盧 毅，卜 凡，蔡田露，龔緒龍，陸 華，萬佳俊，王 梓，顧 凱

1.自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室（江蘇省地質調查研究院）， 南京 210049；2. 河海大學 地球科學與工程學院， 南京 211100；3.南京大學 地球科學與工程學院， 南京 210023

黏性土對于周圍環(huán)境的變化是十分敏感的。隨著近年來全球氣溫不斷升高，極端高溫氣候頻發(fā)，世界各地頻繁出現(xiàn)地面干縮、開裂等現(xiàn)象，這將對土體本身的強度、穩(wěn)定性以及滲透性產(chǎn)生極大的影響，同時也將威脅地表植被的生長以及建筑物的正常使用（曹玲等，2016；孔令偉等，2007；張勇等，2020）。在邊坡工程方面，吳美蘇等（2019）的研究結果表明，土體內部裂隙為雨水下滲提供了優(yōu)先通道，大幅降低了土體的強度，是邊坡發(fā)生淺層滑動的主要原因；殷宗澤等（2012）探討了膨脹土邊坡失穩(wěn)的原因，發(fā)現(xiàn)多裂隙性是其易于失穩(wěn)的關鍵因素，并從不同角度進行了論證；陳鐵林等（2006）研究了裂隙對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響，結果顯示含有裂隙的超固結土邊坡，降雨容易沿裂隙入滲至土坡內部，弱化吸力，削減了土體的整體強度，進而誘發(fā)滑坡。在環(huán)境巖土工程中，裂隙的存在將直接或間接地對土體內部的物理場、化學場以及生物場造成影響，具體表現(xiàn)為加速地下污染物的運移，增加了地下水資源受污染的風險；為地下咸水的運移提供“便捷通道”（陳正漢等，2019；崔玉軍等，2006），加劇了土壤的鹽漬化；此外也使得農(nóng)作物根系處的養(yǎng)分難以保留（Novak et al., 2000）。

目前國內外研究人員對于土體開裂影響因素的研究已有較大的進展，如探究厚度變化、干濕循環(huán)次數(shù)、界面摩擦力、邊界及尺寸效應對于土體裂隙形成及發(fā)育的影響，對土體開裂機理有更深層次的認知與研究（袁權等，2016；曾浩等，2019；Tang et al., 2010；徐其良等，2018；Morris et al., 1993；劉昌黎等，2018）。上述研究中所采用的試驗材料均為無砂顆粒的黏性土，自然界中的土體的粒度成分是十分復雜的，除均質黏土外還包含不同含砂率的砂—黏混合物。王云等（2016）對于不同摻砂量的紅黏土的擊實與收縮特性進行分析，研究發(fā)現(xiàn)摻砂比越高，改良紅黏土的最優(yōu)含水率越小，最大干密度越大。然而，對于摻砂黏土干縮、開裂的研究相對較少，通過摻入不同含量的砂粒，導致土體內部水分的運移以及裂隙的發(fā)育、發(fā)展形式等有待進一步的探索、研究。

此外，土體開裂是一個由多重因素共同作用下完成的復雜過程。其中環(huán)境溫度所帶來的影響是十分關鍵的（唐朝生等，2012）。唐朝生等（2007）通過設置不同環(huán)境溫度條件，探究土壤表面由于水分散失而產(chǎn)生的收縮、開裂現(xiàn)象，結果表明較高的環(huán)境溫度將在一定程度上提升土體的開裂行為。陳曉靜等（2020）認為蒸發(fā)環(huán)境是決定土體裂隙發(fā)育最終呈現(xiàn)形態(tài)的主要因素，并且裂隙發(fā)展的速率不隨時間單調變化,而是與周圍環(huán)境直接相關。劉觀仕等（2020）指出，土體裂隙發(fā)育初期的速率以及裂隙回穩(wěn)速率與環(huán)境溫度呈正比，且高溫條件可使土體表面產(chǎn)生更多難以觀察的微裂隙，而低溫情況下則有利于土體的收縮應力向更深層處進行傳遞，導致裂隙數(shù)量減少，但寬度及延長深度更大。

針對上述研究現(xiàn)狀與亟待解決的問題，本文設置不同環(huán)境溫度、含砂率條件，展開一系列室內蒸發(fā)試驗，通過記錄試驗過程中土體內部水分散失以及表面裂隙發(fā)育、發(fā)展情況，利用相關圖形分析軟件，對裂隙率、裂隙網(wǎng)絡的幾何形態(tài)進行定量分析，進而探究不同溫度、含砂率對土體干縮、開裂的影響機理。相關試驗結果可對實際工程、環(huán)境中砂—黏混合物的蒸發(fā)以及裂隙的發(fā)育、發(fā)展等提供一定的參考價值。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

本次試驗所用黏性土取自南京市某地區(qū)下蜀土，室內測得其基本物理性質如表1所示；試驗用砂粒取自南京某工地，其顆粒粒徑為0.075~0.1 mm、0.1~0.25 mm、0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm的顆粒含量分別為2.2%、31.9%、49.1%、16.6%、0.2%。將帶回的下蜀土烘干，用碎土機進行研磨后過2 mm的篩備用（粒徑分布曲線如圖1所示），而砂粒則烘干后過2 mm篩即可。

圖1 試驗所用黏土的粒徑分布曲線Fig. 1 Grain size distribution of the clay soil used in the experiment

表1 試驗所用黏土的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the clay soil

1.2 試驗方案

經(jīng)研究表明厚度是影響土體開裂程度的關鍵因素，在有限的范圍內，裂隙發(fā)育的密集度與多樣性與土體的厚度成反比（駱趙剛等，2020）。因此，為了獲得具有較為普遍性的土體裂隙發(fā)育特征，本次試驗將試樣的厚度設置為10 mm。同時，通過改變環(huán)境溫度以及含砂率，以獲得試樣的相對蒸發(fā)速率、臨界開裂含水率以及裂隙率的變化情況。

試驗規(guī)定試樣尺寸為160 mm×160 mm×10 mm，同時設置試樣含砂率（Rs）為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%。含砂率的計算方法如公式（1）所示。此外，由于砂粒相較于黏性土的吸水率較小，故本次試驗在制樣時只考慮黏性土的含水率。制樣方法如下：首先稱取定量的黏土放置于容器中，加入足量的水后進行充分地攪拌，將其制成飽和泥漿；將泥漿放置于振動臺上勻速振動5 min以排出多余氣泡，而后用試管抽取泥漿表層清液（駱趙剛等，2020），此時計算得到飽和泥漿的含水率（w）約為50%；之后向泥漿中加入相應質量的砂粒，并且再次將試樣置于振動臺上勻速振動5 min；振動完畢后將砂—黏混合物倒入試驗容器中，且混合物厚度控制在10 mm，最后用保鮮膜進行塑封并靜置24 h，試樣制備完畢。此外，由于不同含砂率試樣中黏土含量不同，即試樣的初始含水率（wi）不同，因此根據(jù)公式（2）對不同含砂率試樣的初始含水率進行計算。不同含砂率試樣的初始含水率（wi），及其中黏性土質量（mc）與砂性土質量（ms）如表2所示。

表2 不同含砂率試樣各項參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Various parameters of samples with different sand contents

式中：Rs為含砂率，%；ms為砂性土的質量，g；mc為黏性土的質量，g。

式中：wi為不同含砂率試樣的含水率（i=0-70%），g；w為飽和泥漿的含水率，%；mic為不同含砂率試樣中黏性土的質量（i=0~70%），g；mis為不同含砂率試樣中砂性土的質量（i=0~70%），g。

在試驗過程中，控制恒定環(huán)境溫度分別為35℃、45℃、60℃。同時，定時對試樣進行拍照與稱量，觀察其裂隙發(fā)育特征以及含水率的變化情況，且不同溫度、含砂率試樣均設置2個對照試樣。最后利用數(shù)字圖像處理技術對試樣表面的裂隙率（Rc，即試樣表面裂隙面積與試樣表面積的比值）與裂隙平均寬度（Caw）進行計算，統(tǒng)計結果取各對照試樣的均值。

2 試驗結果與分析

2.1 不同溫度和含砂率對于相對蒸發(fā)速率的影響

圖2為不同養(yǎng)護溫度條件下，不同含砂率試樣的平均蒸發(fā)速率（試樣完全干燥過程中，單位時間內的水分蒸發(fā)量，g/h）變化曲線。從圖1中可以看出，相同含砂率試樣的平均蒸發(fā)速率，隨著養(yǎng)護溫度的提升而逐漸增加，而當養(yǎng)護溫度由50℃增加至65℃時，各試樣平均蒸發(fā)速率的增幅較35℃升至50℃時小。同時，對比三種養(yǎng)護溫度條件下，含砂率為0與10%，以及10%~70%試樣的平均蒸發(fā)速率可以發(fā)現(xiàn)，后者隨著含砂率的增加均呈現(xiàn)出近似線性減少的趨勢，但環(huán)境溫度越高時，下降趨勢越明顯；而前者則呈現(xiàn)近似指數(shù)型的降低趨勢（如圖2中虛線部分所示），且該趨勢隨著養(yǎng)護溫度的提升而逐漸增加。

圖2 土體平均蒸發(fā)速率變化曲線Fig. 2 The average evaporation rates of soil at different temperatures

相關研究表明，決定土體內部水分蒸發(fā)的必要條件為土體-空氣交互界面上蒸汽壓的差值，即土體內部孔隙水液面處蒸汽壓大于外界環(huán)境中的蒸汽壓時，蒸發(fā)作用便會進行。一般地，初始狀態(tài)為飽和的土體，在環(huán)境條件穩(wěn)定的情況下，其蒸發(fā)過程主要分為常速率階段（第Ⅰ階段）、減速率階段（第Ⅱ階段）以及殘余階段（第Ⅲ階段） （唐朝生等，2011）。其中，第Ⅰ、Ⅱ階段的水分補給主要來自于土體內部的自由水，幫助水分自下而上運移的通道則成為了影響蒸發(fā)過程中土體含水率變化的關鍵因素。如圖2所示為相同養(yǎng)護溫度條件下各試樣的平均蒸發(fā)率曲線（其中k35℃、k50℃、k65℃分別表示不同溫度條件下，試樣中添加砂粒后平均蒸發(fā)速率隨含砂率增加而獲得的擬合曲線的斜率值）。隨著試樣中砂粒從無到有，以及含砂率的不斷增加，各試樣的平均蒸發(fā)速率先呈快速降低趨勢，后近似呈線性降低趨勢。影響原因可由圖3解釋說明，圖3 （a）為純黏土試樣的蒸發(fā)過程示意圖，由于試驗所用黏土在制樣前均已被研磨且過2 mm的篩，因此認為純黏性土試樣內部近似呈均勻狀態(tài)，水分可自下而上通過較短的距離運移至土體表面。圖3 （b）為含砂試樣內部蒸發(fā)過程示意圖，砂粒的存在使得試樣內部結構產(chǎn)生了變化，改變了部分的水分運移通道，并延長了輸送距離，且隨著含砂率的增加，土體內部結構越復雜。同時，對圖2中含砂粒試樣的平均蒸發(fā)率曲線進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的提升，擬合曲線的斜率相應變大（k35℃=0.00135＜k50℃=0.00408＜k65℃=0.00505），這是因為即便土體內部結構產(chǎn)生了改變，而較高的環(huán)境溫度使得水分子的動能加劇，同時弱化了顆粒間毛細水彎液面上的表面張力以及削減了土體的保水能力，使得水分蒸發(fā)速率一直處于高速狀態(tài)。

圖3 不同含砂率土體內部水分運移過程示意圖Fig. 3 Diagram showing water transport processes in soils with different sand contents

2.2 不同溫度和含砂率對臨界開裂含水率的影響

當試樣表面出現(xiàn)第一條裂隙時的含水率被定義為臨界開裂含水率，然而由于試驗所設置的含砂率梯度較大，因此各試樣之間的初始含水率相差較大（見表2）。本文通過計算試樣初始含水率與臨界開裂含水率的比值，將其定義為臨界開裂比（Cr），以探究不同環(huán)境溫度，含砂率對土體裂隙形成的影響。圖4為不同含砂率試樣臨界開裂比的變化曲線，從圖中可知當試樣的含砂率為0時，環(huán)境溫度為35℃、50℃、65℃的試樣的臨界開裂比分別為1.0499、1.0484、1.0479，然而當純黏土試樣中摻入砂粒后，臨界開裂比均呈現(xiàn)大幅度降低的趨勢，且隨著含砂率的增加，各試樣臨界開裂比的波動幅度較為穩(wěn)定，由此說明土樣表面開始產(chǎn)生裂隙時的含水率主要取決于其內部是否含有砂粒，即當試樣中含有砂粒時能夠明顯地提升土體開裂時的含水率，而砂粒含量高低的影響程度較小。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可由圖5進行解釋說明。由于含砂的土體在干燥過程中，隨著內部水分的散失，將由四周向中心區(qū)域產(chǎn)生不同程度的收縮，同時產(chǎn)生不均勻沉降（如圖5a與圖5b所示）。而砂粒相較于黏土而言被認為不具備收縮性質，因此含砂的土樣在收縮、沉降時，加深了局部地區(qū)出現(xiàn)應力集中與不均勻收縮的程度，進而導致土體表面提前產(chǎn)生裂隙（如圖5c所示）。此外，通過對比圖4中相同含砂率試樣在不同環(huán)境溫度條件下進行養(yǎng)護時的臨界開裂比可知，臨界開裂比與環(huán)境溫度呈負相關關系。其原因是由于較高的環(huán)境溫度加劇了土體內部水分子的動能，導致單位運移通道與時間內迅速通過大量的自由水，因此在一定程度上也提升了土體的收縮、變形能力，使得表面裂隙提前產(chǎn)生。

圖4 不同含砂率土體臨界開裂比變化曲線Fig. 4 Curves of critical cracking ratio of soils with different sand contents

2.3 不同溫度和含砂率對于裂隙發(fā)育的影響

如前文所述，砂粒不具備收縮性質，因此含砂的土體在干燥過程中出現(xiàn)應力集中或不均勻沉降而產(chǎn)生裂隙時，由于砂粒的存在將導致其收縮范圍減小。圖6分別為不同環(huán)境溫度條件下，不同含砂率試樣隨干燥時間增加，表面裂隙率（Rc）的變化情況。雖然含砂率不同的試樣，裂隙率的增長趨勢不同，但當裂隙發(fā)育穩(wěn)定時，含砂率越低，試樣的裂隙率越大，其中最低與最高含砂率試樣的裂隙率分別降低了97.9%（35℃）、97.3%（50℃）、96.2%（60℃），這與前文所述觀點一致。同時，當干燥過程進行約40%后，試樣裂隙率的增長幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，并且土體中的含砂率越低，其裂隙率達到穩(wěn)定所需的時間越長，這是因為砂粒的存在限制了土體的收縮，導致裂隙發(fā)育提前停止。此外，圖7統(tǒng)計了不同含砂率試樣的裂隙平均寬度，當環(huán)境溫度相同時，隨著含砂率的增加，裂隙的平均寬度逐漸降低，其中最低與最高含砂率試樣的裂隙平均寬度分別降低了70.7%（35℃）、78.3%（50℃）、73.9%（60℃），這也進一步印證了上述的觀點。

圖6 不同環(huán)境溫度、含砂率土體的裂隙率變化曲線Fig. 6 Curves of crack ratio of soils with different environmental temperatures and sand contents

圖7 不同環(huán)境溫度、含砂率土體的裂隙平均寬度變化曲線Fig. 7 Variations of average crack widths of soils with different environmental temperatures and sand contents

圖8給出了相同含砂率的土體在不同環(huán)境溫度養(yǎng)護下的裂隙率變化及對比情況。從圖中可以看出，較高的環(huán)境溫度，促進了試樣表面裂隙的發(fā)育，并且試樣的穩(wěn)定裂隙率也與環(huán)境溫度成正相關（圖9），其中35℃下養(yǎng)護的試樣的裂隙率較65℃，分別降低了18.7%（Rs=0）、17.9%（Rs=10%）、7.6%（Rs=20%）、33.7%（Rs=30%）、29.8%（Rs=40%）、62.1%（Rs=50%）、42.2%（Rs=60%）、55.6%（Rs=70%）。同時，通過對圖7進行縱向分析可知，高溫環(huán)境加劇了土體內部的水分運移，一定程度上導致運移通道急速擴張，從而提升了土體的收縮變形能力，即裂隙的平均寬度隨環(huán)境溫度的增加而增加。

圖8 相同含砂率土體在不同環(huán)境溫度條件下裂隙率變化曲線Fig. 8 Curves of crack ratios of soils with the same sand content under different environmental temperatures

圖9 土體裂隙率隨不同環(huán)境溫度變化的曲線Fig. 9 Variations of soil crack ratios with different environment temperatures

隨著干燥過程的持續(xù)進行，土體表面的水分逐漸散失，下部自由水供給量減小，此時土體表面張力大于自身的抗拉強度，裂隙便會產(chǎn)生，形態(tài)自上而下呈“V”字型發(fā)育?；跀嗔蚜W理論的裂紋擴展機理可知，在裂紋發(fā)育過程中，其尖端處將出現(xiàn)應力集中以及端部區(qū)域的應力無限大現(xiàn)象，使得裂紋尖端出現(xiàn)塑性屈服（馮森等，2020）。理論上，若無邊界以及深度限制時，裂隙將向下無限延伸發(fā)育。然而當土體內部砂粒與裂隙尖端相接觸時，由于受到阻礙導致應力集中消失，裂隙停止縱向發(fā)育，并且隨著含砂率的增加，裂隙的縱向發(fā)育越困難，宏觀表現(xiàn)為裂隙的寬度逐漸減?。ㄈ鐖D7，圖10所示）。此外，砂粒的存在也將影響裂隙的形成及發(fā)育走勢。通過記錄試驗過程發(fā)現(xiàn)，黏土含量較大的試樣，失水收縮時表面產(chǎn)生的沉降較為均勻，產(chǎn)生裂隙的拉力方向主要沿水平方向分布，且相同裂隙的寬度較為均勻；然而當試樣中存在砂粒時的裂隙發(fā)育形式則有所不同，隨著內部水分的流失，土體表面產(chǎn)生明顯的不均勻沉降現(xiàn)象，局部地區(qū)出現(xiàn)隆起，故導致裂隙產(chǎn)生的拉力除水平方向外還存在部分縱向分量，裂隙的寬度隨延伸距離而不斷減小。綜上所述，砂粒能在一定程度上抑制土體裂隙的形成及發(fā)育，而高溫環(huán)境則將弱化這一抑制作用。

圖10 不同含砂率土體表面裂隙網(wǎng)絡Fig. 10 Soil surface crack network with different sand contents

3 結論

本研究通過改變黏土體內部含砂率以及養(yǎng)護溫度，開展了一系列室內干燥試驗，從蒸發(fā)速率變化、裂隙的形成及發(fā)展等方面研究了二者對砂—黏混合物干縮開裂的影響，得到以下結論：

（1）相較于純黏土而言，砂粒的存在，將導致土體內部的結構發(fā)生改變，改變了部分的水分運移通道，從而延長了自由水的運移路徑，因此水分蒸發(fā)速率隨著含砂率的增加而減弱。

（2）由于砂粒較黏土而言收縮性較小，因此含砂的黏土在干燥收縮過程中將產(chǎn)生局部地區(qū)的應力集中與不均勻沉降現(xiàn)象，從而導致土體表面提前產(chǎn)生開裂，此現(xiàn)象受含砂率的影響較小，與是否含砂有關。

（3）砂粒的存在將直接影響土體裂隙發(fā)育的深度與延伸長度，土體含砂率越高，裂隙發(fā)育縱深越小，延伸長度越短，同時裂隙的平均寬度也與含砂率呈負相關。

（4）較高的環(huán)境溫度加劇了土體內部水分子的熱運動，提升了水分的動能，使得疏水通道急速擴張。即相同含砂率條件下，環(huán)境溫度越高，水分蒸發(fā)速率、土體表面形成的裂隙寬度越大，同時在一定程度上使表面裂隙提前產(chǎn)生。