基底潛山對(duì)土體失水收縮開(kāi)裂動(dòng)態(tài)過(guò)程影響的試驗(yàn)研究

基底潛山對(duì)土體失水收縮開(kāi)裂動(dòng)態(tài)過(guò)程影響的試驗(yàn)研究

龔緒龍1， 孫強(qiáng)1，2， 張衛(wèi)強(qiáng)2， 薛雷3

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京210049；

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116；

3.中國(guó)科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029)

摘要：利用失水收縮性強(qiáng)的黏土，進(jìn)行含有基底潛山和無(wú)潛山兩種情況下土體失水開(kāi)裂特征試驗(yàn)。研究表明：(1)土體失水開(kāi)裂過(guò)程可劃分為開(kāi)裂前Ⅰ、快速開(kāi)裂Ⅱ、開(kāi)裂趨于停滯Ⅲ三個(gè)階段；(2)含有潛山的試驗(yàn)中裂縫發(fā)育演化時(shí)受到了基底起伏的顯著影響；(3)在Ⅲ階段，盡管表面開(kāi)裂仍在發(fā)生，裂縫發(fā)育的整體格局已經(jīng)不再發(fā)生顯著變化；從裂縫形態(tài)看，后期裂縫與前期裂縫主要呈現(xiàn)為垂直相交，特別是在起伏區(qū)范圍內(nèi)。飽和黏土表面開(kāi)裂主要是由水分喪失引起的土體基質(zhì)吸力和表面收縮率的變化產(chǎn)生的，邊界條件和基底起伏對(duì)開(kāi)裂有著顯著控制作用。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)環(huán)境； 土體裂縫； 地質(zhì)災(zāi)害； 潛山

收稿日期：*2014-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題；國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：龔緒龍(1982-)，男，湖北枝江人，工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域研究.E-mail：xulonggong@126.com

通訊作者：孫強(qiáng)(1981-)，男，河北衡水人，副教授，主要是從事工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害教學(xué)與研究工作.E-mail：Sunqiang04@126.com

中圖分類號(hào):P642.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0011

The Influence of a Buried Hill in Basement on the Dynamic

Process of Cracking Due to Soil Desiccation

GONG Xu-long1， SUN Qiang1，2， ZHANG Wei-qiang2， XUE Lei3

(1.KeylaboratoryforEarthFissuresGeologicalDisaster，MinistryofLandandResources，Nanjing，Jiangsu210049，China；

2.SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221116，China；

3.KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics，InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademy

ofSciences，Beijing100029，China)

Abstract：The cracking of soil has resulted in significant geological engineering and environmental problems.Indoor experiments on water loss ratio and the desiccation cracking of clay were carried out at room temperature.The research results indicate that：(1) the cracking progress can be divided into pre-cracking， rapid cracking， and cracking stagnation stages， (2) the cracking process is influenced by the buried hill of basement， and (3) though the surface cracking persists， the pattern of cracking has not significantly changed.The later cracks were approximately perpendicular to the early cracks，especially in the basement zone.The change in metric suction and surface shrinkage through water loss leads to the desiccation and cracking of the clay and the cracking process is controlled primarily by the boundary and geomorphologic form of the basement.

Key words： geological environment； soil crack； geological hazard； buried hill

0引言

土體開(kāi)裂是地表土層發(fā)生變形的一種現(xiàn)象[1-3]。隨著人類工程活動(dòng)和資源開(kāi)發(fā)的影響日益擴(kuò)大，地裂縫的發(fā)育和擴(kuò)展帶來(lái)了大量的危害[4-20]。例如，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低[4-5]，誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)[6-8]；地基承載力下降，引起上部建筑物變形破壞[9-11]；誘發(fā)堤壩潰決[12]；導(dǎo)致土壤水分快速蒸發(fā)，致使土壤肥力下降[14-20]等。因此，土體開(kāi)裂成為眾多研究人員關(guān)注的問(wèn)題。

土體裂縫成因大致可劃分為構(gòu)造和非構(gòu)造兩種。構(gòu)造裂縫有規(guī)律可循，幾何形態(tài)一般較為簡(jiǎn)單，多呈現(xiàn)為一組或多組主控裂隙(如平行、共軛或垂直等)，在底部巖層中亦相應(yīng)裂縫發(fā)育；裂縫發(fā)育規(guī)模和區(qū)域較大，延伸較長(zhǎng)，分支較少，縱向切深較大，剪切裂隙；基底構(gòu)造簡(jiǎn)單平緩的地帶一般不發(fā)育。對(duì)區(qū)域工程活動(dòng)起到制約性影響。非構(gòu)造裂縫發(fā)育多呈現(xiàn)為較為雜亂形態(tài)，一般無(wú)固定的組(系)；裂縫發(fā)育規(guī)模小，一般多集中在局部地帶或區(qū)域，與基底巖層裂縫無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系；裂縫發(fā)育地帶內(nèi)其規(guī)模和形態(tài)變化很大，一般延伸和縱向切深較小。目前對(duì)考慮構(gòu)造效應(yīng)和非構(gòu)造效應(yīng)共同作用下土體裂縫研究還很少。

事實(shí)上土體開(kāi)裂現(xiàn)象在近地表環(huán)境十分普遍，但其發(fā)生需要具備一定的條件。一般說(shuō)來(lái)土體開(kāi)裂主要受物質(zhì)基礎(chǔ)、受力狀態(tài)、邊界環(huán)境三方面因素的影響。物質(zhì)基礎(chǔ)包括土體的礦物組成、含水量等，是開(kāi)裂現(xiàn)象所依附的載體和承受體；受力狀態(tài)控制著土體變形規(guī)律和臨界開(kāi)裂條件；邊界環(huán)境因素決定著土體與周圍介質(zhì)之間的物質(zhì)和能量交換。上述三個(gè)因素可以表示為圖1(a)所示的封閉三角形。土體開(kāi)裂三角形基本上對(duì)影響土體開(kāi)裂因素進(jìn)行了高度概括，可以對(duì)土體開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行解釋。但是，為了更好地對(duì)土體開(kāi)裂發(fā)生和發(fā)展的時(shí)空演化特征和臨界條件進(jìn)行研究，將開(kāi)裂三角形擴(kuò)大到包括土體結(jié)構(gòu)(影響著開(kāi)裂的孕育和演化過(guò)程)在內(nèi)的附加維，從而形成了圖1(b)所示的土體開(kāi)裂四面體。

圖1　土體開(kāi)裂主控因素 Fig.1　The main control factors of soil cracking

本文利用失水收縮性強(qiáng)的黏土，進(jìn)行含有基底潛山和沒(méi)有潛山兩種情況下的土體失水開(kāi)裂特征試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上分析探討土體干縮開(kāi)裂發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程特征與基底起伏對(duì)裂縫發(fā)育的影響。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溆?0 cm×50 cm×30 cm的玻璃制成。試驗(yàn)分為無(wú)潛山和底部含有潛山兩種情況進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)黏土處于自然風(fēng)干狀態(tài)下失水產(chǎn)生裂縫進(jìn)行研究。所取黏土屬風(fēng)化殘積物，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1。試驗(yàn)時(shí)將土和水充分?jǐn)嚢?，使黏土處于流?dòng)狀態(tài)(圖2)，然后對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，對(duì)其失水收縮與開(kāi)裂過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)記錄。

圖2　試驗(yàn)初始狀態(tài) Fig.2　The initial state of test model

內(nèi)容數(shù)值塑限ωp/%28液限ωL/%37塑性指數(shù)ⅠP/%9比重2.69小于某粒徑/mm的百分含量/%<0.0020.41<0.0061.85<0.014.39<0.02516.7<0.03829.5<0.05343.1<0.07562.8

無(wú)潛山的試驗(yàn)是箱底直接平坦的情況，飽水黏土初始厚度5 cm，放置于通風(fēng)較好位置。底部含有潛山的試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：底部預(yù)置4 cm高混凝土，在中部預(yù)設(shè)了由硬化的水泥構(gòu)成的7 cm高的潛山(圖3)，潛山頂點(diǎn)到圖中上、下、左、右側(cè)容器壁的垂直距離分別為25、25、23、27 cm；潛山底部半徑約為13.2 cm；圖3(b)中顯示的A、B點(diǎn)為設(shè)計(jì)的潛山陡面處(紅色線所圈區(qū)域)的曲率近似最大位置；試驗(yàn)時(shí)飽和黏土覆蓋厚度約為12 cm(超過(guò)潛山頂面3 cm)。

圖3　模型裝置 Fig.3　Test model

2開(kāi)裂過(guò)程裂縫發(fā)育特征動(dòng)態(tài)分析

2.1無(wú)潛山試驗(yàn)裂縫發(fā)育特征

由圖4可知，在靜置8天(190 h，圖4(a))左右時(shí)土體已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的裂縫發(fā)育跡象；10天(240 h，圖4(b))時(shí)裂縫已經(jīng)發(fā)育至整個(gè)試樣表部范圍內(nèi)，通過(guò)與圖4 (c)、(d)對(duì)比分析可知，此時(shí)試樣的最終裂縫發(fā)育形態(tài)已經(jīng)有所顯現(xiàn)；在之后隨著土體水分的進(jìn)一步失去，土體裂縫的寬度和深度迅速增加，并且在已經(jīng)被切割的土體小塊上發(fā)育了新的次一級(jí)裂縫，造成土塊進(jìn)一步被切割。從裂縫發(fā)育和演化的過(guò)程來(lái)看，裂縫一般首先在容器的邊緣出現(xiàn)，初始裂縫和次一級(jí)裂縫之間多呈現(xiàn)為垂直關(guān)系。

圖4　 裂縫演化過(guò)程(無(wú)潛山) Fig.4　Development process of cracks (without buried hill)

2.2含基底潛山試驗(yàn)裂縫發(fā)育特征

按裂縫出現(xiàn)時(shí)間順序?qū)χ饕芽p進(jìn)行了編號(hào)：F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11。隨著失水增加，土體裂縫開(kāi)始出現(xiàn)在位于邊界范圍的區(qū)域(圖5)，開(kāi)裂的起點(diǎn)位于右側(cè)器壁，F(xiàn)1的發(fā)育演化顯著受邊界條件的影響，而與潛山基本無(wú)關(guān)聯(lián)。隨著土體失水增加，已形成的裂縫F1的長(zhǎng)度、寬度和深度快速生長(zhǎng)；另外容器邊緣部位也有長(zhǎng)度較短的裂縫發(fā)育(圖5(b)～(d))。

圖5　土體開(kāi)始開(kāi)裂 Fig.5　The beginning of soil cracking

圖6顯示出其后發(fā)育的主要裂縫F2、F3、F4、F5、F6、F7都在潛山范圍內(nèi)發(fā)育；F2、F3、F4三條裂縫的開(kāi)裂點(diǎn)近似與圖3(b)中的A點(diǎn)對(duì)應(yīng)，三條裂縫呈現(xiàn)為放射狀發(fā)育；F5的開(kāi)裂點(diǎn)與圖3(b)中的B點(diǎn)對(duì)應(yīng)，且與F4垂直相交；F6、F7兩條裂縫近似平行發(fā)育，且與F3、F5垂直；F2、F3、F4、F5、F6、F7將潛山頂部切割為孤立的塊體。

由圖6可以明顯地看出， 裂縫的發(fā)育演化徑跡和過(guò)程受到了基底起伏的顯著影響，體現(xiàn)為裂縫發(fā)育長(zhǎng)度超長(zhǎng)，且裂縫整體開(kāi)裂方向圍繞潛山發(fā)育。這個(gè)階段的開(kāi)裂與基底起伏造成的沉降差有關(guān)，潛山周圍所在位置更加有利于水分的蒸發(fā)。從開(kāi)裂的空間形態(tài)來(lái)看，裂縫發(fā)育整體格局都明顯受到了潛山的控制，主要裂縫F2、F3、F4、F5、F6、F7的開(kāi)裂點(diǎn)均在潛山范圍內(nèi)；且由圖6(a)～(d)可知，在439～901 h的時(shí)間段內(nèi)的裂縫發(fā)育規(guī)律主要為：(1)F1～F7裂縫的長(zhǎng)度、寬度和深度有了很大發(fā)展，成為控制了后續(xù)裂縫的發(fā)育；(2)潛山范圍外的區(qū)域裂縫多發(fā)育在容器邊緣位置，且規(guī)律相對(duì)不明顯，如F8、F10的開(kāi)裂點(diǎn)位于土體與容器交界部位，且三條裂縫均發(fā)育在前期控制性裂縫切割形成的土塊上；(3)潛山頂部范圍土體開(kāi)裂程度最為嚴(yán)重，近似呈放射狀開(kāi)裂，且可以從頂部看到模型預(yù)先設(shè)計(jì)起伏所用的硬化水泥。需要指出的是，若含水量進(jìn)一步降低，圖6中較大的塊體仍有可能開(kāi)裂，但這個(gè)過(guò)程需要更長(zhǎng)時(shí)間。

圖6　裂縫演化過(guò)程 Fig.6　Development process of the cracks

圖7中圈出了基底起伏涵蓋的范圍，并給出了568 h后的土體表面高度的等值線(568 h之后等高線幾乎不變)。根據(jù)圖7可知，潛山范圍內(nèi)的主要裂縫F2、F3、F4、F5、F7發(fā)育基本都在等值線較為密集的部位，即主要裂縫的開(kāi)裂點(diǎn)近似對(duì)應(yīng)著潛山的山腰位置(如圖3(b)中A、B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)部位)，該部位開(kāi)裂點(diǎn)的形成明顯受到了土體收縮過(guò)程中局部應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)控制。

圖7　土體裂縫發(fā)育與地形等值線 Fig.7　Developement of soil cracks and terrain contour

試驗(yàn)時(shí)土樣初始含水量較高，在試驗(yàn)的前410 h，土樣表面未觀測(cè)到發(fā)生明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，但在玻璃與土樣交界部位可以發(fā)現(xiàn)較為明顯的收縮痕跡。根據(jù)試樣開(kāi)裂過(guò)程中表面開(kāi)裂率(試樣表面裂縫面積總和與試樣初始表面面積的百分比)和裂縫發(fā)育條數(shù)，可以將裂縫發(fā)育演化的動(dòng)態(tài)特征過(guò)程劃分為開(kāi)裂前Ⅰ(0～410 h)、快速開(kāi)裂Ⅱ(410～640 h)、開(kāi)裂趨于停滯Ⅲ(>640 h)三個(gè)階段(圖8)。這里，需要說(shuō)明的是，盡管在第Ⅲ階段裂縫的條數(shù)和開(kāi)裂面積率仍然會(huì)有較大增長(zhǎng)，但從開(kāi)裂后土體裂縫的空間分布格局來(lái)看，已經(jīng)不會(huì)產(chǎn)生大的改變。

圖8　裂縫面積率、裂縫條數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線 Fig.8　Relationship between crack area ratios，crack numbers and time

3結(jié)論與建議

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)有無(wú)基底潛山的土體失水開(kāi)裂的全動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論。

(1) 土體失水開(kāi)裂過(guò)程可劃分為開(kāi)裂前Ⅰ、快速開(kāi)裂Ⅱ、開(kāi)裂趨于停滯Ⅲ三個(gè)階段。

(2) 裂縫動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中受到了模型邊界和潛山起伏的顯著影響；在潛山起伏區(qū)，裂縫開(kāi)裂點(diǎn)一般位于潛山山腰拐點(diǎn)處，山頂裂縫近似呈放射狀發(fā)育；潛山區(qū)的主要裂縫是整個(gè)區(qū)域發(fā)育的控制性裂縫。

(3) 從裂縫形態(tài)看，后期裂縫與前期裂縫主要呈現(xiàn)為垂直相交，特別是在潛山范圍內(nèi)和土體與容器交接的邊緣部位。

對(duì)于土體開(kāi)裂的過(guò)程中不同期次發(fā)育的物理力學(xué)-幾何形態(tài)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和機(jī)理需進(jìn)一步深入分析。需要指出的是，由于土體失水開(kāi)裂過(guò)程的復(fù)雜性，特別是土體本身物理性質(zhì)、基底起伏形態(tài)、容器幾何-物理特征和環(huán)境因素等，需進(jìn)一步深入研究。

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