黏土失水開裂演化過程的影響試驗

謝建寶， 姚亞輝， 龔緒龍， 張衛強

(1. 江蘇省地質工程有限公司，江蘇南京210018； 2. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇南京210018； 3. 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051； 4. 江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018)

?

黏土失水開裂演化過程的影響試驗

謝建寶1，2， 姚亞輝3， 龔緒龍2，4， 張衛強2

(1. 江蘇省地質工程有限公司，江蘇南京210018； 2. 國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇南京210018； 3. 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051； 4. 江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018)

摘要：裂隙性為黏土的主要特性之一。探討黏土的開裂規律，對于分析地裂縫成因機理，開展預測研究具有重要的理論意義和工程價值。通過室內試驗，研究了黏土干燥收縮過程中含水率的變化規律。分別制備不同厚度、寬度、含砂量的試樣，獲得不同條件下黏土失水過程含水率的變化規律。在試驗所設定的條件下，土體開裂時的含水率很接近，平均約為33.48%；當樣品寬度不變時，土層越厚，含水率變化速率越小；當樣品厚度相同時，寬度不同，含水率變化速率幾乎相同；當厚度、寬度都相同時，含水率變化速率隨含砂量的增大而減小。對于同一樣品，土體厚度越大，樣品裂隙率越小；土體厚度相同時，樣品的裂隙率隨著樣品寬度的增大先減小后增大，且樣品的開裂周期與樣品的裂隙率同步變化。

關鍵詞：黏土；含水率；失水；開裂；江蘇常州

0引言

裂隙性黏土是在自然地質的形成過程中產生的一種多裂隙且具有顯著脹縮性的地質體，其主要成分是強親水性的礦物蒙脫石、伊利石及其混層黏土礦物。在干旱的氣候條件下，土體干縮失水，到達一定程度后，土體表面和內部就會發育大量縱橫交錯的干縮裂隙，在黏粒含量較高的膨脹土中，這種現象尤其普遍和典型。黏土干縮裂縫是自然界中常見的現象，它不僅破壞土體的整體性，而且也為降雨入滲提供了良好的通道，從而降低土體強度，是影響黏土工程性質的重要因素。工程中干縮裂縫的發育直接影響土體的強度和穩定性，進而會縮短工程的服務年限，甚至直接威脅人的生命安全，造成不可估量的后果(姚海林等，2001；孔令偉等，2007；殷宗澤等，2012)；裂隙還會增加土體的風化深度，加重坡面水土流失，破壞生態環境(唐朝生等，2012)。由此可見，土體干縮裂隙在邊坡穩定性(殷宗澤等，2010，2011，2012)、地基承載力(孔德坊，1994；劉特洪，1997；Morrisetal., 1992)、堤壩穩定性(王延貴，2003)、地裂縫形成(汪麗，2006)、土壤肥力(黃樹輝等，2004a，2004b；裴銀鴿等，2012;Bandyopadbyayetal.， 2003)等許多領域內都有極其重要的影響。沈珠江等(2004)和鄧剛等(2006)采用非飽和簡化固結理論，在對飽和土的有限元程序進行相應修改的基礎上，對黏土體干濕過程中表面裂縫的形成過程進行了數值模擬。

地裂縫作為蘇錫常地區的一種地質災害，對該地區的發展造成了嚴重危害。研究黏土開裂的基本規律和裂隙分布狀況，并提出相應的防治對策，對解決工程中土體開裂問題具有重要意義。針對土體失水作用過程中表面裂縫的發育規律，通過室內土工試驗等分析手段，從土體的外形尺寸和含砂量兩方面進行研究，探討土體失水作用過程中土體含水率的變化規律，對蘇錫常地區地裂縫的形成機制進行研究。

1土體失水開裂試驗

試驗采用的土樣為江蘇常州地區的地表黏土，呈土黃色，取樣深度約1m。樣品制備：土樣取回室內后，進行機械粉碎，將粒徑>1cm的土塊粉碎；在105 ℃條件下，在烘箱內干燥24h，使土樣的初始含水量為0。通過篩分篩選出粒徑<2mm的土樣，留作試驗樣品。由于主要研究裂縫表面形態的演化特征，所以采用材質較硬的鋼化玻璃作為黏土干縮試驗容器的基底，玻璃模型幾何外形分5種類型，長均為30cm，高均為10cm，寬分別為3、5、10、15、20cm5種。稱量儀器采用精密電子稱，精度0. 01g。表1為土樣的基本物理性質指標。

表1　土樣的基本物理性質指標

黏土的礦物組成與黏土物理力學性質密切相關。X射線衍射(圖1)和X射線熒光(表2)分析結果表明，黏土樣中黏土礦物質量分數較高是黏土與水作用明顯的原因，隨著含水量的變化，黏土的體積會發生顯著變化，因此宏觀上土體會產生明顯的變形現象。

圖1　試驗黏土XRD光譜圖Fig.1　XRD spectrogram of the test clays

樣品質量分數/%Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOCO210.501.4116.6161.958.531.179.0520.501.4216.6962.048.591.178.80

根據土體厚度不同共進行5組試驗，第1至第5組土樣厚度h分別為2.6、5.2、20、65、70mm。每組試驗依據玻璃模型寬度不同分為5份樣品，1—5號樣品玻璃模型寬度d分別為3、5、10、15、20cm。為研究含砂量對黏土開裂的影響，選取含砂量分別為0、50、100、150g進行試驗。試驗過程中烘箱溫度控制在65 ℃，定時對試樣進行拍照、稱量，觀察土體干燥過程中裂縫的演化過程。當裂縫出現時縮短稱量、拍照的時間間隔，增加稱量、拍照次數。實驗裝置如圖2所示。

圖2　試驗裝置Fig.2　Experimental equipments (a) group 1; (b) group 2; (c) group 3; (d) group 4; (e) group 5

2黏土失水作用過程中含水率變化規律

含水率的大小是影響黏土體干縮開裂的關鍵因素，試驗過程中定時測量每個樣品的質量，以統計樣品的含水率，其計算方法如下。

(1)

式(1)中，ω為含水率，m0為土體干質量，mi為土體測試時的質量。

表3為土體開裂時樣品的含水率統計表。結果顯示，土層的厚度、容器的寬度對土樣開裂時的含水率均沒有直接關系。在試驗所設定的條件下，土體開裂時的含水率基本一致，約為33.48%。

表3　土體開裂時樣品的含水率

圖3是樣品寬度d分別為3、5、10cm時不同厚度含水率變化曲線。圖4為不同寬度含水率下降速率與土層厚度關系曲線。研究發現，當寬度不變時，土層越厚，含水率變化速率越小。

圖5—7是樣品厚度h為2.6、5.2、20mm時樣品含水率隨時間的變化曲線。當厚度相同時，寬度不同，含水率變化速率幾乎相同，表4所示為同一厚度下，不同寬度的樣品含水率下降速率。由此可知，當土樣厚度相同時，不同寬度的樣品含水率下降速率幾乎相同，并且隨著厚度的增加，同一樣品含水率下降速率逐漸減小。

圖8所示是厚度h=70mm、寬度d=20cm、含砂量不同時含水率隨時間的變化曲線。由圖8可知，含砂量為0g的樣品含水率下降速率最大，含砂量為150g的樣品含水率下降速率最小。表5為不同含砂量樣品含水率下降速率。由此可知，當厚度、寬度都相同時，含水率變化速率隨含砂量的增大而減小。

3黏土失水作用過程中裂隙率變化規律

采用裂隙率來描述裂隙的總體分布特征，即使用MATLAB的圖形圖像像素統計功能，將土樣開裂和未開裂的部分,分別轉換成圖形圖像處理中所需要的像素，白色像素點代表試樣未開裂的部分，黑色像素點代表試樣開裂的部分，分別統計白色和黑色像素點數。黏土試樣的最終裂隙率即為黑色像素點數與總像素點數的百分比，如下式所示。

(2)

圖3　不同厚度含水率隨時間變化曲線Fig.3　Variation curves of moisture content with time for samples with different thickness(a) d=3 cm; (b) d=5 cm; (c) d=10 cm

式(2)中，ε為裂隙率；Ai為第i條裂隙所占的面積；A為統計試樣面積；nh為黑色像素點數，即試樣中裂隙部分面積；nb為白色像素點數，即試樣中未開裂部分面積；n為總像素點數，即試樣的總面積。由

圖4　不同寬度含水率下降速率與土層厚度關系曲線Fig.4　Relationship of moisture content declining rate with soil thickness for samples with different widths

圖5　樣品含水率-時間函數曲線(土層厚度h=2.6 mm)Fig.5　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=2.6 mm)

裂隙率的定義可以看出，統計的裂隙率只考慮裂隙的平面形態，對其深度沒有研究，主要是目前的技術對裂隙深度的演化還不能進行有效的、精確的定量統計，但所采用的裂隙率可以很好地表征裂隙特征對土體性能的影響。因此，選取上述方式所得到的裂隙率代表裂隙的綜合指標。圖9為采用MATLAB軟件對圖像進行處理得到的灰度圖像。

圖6　樣品含水率-時間函數曲線(土層厚度h=5.2 mm)Fig.6　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=5.2 mm)

表6為同一寬度下，不同厚度的樣品裂隙率大小的對比表。對于同一樣品，土體厚度越大，樣品裂隙率越小。表6直觀地反映了裂隙率隨樣品厚度的變化規律，開裂過程中裂隙率由大到小依次為：h=2.6mm>h=5.2mm>h=20mm> h=65mm。開裂周期由小到大為h=2.6mm

圖7　樣品含水率-時間函數曲線(土層厚度h=20 mm)Fig.7　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=20 mm)

樣品編號含水率下降速率k12345h=2.6mm-1.46-0.97-1.23-0.89-1.28h=5.2mm-2.45-2.01-1.87-1.98-2.21h=20mm-7.10-7.02-6.96-7.54-7.37h=65mm-12.70-12.92-11.67-13.45-12.89h=70mm-13.00-12.78-12.93-13.17-12.39

圖8　不同含砂量樣品含水率-時間函數曲線Fig.8　Function curves of moisture content and time for samples with different sand contents

含砂量/g050100150含水率下降速率k-1.11-0.84-0.52-0.47

圖9　MATLAB圖像處理Fig.9　Image processing by MATLAB(a) before processing; (b) after processing

表7為同一厚度下，不同寬度的樣品裂隙率大小的對比表。表7顯示，土體厚度相同時，樣品的裂隙率隨寬度的增大先減小后增大，且開裂周期與裂隙率同步變化。當樣品寬度<5～10cm時，樣品的裂隙率、開裂周期隨著寬度的增大而減小；當樣品寬度>5～10cm時，樣品的裂隙率、開裂周期隨著寬度的增大而增大。

表6　同一寬度下不同厚度的樣品裂隙率大小比較

表7　同一厚度下不同寬度的樣品裂隙率大小比較

4結論

黏土干縮裂縫的形成和發展會對土體的強度、穩定性和滲透性等產生影響，其影響范圍廣泛分布于土壤學、農業、工程地質和環境保護等學科。通過室內模擬試驗，研究黏土干縮裂縫的形成和發展過程中土體寬度、厚度、含砂量3個因素對土體含水率變化的影響規律。

(1) 在試驗所設定的所有條件下，土體開裂時的含水率非常接近，平均約為33.5%。

(2) 當樣品寬度不變時，土層越厚，含水率變化速率越小；當樣品厚度相同時，寬度不同，含水率變化速率幾乎相同。

(3) 當厚度、寬度都相同時，含水率變化速率隨含砂量的增大而減小。

(4) 對于同一樣品，土體厚度越大，樣品裂隙率越小；土體厚度相同時，樣品的裂隙率隨著樣品寬度的增大先減小后增大，且樣品的開裂周期與裂隙率同步變化。當樣品寬度<5～10cm時，樣品的裂隙率、開裂周期隨著樣品寬度的增大而減小；當寬度>5～10cm時，樣品的裂隙率、開裂周期隨著樣品寬度的增大而增大。

參考文獻：

鄧剛，沈珠江，楊代泉，2006.黏土表面干縮裂縫形成過程的數值模擬[J].巖土工程學報，28(2):241-248.

黃樹輝，呂軍，曾光輝，2004a.水稻土裂縫的生產對N2O釋放的影響[J].中國環境科學，24(4):410-413.

黃樹輝，呂軍，2004b.水稻土裂縫的演變及其還原酶活性的變化研究[J].水土保持學報，18(1):39-42.

孔德坊，1994.裂隙性黏土[M].北京：地質出版社.

孔令偉，陳建斌，郭愛國,等，2007.大氣作用下膨脹土邊坡的現場響應試驗研究[J].巖土工程學報，29(7):1065-1073.

劉特洪，1997.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業出版社.

裴銀鴿，徐則民，張家明，2012.土體干縮裂縫研究進展[J].應用生態學報，23(4):1137-1144.

沈珠江，鄧剛，2004.黏土干濕循環中裂縫演變過程的數值模擬[J].巖土力學，25(增刊2):1-6.

唐朝生,施斌,劉春，2012.膨脹土收縮開裂特性研究[J].工程地質學報，20(5):663-673.

王延貴，2003.沖積河流岸灘崩塌機理的理論分析及試驗研究[D].北京：中國水利水電科學研究院.

汪麗，2006．地表水與地裂縫活動關系的現場試驗研究[D]．陜西西安：長安大學.

姚海林，鄭少河，陳守義，2001.考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩定性分析[J].巖土工程學報，23(5):606-609.

殷宗澤,韋杰,袁俊平，等，2010.膨脹土邊坡的失穩機理及其加固[J].水利學報，41(1):1-6.

殷宗澤,徐彬，2011.反映裂隙影響的膨脹土邊坡穩定性分析[J].巖土工程學報,33(3):454-459.

殷宗澤,袁俊平，韋杰，等，2012.論裂隙對膨脹土邊坡穩定性的影響[J].巖土工程學報，34(12):2155-2161.ALBRECHTBA,BENSONCH， 2001.Effectofdesiccationoncompactednaturalclays[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, 127(1):67-75.

BANDYOPADBYAYKK，MOHANTYM，PAINULIDK， 2003.InfluenceoftillagepracticesandnutrientmanagementoncrackparametersinvertisolofcentralIndia[J].SoilandTillageResearch, 71(2): 133-142.

MORRISPH,GRAHAMJ,WILIAMSDJ， 1992.Crackingindryingsoils[J].CanadianGeotechnicalJournal, 29(2):263-267.

Experimental study on the influence factors of evolution process of clay dehydration cracking

XIE Jianbao1,2, YAO Yahui3, Gong Xulong2,4, ZHANG Weiqiang2

(1.JiangsuGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Nanjing210018,Jiangsu,China; 2.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources,Nanjing210018,Jiangsu,China; 3.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,CGS,Baoding071051,Hebei,China; 4.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)

Abstract：Fissure is one of the main characteristics of clay. Clarifying the cracking rules of the clay is of important theoretical significance and engineering value to illuminate the genetic mechanisms of ground fissure and conduct prediction research. This work studied the variations of water content during the clay drying shrinkage based on indoor experiments. Samples with different thicknesses, widths and sand contents were prepared, respectively, and the variations of water content during clay dehydration process under varying conditions were obtained. Under the condition of the experiment, the water content of all clay is about 33.48% when the clay began to crack. With the same sample width, the thicker the soil is, the smaller the variation rate of water content is. When the samples have the same thickness, the variation rate of water content hardly changes with the sample width. When the sample thickness and width are the same, the change rate of water content is inversely proportional to the amount of sand. For the same soil sample, the greater the thickness is, the smaller the fissure rate is. With the same sample thickness, the sample fissure rate first decreases and then increases with the increasing sample width, and the cracking cycle changes synchronously with the fissure rate.

Keywords：clay; water content; water loss; cracking; Changzhou in Jiangsu Province

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.346

收稿日期：2015-01-12；修回日期：2015-11-02；編輯：蔣艷

基金項目：國土資源部行業科研專項“蘇南平原區地裂縫成因機制及預警研究”(201411096)

作者簡介：謝建寶(1968—)，男，高級工程師，主要從事工程地質勘察與研究工作,E-mail： xiejianbao@163.com

中圖分類號：P694; TU411.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0346-06