粗顆粒(例如粗粒砂和碎石)。因此研究粗顆粒對黏性土失水開裂的影響具有實際工程意義。已有研究表明，細粒砂對黏性土收縮性能有影響，例如Cui 等[14]的研究結(jié)果表明隨著含砂率的增加，高廟子膨脹土-砂混合物的收縮性能降低。但是目前有關(guān)粗顆粒對黏性土失水開裂影響的相關(guān)文獻非常缺乏，而且粗顆粒對黏性土干縮開裂影響的定量描述還鮮見報道。

為了探究土中粗顆粒對黏性土干縮開裂的影響，采用石英砂作為粗顆粒，通過一系列室內(nèi)干燥試驗，并采用圖像處理技術(shù)，定量分析了含砂率對黏性土蒸發(fā)、開裂含水率和土樣表面裂隙幾何形態(tài)學的影響。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自湖北省恩施自治州巴東縣某滑坡滑帶土，室內(nèi)測得滑帶土基本物理指標見表1，土顆粒粒徑分布曲線如圖1所示?；瑤寥』睾箫L干碾散，將碾細的土樣過篩，篩孔直徑為2 mm，作為試驗用土，土的滲透性在文獻[15]已測出。選用大小為4～6目(4.75～3.35 mm)的石英砂為試驗用砂，石英砂粒徑分布及相對密度見表2。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic physical indexes of test soil

圖1 土顆粒粒徑分布曲線Fig.1 Curve of particle size distribution

不同粒徑的質(zhì)量百分數(shù)/%<1 mm[1,2)mm[2,5)mm[5,7]mm相對密度0.620.0997.951.342.56

圖2 含砂率RS和土樣震動 干密度ρ的關(guān)系Fig.2 Relationship between silica sand content RS and dry density ρ

2.2 試樣制備及試驗方法

相關(guān)研究[13]表明土樣厚度對黏性土蒸發(fā)和裂隙的形成和發(fā)展有重要影響。為了控制土樣厚度(土樣厚度必須大于石英砂顆粒最大直徑7 mm，且盡可能薄，因此本試驗試樣厚度選擇7 mm)，測得了含砂率RS和土樣震動干密度ρ(土樣在振動臺上振動5 min后測得的干密度)的關(guān)系，如圖2所示。震動干密度與含砂率間的關(guān)系表達式為

ρ=0.707 04+0.008 03RS。

(1)

本試驗設(shè)定試樣初始尺寸為170 mm×170 mm×7 mm，根據(jù)試樣體積、含砂率(0%，5%，10%，15%，20%)和式(1)分別得到對應(yīng)的黏性土質(zhì)量MC和石英砂質(zhì)量MS，如表3所示。

高校思想政治教育依附于高校教育活動，高校主要是對大學生進行專業(yè)技能教育，并提升大學生精神道德素養(yǎng)，培養(yǎng)其成為全面發(fā)展型人才。因此，將中國傳統(tǒng)文化融入思想政治教育中能夠促進大學生發(fā)展自身個性，把握未來發(fā)展方向，并將傳統(tǒng)應(yīng)試教育模式進行改善，使高校思想政治教育能夠符合大學生實際年齡。并且，不局限于大學生發(fā)展空間，促進其個性發(fā)展，得到不一樣的未來。

表3 黏性土和石英砂質(zhì)量Table 3 Mass of clay and silica sand

圖3 裂隙RGB圖和二值化圖Fig.3 RGB images and binary images of cracks

含砂率0%，10%，20%這3組試樣的蒸發(fā)過程都符合以上3個階段，但是從圖4可以觀察到它們的WAE明顯不同。圖5為由試驗得到的土樣進氣值含水率隨含砂率的變化關(guān)系。從圖5可以看出，土樣的進氣值含水率隨含砂率的增加而增大，而且呈線性關(guān)系。其原因可用圖6(為土中水分運移示意圖，箭頭代表水分的運移方向)進行解釋。石英砂顆粒可以被認為不具有滲透性，石英砂的存在改變且增長了土中水分向上運移路徑，并減少了水分可通過的面積，使得土樣中水分由下至上運移更 加困難，當土樣表面水分的蒸發(fā)量大于從土樣內(nèi)部向上運移的水量時，空氣開始進入土樣表面中孔隙。因此土樣的進氣值含水率隨含砂率的增加而增大。

為了得到裂隙的幾何形態(tài)特征，必須對數(shù)碼相機拍攝的彩色照片(RGB圖)進行圖像處理得到裂隙二值化圖，如圖3所示。計算機圖像處理技術(shù)已經(jīng)很成熟，具體方法可參考唐朝生等[16]的研究。同一含砂率的試樣包括2個平行樣，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對試樣裂隙幾何特征進行定量化，定量化結(jié)果取平行試樣的均值。

一項美國專利報道了一種草坪殺蟲劑，利用提取自柏科（Cupressaceae family）植物的精制油與一種氨基酸衍生表面活性劑溶液的混合物合成而得，其中，氨基酸衍生表面活性劑在所述溶液中占溶液重量的20%～50%。非離子型AAS的除草作用也有報道[130]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試樣水分蒸發(fā)過程

圖4給出了含砂率分別為0%，10%，20%這3組試樣的含水率W及蒸發(fā)速率Re(單位時間的失水質(zhì)量，g/min)隨時間t的變化曲線。從圖4中可以看出，土樣蒸發(fā)速率在干燥開始的一段時間內(nèi)保持恒定，含砂率0%，10%，20%這3組試樣在該階段的蒸發(fā)速率分別為0.079 2，0.080 6，0.085 6 g/min，當土樣含水率減小到WAE(進氣值含水率，為土樣表面開始由飽和狀態(tài)進入非飽和狀態(tài)的臨界點)，土樣蒸發(fā)速率迅速減小，直至蒸發(fā)速率為0 g/min。

圖9(b)給出了裂隙長度LC和裂隙平均寬度WAC隨含砂率的變化關(guān)系。可以看出，裂隙長度隨含砂率的增加而增大，裂隙長度從含砂率為0%時的1 300.11 mm增長到含砂率為20%時的2 335.83 mm，含砂率為20%時裂隙長度是含砂率為0%時裂隙長度的1.80倍。裂隙平均寬度隨含砂率的增加而減小，裂隙平均寬度從含砂率為0%時的2.77 mm減小到含砂率為20%時的1.56 mm，含砂率為0%時的裂隙平均寬度是含砂率為20%時裂隙平均寬度的1.78倍。

圖4 含水率和蒸發(fā)速率隨時間變化關(guān)系Fig.4 Changes of water content and evaporation rate of specimens with elapsed drying time

分形幾何可以描述自然界不規(guī)則以及雜亂無章的現(xiàn)象和行為。分形分析主要是確定分維系數(shù)DF，不同于空間歐幾里德維數(shù)(為整數(shù))，一個不規(guī)則復雜形狀的分形維數(shù)一般不是整數(shù)。分形維數(shù)的計算方法有很多，例如豪斯多夫維數(shù)、填充維數(shù)、分配維數(shù)和計盒維數(shù)。計盒維數(shù)的算法是用邊長為r的盒子來覆蓋圖形，并統(tǒng)計覆蓋圖形最小所需盒子數(shù)Nr，這里的盒子在一維時為線段，二維時為正方體，三維時為立方體。由于計盒維數(shù)的算法便于編程和應(yīng)用，因此計盒維數(shù)在分形分析中運用最廣泛。本文采用計盒維數(shù)對土樣表面裂隙進行分形分析，根據(jù)計盒維數(shù)的定義，土樣表面裂隙的計盒維數(shù)DB可以用式(1)計算。

具體制樣過程可分為4步：①首先將黏性土放入桶中，加入適量的蒸餾水制成飽和泥漿，充分攪拌；②然后將飽和泥漿倒入尺寸為170.00 mm×170.00 mm×20.00 mm(內(nèi)部尺寸為161.30 mm×161.30 mm×20.00 mm)的玻璃盤中，并放在震動臺上震動5 min，使泥漿中的氣泡溢出；③待土樣靜置一段時間后，用注射器抽去上層清水，然后將石英砂均勻放置在土樣表面，再次放在震動臺上震動5 min；④最后用保鮮膜將玻璃盤密封，靜置3 d，使土樣中水分充分運移。試驗過程中，試樣被放在恒溫恒濕箱中，控制溫度在(35±1)℃、相對濕度在(50±2)%變化范圍內(nèi)，并用精度為0.01 g的電子天平記錄試樣質(zhì)量的變化，得到土樣含水率(均為排除粗顆粒的含水率)隨時間的變化。將數(shù)碼相機固定在土樣正上方，相機鏡頭方向垂直于土樣，記錄土樣裂隙發(fā)展過程。

圖12給出了含砂率分別為0%， 5%， 10%， 15%，20%的土樣完全干燥后表面裂隙的分形維數(shù)，從線性回歸分析結(jié)果可以看出，線性擬合的相關(guān)系數(shù)都>0.99，說明分形結(jié)果的可信度很高。以上土樣的分維系數(shù)分別為1.578 88，1.592 35，1.603 56，1.598 09，1.581，其隨含砂率增加先增大后減小，與裂隙率隨含砂率的變化趨勢相同。

圖5 進氣值含水率WAE隨含砂率RS變化關(guān)系Fig.5 Changes of WAE (critical water content from saturated state to unsaturated state of soil surface) withRS (silica sand content)

圖6 土中水分運移示意圖Fig.6 Sketch of water movement in soil

圖7 開裂含水率WC隨 含砂率RS變化關(guān)系Fig.7 Changes of WC (water content when crack initiates) with RS

3.2 試樣臨界開裂含水率

圖7給出了土樣開裂含水率WC(土樣開始出現(xiàn)裂隙時對應(yīng)的土樣含水率)和含砂率的關(guān)系，土樣含砂率為0%，5%，10%，15%，20%時對應(yīng)的開裂含水率分別為45.17%，51.07%，52.09%，51.20%，51.74%，可以看出土樣開裂含水率只與是否含有粗顆粒有關(guān)，與粗顆粒含量關(guān)系較小，并且土中粗顆粒能明顯提高土的開裂含水率。由于土是一種相當復雜的材料，黏性土的失水開裂機理到目前為止還沒有很好地被揭示。一般認為，當土中的張拉應(yīng)力超過土的抗拉強度時，裂隙就會出現(xiàn)。很多之前的調(diào)查研究表明[20]，裂隙會首先出現(xiàn)在土樣表面的缺陷處(主要是凸起和凹陷處)，因為缺陷處存在應(yīng)力集中和收縮不均勻。圖8為含砂土樣的收縮示意圖(箭頭代表土中張拉應(yīng)力)。隨著水分的蒸發(fā)，土樣豎向收縮，由于石英砂顆粒相對于土來說沒有收縮性，這加劇了土樣的不均勻沉降。相對于純土(含砂率0%)而言，蒸發(fā)至同一含水率時，含粗顆粒黏性土不均勻沉降更加明顯，因此導致不均勻沉降處產(chǎn)生的應(yīng)力更大，這將會使土樣提前開裂。

圖8 含砂土樣收縮示意圖Fig.8 Sketch of the shrinkage of soil containing silica sand

3.3 試樣干縮裂隙定量分析

圖9(a)描述了土樣裂隙率RC(采用土樣表面最終形態(tài)的裂隙率，下同)隨含砂率的變化關(guān)系，其中裂隙率為土樣表面裂隙面積與土樣總面積的比值。可以看到，裂隙率隨含砂率的增加先增大后減小，在含砂率為10%時達到最大值15.39%，含砂率為0%和20%時裂隙率分別為13.85%和14.04%。

2017年我國木質(zhì)家具出口數(shù)量25 603.69萬件，其中出口美國9 860.3萬件，占38.51%;木質(zhì)家具出口金額137.33億美元，其中美國42.83億美元，占31.19%。

圖9 裂隙率RC、裂隙長度LC和裂隙平均寬度WAC隨 含砂率RS變化關(guān)系Fig.9 Changes of cracking rate RC, length of crackLC and average width WAC of crack with RS

式中：C為常數(shù)；x為底數(shù)，可取任意數(shù)。

在實際電路中，可配置緩沖器的數(shù)量是有限制的，為了實現(xiàn)一個合理的良率提升，插入延遲緩沖器的方法可以描述為：選擇一定數(shù)量的觸發(fā)器，在其周圍插入盡可能少的可配置緩沖器以提高芯片的良率，并保證面積損耗最小.

金庸走了，在閱盡滄桑之后，像秋葉般在香江凋零，自他在海寧袁花誕生以來，與他的家鄉(xiāng)近在咫尺的鹽官，海寧潮大漲已歷九十六度。舉世皆說他生于1924年，就連他本人也如此說，甚至袁花的查家族譜也如此載，而我在他的檔案和大量史料中發(fā)現(xiàn)，他卻是生于1923年，那一年也是他存世的第一次海寧潮漲時，比他大二十幾歲的表哥徐志摩正好帶了胡適之、陶行知、汪兆銘等來觀潮。也許這是個絕對的偶然，如同潮漲潮落那樣偶然。近一個世紀后，他在香江的蒼茫暮色中停止呼吸之際，海寧潮是否還在漲落與他已然無關(guān)，就像他首創(chuàng)的《明報》也已與他無關(guān)。

圖10 石英砂顆粒阻礙裂隙豎向發(fā)展示意圖Fig.10 Sketch of cracks’ vertical propagation in clay obstructed by coarse particles

圖11 含砂黏性土塊分解Fig.11 Breakdown of a part of the clay with coarse particles

3.4 試樣干縮裂隙分形分析

Hillel[17]指出土中水分蒸發(fā)的必要條件為土中孔隙水液交界面上的蒸氣壓大于空氣中的蒸氣壓。因為液態(tài)水到氣態(tài)水(蒸發(fā))的主要平衡標準是熱力學勢能(單位質(zhì)量孔隙水內(nèi)的自由能)，蒸氣壓的大小反映了孔隙水的熱力學勢能大小，所以只有當孔隙水液交界面上的蒸氣壓大于空氣中的蒸氣壓時，土中水分才會蒸發(fā)，并且它們的梯度差越大，水分蒸發(fā)越快。根據(jù)土樣的蒸發(fā)速度，一般將土樣的蒸發(fā)過程分為3個階段：Ⅰ階段，速率恒定階段；Ⅱ階段，減速階段；Ⅲ階段，殘余穩(wěn)定階段。在Ⅰ階段，當一個初始完全飽和的土樣處在恒定干燥條件下時，上層清液中的水首先蒸發(fā)，在此期間,蒸發(fā)對黏性土基質(zhì)收縮幾乎沒有影響。如果不考慮從土壤進入上層清液的鹽離子，上層清液的蒸汽壓等于該封閉干燥條件下飽和蒸汽壓力。隨著水分進一步蒸發(fā)，在水氣交界面到達黏性土層表面后，土樣開始收縮，根據(jù)土體收縮曲線，在這段時間內(nèi)土樣收縮的體積等于水分減少的體積[18-19]，因此在一段時間內(nèi)土樣仍然保持飽和。由于土在該階段處于飽和狀態(tài)，土中孔隙水液交界面上的蒸氣壓保持相對恒定，都等于該干燥條件下的飽和蒸氣壓，因此土樣的蒸發(fā)速率保持恒定，并且以上3組土樣在該階段蒸發(fā)速率相近。在Ⅱ階段，隨著水分進一步蒸發(fā)，當土樣含水率減小至進氣值含水率WAE后，根據(jù)土體收縮曲線，土樣水分的蒸發(fā)量大于土樣體積的收縮量[18-19]，這就意味著空氣進入土基質(zhì)中，土樣由飽和狀態(tài)進入非飽和狀態(tài)。在該階段內(nèi)，土中孔隙水液交界面開始由平液面變?yōu)閺澮好妫⑶译S著水分減少，毛細彎液面曲率將進一步增大，這將導致彎液面上方的蒸氣壓減小。由于土中蒸氣壓和大氣蒸氣壓梯度差減小，土樣在該階段蒸發(fā)速率也將減小。在Ⅲ階段，當土中蒸氣壓等于大氣中蒸氣壓后，這并不意味著沒有水分從土中蒸發(fā)到大氣中，而是從土中蒸發(fā)到大氣的水量等于從大氣進入土中的水量，因此土樣蒸發(fā)速率為0 g/min。

logxNr=logxC-DBlogxr。

(1)

隨著土樣水分的蒸發(fā)，一旦土中張拉應(yīng)力超過土的抗拉強度，裂隙將會產(chǎn)生。根據(jù)對試樣的觀察和相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)土樣裂隙從上到下有變窄的趨勢，呈“V”型，且裂隙寬度與裂隙深度正相關(guān)[21]。由斷裂力學理論知，裂隙尖端存在應(yīng)力集中，這將導致裂隙的發(fā)展直至裂隙發(fā)展被阻礙。圖10為石英砂顆粒阻礙裂隙豎向發(fā)展示意圖，當裂隙尖端接觸到石英砂顆粒后，由于受到阻礙，裂隙停止向下發(fā)展。隨著含砂率的增大，裂隙向下發(fā)展受阻變大，因此含粗顆粒的土樣裂隙寬度明顯減小。圖11呈現(xiàn)的是含砂率為20%的土樣完全干燥后的一塊土體，將它分解成幾塊會發(fā)現(xiàn)這些裂隙下存在石英砂顆粒，這證明了圖10的正確性。從試驗中觀察到純土的開裂過程為：裂隙首先出現(xiàn)在試樣邊緣，然后向另一邊緣發(fā)展，形成主裂隙，主裂隙間或者主裂隙和土樣邊緣間產(chǎn)生次裂隙。同樣的現(xiàn)象在文獻[19]中也可見。含砂黏性土樣裂隙發(fā)展過程與純土不同，裂隙首先產(chǎn)生于土樣表面凸起處，之后凸起處裂隙相互連接。由于含砂黏性土失水收縮伴隨明顯的不均勻沉降，隨著含砂率的增加，土樣表面凸起處也會變多，隨著凸起處裂隙的發(fā)展，裂隙相互連接，導致裂隙長度隨含砂率增加而增加。綜上所述，土中粗顆粒對裂隙寬度的發(fā)展具有阻礙作用，對裂隙長度的發(fā)展有促進作用，裂隙率隨含砂率增加先增加后減小。

大同市云州區(qū)黨留莊鄉(xiāng)羅莊村位于鄉(xiāng)西部，環(huán)境相對封閉，前些年村黨組織缺乏凝聚力戰(zhàn)斗力，“兩委”干部作用發(fā)揮差，發(fā)展意識不強，一直沒有一個好的“領(lǐng)頭雁”，書記主任換了一茬又一茬，是黨留莊鄉(xiāng)發(fā)展相對滯后的村。

圖12 分形維數(shù)DBFig.12 Estimation of coefficient of fractal dimension DB

圖13 干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)與表面裂隙率之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between fractal dimension and surface crack ratio

圖13為土樣表面裂隙率和裂隙分維系數(shù)的關(guān)系。從圖13可以看出分形維數(shù)和裂隙率有較好的正相關(guān)性，這與唐朝生等[16]試驗結(jié)果相似，通過線性擬合，分形維數(shù)DB和裂隙率RC存在關(guān)系為

DB=1.3640 8+0.015 59RC。

(2)

由此可見，土中粗顆粒主要是通過改變黏性土表面裂隙率來改變裂隙分形維數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)在蒸發(fā)過程中，黏性土中的粗顆粒會增加水分從下至上的運移距離，并減小過水面積，這使得土樣表面孔隙失水后得不到足夠的補充，空氣進入土樣表面孔隙，提高了土樣進氣值含水率。

(2)土樣開裂含水率只與是否含有粗顆粒有關(guān)，與粗顆粒含量關(guān)系較小，并且土中粗顆粒能明顯提高土的開裂含水率。

(3)土中粗顆粒對裂隙寬度的發(fā)展具有阻礙作用，對裂隙長度的發(fā)展有促進作用，裂隙率隨粗顆粒含量增加先增加后減小。

隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正逐漸向精準農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。早在20世紀60年代，美國就率先建立了完善的測土體系，覆蓋80%以上的作物。美國也通過測土檢驗和施肥推薦，進行土壤數(shù)據(jù)化處理，實現(xiàn)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的精細化管理。而我國的土壤檢測則更多依賴田間取樣法，通過田間試驗獲取作物最佳施肥量、施肥時期、施肥方法，從而篩選、驗證土壤養(yǎng)分、建立施肥指標體系。

(4)土樣表面裂隙的分形維數(shù)和裂隙率存在正相關(guān)關(guān)系。