晴雨交替環境的膨脹土裂隙發展規律研究

佟宏偉

（上海城投水務（集團）有限公司，上海市 200002）

0 引言

膨脹土的裂隙很容易出現與發展。膨脹土地基與邊坡中的裂隙存在，一方面由于裂隙導水性質遠好于均勻土體，裂隙通道增加了土體的滲透性，加劇了土體結構的濕化變形與膨脹土的脹縮，使土體強度降低、結構破壞；另一方面裂隙面兩側土體不接觸或弱接觸，裂隙面上的正應力接近為0，裂隙的存在使土體裂隙面強度遠小于同樣應力環境的均勻土體強度，使土體更容易沿裂隙面滑動失穩。

對于膨脹土邊坡與地基，由于氣候條件的變化，晴雨交替，膨脹土反復吸水和失水，土體裂隙經歷了“發育-閉合-再發育”的反復循環過程，裂隙的產生與發展肯定與干旱環境不一樣。正是由于這種不同，所以在不同地區，由于氣候環境不同，類似性質的土體裂隙也不同，在工程設計中進行長期穩定計算時需要進行區分。

膨脹土裂隙方面研究相對較多。Chertkov[1]研究了膨脹土干縮裂縫網絡的曲折性。Scott[2]根據經驗研究了土體裂隙密度的分布，認為裂隙密度近似服從指數分布。Vogel[3]研究了裂隙的幾何特征。Nahlawi和Kodikara[4]研究了在實驗室條件下比較薄的粘土層在恒溫恒濕條件下裂縫的發展情況。H.NA HLAWI[5]通過觀察裂縫形態的演化，來解釋粘土裂縫形成的瞬態機理。袁俊平[6,7]從統計分析的角度對裂隙的特征和影響作了初步的定量研究。唐朝生[8-10]對不同土層厚度、干濕循環次數和土質成分等條件下獲得的干縮裂縫網絡進行定量分析和對比。王景明[11]在研究黃土構造裂隙中用玫瑰花圖作為描述裂隙的方法。孔德坊[12]用直方圖直觀的表明了裂隙的傾角、長度、間距和裂隙灰白粘土厚度的分布特征。在裂隙開展深度研究方面，Fredlund[13]在其專著《非飽和土土力學》中指出，土質邊坡的裂縫開裂深度；姚海林[14]結合斷裂力學求得裂縫開裂深度的計算公式。

但是，在晴雨交替導致膨脹土干濕循環條件下的膨脹土裂隙發育規律，依然沒有存在定論。

1 晴雨條件下的裂隙發展試驗設計

試驗的主要目的是通過干旱少雨環境，以及降水多發環境下的裂隙開展模擬試驗，研究不同氣候條件下土體裂隙開展規律以及裂隙參數是否存在差異。

雖然在干旱地區與多雨地區的溫度、濕度不同，但是模擬試驗的目的只是為了模擬晴雨交替與單純的無雨環境的對比，影響因素過多會使試驗結果的分析變得復雜。試驗選擇溫度、濕度、光照度等環境參數相同的同一個試驗槽。

試驗開始前，分別填筑同樣的膨脹土試樣，初始含水率均為30.0%，兩個區域之間用柔性格擋，保證兩部分土體中間不開裂（見圖1）。

試驗期間，在實際沒有降水的天氣，試驗槽兩個區域同樣敞開，使土體失水干縮。在降水天氣，為了防止土體表面的裂隙結構被沖刷，利用土工膜與彩條布做防雨覆蓋。晴雨交替區用噴霧器定期噴灑一定質量的水來模擬降水，模擬降水結束后，依然讓土體蒸發，形成晴雨交替。

圖1 不同氣候裂隙模擬試驗分區

試驗在夏季中國江淮地區進行，以試驗開始的時間7月10日為基準D0，試驗期間早、中、晚、夜每天4次左右，對環境溫度、濕度以及光照度進行記錄，數據記錄結果見圖2～圖4。

圖2 試驗期間的環境溫度

圖3 試驗期間的環境濕度

圖4 試驗期間的日間光照度

試驗開始階段的氣溫平均在35℃，后期平均為30℃。環境相對濕度值較大，平均在70%左右，但是總體土表的濕度值大于環境濕度，總體以蒸發為主，試樣的含水率在非降水時間處于降低趨勢。由于天氣與樹木的影響，試驗期間的光照度波動很大，但光照度的變化不影響試驗過程。

2 單純干旱氣候下的土體裂隙開展過程

試驗填筑完成后，由于氣溫較高，土體表面迅速失水，膨脹土收縮開裂，10 min之后，可以在土表發現細微可見的裂隙；隨著試驗的進行，裂隙逐漸發展，1 h后，裂隙變得非常明顯，土體表面可見多條小裂隙分布；試驗進行24 h后，土體表面裂隙尺寸增加、長度增加，一些裂隙連接到一起；試驗48 h之后，土體表面裂隙形成網格結構，裂隙尺寸進一步增加；試驗進行到更長時間后，裂隙形態與48 h的裂隙形態基本相似，整體變化不大。

由圖5中可以看出，由于試驗環境、狀態、土體都一樣，所以裂隙開展的過程、結果以及裂隙形態、尺寸等數據也基本一樣。

試樣填筑完成后，觀測土體。圖中可以明顯看出，干旱區與晴雨交替區的初始情況基本一樣。表層土體蒸發失水后微細裂隙出現（見圖5）；60 min的測值有著明顯的變化，此時，兩個模擬區域的裂隙都明顯可見；1 000 min后，土體裂隙發育，裂隙呈現網格狀分布。

與表層測值相對照的是，10 cm以下裂隙觀測值在短時間內均保持穩定，短期內未受土體表面蒸發影響。試驗時間內，土體裂隙的深度整體小于20 cm。

3 晴雨交替的土體表面裂隙變化

試驗進行一周后，裂隙發展基本穩定。針對晴雨交替區進行模擬降水，整個試驗過程模擬降水3次，降水量分別對應中雨、大雨與小雨，見表1。

試驗開始后的D8時間，利用噴霧器對晴雨區進行模擬降水。降水前后的試驗區表面情況見圖6。降水前兩區域土體表面干硬，裂隙發育，次級裂隙較少。模擬降水后，晴雨交替區土體表層含水率增加，表面裂隙尺寸略有減小，裂隙形態未發生變化（見圖 6）。

圖5 裂隙隨時間的變化

表1 晴雨交替區降水量表

圖6 D8模擬降水前后的土體表面變化

模擬降水試驗結束后，繼續使試驗土體自然失水，晴雨區表層土體含水率從模擬降水狀態迅速降低，裂隙再次開展。圖7中可以發現，對于降水之前存在的主裂隙，形態未見改變，尺寸略有不明顯的增加。而主裂隙網格之間，次級裂隙開始出現，次級裂隙的尺寸遠小于主裂隙尺寸。

圖7 雨晴交替再次蒸發后的土體表面裂隙變化

整個雨晴過程，干旱區裂隙形態未見改變。

試驗土體的裂隙發育再次進入穩定狀態，裂隙形態、尺寸等參數在D9-D12期間未見明顯改變。對晴雨區土體再次進行模擬降水，降水后的土體表面裂隙情況見圖8。

圖8 D12模擬降水前后的土體表面變化

圖8中可以明顯看出，降雨后，由于土體吸水膨脹，土體表面次級裂隙收縮并閉合。而主裂隙，由于裂隙尺寸較大，土體的膨脹不足以是裂隙閉合，裂隙形態沒有明顯的改變。由于雨量較大，部分裂隙位置，裂隙壁產生坍塌，尺寸較大的裂隙坍塌更為明顯。

降水完成后，再次進入蒸發階段。與前面的雨后蒸發一樣，土體表面次級裂隙發育。圖9中可以明顯看出，第二次雨晴循環后的次級裂隙尺寸較第一次有明顯的增加，次級裂隙的寬度雖依然小于主裂隙，但是接近主裂隙尺寸的數量級，少量次級裂隙形成新的主裂隙。

隨后的模擬降水后的土體表面裂隙特征都因循此規律變化，隨著晴雨交替次數的增加，土體表面越來越破碎。

4 晴雨交替的土體裂隙參數對比

圖9 D12模擬降水前后的土體表面變化

試驗末期，經過開挖進行室內試驗，不同氣候條件下的土體含水率變化不同（見圖10）。干旱區的表層含水率在試驗末期較低，而晴雨交替區域，由于降水的影響，在試驗末期的含水率高于干旱區域。另外由于試驗槽底部的防水處理，試驗末期，底層土體的含水率較初始含水率略有升高。

圖10 不同氣候條件下的土體含水率變化

在試驗中利用人工測量統計，同時輔助以圖形識別后發現，干旱氣候條件下的土體裂隙寬度、裂隙數量以及裂隙在平面上的比例都隨著試驗的進行、含水率的降低而升高。當試驗進行一段時間后，各參數趨于穩定（圖11、圖12）。

圖11 干旱氣候條件下的土體裂隙參數變化

圖12 降水后的土體裂隙參數變化

晴雨交替氣候的土體裂隙參數，在試驗初期與干旱氣候一樣（見圖12）。一次降水模擬后，短時間內由于含水率的增加，土體膨脹，裂隙寬度變小，裂隙在平面上的相對密度值也隨之變小，裂隙數量少量的減少。隨著降水過程的結束，裂隙數量急劇上升，裂隙密度也隨之上升。裂隙數遠遠超過同時間干旱區的裂隙數，次級裂隙發育。但由于次級裂隙寬度較小，平均的裂隙寬度在一段時間內降低。所有參數隨之試驗條件的穩定不變，裂隙參數同樣趨于穩定。

結合透明的試驗槽壁的觀察，試驗末期干旱區的裂隙開展深度最大值為21.0 cm。晴雨交替試驗區15 cm以上裂隙發育，裂隙最大深度在19.0 cm。

由數據（見圖13）可以看出，晴雨交替情況下降水限制了裂隙深度方向上的開展，最大裂隙深度在一定時間段內小于干燥區裂隙最大深度，但是隨著降水結束，土體繼續蒸發失水，裂隙深度可達到與同等條件下干旱區的裂隙開展深度。

5 晴雨交替下的膨脹土裂隙發展規律

試驗模擬的自然環境晴雨交替，降水與干燥主要通過土體上表面進行，試驗過程中土體含水率以及含水率的變化都不均勻。表層土體干濕循環，下部土體的含水率變化一般小于上部，深部土體幾乎沒有干濕循環。

圖13 不同氣候條件下的土體裂隙開展深度

通過模型試驗模擬了晴、雨氣候，觀測不同時間下的裂隙發展得到了如下規律：

（1）單純干旱氣候下，土體裂隙迅速開展。隨著干旱期的增長，土體蒸發影響深度逐漸增加，土體裂隙尺寸快速增長后慢慢趨緩，但是隨著干旱氣候的時間變化而增長。

（2）降水氣候下，土體表層含水率迅速增加，裂隙愈合。但是隨著雨后干旱期，裂隙再次開展。

（3）對于平面土體模型，晴雨交替循環次數的增加使土體次級裂隙發育，土體表面更為破碎。試驗模擬的晴雨交替環境與單一干旱氣候相比，對應最大裂隙寬度以及裂隙深度的發展，沒有太大的變化。干濕循環本身對裂隙深度的影響較小。

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