王佳妮，張曉明，丁樹文，王 謙，聶道祥

控制高徑比條件下崩崗土體的收縮開裂特性

王佳妮，張曉明※，丁樹文，王 謙，聶道祥

（華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070）

崩崗土體的收縮開裂受到多種因素的影響。該研究為研究高徑比對其影響，共設計10組高徑比，通過定點拍照記錄脫濕前與脫濕結束時的土體形態(tài)變化，結合數(shù)字圖像處理技術進行定量分析，探討在控制高徑比條件下崩崗土體的收縮開裂規(guī)律。結果表明：1）崩崗4層土中，過渡層的裂隙性、徑向收縮性能最強，砂土層最弱，兩者之間的較大差異會嚴重破壞崩崗土體的穩(wěn)定性與承載力，促使崩壁崩塌；2）高徑比較小的試樣裂隙發(fā)育明顯，徑向收縮不明顯；高徑比較大的試樣無裂隙發(fā)育，徑向收縮顯著。其中，4層土由干縮開裂土樣過渡至徑向收縮土樣的高徑比具體臨界值分別位于：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147；3）當高徑比相同時，即使高度、直徑不一致，但其各裂隙參數(shù)、徑向收縮率具備相似性，軸向收縮率隨厚度的增加而增加；4)隨高徑比的增加，收縮含水率逐漸增大，開裂含水率逐漸減小，兩者之間的差值可以表示脫濕過程中土體產生抗拉強度的大小。收縮開裂裂隙度、寬徑比、徑向收縮率隨高徑比的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢，其余參數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢。其中，4層土中，過渡層的收縮開裂特性受高徑比影響最顯著，砂土層受影響程度最小。研究結果可為揭示崩崗崩塌機理提供科學依據(jù)。

裂隙；收縮；定量分析；崩崗；高徑比

0 引 言

崩崗土體由于具有親水性黏土礦物高嶺石與水云母，使其在水分蒸發(fā)過程中會產生明顯的收縮變形、裂隙發(fā)育現(xiàn)象。收縮變形一方面會造成土體不均勻沉降，破壞土體穩(wěn)定性，另一方面也會促進裂隙的發(fā)育[1-5]。裂隙的存在會破壞土體的承載力、抗剪強度、整體結構性。降雨時上部土體吸水重力增加，當重力超過下部土體的承載力時，崩壁發(fā)生崩塌[6]。崩塌的發(fā)生會威脅當?shù)厝嗣竦纳敭a安全，毀壞土地資源與水利設施等[7-8]。

國內外對土體收縮開裂特性的研究多集中于膨脹土，且對收縮性與裂隙性分別單獨進行研究，但自然條件下收縮變形、裂隙發(fā)育是同時發(fā)生的，因此有必要對兩者同時進行研究分析。以往研究重點集中于收縮機理、裂隙發(fā)育機理、影響因素三方面。對于收縮機理的研究，唐朝生等[9]提出基質吸力的產生是收縮變形的主要力學因素，而曾浩等[10]認為基質吸力只是收縮變形的誘因，兩者之間并不是一對一的關系，并提出了收縮應力的概念。對于裂隙發(fā)育機理的研究，Rayhani等[11]、Peron 等[12]認為裂隙的產生實質上是脫濕過程中土體內部受力變化作用的產物，唐朝生等[13]進一步提出控制裂隙產生的兩個關鍵力學因素是基質吸力與抗拉強度。對于影響因素的研究，包括土體結構[14-17]（黏粒含量、初始含水率、干密度、礦物含量）、環(huán)境因素[18-23]（干濕循環(huán)、溫度、濕度）、邊界約束[24-25]（界面粗糙度、邊界約束）、尺寸條件[26-29]（厚度、長度、表面積）等?；诔叽鐥l件，駱趙剛等[26]在研究厚度影響時，提出土樣厚度與表面積的比值對裂隙的發(fā)育也存在影響，本文將針對土樣高徑比進行具體試驗研究。

由于崩崗土體是在自然地質演變過程中形成的具有明顯分層性的特殊土質，根據(jù)以往研究，眾多學者將崩崗自上而下劃分為表土層、紅土層、過渡層、砂土層[30-32]。各層次的土體結構、粒度分布、力學特性[33-35]等均具有明顯的差異。各層次在收縮性、裂隙性方面的差異，仍是需要研究的重點。因此，本文以湖北省通城縣五里鎮(zhèn)的崩崗土體為研究對象，在控制土體高徑比條件下，對4層土進行室內脫濕試驗，采用相機進行定點拍照記錄土體收縮變形、裂隙發(fā)育變化，采用ImageJ-Fiji提取收縮、裂隙參數(shù)進行定量分析，探討高徑比影響下的崩崗土體收縮變形、裂隙演化特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗所用土樣取自湖北省通城縣五里鎮(zhèn)的典型瓢型崩崗（113°46′26′′ E, 29°12′39′′ N），崩崗邊壁高約3.38 m，崩崗發(fā)育完整，面積約為126 m2，植被覆蓋度約為35%。通城縣屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.1℃，無霜期為260 d左右。全年干濕季分明、降雨分布不均勻，夏季降雨量大氣溫高，冬季降雨量少氣溫低，年平均降雨量為1 604 mm，主要集中于3–9月。在氣候的交替變化下，裂隙發(fā)育明顯，崩崗發(fā)育情況嚴重。

在野外進行采樣時主要依據(jù)崩壁剖面土壤顏色、土壤深度對土層進行劃分。表土層，暗紅色，0.05～0.17 m；紅土層，紅色，0.17～0.49 m；過渡層，淡紅色至灰白色，0.49～2.10 m；砂土層，灰白色，2.10～3.38 m。在每層中部用鐵鍬采集大量的土壤放入麻袋中運回實驗室，進行室內試驗。土體的基本性質測定方法：干密度采用環(huán)刀法，有機質采用外加熱重鉻酸鉀容重法，塑性指數(shù)采用液塑限聯(lián)合測定儀；顆粒組成采用篩分法結合移液管法。測定結果見表1。

表1 崩崗土體的基本性質

1.2 試驗設計

由于野外采集回來的土存在大量的礫石、樹根等物質，對土體的干縮開裂影響較大，因此將采集回來的土風干碾碎過2 mm篩后混合均勻，將土樣均勻加水攪拌為過飽泥漿狀態(tài)[23]，密封在容器內靜置24 h后，抽去表面清液，緩緩倒入泥漿試樣，輕輕晃動培養(yǎng)皿使試樣平整。配置為過飽和泥漿狀態(tài)的原因在于土體含水率梯度是裂隙產生的關鍵因素[36]，過飽和泥漿試樣使水分充分均勻地分布于土壤顆粒之間，減小試驗影響因素。

試驗共設計40個土樣（4層土×10組高徑比），其中前3組1、2、3高徑比相同，均為0.067，后7組4、5、6、7、8、9、10高徑比不同，分別為：0.080、0.107、0.134、0.147、0.160、0.183、0.234，土樣具體直徑、高度設置值見表2。土樣直徑的控制方法：直接采用內直徑為6、10、12、15 cm的培養(yǎng)皿；土樣高度的控制方法：在試驗前，采用鋼尺隨機測量培養(yǎng)皿3個角度的底部高度，取其平均值0.25 cm為培養(yǎng)皿底高，采用鋼尺測量培養(yǎng)皿高度0.65、1.05、1.25、1.65、1.85、2.45 cm處做標記，此處即為土樣厚度0.4、0.8、1.0、1.4、1.6、2.2 cm。

配置好的試樣，表土層、紅土層、過渡層、砂土層的干密度分別為1.38、1.35、1.39、1.41 g/cm3。對于同一土層，10個試樣（10組高徑比）均為同一批進行飽和的土樣，干密度保持一致。

脫濕采用同一風速的低風速風扇置于試樣同一側加速水分蒸發(fā)[19]，并保證每個試樣間距為10 cm，保證其不受其他風扇的影響。在脫濕前與脫濕結束時使用相機記錄土體形態(tài)變化，拍照裝置如圖1所示。上方相機用于記錄裂隙發(fā)育及徑向收縮，側方相機用于記錄軸向收縮。

1.3 數(shù)據(jù)處理

具體處理如圖2所示，使用Photoshop對圖片進行裁剪、修正光源分布不均等問題；使用ImageJ-Fiji對圖片進行灰度轉換、二值化、去噪、骨架化等處理，提取裂隙參數(shù)與收縮參數(shù)。在脫濕后使用鋼尺隨機對試樣的3個不同角度進行高度測量，取其平均值為脫濕后的土樣高度，用于計算脫濕前后土樣高度的收縮量，計算結果與數(shù)字圖像處理的軸向收縮量結果進行對比修正。

表2 土體的高徑比K設置

注：代表直徑，cm；代表高度，cm。

Note:represents the diameter, cm;represents the height, cm.

圖1 拍照裝置示意圖

裂隙參數(shù)包括：收縮開裂裂隙度δ，收縮開裂面積（包括徑向收縮面積和開裂面積）與土樣初始表面積的比值[21]；長徑比，裂隙長度與土樣初始直徑的比值；寬徑比，裂隙平均寬度與土樣初始直徑的比值（由于試樣初始表面積不一致，因此對裂隙總長度、平均寬度進行對比分析時，不存在相對性，此處采用長徑比、寬徑比進行對比分析）；裂隙總條數(shù)，2個交點之間為1條裂隙；裂隙交點個數(shù)，2條裂隙相交的交點；被分割的土塊個數(shù)，被裂隙分割的閉合土塊。

收縮參數(shù)包括：徑向收縮率，脫濕后土塊直徑的縮小值（即土樣干縮后與容器側壁間的間隙）與初始直徑的比值；軸向收縮率，脫濕后土塊高度的縮小值與初始高度的比值。具體表達式為：

式中δ為收縮開裂裂隙度，%；S為收縮開裂面積，cm2；S為徑向收縮面積，cm2；S為開裂面積，cm2；土樣初始表面積，cm2；為長徑比；為裂隙總長度，cm；為土樣初始直徑，cm；為寬徑比；W為裂隙平均寬度，cm；δ為徑向收縮率，%；D為收縮后的土樣直徑，cm；δ為軸向收縮率，%；為初始土樣高度，cm；H為收縮后的土樣高度，cm。

2 結果與分析

2.1 同一高徑比條件下土體的收縮開裂

圖3為控制高徑比條件相同的情況下，脫濕結束時4層土的收縮開裂終止圖。采用ImageJ-Fiji對各收縮開裂

終止圖進行處理，提取各裂隙參數(shù)見表3。

表3 同一高徑比下脫濕結束時土體的裂隙參數(shù)統(tǒng)計

注：δ代表收縮開裂裂隙度，%；代表長徑比；代表寬徑比；代表裂隙總條數(shù)；代表裂隙交點個數(shù)；代表被分割的土塊個數(shù)。

Note: δrepresents the degree of shrinkage cracking, %;represents the length-diameter ratio;represents the width-diameter ratio;represents the number of crack strips;represents the number of crack intersection;represents the number of soil lumps.

由圖3可以看出，4層土的3個土樣的裂隙發(fā)育明顯，幾乎無核心收縮，且裂隙形態(tài)纖細，分布交錯密集。同一尺寸條件下（直徑、高度值一樣），由表土層至過渡層，裂隙形態(tài)逐漸復雜，裂隙交點個數(shù)、被分割的土塊數(shù)量逐漸增多，單個土塊面積減小。砂土層的裂隙發(fā)育不明顯，裂隙條數(shù)、交點個數(shù)小于其他3個土層。過渡層與砂土層在崩崗土體垂直剖面上屬于相鄰土層，兩者裂隙性的較大差異會嚴重破壞土體的穩(wěn)定性。

通過對各裂隙參數(shù)進行對比分析（表3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，每層土的1、2、3，裂隙參數(shù)均波動不大。以表土層為例，其土樣1、2、3的收縮開裂裂隙度分別為：10.98%、11.97%、12.48%，變異系數(shù)為5.27%；裂隙長徑比：11.42、11.87、12.22，變異系數(shù)為2.77%；裂隙寬徑比：0.007、0.007、0.008，變異系數(shù)為6.43%；其他參數(shù)也如此。表明同一高徑比下，崩崗土體的裂隙發(fā)育具有相似性。由公式（2）、（3）計算可知1至3，表土層裂隙總長度分別為68.55、142.45、183.30 cm，裂隙平均寬度分別為0.045、0.095、0.120 cm。結合圖3，表明同一高徑比條件下，土體直徑越大，裂隙總長度、裂隙平均寬度逐漸增加。

圖4 同一高徑比下4層土的收縮參數(shù)

對脫濕結束后同一高徑比下3個土樣的徑向收縮率與軸向收縮率進行分析（圖4）。同一高徑比條件下，各土層的徑向收縮率波動幅度較小，結合圖3，各層土3個土樣的徑向收縮現(xiàn)象不顯著，徑向收縮率幾乎全分布在0.5%～1.5%之間。軸向收縮率由1至3緩慢增大，可能是因為1～3的土樣高度分別為0.4、0.8、1.0 cm，隨著高度的增加土體在垂直剖面上受到的重力越大，軸向收縮變形越劇烈。軸向收縮中4層土關系式為：紅土層＞過渡層＞表土層＞砂土層。

2.2 不同高徑比條件下土體的干縮開裂

通過相機定點拍照記錄脫濕結束時4層土的收縮開裂情況（圖5）。隨著高徑比的增加，土體形態(tài)變化可分為4個階段：①裂隙形態(tài)纖細、密集交錯，網狀分布，無主裂隙，輕微徑向收縮（表土層3、4）；②裂隙形態(tài)簡單，裂隙條數(shù)顯著減少，寬度增加，無明顯主裂隙，徑向收縮增加（表土層5）；③裂隙形態(tài)逐漸單一，裂隙條數(shù)減少，寬度增加，線狀分布，具有明顯主裂隙，徑向收縮增加（表土層6、7）；④無裂隙發(fā)育，徑向收縮顯著（表土層8、9、10）。表明土體的徑向收縮與裂隙發(fā)育之間相互影響，隨著高徑比的增加，土體整體呈現(xiàn)裂隙發(fā)育減弱、徑向收縮增強的趨勢。

可以將脫濕結束后土體分為2種狀態(tài)：①收縮開裂土樣：裂隙發(fā)育，伴隨著徑向收縮；②徑向收縮土樣：無裂隙發(fā)育，僅徑向收縮。4層土由收縮開裂土樣過渡至徑向收縮土樣的高徑比具體臨界值范圍分別為：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147，砂土層＜表土層＜紅土層～過渡層，與土壤中的黏粒含量呈現(xiàn)相同的大小關系。

對3～10的臨界含水率進行統(tǒng)計（表4）。臨界含水率包括：開縮含水率（w），土體開始產生徑向收縮時的含水率；開裂含水率（w），土體開始產生裂隙時的含水率。由7～10，各土層中均有些土樣呈現(xiàn)僅徑向收縮現(xiàn)象，無裂隙發(fā)育，因此沒有開裂含水率。

可以看出，4層土中過渡層的臨界含水率值最大，砂土層最小。是由于土體顆粒之間的不均勻分布影響水分蒸發(fā)，促使含水率梯度的形成，產生拉張應力，開始徑向收縮，當拉張應力大于抗拉強度時，裂隙產生。而黏粒之間孔隙小且膠結作用強，會抑制水分蒸發(fā)，促使土體更早形成含水率梯度，過渡層黏粒含量最大，因此過渡層最早產生徑向收縮與裂隙。隨著高徑比的增加，4層土的開縮含水率有增大的趨勢，開裂含水率有減小的趨勢。以表土層為例，由3～10開縮含水率分別為23.95%、26.37%、28.43%、29.12%、29.87%、28.23%、30.58%、31.48%；開裂含水率分別為：23.57%、23.01%、24.96%、24.56%、23.07%（8～10僅產生徑向收縮現(xiàn)象，無開裂含水率）。原因在于土體高徑比越大，脫濕過程中產生的上下含水率梯度越大，上部土體越容易產生拉張應力，同時下部土體對上部土體收縮產生的約束作用也促進上部土體拉張應力的增大，使上部土體有更早開始收縮的趨勢。高徑比的增加，不僅可以促進拉張應力的增加，同時也會增大土體的抗拉強度[33]，因為對崩崗土體抗拉強度的增大作用強于拉張應力，使土體開裂受到的阻力越大，致使開裂含水率呈現(xiàn)減小的趨勢。

表4 不同高徑比下4層土的臨界含水率

注：w代表收縮含水率，%；w代表開裂含水率。

Note: wrepresents shrinkage water content, %;wrepresents crack water content, %.

隨著高徑比的增加，各土樣的開縮含水率與開裂含水率之間的差值逐漸增大。以過渡層為例，土樣3的開縮含水率與開裂含水率分別為：31.09%、29.85%，8分別為：35.95%、26.33%，兩個臨界含水率的差值由1.14個百分點增大至9.62個百分點。土體開始產生徑向收縮的條件為土體產生拉張應力，土體開始產生裂隙的條件為土體產生的拉張應力超過抗拉強度；抗拉強度越大，土體越難開裂，開裂含水率越小，開裂含水率與開縮含水率之間的差值越大；因此開縮含水率與開裂含水率的差值可以表示脫濕過程中土體產生抗拉強度的大小。當高徑比較小時，開縮含水率與開裂含水率之間的差值越小，抗拉強度越小，脫濕過程中拉張應力更容易超過抗拉強度，也就意味著越早產生裂隙。

對各土層土樣3～10的裂隙參數(shù)進行提取繪制變化曲線圖（圖6）。隨著高徑比的增加，收縮開裂裂隙度整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。表土層、紅土層、過渡層在高徑比= 0.147 (7) 時收縮開裂裂隙度達到峰值17.79%、21.85%、22.44%，砂土層在= 0.234 (10) 時達到峰值5.90%。由于此峰值并不是特別明顯且受土樣數(shù)量的限制，還需進一步試驗進行驗證。

對于徑向收縮土樣，表土層的8、9、10收縮開裂裂隙度分別為：16.50%、16.65%、16.41%；紅土層9、10分別為19.11%、18.05%，過渡層9、10分別為20.95%、15.53%，砂土層7、8、9、10分別為4.63%、3.12%、5.37%、5.90%。除過渡層外，其他3個土層收縮開裂裂隙度受高徑比的影響不大。

圖6 4層土的裂隙參數(shù)隨高徑比變化

4層土的長徑比隨著高徑比增加整體呈現(xiàn)下降的趨勢。當高徑比= 0.067～0.107（3～5），下降趨勢最顯著；高徑比= 0.107～0.183（5～9），呈波動式下降，但下降幅度明顯減??；高徑比= 0.183～0.234（9～10），處于穩(wěn)定狀態(tài)，結合圖5，土樣9～10為僅產生徑向 收縮的土樣，所以高徑比對徑向收縮土樣的長徑比影響不大。

4層土的寬徑比隨著高徑比的增加整體呈現(xiàn)上升的趨勢。紅土層、過渡層高徑比= 0.067～0.16（3～8），呈波動式上升，上升幅度較?。桓邚奖? 0.16～0.234 （8～10），寬徑比波動較大，先呈快速增大后快速減小，在高徑比= 0.183（9）處達到最大值。表土層從高徑比= 0.147（7）處開始快速增大后快速減小，在高徑比=0.16（8）處達到最大值。結合圖5，紅土層8～10、過渡層土樣8～10、表土層7～10為由收縮開裂土樣過渡至徑向收縮的土樣，所以干縮開裂土樣的寬徑比隨高徑比的增加呈緩慢增加的趨勢，徑向收縮土樣的寬徑比受高徑比的影響較大，表土層在高徑比=0.16時達到最大值，紅土層、過渡層在高徑比=0.183時達到最大值。砂土層的寬徑比波動幅度較小。

4層土的裂隙條數(shù)、裂隙交點個數(shù)、被分割的土塊個數(shù)隨著高徑比增加整體呈現(xiàn)下降的趨勢。當高徑比= 0.067～0.107（3～5），下降趨勢最顯著；高徑比=0.107～0.147（5～7），呈緩慢下降趨勢，變化幅度明顯減小；= 0.147～0.234（7～10）時，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對各土層土樣3～10的徑向收縮面積與開裂面積進行細化分析（圖7）。因為土樣的表面積不一致，因此不同土樣的徑向收縮面積、開裂面積不存在相對性，無法進行比較。此處采用開裂面積占比、徑向收縮面積占比進行對比分析。開裂面積占比為開裂面積與土樣初始表面積的比值，徑向收縮面積占比為徑向收縮面積與土樣初始表面積的比值。開裂面積占比與徑向收縮面積占比之和為收縮開裂裂隙度。公式如下：

式中δ為開裂面積占比，%；δ為徑向收縮面積占比，%。

圖7 4層土的收縮、開裂面積占比隨高徑比變化

隨著高徑比的增加，開裂面積占比逐漸減少，徑向收縮面積占比逐漸增加，至土樣形態(tài)變化為僅徑向收縮時，開裂面積占比為0。當高徑比=0.067時，表土層的開裂面積占比、徑向收縮面積占比分別為：6.31%、6.18%，紅土層分別為：10.92%、2.05%，過渡層分別為：12.51%、2.66%，砂土層分別為：0.99%、2.06%，開裂面積占比：過渡層＞紅土層＞表土層＞砂土層。當高徑比=0.183時，4層土的徑向收縮面積占比分別為：16.65%、19.11%、20.95%、5.37%，過渡層＞紅土層＞表土層＞砂土層，過渡層徑向收縮現(xiàn)象最顯著。

隨高徑比的增加，徑向收縮率而呈波動式上升趨勢（圖8）。以表土層為例，3～10的徑向收縮率分別為：1.27%、2.50%、4.13%、7.42%、6.20%、8.50%、8.92%、7.50%，因為高徑比的增加使拉張應力增大，從而促使徑向收縮率增大，但由于設置的高徑比之間差值不大，且試驗過程中會受到其他外部環(huán)境因素的影響，致使其變化存在波動性；3～10的軸向收縮率分別為：22.00%、20.00%、19.50%、18.76%、18.95%、16.45%、20.45%、15.49%，軸向收縮率隨高徑比的增加，整體呈現(xiàn)波動式下降的趨勢。各裂隙、收縮參數(shù)隨高徑比的變化存在波動性，原因在于試驗設置各組高徑比之間的差值較小，使得各組之間裂隙、收縮參數(shù)變化量不大，同時試驗過程中會受到環(huán)境等客觀因素的影響，使數(shù)據(jù)存在波動性。波動的原因是否存在厚度與表面積的耦合效應，還需進一步對厚度和表面積兩個因素進行單獨試驗進行對比分析。

圖8 4層土的徑向、軸向收縮率隨高徑比變化

3 結 論

1）崩崗4層土中，過渡層與砂土層在崩崗垂直剖面上屬于相鄰的下部土層，而兩者收縮開裂性能的較大差異會破壞土體的承載力與穩(wěn)定性，加速崩塌的發(fā)生。

2）當土體的高徑比相同時，其水平面上裂隙發(fā)育、徑向收縮具有相似性。當高徑比不同時，隨高徑比的增加，裂隙發(fā)育減弱，徑向收縮增強。當高徑比到達某一臨界值時，土體呈現(xiàn)無裂隙發(fā)育，僅核心收縮現(xiàn)象。在崩崗4層土中，紅土層、過渡層臨界值較大，砂土層最小。

3）對于干縮開裂土樣，隨高徑比的增加，收縮開裂裂隙度、寬徑比、徑向收縮率呈現(xiàn)整體增加的趨勢，其余參數(shù)均呈現(xiàn)整體減小的趨勢。對于徑向收縮土樣，寬徑比受高徑比的影響較大，其余參數(shù)波動幅度不大，由于本試驗的徑向收縮土樣較少，因此具體影響仍需進一步試驗進行研究分析。

4）高徑比增加對土體抗拉強度的增大作用大于拉張應力，致使開縮含水率隨高徑比的增加逐漸減小，開裂含水率逐漸增大。在崩崗4層土中，受到黏粒含量的影響，過渡層的2個臨界含水率值最大，砂土層最小。

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Shrinkage and cracking characteristics of Benggang soil under the condition of controlling height-diameter ratio

Wang Jiani, Zhang Xiaoming※, Ding Shuwen, Wang Qian, Nie Daoxiang

(430070,)

Shrinkage and cracking of Benggang soil often occur and vary significantly in different soil layers during water evaporation. That is because there are the hydrophilic clay minerals (kaolinite and hydromica) in the special soil with stratification after natural geological evolution. This study aims to clarify the influence of height-diameter ratios on soil shrinkage and cracking characteristics. The Benggang soil was selected in the Wuli Town, Tongcheng County, Hubei Province of China. 10 groups of height-diameter ratio were then designed for the experiment. The soil samples were configured as supersaturated mud, where the water evaporation was accelerated using low-speed wind fans. The soil morphologies before and after dehumidification were characterized at a fixed position. Digital image processing was also utilized to carry out a quantitative analysis. Therefore, the shrinkage and cracking mechanism of Benggang soil were addressed under the condition of controlling the height-diameter ratio. The results are listed as follows. 1) There was the strongest radial shrinkage and cracks development in the transition layer, whereas, the weakest in the sandy layer among the four layers of Benggang soil. The transition and sandy layers were then defined as the lower soil adjacent to the soil layer in the vertical section. The less difference between the two soil layers was contributed to the stability and bearing capacity of Benggang soil, thereby relieving the collapse of the Benggang wall. 2) The samples with a smaller height-diameter ratio developed significant cracks, but the radial shrinkage was not outstanding. By contrast, there was no crack in the samples with a larger height-diameter ratio, but the radial shrinkage was significant. Among them, the specific critical values of the height-diameter ratio for the four soil layers during the transition from the drying cracking to radial shrinkage state were achieved, 0.147-0.160, 0.160-0.183, 0.160-0.183, and 0.134-0.147, respectively. 3) The crack parameters and radial shrinkage ratio were similar, but the axial shrinkage ratio increased as the thickness of the soil layer increased, particularly when the height-diameter ratio was the same, even though the height and diameter were different. More importantly, the crack morphology developed more complex from the topsoil to the transition layer, but the sandy layer remained unchanged. 4) The shrinkage water content gradually increased with the increase of height-diameter ratio, whereas, the crack water content gradually decreased. The difference between them was then represented by the tensile strength of soil during the dehumidification. Correspondingly, the degree of shrinkage and cracking, the width-diameter ratio, and the radial shrinkage ratio increased with the increase of the height-diameter ratio, whereas the rest parameters showed a decreasing trend. Therefore, there was the most significant influence of height-diameter ratio on the shrinkage and cracking characteristics in the transition layer, whereas, the least influence was found in the sandy layer. The finding can also provide strong theoretical support to reveal the collapse mechanism of Benggang soil for higher stability in construction projects.

crack; shrinkage; quantitative analysis; Benggang; height-diameter ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016

TU443

A

1002-6819(2021)-21-0134-09

王佳妮，張曉明，丁樹文，等. 控制高徑比條件下崩崗土體的收縮開裂特性[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(21)：134-142.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016 http://www.tcsae.org

Wang Jiani, Zhang Xiaoming, Ding Shuwen, et al. Shrinkage and cracking characteristics of Benggang soil under the condition of controlling height-diameter ratio[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 134-142. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016 http://www.tcsae.org

2021-06-08

2021-08-12

國家自然科學基金（41771307；41201271）；國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFC0505302）；長江科學院開放研究基金資助項目（CKWV2017522/KY）；2020年湖北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（S202010504045）

王佳妮，研究方向為崩崗土體的穩(wěn)定性。Email：798603101@qq.com

張曉明，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為崩崗崩塌及土壤侵蝕過程。Email: zxm_huanong@mail.hzau.edu.cn