孟 明，馮 丹

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003）

土體由于失水干縮而產(chǎn)生裂縫是一種十分常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，裂縫產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是土壤失水所引起的吸力超過(guò)了土體的抗拉強(qiáng)度，從而造成土體的開(kāi)裂破壞，而吸力在不同含水率下是不同的，吸力分布的不均勻性則是裂縫發(fā)展的原動(dòng)力。

土體產(chǎn)生裂縫將大大減弱地基承載力，加上入滲所引起的地基失穩(wěn)，造成的工程事故屢見(jiàn)不鮮。如2007 年川渝地區(qū)所發(fā)生的百年一遇的大旱導(dǎo)致1 200多座水庫(kù)大壩出現(xiàn)裂縫，造成了巨大的損失[1]，美國(guó)Stockton 和Wister 大壩因龜裂誘發(fā)管涌而最終垮塌[2]。另外，土壤裂縫對(duì)河道邊坡的安全穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生不利影響，裂縫的加劇會(huì)進(jìn)一步加速土體失水，大大降低了邊坡的穩(wěn)定性。因此，不斷提高的工程安全標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)環(huán)境要求都迫使重視土體裂縫的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和控制方法等方面的研究。為了更系統(tǒng)地了解土體干縮裂縫形成和發(fā)展過(guò)程，本文將從影響因素和力學(xué)機(jī)理兩方面對(duì)土體干縮裂縫形成機(jī)理和過(guò)程進(jìn)行分析及探討。

1 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤干裂的研究多集中于表面裂縫的形態(tài)學(xué)特征上，并且已有大量的研究報(bào)道，如Abedine等[3]和Inoue等[4]通過(guò)計(jì)算一個(gè)橫截面與裂縫交點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)估測(cè)裂縫的長(zhǎng)度；Horgan等[5]從裂隙發(fā)育的二維幾何特征出發(fā)構(gòu)建了模擬土壤失水收縮模型；Dasog 等[6]將單位面積內(nèi)土體裂縫的體積作為衡量土體開(kāi)裂程度的參考標(biāo)準(zhǔn)；施斌等[7]、唐朝生等[8-9]和劉春等[10]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)裂縫發(fā)展及其形態(tài)的影響因素進(jìn)行定量分析。以上研究在裂縫形態(tài)學(xué)方面取得了相應(yīng)的研究成果，但研究中對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度要求較高，容易產(chǎn)生較大誤差。

在干縮裂縫形成和發(fā)展機(jī)理方面相關(guān)學(xué)者有一定的研究成果。Pérson 等[11-12]、Hu 等[13]認(rèn)為土體收縮是由于土體在干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)散失而產(chǎn)生的張應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度而造成的；Yesiller等[14]提出土體的基質(zhì)吸力致使土體發(fā)生收縮，首次將基質(zhì)吸力納入土體干縮研究中，為該方面的進(jìn)一步拓展奠定了基礎(chǔ)；施斌[7]從水膠聯(lián)結(jié)力方面研究認(rèn)為，黏性土體當(dāng)其含水率低于液限時(shí)，主要由于黏土礦物中水膠聯(lián)結(jié)力不均勻增大而造成了干縮裂縫的形成，并不是毛細(xì)水表面張力所致。以上研究?jī)H是從理論層面提出毛細(xì)水壓力和基質(zhì)吸力對(duì)土體干縮裂縫形成機(jī)理的研究，缺少具體實(shí)驗(yàn)支撐。

唐朝生等[9]認(rèn)為運(yùn)用非飽和土力學(xué)的相關(guān)理論來(lái)解釋干縮裂縫機(jī)理是必要的，隨著土體失水，孔隙中彎液面對(duì)土顆粒的作用力越來(lái)越大，當(dāng)這種張應(yīng)力的大小超過(guò)土顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度，土體表面便會(huì)出現(xiàn)裂縫；唐朝生等[15]也提出對(duì)于初始飽和的土體，在干燥初期，收縮實(shí)際上是由于孔隙水表面張力和毛細(xì)水壓力增加導(dǎo)致孔徑減小和土顆?？繑n的過(guò)程，而在干燥后期，收縮可能主要受土顆粒間水膜聯(lián)結(jié)力和吸附結(jié)合水膜厚度的控制，唐朝生等結(jié)合裂縫發(fā)展過(guò)程對(duì)土體收縮的機(jī)理進(jìn)行了解釋，并考慮到影響土體干縮的因素在不同階段是不同的。以上研究是從非飽和土力學(xué)方面所做的簡(jiǎn)單探討，對(duì)干縮裂縫機(jī)理的實(shí)際理論并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性推進(jìn)。

迄今為止，關(guān)于土體干燥收縮機(jī)理及裂縫產(chǎn)生機(jī)理方面仍未能形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，有待進(jìn)一步深入研究。本文從土體干縮裂縫形成影響因素和干縮裂縫形成機(jī)理兩方面，對(duì)土體干縮裂縫形成機(jī)理進(jìn)行探討。

2 土體干縮裂縫形成影響因素

2.1 土體結(jié)構(gòu)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究對(duì)象基本上為重塑土，相關(guān)的研究成果對(duì)自然原狀飽和土體而言有著明顯的區(qū)別。國(guó)外許多學(xué)者認(rèn)為，相比重塑土，原狀飽和土中具有較多的團(tuán)聚體，由于尺寸較大，干燥時(shí)，團(tuán)聚體之間空洞中的自由水首先被蒸發(fā)而逐漸被空氣所取代，無(wú)毛細(xì)水壓力的作用，從而不會(huì)導(dǎo)致明顯的收縮變形。對(duì)于普遍認(rèn)為土體干燥收縮的階段劃分，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者提出，在正常收縮之前，還存在結(jié)構(gòu)收縮階段，原狀土的土體結(jié)構(gòu)在研究過(guò)程中影響較大，不能忽略。

2.2 土體孔隙比

土體的孔隙比即土體結(jié)構(gòu)的密實(shí)度對(duì)土體的水分蒸發(fā)速度及裂縫發(fā)育有較大影響，土體在干燥收縮過(guò)程中，土顆粒會(huì)發(fā)生重排，土體的孔隙比也會(huì)隨之而發(fā)生變化，河湖邊坡的土體在歷經(jīng)雨水多次滲透后，其土體密實(shí)度、土體結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，這方面的研究對(duì)河湖邊坡防護(hù)中可變因素分析有重要意義。通過(guò)同一種土的多次干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，每次干濕循環(huán)過(guò)程中龜裂形成時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界吸力、龜裂網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)、龜裂的擴(kuò)展和閉合過(guò)程均有顯著差異。

2.3 特定條件下土的密度

土體的干密度通常作為工程、土體壓實(shí)質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于工程中不同土體的干密度，其土體開(kāi)裂情況也不相同。黨進(jìn)謙等[16]的研究結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度隨干密度的增大而增大，也就是說(shuō)干密度越大土體越難以開(kāi)裂。

2.4 其他影響因素

對(duì)于當(dāng)前的土體裂縫研究，由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，相應(yīng)的結(jié)果也具有差異，可比性也較低，尤其在溫度、土厚度、干濕循環(huán)次數(shù)、土樣尺寸大小及邊界條件方面。施斌等[7]、唐朝生等[1]在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)圖片處理技術(shù)，對(duì)不同條件下獲得的干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)土層厚度、干濕循環(huán)次數(shù)和土質(zhì)成分等因素對(duì)黏性土干縮裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)均有一定的影響，但是對(duì)這方面的研究目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 干縮裂縫形成機(jī)理

土體中的孔隙是相互連通的，在充滿水的孔隙中，水能傳遞水壓力，這種由孔隙水傳遞的應(yīng)力稱為孔隙水壓力[17]。在非飽和土中，土中氣體承受的壓力為孔隙氣壓力，由于表面張力使水受張拉作用，使得孔隙氣壓力大于孔隙水壓力。毛細(xì)水壓力是對(duì)孔隙介質(zhì)吸引濕潤(rùn)流體或排斥非濕潤(rùn)流體的一種度量，非飽和土中常取孔隙水壓力與孔隙氣壓力的差值等于毛細(xì)水壓力，其大小取決于水分子與孔隙壁接觸角度、固體及流體的性質(zhì)以及流體的飽和度。基質(zhì)吸力主要是指土中毛細(xì)作用，一般基質(zhì)吸力占總吸力的主要部分，在非飽和土體中土顆?？紫稓馑好嫘纬墒湛s膜，孔隙氣壓力與孔隙水壓力不等且孔隙氣壓力大于孔隙水壓力，收縮膜承受著大于水壓力的氣壓力，則非飽和土體中基質(zhì)吸力孔隙氣壓力減去孔隙水壓力，當(dāng)孔隙氣體與大氣連通時(shí)，孔隙氣壓力等于大氣壓力[18]。

對(duì)等于氣液兩相流體的氣-液界面，由于固體相的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)曲面附加壓力，這種曲面附加壓力在大容器中忽略，但在毛管中比重較大，該附加壓力應(yīng)予以重視。自由水位以下為壓力，自由水位以上，毛細(xì)區(qū)域?yàn)槔Γ杂伤簧舷碌乃畨毫Ψ植既鐖D1所示，顆粒骨架承受水的反作用力，自由水面以下，土骨架受孔隙水的壓力作用，則土顆粒間壓力減小，自由水面以上，毛細(xì)區(qū)域內(nèi)，土骨架受孔隙水的拉力作用。毛細(xì)水壓力呈倒三角形分布，彎液面處最大，自由水面處為零。

圖1 毛細(xì)水中的張力分布圖Fig.1 Tension distribution in capillary water

同時(shí)對(duì)飽和土體，在干燥過(guò)程中，由于水分將從土體的上表面蒸發(fā)散失，土體內(nèi)的含水量將是分層的，每層土體的含水量并不相同，并且由下而上土體的含水率將是逐漸減小的。

對(duì)處于超飽和狀態(tài)下的土體，土顆粒間距較大，且顆粒間充滿著水，隨著上表面水分的蒸發(fā)散失，表層土顆粒由結(jié)合水膜相互聯(lián)結(jié)，同時(shí)顆?？紫堕g充滿著水，此時(shí)為飽和狀態(tài)。但表層以下土顆粒仍處于超飽和狀態(tài)，此時(shí)表層土顆粒間將形成凹液面，在表面張力作用下而形成毛管，產(chǎn)生毛細(xì)水壓力，如圖2所示。

圖2 土體中水的分布情況及毛細(xì)水上升高度Fig.2 Distribution of water in soil mass and capillary water rising height

從基質(zhì)吸力和毛管水壓力方面對(duì)土體干縮及裂縫形成與發(fā)展機(jī)理進(jìn)行探討。

（1）初始裂縫開(kāi)始產(chǎn)生：在水分散失的過(guò)程中，水膜的表面張力一般情況下保持不變，為了保持毛管水膜處的平衡，毛管水頭hc將增大，由于孔隙水表面張力表現(xiàn)為對(duì)土顆粒的拉力，則土顆粒將相互靠近，進(jìn)而使毛管半徑r減小，這在宏觀上則表現(xiàn)為土塊試樣的體積收縮。此時(shí)隨著下層超飽和土體的水分散失，自由液面下降，毛管水頭hc將繼續(xù)增大，土顆粒進(jìn)一步相互靠近，直至土顆粒弱結(jié)合水膜相互靠近，自由水依舊從土顆粒孔隙間毛管散失，此時(shí)，土樣體積收縮量與土體含水量相等，此階段稱為正常收縮階段。在該階段土體失水體積等于收縮體積，含水率與孔隙比成正比例關(guān)系。隨著毛管水壓力繼續(xù)增大，當(dāng)表層土體在某些應(yīng)力集中部位（如表面凹凸部位）其抗拉強(qiáng)度小于周圍土顆粒所受到的毛細(xì)水壓力和凝聚力時(shí)，表層土體將發(fā)生開(kāi)裂產(chǎn)生裂縫。

（2）初始裂縫基本完成：在已形成裂縫的端部也存在著毛管，有毛細(xì)水壓力作用，同理此條裂縫將逐漸向下發(fā)展，直至到達(dá)一定含水率時(shí)，底層已無(wú)自由水液面為毛管供給水分，毛管作用消失，同時(shí)當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到40%～50%或者更低時(shí)，毛細(xì)水不再存在，毛管水壓力消失，此時(shí)，裂縫在深度上的發(fā)展基本完成。

（3）次裂縫基本完成：在初始裂縫（此處稱主裂縫）形成時(shí)，其兩側(cè)土體自表層開(kāi)始仍有毛管存在，且在一些土顆粒抗拉強(qiáng)度較小部位也會(huì)產(chǎn)生裂縫，此處可稱為次裂縫。同時(shí)，對(duì)于次裂縫的產(chǎn)生，在靠近主裂縫邊壁處的位置，在毛管水壓力和凝聚力作用下，由力學(xué)角度分析，當(dāng)土體所受拉力足夠大時(shí)才會(huì)達(dá)到抗拉強(qiáng)度，開(kāi)始產(chǎn)生裂縫。因此，當(dāng)次裂縫垂直于主裂縫時(shí)便滿足于這一條件，即次裂縫一般會(huì)垂直于主裂縫而產(chǎn)生并持續(xù)生長(zhǎng)，隨著次裂縫的形成完畢，裂縫的網(wǎng)絡(luò)輪廓已基本形成。

（4）土體處于固結(jié)狀態(tài)，進(jìn)入零收縮階段，整個(gè)土體的干縮裂縫基本完成：在次裂縫發(fā)展到一定階段時(shí)，空氣會(huì)由已產(chǎn)生的裂縫縱面進(jìn)入土體，并阻斷一些毛管形成孤立水，這些孤立水或大或小，在毛細(xì)水高度hc以上的土體中，土體并不是完全干燥的，由于降水和蒸發(fā)作用，在顆粒交接處存在孤立水，它們的存在必然引起基質(zhì)吸力。隨著干燥時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，土體中可供蒸發(fā)的水分越來(lái)越少，孔隙水連通性降低，毛細(xì)水作用逐漸削弱，水分主要分布在一些相對(duì)微小的孔隙中。此時(shí)，對(duì)于毛管水頭以上部分的土體，其土顆粒孔隙間充滿著空氣和水，即處于非飽和狀態(tài)。隨著水分的蒸發(fā)散失，孤立水（自由水）必將引起基質(zhì)吸力，以及在土顆粒結(jié)合水膜間的分子引力形成的凝聚力作用下，土顆粒間距會(huì)進(jìn)一步減小，土體會(huì)發(fā)生小部分的收縮，此時(shí)，土顆粒基本已靠近，部分失水的體積將以空氣來(lái)填充，在土體干縮殘余階段，失水體積大于收縮體積，收縮曲線呈下凹形。并且這一收縮現(xiàn)象在宏觀上表現(xiàn)為裂縫在寬度上進(jìn)一步增大，直至土顆粒自由水和弱結(jié)合水基本耗散完全，土顆粒間以強(qiáng)結(jié)合水或土顆粒分子引力膠結(jié)在一起。此時(shí)，該層土體基本處于固態(tài)，土體也不會(huì)發(fā)生收縮，該階段為零收縮階段。

至此，土體收縮及裂縫產(chǎn)生已基本完成，裂縫的具體形成模擬圖見(jiàn)圖3所示土體的干縮模擬。

圖3 土體干縮模型Fig.3 Simulation diagram of soil shrinkage

土體在干燥收縮過(guò)程中，含水量的變化是自上而下不同的，當(dāng)下層能提供毛管水的自由液面消失時(shí)，土體絕大部分處于飽和狀態(tài)，毛管力消失，裂縫形態(tài)基本確定。隨著表層土體失水，裂縫進(jìn)一步拓寬，裂縫基本發(fā)育完成，同樣對(duì)于整個(gè)土體試樣而言，土體的飽和度依然較高。在干燥收縮過(guò)程中，當(dāng)飽和度在減少到0.90的過(guò)程中，試樣的孔隙比迅速減少，并且收縮變形在此階段完成，當(dāng)飽和度減少到0.7時(shí)，孔隙比基本不變。

在干燥過(guò)程中，對(duì)土樣孔隙比、飽和度、含水率等進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該考慮到土體的含水量自上而下是不同的，這樣得到的分析結(jié)果會(huì)較為嚴(yán)謹(jǐn)，可利用價(jià)值高。同時(shí)若進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的試樣較小，整個(gè)土體試樣每層含水量差別不大，則也可忽略由于土體含水量的分層而帶來(lái)的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

同時(shí)，土體干燥收縮和裂縫產(chǎn)生是相互交織在一起的兩個(gè)過(guò)程，起初飽和土體體積收縮先于裂縫產(chǎn)生，隨后裂縫產(chǎn)生和體積收縮是兩個(gè)相輔相成的發(fā)展過(guò)程，并且兩者最終完成階段也基本相似，因此，在討論一般的土體干縮時(shí)，不宜將兩者分開(kāi)論證，大部分的裂隙在正常收縮階段完成發(fā)育，剩余裂隙主要在殘余階段完成發(fā)育，在干縮階段也伴隨著裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)際上有關(guān)土壤裂縫的研究報(bào)道呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，關(guān)于土體干縮裂縫形成的機(jī)理越來(lái)越受到人們的重視，對(duì)工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境治理均有顯著影響。筆者在本文中將土體干縮及裂縫形成發(fā)展的機(jī)理從力學(xué)機(jī)理方面進(jìn)行了系統(tǒng)的探討。目前國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)土體干燥收縮及裂縫產(chǎn)生機(jī)理方面進(jìn)行了研究，取得了一些成果，普遍認(rèn)同與毛管水壓力或基質(zhì)吸力有關(guān)。當(dāng)前在基質(zhì)吸力、毛管水壓力方面的研究已較為成熟。但是能在這些研究基礎(chǔ)上與土體干縮、裂縫產(chǎn)生結(jié)合起來(lái)來(lái)解釋其力學(xué)機(jī)理的研究較少，大部分學(xué)者對(duì)這方面僅僅是簡(jiǎn)單的探討，筆者認(rèn)為若能將兩個(gè)方面研究很好地結(jié)合在一起，建立起相關(guān)的理論模型，這將是未來(lái)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。