祝艷波 劉耀文 鄭慧濤 趙 丹 丁綺萱 蘭恒星②

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054，中國(guó))

(②中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101，中國(guó))

0 引 言

在我國(guó)西北地區(qū)，黃土下廣泛分布新近系三趾馬紅土(曲永新等，1999)，其黏粒含量高(彭淑貞等，2007)，在失水干燥條件下易發(fā)生干縮開裂，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響(肖榮久等，1992)。因此研究三趾馬紅土失水干縮開裂行為具有意義，但目前針對(duì)此類土的干縮開裂行為研究成果不多。

近年來，眾多學(xué)者針對(duì)壓實(shí)黏性土干燥裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過程開展了豐富研究(Yesiller et al.，2000；Albrecht et al.，2001；Nahlawi et al.，2006；黎偉等，2014；Tang et al.，2020)，揭示了其干縮裂紋的演化過程。結(jié)果表明壓實(shí)試樣裂隙演化可分為形成、發(fā)展和穩(wěn)定3階段(Bordoloi et al.，2020)。同時(shí)壓實(shí)黏土干縮裂紋的裂隙率及擴(kuò)展速率受試樣初始條件影響顯著，如含水率、干密度、環(huán)境溫度、干濕循環(huán)等因素(Albrecht et al.，2001；許錫昌等，2015；冷挺等，2016；劉觀仕等，2019；劉磊等，2020；常留成等，2021)。其中當(dāng)壓實(shí)試樣干密度越大時(shí)，土體內(nèi)部水分向表面的遷移速率越慢，試樣裂隙越難發(fā)育，表面裂隙率越低(許錫昌等，2015)。

關(guān)于壓實(shí)試樣表面干縮裂紋“自愈”現(xiàn)象的報(bào)道文獻(xiàn)較多，但大多針對(duì)試樣在干濕循環(huán)條件下開裂行為研究(Lin et al.，2000；Tay et al.，2001；Scalia et al.，2010；葉萬軍等，2016)。劉觀仕等(2019)、劉磊(2020)發(fā)現(xiàn)壓實(shí)樣干燥過程中裂紋也存在收縮現(xiàn)象，但未對(duì)裂紋自愈行為進(jìn)行進(jìn)一步分析。這主要是因?yàn)閴簩?shí)試樣干縮裂隙可分為表面裂隙與脫空裂隙兩部分(杜長(zhǎng)城等，2019)。試樣裂隙率隨時(shí)間整體呈先增大而后穩(wěn)定趨勢(shì)，這是土體干縮裂紋演化的普適規(guī)律，也是學(xué)者們主要關(guān)注焦點(diǎn)。而壓實(shí)試樣表面裂隙出現(xiàn)自愈收縮(杜長(zhǎng)城等，2019)，為失水收縮過程試樣土體復(fù)雜受力的宏觀表象，這對(duì)進(jìn)一步揭示固定試樣尺寸下壓實(shí)黏性土的復(fù)雜開裂行為機(jī)制研究有所裨益，因此研究壓實(shí)試樣表面裂紋自愈行為具有參考意義。Julina et al.(2019，2021)采用XCT成像和游標(biāo)卡尺高度法測(cè)量了壓實(shí)膨脹土試件的收縮特性，發(fā)現(xiàn)試樣干縮裂紋面積和體積首先增加，直到特定水分含量后出現(xiàn)裂縫尺寸減小的現(xiàn)象。杜長(zhǎng)城等(2019)則針對(duì)壓實(shí)黏性土表面裂紋演化中的這種自愈現(xiàn)象，將其視為獨(dú)立階段，將干燥裂紋的演化過程分為裂紋萌生、發(fā)展、自愈和穩(wěn)定4階段，并討論了含水率對(duì)干縮裂縫自愈性的影響。但目前還未見關(guān)于壓實(shí)密度對(duì)壓實(shí)試樣干縮裂紋自愈規(guī)律影響的報(bào)道。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(簡(jiǎn)稱DIC技術(shù))，可以做到非接觸和全場(chǎng)范圍的應(yīng)變測(cè)量(Baqersad et al.，2017)，在巖土體變形測(cè)量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于分析試樣受壓、受拉后的裂紋擴(kuò)展過程(趙程等，2015；米紅林等，2021)。如Kosaburo et al.(2018)通過分形維數(shù)分析和DIC技術(shù)，量化膨潤(rùn)土泥裂縫的幾何特征，提出了一種基于三維固體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的泥裂裂縫模擬新模型。唐朝生等(2018)基于DIC技術(shù)，獲得裂隙發(fā)育過程中張拉應(yīng)變場(chǎng)，解釋裂隙發(fā)育過程。Wang et al.(2018)利用DIC技術(shù)對(duì)土體干燥表面的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量，研究了干燥裂紋的萌生和擴(kuò)展過程，表明表面場(chǎng)應(yīng)變分析可預(yù)測(cè)裂紋開裂過程。林鑾等(2019)利用DIC技術(shù)獲取黏性土泥漿樣干燥裂縫的應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)，可為分析干燥裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究提供借鑒參考。Li et al.(2019)采用新設(shè)計(jì)的直接拉伸試驗(yàn)裝置測(cè)試非飽和黏性土的抗拉強(qiáng)度，利用DIC技術(shù)分析試驗(yàn)過程中試樣的拉伸變形和應(yīng)變集中現(xiàn)象。Zeng et al.(2020)采用DIC技術(shù)跟蹤試樣開裂過程，并研究了基面摩擦和層厚對(duì)土體的影響，應(yīng)用效果良好。

因此為全面揭示三趾馬紅土干縮裂隙演化規(guī)律的影響因素，本文基于前期研究工作基礎(chǔ)(杜長(zhǎng)城，2019)，開展不同壓實(shí)密度下三趾馬紅土的干燥脫濕試驗(yàn)。運(yùn)用裂隙分析系統(tǒng)(PCAS)與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)定量化分析其表面干縮裂紋的二維動(dòng)態(tài)演化形態(tài)與應(yīng)變場(chǎng)特征，以揭示壓實(shí)密度對(duì)三趾馬紅土干縮裂紋自愈行為影響規(guī)律，為分析壓實(shí)試樣裂隙形成演化機(jī)理提供借鑒。

1 試驗(yàn)土料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究土料為新近系三趾馬紅土，取自西安白鹿塬陳家坡。研究表明該區(qū)域分布的三趾馬紅土含游離Fe2O3，呈磚紅色，質(zhì)地堅(jiān)硬。根據(jù)試驗(yàn)試樣尺寸限制，剔除1mm以上粒徑土料以備試驗(yàn)。利用激光粒度儀獲取試驗(yàn)土料顆粒級(jí)配如圖1所示，可見其黏粒含量高達(dá)42%。通過X射線衍射試驗(yàn)獲取三趾馬紅土富含黏土礦物含量可達(dá)40.7%(表1)，黏土礦物以蒙脫石和伊利石混層礦物為主，含量可達(dá)28.9%，其基本物理性質(zhì)參數(shù)如表2所示。因此三趾馬紅土具有吸水膨脹、失水收縮特性，表面常形成干縮裂隙(圖2)，影響邊坡穩(wěn)定性。

表1 三趾馬紅土主要礦物成分及含量Table 1 Main mineral composition

表2 三趾馬紅土主要物理性質(zhì)Table 2 Main physical properties

1.2 試驗(yàn)方法

三趾馬紅土天然狀態(tài)下具有一定密實(shí)度、厚度及側(cè)向約束條件，為了更好反映其干燥開裂過程，制備壓實(shí)試樣開展試驗(yàn)。制樣前將試驗(yàn)土料風(fēng)干粉碎后碾壓成粉，因三趾馬紅土中含有鈣質(zhì)結(jié)核等粗顆粒物質(zhì)，因此根據(jù)試樣尺寸限制，將土料過2mm篩以控制制樣土樣粒徑，并置于烘箱內(nèi)108℃下烘干48h。

利用自制干燥裝置(杜長(zhǎng)城等，2019)，開展三趾馬紅土壓實(shí)試樣干燥試驗(yàn)。內(nèi)部放置精密天平，可實(shí)時(shí)獲取試樣脫濕過程質(zhì)量變化。設(shè)備內(nèi)部頂面安裝高速攝像機(jī)，實(shí)時(shí)拍攝試樣表面干縮裂隙演化過程。為了獲取均勻光線且易于圖像處理，樣品上方設(shè)置若干 LED 燈以改善光照，同時(shí)也確保采集圖像都具有可靠的灰度值。試驗(yàn)溫度40±1℃、相對(duì)濕度(60±5)%。利用數(shù)字圖像定量分析軟件(PCAS)(Liu et al.，2011，2013)分析干縮裂紋的面積等幾何信息。經(jīng)過二值化、去雜等數(shù)據(jù)處理，即可獲得干縮裂紋的定量化數(shù)據(jù)(Tang et al.，2010)。利用數(shù)字圖形處理相關(guān)技術(shù)(DIC)分析攝像獲取的試樣表面干裂過程圖形，可實(shí)時(shí)分析試樣干縮過程表面應(yīng)變場(chǎng)變化，為分析裂隙形成演化機(jī)理提供借鑒。

2 數(shù)字圖形相關(guān)技術(shù)原理

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC技術(shù))基本原理是采用互相關(guān)法，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的對(duì)象分兩次進(jìn)行曝光，成像在兩張不同圖片上。通過將圖像劃分成大小合適的方形子區(qū)，對(duì)比這些子區(qū)的灰度特征值，識(shí)別特定子區(qū)的相似性關(guān)系，計(jì)算像素點(diǎn)的位移量，從而得出局部位移場(chǎng)數(shù)據(jù)(Yamaguchi，1981；Ranson et al.，1982)。用數(shù)字圖像相關(guān)法處理數(shù)字圖像時(shí)，在變形前圖中選取一個(gè)子區(qū)，作為樣本圖像，其灰度分布為f(x，y)。在變形后圖中尋找對(duì)應(yīng)子區(qū)目標(biāo)圖像，它的灰度分布是g(x′，y′)，其中x、y和x′、y′ 分別為某一像素點(diǎn)變形前后的位置。根據(jù)變形前后子區(qū)的灰度分布，計(jì)算樣本圖像和目標(biāo)圖像之間的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)C的定義為：

(1)

當(dāng)C=1時(shí)，兩個(gè)子區(qū)完全相關(guān)；當(dāng)C=0時(shí)，兩個(gè)子區(qū)不相關(guān)。因此可以通過搜索相關(guān)系數(shù)C的峰值來確定待測(cè)點(diǎn)X方向位移和Y方向位移，從而獲取位移場(chǎng)和相應(yīng)應(yīng)變場(chǎng)。

本文通過Matlab代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)相關(guān)功能，對(duì)試樣表面圖像進(jìn)行分析，獲取不同時(shí)刻試樣表面主應(yīng)變場(chǎng)變化信息。具體的分析過程可分為3步：圖像準(zhǔn)備、相關(guān)性計(jì)算和最終數(shù)據(jù)生成階段。圖像準(zhǔn)備階段中，首先選取合適時(shí)刻的灰度圖像用于分析。同時(shí)DIC計(jì)算分析所需散斑參照為三趾馬紅土試樣表面，因試樣表面土顆粒具有顯示出不規(guī)則灰度分布的標(biāo)記點(diǎn)，可滿足散斑要求，因此可以直接作為標(biāo)記點(diǎn)用于數(shù)字圖像相關(guān)方法的量測(cè)分析。在相關(guān)性計(jì)算階段中選取合適子區(qū)，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算子區(qū)選取10 pixel×10 pixel，可較好地識(shí)別表面裂隙發(fā)育過程。在最終數(shù)據(jù)生成中對(duì)相關(guān)性計(jì)算獲取的位移場(chǎng)進(jìn)行處理，考慮到噪聲存在，在計(jì)算應(yīng)變時(shí)首先對(duì)獲取的位移場(chǎng)進(jìn)行去噪處理，然后進(jìn)一步通過數(shù)值微分運(yùn)算即可得到應(yīng)變，最終借助可視化工具生成相應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)圖像，應(yīng)變變化單位為%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試樣干縮裂紋模式

完成不同干密度下試樣干燥試驗(yàn)，獲取試樣表面裂紋演化過程如圖3所示?？梢婋S著干燥進(jìn)行，試樣表面逐漸出現(xiàn)干縮裂紋。當(dāng)t=0min時(shí)，干燥試驗(yàn)尚未開始，試樣表面無顯著裂紋發(fā)育；當(dāng)t=20min時(shí)，試樣表面干縮裂紋逐漸形成，可以觀察到位于試樣外側(cè)的細(xì)小環(huán)狀裂紋出現(xiàn)；當(dāng)t=60min時(shí)，干縮裂紋迅速發(fā)展，位于試樣外側(cè)的環(huán)狀裂紋寬度明顯增大，而且位于試樣中部的細(xì)小裂紋大量發(fā)育，近垂直于外側(cè)環(huán)狀裂紋，逐漸形成縱橫交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)t=100min時(shí)，試樣表面開裂程度明顯最大；當(dāng)t=160min時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣外側(cè)環(huán)狀裂紋寬度有所增大，而位于試樣中部部分裂紋寬度明顯降低，呈現(xiàn)自愈現(xiàn)象，這是因?yàn)樵嚇舆M(jìn)一步的失水收縮，使表面裂紋產(chǎn)生整體收縮；當(dāng)t=360min時(shí)，由于試樣持續(xù)失水造成的整體收縮，所有裂紋均出現(xiàn)較明顯的自愈現(xiàn)象，寬度明顯降低，裂紋發(fā)育最終趨于穩(wěn)定。

圖4為不同干密度試樣干縮裂紋演化過程，可見不同干密度下試樣均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，并且均出現(xiàn)裂紋自愈現(xiàn)象。但裂紋開裂模式有所差異，整體可見干密度小試樣的裂紋干縮裂紋網(wǎng)絡(luò)更加密集均勻，而干密度大試樣開裂模式以外側(cè)的環(huán)狀寬大裂紋為主，中部的細(xì)小裂紋少。這是因?yàn)楦擅芏刃≡嚇拥念w粒間孔隙較大，土顆粒分布更不均勻。因此脫濕過程中試樣中水分蒸發(fā)更快，而試樣抗拉強(qiáng)度小，因此干密度越小試樣裂紋越以寬大為主。觀察整個(gè)裂紋演化過程，可見干密度小試樣裂紋的自愈更明顯，這是因?yàn)槠浼?xì)小裂紋多，試樣因失水整體收縮易帶動(dòng)細(xì)小裂紋產(chǎn)生閉合自愈現(xiàn)象，因此宏觀可見其裂紋自愈明顯。干密度大試樣以外側(cè)寬大裂紋為主，其張開度及展布深度大，試樣整體收縮帶動(dòng)其自愈的程度也低。

3.2 干縮裂紋演化規(guī)律

為定量化研究試樣表面裂紋演化規(guī)律，利用裂隙分析軟件(PCAS)定量獲取試樣干縮裂紋變化參數(shù)。本研究中將試樣整體收縮分為試樣表面裂隙與脫空裂隙兩部分組成(圖5)，并定義脫空裂隙率為試樣整體收縮后與環(huán)刀壁之間的脫空孔隙面積與試樣初始表面面積的比值，定義試樣表面裂隙率為試樣表面裂隙面積與試樣初始表面面積的比值，其中面積單位均為像素?？梢娫嚇诱w裂隙率隨時(shí)間整體呈先增大而后穩(wěn)定趨勢(shì)，這是普適規(guī)律。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣表面裂隙率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，表明其存在明顯自愈現(xiàn)象。從脫空裂隙不斷增大趨勢(shì)可見試樣的整體收縮對(duì)表面裂隙自愈起到關(guān)鍵作用，表明試樣表面裂紋演化是試樣整體收縮與試樣內(nèi)部收縮的復(fù)雜耦合過程，因此研究表面裂紋演化對(duì)進(jìn)一步揭示固定試樣尺寸下壓實(shí)黏土復(fù)雜開裂行為機(jī)制研究有所裨益，本研究主要針對(duì)試樣表面裂隙開展系列分析。

杜長(zhǎng)城等(2019)據(jù)此將試樣表面裂隙發(fā)展階段分為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、裂紋自愈和裂紋穩(wěn)定階段4階段。由圖5可見裂紋萌生階段，試樣表面裂紋初步形成，表面裂隙率緩慢增大。裂紋發(fā)展階段，表面裂紋寬度增大明顯，表面裂隙率迅速增長(zhǎng)并且達(dá)到峰值。裂紋自愈階段，雖然試樣整體收縮率繼續(xù)緩慢增大，但表面裂紋展布寬度降低，表面裂隙率自峰值不斷降低。裂紋穩(wěn)定階段，裂紋愈合過程基本結(jié)束，表面裂隙率基本穩(wěn)定，試樣不再產(chǎn)生整體收縮。

繪制不同初始干密度試樣表面裂隙率演化如圖6所示，可見不同初始干密度試樣裂隙率均呈現(xiàn)先增大后減小現(xiàn)象，即不同干密度試樣表面裂紋均出現(xiàn)自愈現(xiàn)象。但干密度對(duì)表面裂隙率演化又具有顯著影響，可見試樣干密度越小，表面裂隙增長(zhǎng)速度越快，試樣裂隙率越高，裂隙峰值出現(xiàn)時(shí)間越早，裂隙自愈程度越高。這是由于試樣初始干密度越小，土體顆粒排列越疏松，試樣中的水分蒸發(fā)得更快，而試樣抗拉強(qiáng)度低(Tang et al.，2008)，土體表面更易發(fā)生開裂，裂隙展布速度快，數(shù)量多、面積大，而試樣整體收縮也大，因此裂隙愈合程度也高。

3.3 試樣表面應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律

試樣表面干縮裂紋形成是其內(nèi)部應(yīng)力耦合作用的結(jié)果，因此分析試樣表面應(yīng)變場(chǎng)變化即是分析試樣干縮裂隙演化規(guī)律的力學(xué)本質(zhì)，脫濕過程試樣表面應(yīng)力狀態(tài)變化可通過其主應(yīng)變場(chǎng)變化識(shí)別。圖7為不同時(shí)刻表面主應(yīng)變場(chǎng)變化，可見其能很好反映干縮裂紋的演化過程。圖中暖色區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)變區(qū)，代表拉應(yīng)變，表示此處土體開裂，且紅色條帶顏色越紅越寬代表裂紋尺度越大；冷色區(qū)域代表壓應(yīng)變，表示土體由于收縮而產(chǎn)生的壓應(yīng)變，且區(qū)域顏色越深代表收縮程度越大。

由上可見應(yīng)變區(qū)域變化可以實(shí)現(xiàn)干縮裂紋的全場(chǎng)定位，試樣表面主應(yīng)變場(chǎng)中暖色拉應(yīng)變條帶變化即可反映出表面裂紋的發(fā)育過程。如在干燥試驗(yàn)前(t=0min)，試樣表面應(yīng)變場(chǎng)無變化。裂紋萌生初期(t=20min)，試樣表面出現(xiàn)淺藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)，部分區(qū)域承受張拉應(yīng)力而出現(xiàn)紅色受拉區(qū)，干縮裂紋逐漸產(chǎn)生。裂紋擴(kuò)展期(t=60min)，紅色拉應(yīng)變條帶網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，表明干縮裂紋不斷擴(kuò)展，同時(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)間的藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)也不斷擴(kuò)大，說明試樣整體收縮趨勢(shì)變大，這種收縮進(jìn)一步帶動(dòng)紅色拉應(yīng)變區(qū)繼續(xù)擴(kuò)張達(dá)到峰值(t=100min)。裂紋自愈期(t=160min)，試樣表面藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)范圍繼續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)致紅色張拉應(yīng)變區(qū)寬度變小，部分拉應(yīng)變區(qū)消失，干縮裂隙“自愈”收縮。這是由于裂紋受到試樣整體收縮產(chǎn)生的牽拉作用，裂隙寬度變小、甚至消失。試樣與環(huán)刀壁間不斷擴(kuò)大的紅色拉應(yīng)變區(qū)可反映出試樣仍繼續(xù)收縮，表面藍(lán)色受壓區(qū)繼續(xù)增大，直到裂隙發(fā)展穩(wěn)定期(t=360min)，表面干縮裂隙發(fā)育趨于穩(wěn)定。

圖8為不同干密度試樣表面應(yīng)變場(chǎng)變化，可見表面拉壓應(yīng)變場(chǎng)變化均能反映出表面裂紋演化過程，紅色拉應(yīng)變網(wǎng)絡(luò)疏密、藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)范圍大小即可反映密度對(duì)裂紋發(fā)育的影響。可見干密度大試樣表面暖色拉應(yīng)變區(qū)域多集中于外側(cè)，內(nèi)部裂紋較少。在同一時(shí)刻如t=60min時(shí)，干密度越小試樣表面紅色拉應(yīng)變區(qū)域面積越大、拉應(yīng)變條帶網(wǎng)絡(luò)越密集，表明試樣裂紋發(fā)育分布更均勻。當(dāng)t=360min時(shí)，干密度越小試樣表面藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)顏色越深、面積越大，表明試樣失水收縮更強(qiáng)烈，從而帶動(dòng)干縮裂紋收縮愈合得更明顯。

3.4 不同等級(jí)裂紋擴(kuò)展規(guī)律

試樣表面裂紋呈現(xiàn)分級(jí)發(fā)展，根據(jù)裂紋萌生次序及展布規(guī)模，將表面干縮裂紋分為主裂紋、次級(jí)裂紋和微裂紋3類(圖9)?？梢娭髁鸭y先形成，長(zhǎng)度和寬度最大，并貫穿整個(gè)試件表面。次級(jí)裂紋后形成，長(zhǎng)度和寬度都小于主裂紋，并與主裂紋呈近垂直關(guān)系。微裂紋形成時(shí)間最晚，規(guī)模最小，分布分散。為分析各級(jí)裂紋演化規(guī)律，分別在試樣表面布設(shè)裂紋應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖9)，各級(jí)裂紋均選取典型3個(gè)平行觀察樣點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其主應(yīng)變演化規(guī)律。繪制各級(jí)裂紋主應(yīng)變隨時(shí)間變化如圖10所示，可見不同等級(jí)裂紋的主應(yīng)變峰值存在較明顯差異，主裂紋的主應(yīng)變普遍大于次級(jí)裂紋，而次級(jí)裂紋主應(yīng)變大于微裂紋。主裂紋最大主應(yīng)變達(dá)到0.39%，次級(jí)裂紋最大主應(yīng)變達(dá)到0.23%，微裂紋最大主應(yīng)變達(dá)到0.10%。不同等級(jí)裂紋的主應(yīng)變均存在先增大后減小的階段性變化，對(duì)應(yīng)著各級(jí)裂紋的擴(kuò)展、自愈過程，而且裂紋等級(jí)越高，自愈程度越大。

由上可見各等級(jí)裂紋應(yīng)變都發(fā)生縮減，為此定義應(yīng)變縮減量為監(jiān)測(cè)到的峰值應(yīng)變與最終應(yīng)變的差值，其變化如圖11所示?？梢娭髁鸭y的主應(yīng)變縮減最顯著，次級(jí)裂紋次之，微裂紋主應(yīng)變的縮減最小。表明主裂紋在裂紋自愈過程中起主導(dǎo)作用，主裂紋的愈合程度高于其他等級(jí)裂紋。不同等級(jí)裂紋的主應(yīng)變變化差異如圖12所示，可見主裂紋主應(yīng)變最大，達(dá)到峰值應(yīng)變時(shí)間也最久。微裂紋80min時(shí)最先出現(xiàn)應(yīng)變峰值然后開始收縮，次級(jí)裂紋120min時(shí)出現(xiàn)應(yīng)變峰值，主裂紋160min才達(dá)到應(yīng)變峰值。因此主裂紋在裂紋發(fā)育過程中起主導(dǎo)作用。

為了進(jìn)一步分析干密度對(duì)試樣各級(jí)裂紋應(yīng)變演化規(guī)律影響，分別在不同干密度試樣表面布設(shè)若干應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)(圖13)，統(tǒng)計(jì)其主應(yīng)變變化如圖14所示?？梢姴煌跏几擅芏仍嚇痈骷?jí)裂紋的主應(yīng)變均呈先增大后減小趨勢(shì)，表明不同干密度試樣各級(jí)裂紋均存在裂紋自愈現(xiàn)象。同時(shí)各干密度下主裂紋應(yīng)變值明顯大于次級(jí)裂紋，次級(jí)裂紋應(yīng)變值大于微裂紋。

由上可見不同干密度下試樣各級(jí)裂紋峰值應(yīng)變及自愈應(yīng)變縮減量均不同，繪制干密度對(duì)上述指標(biāo)影響如圖15～圖16所示?？梢姼骷?jí)裂紋峰值應(yīng)變受初始干密度影響較大，試樣裂紋峰值應(yīng)變隨干密度增大而降低；但不同等級(jí)裂紋變化趨勢(shì)有差異，規(guī)模越小的等級(jí)裂隙其峰值主應(yīng)變隨干密度降低的幅度越小(圖15)。不同干密度試樣應(yīng)變縮減量如圖16所示，試樣表面裂紋自愈應(yīng)變縮減量隨干密度增大而降低。但隨著干密度增大，各級(jí)裂紋應(yīng)變縮減量的差異較大，其中主裂紋的應(yīng)變縮減量最大，次級(jí)裂紋次之，微裂紋最小。同時(shí)試樣表面裂紋應(yīng)變縮減量隨干密度降低的幅度，又隨裂紋等級(jí)的變小而降低。

4 討 論

本研究中壓實(shí)三趾馬紅土表面裂紋出現(xiàn)自愈現(xiàn)象，是由于試樣垂直方向上的差異收縮導(dǎo)致(圖17)。根據(jù)黏性土裂隙擴(kuò)展的“裂塊”成因理論(杜長(zhǎng)城等，2019)，試樣失水收縮產(chǎn)生張拉應(yīng)力(圖17a)，導(dǎo)致試樣表面開裂(圖17b)，非貫通的干縮裂紋將試樣沿深度方向切割成不同層級(jí)的“裂塊基底”(圖17b)，分別對(duì)應(yīng)于不同等級(jí)的干縮裂紋。“裂塊基底”整體收縮產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)其上部裂隙收縮，進(jìn)而產(chǎn)生自愈現(xiàn)象(圖17c)。試樣表面裂紋規(guī)模差異、“裂塊基底”收縮差異導(dǎo)致不同類型裂隙自愈程度不同，干燥結(jié)束后試樣整體呈體積收縮狀態(tài)(圖17d)。上述表明壓實(shí)試樣表面裂紋演化是其內(nèi)部復(fù)雜力學(xué)耦合作用過程的宏觀表象，為裂紋近端土體所受張拉應(yīng)力、裂紋下部基底收縮驅(qū)動(dòng)力與土體抗拉強(qiáng)度的耦合作用結(jié)果。因此以往干縮裂紋機(jī)理研究?jī)H關(guān)注張拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度關(guān)系具有局限性，需充分考慮非貫通干縮裂隙底部基底的收縮對(duì)裂紋演化影響。同時(shí)上述壓實(shí)試樣表面裂紋自愈現(xiàn)象也與試樣厚度有關(guān)，因此針對(duì)壓實(shí)試樣干縮裂紋研究必須考慮試樣高度的尺寸效應(yīng)，消除頂?shù)资湛s差異給裂紋演化帶來影響，才能真正揭示裂紋演化機(jī)理本質(zhì)。值得注意的是，本文僅分析試樣表面裂紋演化規(guī)律，并未進(jìn)一步分析試樣與環(huán)刀間的脫空裂隙以及試樣表面整體收縮裂隙規(guī)律，實(shí)際試樣脫濕過程中整體還是呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。

本文利用DIC技術(shù)對(duì)三趾馬紅土壓實(shí)試樣表面裂紋進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，發(fā)現(xiàn)試樣表面裂紋演化過程可通過試樣表面主應(yīng)變場(chǎng)中高拉應(yīng)變區(qū)不斷變化表征。為此，通過DIC技術(shù)分別從定性定量?jī)蓚€(gè)方面研究干密度對(duì)干縮裂紋的影響。一方面從定性研究，應(yīng)變場(chǎng)顏色反映了應(yīng)變的屬性和大小，紅色應(yīng)變區(qū)代表受拉，而藍(lán)色應(yīng)變區(qū)代表受壓。紅色拉應(yīng)變條帶可以反映不同干密度下裂紋發(fā)育情況的差異，而藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)域可以反映不同干密度條件下試樣收縮情況的差異。分析不同干密度試樣，可見干密度小試樣紅色拉應(yīng)變條帶網(wǎng)絡(luò)更密集，而且在干縮過程中藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)域更大更顯著。這實(shí)際是由于干密度小試樣的抗拉強(qiáng)度低，試樣經(jīng)過了更劇烈的收縮，導(dǎo)致試樣表面受拉形成的干縮裂紋數(shù)量多、密集、展布快，也導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生自愈現(xiàn)象越明顯。在裂紋自愈階段明顯可見干密度小試樣表面因試樣底部收縮導(dǎo)致試樣的受壓區(qū)明顯繼續(xù)增大，這種持續(xù)整體收縮導(dǎo)致裂紋受到牽拉作用而整體呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，從而帶動(dòng)干縮裂紋的愈合更明顯。另一方面定量分析，研究不同干密度試樣不同等級(jí)裂紋的應(yīng)變率，定量分析自愈現(xiàn)象，研究不同干密度試樣的應(yīng)變演化規(guī)律，進(jìn)而分析不同干密度條件下的峰值應(yīng)變和自愈應(yīng)變量，可以發(fā)現(xiàn)干密度越大，各級(jí)裂紋峰值應(yīng)變?cè)叫。@是因?yàn)榭估瓘?qiáng)度越高，試樣表面開裂程度越低；同時(shí)干密度越大自愈收縮應(yīng)變量越小，這是因?yàn)檎w收縮趨勢(shì)越小。

綜上可見干密度對(duì)壓實(shí)三趾馬紅土干縮裂隙規(guī)律影響顯著，主要這是因?yàn)楦擅芏雀淖兞藟簩?shí)試樣孔隙率進(jìn)而導(dǎo)致失水速率差異，同時(shí)由于不同干密度試樣抗拉強(qiáng)度差異，造成試樣干縮裂紋開裂數(shù)量與形成規(guī)模不同，進(jìn)而造成“裂塊基底”規(guī)模不同，因此基底收縮時(shí)對(duì)其上部裂紋牽拉收縮程度差異，導(dǎo)致試樣表面峰值裂隙率及自愈程度差異?？傮w而言基于DIC數(shù)字圖形處理技術(shù)，并結(jié)合裂紋裂隙率研究試樣表面裂紋的形成過程和演化規(guī)律，有助于提高分析試樣干縮裂紋展布的定量化數(shù)據(jù)以及裂紋演化機(jī)理。

5 結(jié) 論

本文開展了壓實(shí)密度對(duì)三趾馬紅土試樣干縮裂紋演化規(guī)律影響試驗(yàn)，并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)脫濕過程試樣表面開裂進(jìn)行了定量研究，分析壓實(shí)試樣干密度對(duì)表面裂紋形成演化過程與自愈行為影響規(guī)律，研究結(jié)果表明壓實(shí)試樣表面干縮裂紋演化是其受張拉應(yīng)力擴(kuò)張、受收縮驅(qū)動(dòng)力愈合的多力學(xué)作用耦合結(jié)果，研究成果為進(jìn)一步分析壓實(shí)試樣表面裂紋形成機(jī)制提供新思考，主要結(jié)論如下：

(1)不同干密度試樣干燥過程中均出現(xiàn)開裂，且開裂過程試樣表面裂紋均出現(xiàn)自愈現(xiàn)象。干密度小試樣表面干縮裂紋網(wǎng)絡(luò)密集均勻，而干密度大試樣開裂以寬大裂紋為主。試樣開裂過程分為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、裂紋自愈、裂紋穩(wěn)定4階段。

(2)試樣表面應(yīng)變場(chǎng)變化能夠較好反映試樣表面干縮裂紋演化過程。藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)代表試樣失水過程整體產(chǎn)生的收縮，紅色應(yīng)變條帶代表試樣受拉而產(chǎn)生的干縮裂紋；試樣干燥過程表面藍(lán)色壓應(yīng)變區(qū)不斷擴(kuò)大，紅色拉應(yīng)變區(qū)寬度變小，表明干縮裂紋受到整體收縮牽拉而“自愈”收縮。干密度越小，試樣表面紅色拉應(yīng)變區(qū)網(wǎng)絡(luò)越密集，表面裂紋越發(fā)育。

(3)試樣表面裂紋可以分為主裂紋、次級(jí)裂紋和微裂紋3級(jí)，而試樣表面應(yīng)變場(chǎng)變化表明各級(jí)次裂紋均呈現(xiàn)自愈現(xiàn)象，但主裂紋的應(yīng)變減少幅度最大，自愈程度最高，對(duì)試樣表面裂紋自愈起主導(dǎo)作用；試樣干密度越小，各級(jí)裂紋應(yīng)變率越大，自愈過程的應(yīng)變率縮減量越大，表明試樣失水收縮幅度越大。