龍鄖鎧 張家明 陳 茂

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引 言

紅黏土是碳酸鹽巖風(fēng)化殘坡積在熱帶、亞熱帶溫濕氣候條件下，經(jīng)過紅土化地質(zhì)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(qū)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(dá)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(lǐng)域存在很多工程隱患[4-9]．紅黏土干縮開裂，增大蒸發(fā)面積，加快深度土體的水分蒸發(fā)，干縮裂隙的寬度和深度不斷擴(kuò)展，劣化了土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低[10]．在強(qiáng)降雨期間，干縮裂隙作為水分運(yùn)移的快速通道，產(chǎn)生優(yōu)先流[11]，加快水分滲入土體內(nèi)部，導(dǎo)致土體強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性急劇下降，誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[12-16]．

受全球氣候變暖的影響，未來極端干旱和高強(qiáng)度降雨事件的發(fā)生頻率越來越高，影響范圍越來越廣[17]．據(jù)此推測(cè)，紅黏土干縮開裂及其誘發(fā)的工程問題可能會(huì)越發(fā)嚴(yán)重．文中從干縮變形、干縮裂隙和干縮進(jìn)程的微觀結(jié)構(gòu)變化等方面對(duì)中國(guó)南方碳酸鹽巖上覆紅黏土干縮性和裂隙性的研究成果進(jìn)行總結(jié)，討論研究方法和內(nèi)容，并指明今后的研究方向，旨在全面認(rèn)識(shí)中國(guó)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(yàn)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(shí)度、溫度和干濕循環(huán)作用對(duì)干縮性能的影響．干縮性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：收縮量、軸向收縮率、徑向收縮率、環(huán)向收縮率、體縮率、相對(duì)收縮率、收縮系數(shù)．

由表1可知：干縮變形特性研究主要集中于干濕循環(huán)對(duì)紅黏土脹縮性能的影響．由于計(jì)算收縮量或收縮率所選取的基準(zhǔn)不同，導(dǎo)致部分研究成果表述存在相互矛盾的現(xiàn)象．文中認(rèn)為在分析干濕循環(huán)對(duì)紅黏土干縮變形特性的影響時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行干濕循環(huán)處理，再進(jìn)行脹縮試驗(yàn)，以干濕循環(huán)前的初始狀態(tài)為基準(zhǔn)來計(jì)算干縮性能評(píng)價(jià)指標(biāo)更為恰當(dāng)．因此，在這些指標(biāo)的計(jì)算公式為

表1 干縮變形試驗(yàn)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(huán)向收縮率、體縮率、相對(duì)收縮率、收縮系數(shù)；h0、d0、C0、V0依次為干濕循環(huán)前試樣的初始高度、直徑、周長(zhǎng)、體積；h、d、C、V為試樣的實(shí)時(shí)高度、直徑、周長(zhǎng)、體積；hi-2、hi-1、hi為干縮過程中第i-2、i-1、i時(shí)刻試樣的高度；Δδ、Δw分別為收縮曲線上兩點(diǎn)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(guān)曲線．

圖1 紅黏土干縮變形的相關(guān)曲線

由圖1可知：收縮量、最終軸向收縮率、最終環(huán)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(shí)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(shí)程曲線可劃分為3個(gè)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(duì)收縮率隨時(shí)間逐漸降低；收縮曲線分為3個(gè)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(shù)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(huán)路徑影響干縮過程[24]；干濕循環(huán)次數(shù)增加，收縮率[25]和最終體縮率增加[26]；整體軸向收縮系數(shù)隨初始含水率的增加而先增后減，拐點(diǎn)含水率為最優(yōu)含水率；干濕循環(huán)產(chǎn)生的干縮變形是不可逆的；環(huán)向收縮率小于軸向收縮率[27]，干縮變形表現(xiàn)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(nèi)試驗(yàn)分析了干濕循環(huán)對(duì)土樣表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，但是試樣和干縮循環(huán)的方法不盡相同,見表2．干濕循環(huán)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(dá)105 ℃．

表2 室內(nèi)干縮裂隙試驗(yàn)的基本信息

由表2可知：干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙的條數(shù)、深度、最大寬度和長(zhǎng)度、塊區(qū)數(shù)、裂隙率、分形維數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)增大，而裂隙平均長(zhǎng)度和塊區(qū)平均面積減小，但變化幅度逐漸減弱[28]，干濕循環(huán)對(duì)土體干縮開裂的影響具有平衡狀態(tài)特征；裂隙是路基土體失水與吸水的優(yōu)先通道[29]；再次脫濕時(shí)，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(xiàn)[12]假設(shè)紅黏土是均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，提出了土體開裂深度的計(jì)算公式．結(jié)果表明開裂深度h與地表基質(zhì)吸力u1和吸力梯度k有關(guān)，u1增大，h增大，k增大，h減小．

3 干縮進(jìn)程的微觀結(jié)構(gòu)及討論

在紅黏土干縮進(jìn)程中微觀結(jié)構(gòu)變化方面，以廣西貴港原狀紅黏土為對(duì)象，利用冷干法備樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)(mercury intrusion porosimetry，MIP)，分析在室溫下緩慢脫濕過程中土體孔隙變化規(guī)律[31-33]．談云志等[34]采用MIP測(cè)試了湖南長(zhǎng)韶婁壓實(shí)紅黏土自然風(fēng)干過程中孔隙變化．文獻(xiàn)[26]運(yùn)用MIP研究了干濕循環(huán)對(duì)貴州凱羊高速公路壓實(shí)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(huán)對(duì)云南壓實(shí)紅黏土微觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)象[36]．干縮裂隙擴(kuò)展是土體體積收縮變形的一種表現(xiàn)形式[37]．土體干縮變形和干縮裂隙屬于宏觀表現(xiàn)，本質(zhì)上歸因于土體微觀結(jié)構(gòu)的變化[38]．

3.1 研究方法

3.1.1室內(nèi)試驗(yàn)的試樣制備

紅黏土干縮裂隙室內(nèi)試驗(yàn)的試樣以壓實(shí)樣為主，包括重型擊實(shí)和靜力壓實(shí)，僅文獻(xiàn)[33]以原狀紅黏土為試驗(yàn)對(duì)象．針對(duì)壓實(shí)樣的研究對(duì)水庫(kù)大壩、防洪堤岸、路堤、填方邊坡、防滲襯砌工程有重要指導(dǎo)意義，但與實(shí)際工程又有所區(qū)別．這是因?yàn)橥临|(zhì)學(xué)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(shí)樣剔除了粒徑大于2 mm的顆粒，甚至更小的顆粒．文獻(xiàn)[35]認(rèn)為以重塑土為對(duì)象的試驗(yàn)結(jié)果與原狀土的實(shí)際情況可能存在差異．孫德安等[41]認(rèn)為壓實(shí)或擊實(shí)樣無法真正模擬原狀樣的真實(shí)狀態(tài)，比如內(nèi)部孔隙分布和裂隙的發(fā)展．泥漿樣制備方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均質(zhì)、重復(fù)性好，被多數(shù)學(xué)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(jī)理[42-44]．從基礎(chǔ)研究和工程實(shí)踐考慮，未來應(yīng)加強(qiáng)基于泥漿樣、壓實(shí)樣和原狀樣的紅黏土干縮裂隙室內(nèi)試驗(yàn)研究．

3.1.2室內(nèi)試驗(yàn)方法

在研究干濕循環(huán)對(duì)干縮變形影響時(shí)，干濕處理方法、干縮循環(huán)路徑和循環(huán)次數(shù)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(fēng)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(yàn)結(jié)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(huán)境[45]．此外，有些研究的干濕循環(huán)處理與干縮試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，而另一些是分開進(jìn)行．在干縮性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法方面，不同研究選取的基準(zhǔn)也不統(tǒng)一．

紅黏土干縮裂隙室內(nèi)試驗(yàn)至今仍沒有標(biāo)準(zhǔn)儀器，無統(tǒng)一試驗(yàn)方法．試樣有圓柱體、長(zhǎng)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(fēng)機(jī)加熱、烘箱烘干．干濕循環(huán)次數(shù)不等，以“先濕后干”為主．試驗(yàn)結(jié)果可對(duì)比性差，在一定程度上制約著該領(lǐng)域的進(jìn)展，應(yīng)盡快制定可操作性強(qiáng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)．

3.1.3裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)提取

在紅黏土干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方面，目前主要采用照相機(jī)獲得土樣表面裂隙圖片，然后運(yùn)用圖像處理方法獲取裂隙的幾何參數(shù)，裂隙深度仍采用傳統(tǒng)手工測(cè)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(qiáng)，被廣大科研人員采用．為此，南京大學(xué)開發(fā)了一套適用于該方法的專門裂隙圖像處理系統(tǒng)PCAS供廣大科研工作者免費(fèi)使用[46]．

隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，可視化和定量化干縮裂隙的三維幾何形態(tài)已經(jīng)成為可能，還可以測(cè)量試樣的體縮率．在室內(nèi)，可采用瑞典ROMER RA-7520-2六軸關(guān)節(jié)臂三維測(cè)量?jī)x進(jìn)行掃描，KSCAN復(fù)合式三維掃描儀和MetraSCAN3D可適用于室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，后者掃描速度更快．針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shù)對(duì)土體內(nèi)部隱藏的裂隙則無能為力．計(jì)算機(jī)斷層成像(computed tomography，CT)技術(shù)能夠可視化、量化土樣表面和內(nèi)部裂隙，但是該技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作人員有更高要求，而且只適用于室內(nèi)試驗(yàn)．高密度電阻率成像(electrical resistivity tomography，ERT)技術(shù)已成功應(yīng)用于普通黏性土干縮裂隙的室內(nèi)外試驗(yàn)，電阻率模型能夠很好地模擬裂隙的幾何形態(tài)，可監(jiān)測(cè)裂隙的發(fā)展動(dòng)態(tài)．分布式光纖傳感技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)普通黏性土的干縮變形過程[47]．?dāng)?shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation，DIC)技術(shù)能夠無損獲取黏性土表面干縮變形位移和應(yīng)變的時(shí)空演變規(guī)律．但是這些先進(jìn)技術(shù)至今還沒有用于紅黏土干縮裂隙研究．

3.1.4室內(nèi)試驗(yàn)的邊界效應(yīng)

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(yīng)是明顯的，影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性．此外，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M的環(huán)境與自然環(huán)境存在差異：自然環(huán)境只有一個(gè)蒸發(fā)面，即地表面，而有些室內(nèi)試驗(yàn)，土樣的頂面、底面同時(shí)暴露烘箱中，有兩個(gè)蒸發(fā)面；自然環(huán)境中只有地表面(土體表面)有熱源(太陽(yáng)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(shí)際情況存在差異，但是溫度對(duì)裂隙的形成和發(fā)展影響明顯，見圖3．

圖3 自然環(huán)境與室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境的土體龜裂

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

3.1.5土體微觀結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

土體微觀結(jié)構(gòu)常用觀測(cè)方法有偏光顯微鏡、SEM、環(huán)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(jìn)程中微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律．CT技術(shù)是一種無損觀測(cè)方法，不僅可以對(duì)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還可以根據(jù)CT數(shù)計(jì)算土樣密度[49]．隨著CT技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用普及，CT是未來土體微觀結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的重要手段．

3.1.6干縮裂隙綜合試驗(yàn)

紅黏土龜裂是不協(xié)調(diào)干縮變形的結(jié)果，本質(zhì)上是隨著水分蒸發(fā)，土體微觀結(jié)構(gòu)的改變．因此，紅黏土干縮裂隙是一個(gè)系統(tǒng)科學(xué)問題，應(yīng)開展綜合試驗(yàn)同時(shí)研究本文述及的3個(gè)方面．但到目前為止，紅黏土干縮裂隙綜合試驗(yàn)的研究并不多見，僅文獻(xiàn)[22]聯(lián)合了干縮變形試驗(yàn)與干縮裂隙試驗(yàn)，文獻(xiàn)[34]結(jié)合了干縮變形試驗(yàn)和MIP試驗(yàn)．

在未來，整合室內(nèi)干縮裂隙試驗(yàn)與CT技術(shù)，能夠可視化、定量化試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)的三維幾何形態(tài)，計(jì)算試樣的體縮率，觀測(cè)土體微觀結(jié)構(gòu)變化．聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)原位干縮裂隙試驗(yàn)、三維激光掃描技術(shù)與高密度電阻率成像技術(shù)，同樣可以達(dá)到室內(nèi)綜合試驗(yàn)的目的．

3.2 研究?jī)?nèi)容

對(duì)普通黏性土和膨脹土的干縮裂隙性已經(jīng)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(zhì)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(gè)方面進(jìn)一步開展紅黏土干縮裂隙性研究仍然具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)際意義．

紅黏土干縮變形、干縮裂隙、微觀結(jié)構(gòu)變化3者耦合的干縮裂隙宏微觀綜合研究．內(nèi)容包括：開展室內(nèi)干縮裂隙試驗(yàn)的邊界效應(yīng)研究，確定合理的室內(nèi)試驗(yàn)尺度，形成操作性強(qiáng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；基于泥漿樣、壓實(shí)樣和原狀樣，研究溫度、濕度、干濕循環(huán)次數(shù)、土層厚度、粒度組成、礦物成分、土體結(jié)構(gòu)和崩解性等對(duì)紅黏土干縮裂隙的形成和演化、三維幾何形態(tài)的影響；紅黏土不協(xié)調(diào)干縮變形與膠結(jié)狀態(tài)的關(guān)系；干縮進(jìn)程中紅黏土孔隙大小、形狀、分布及顆粒接觸狀態(tài)的變化規(guī)律；天然干縮裂隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果的異同；體縮率、干縮裂隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系．

紅黏土蒸發(fā)特性與干縮裂隙性的耦合研究．土中水分蒸發(fā)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(chǎn)物．但是目前紅黏土干縮裂隙研究很少考慮蒸發(fā)特性，只有綜合考慮紅黏土的蒸發(fā)特性，才能充分揭示紅黏土干縮裂隙的形成機(jī)理．應(yīng)系統(tǒng)研究紅黏土的干燥曲線、蒸發(fā)曲線與干縮變形性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、干縮裂隙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系．

紅黏土與普通黏性土、膨脹土的干縮裂隙性對(duì)比研究．在干縮變形，干縮裂隙的形成、演化和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)方面的差異；在干縮變形機(jī)理和龜裂機(jī)理方面的差異．

紅黏土干縮裂隙的形成理論研究和數(shù)值模擬．運(yùn)用水土相互作用原理和基本土力學(xué)理論研究紅黏土的干縮裂隙機(jī)理，采用離散元模擬裂隙的形成和演化，預(yù)測(cè)紅黏土干縮裂隙的形成演化過程．

4 結(jié) 論

1) 現(xiàn)有研究主要分析了初始含水率、初始干密度、壓實(shí)度、溫度和干濕循環(huán)對(duì)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(shí)度越小，收縮性越強(qiáng)；溫度越高，收縮越快，收縮率越大；收縮曲線、收縮時(shí)程曲線均分為3個(gè)階段，收縮變形主要發(fā)生在第1階段；干濕循環(huán)產(chǎn)生的干縮變形是不可逆的，干濕循環(huán)路徑不同，干縮變形過程不同；收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增加，增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定值；干縮變形表現(xiàn)出各向異性．

2) 主要探討了干濕循環(huán)對(duì)紅黏土表面裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響：干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙更加發(fā)育，裂隙網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜；干濕循環(huán)對(duì)土體開裂的影響具有平衡狀態(tài)特征．

3) 主要采用MIP研究了紅黏土干縮進(jìn)程中孔徑及孔徑分布的變化規(guī)律．

4) 目前紅黏土干縮裂隙的研究方法主要是基于壓實(shí)樣的室內(nèi)試驗(yàn)，針對(duì)原狀樣和泥漿樣的試驗(yàn)研究和理論研究很少，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬未見報(bào)道．

5) 室內(nèi)干縮裂隙試驗(yàn)存在明顯的邊界效應(yīng)，試驗(yàn)?zāi)＞邞?yīng)采用隔熱材料制作，未來應(yīng)開展大尺度的室內(nèi)模型試驗(yàn)，形成操作性強(qiáng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)．

6) 紅黏土干縮裂隙幾何形態(tài)研究主要集中在二維表面上，三維激光掃描技術(shù)、CT技術(shù)、ERT技術(shù)、分布式光纖傳感技術(shù)和DIC技術(shù)還未見應(yīng)用，CT是未來土體微觀結(jié)構(gòu)研究的重要手段．

7) 整合室內(nèi)干縮裂隙試驗(yàn)與CT技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)干縮裂隙試驗(yàn)、三維激光掃描技術(shù)與高密度電阻率成像技術(shù)，開展室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)綜合試驗(yàn)研究．

8) 今后的研究方向：紅黏土干縮變形、干縮裂隙、微觀結(jié)構(gòu)變化三者耦合的干縮裂隙宏微觀綜合研究；紅黏土蒸發(fā)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(duì)比研究；紅黏土干縮裂隙的形成理論研究和數(shù)值模擬．