紅壤土干縮開裂特性試驗研究

胡 虎 （中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031）

1 引言

隨著水分流失，土體體積收縮，表面會出現縱橫交錯的裂隙網格，自然界中存在大量的這種現象。當土壤表面出現裂縫并貫穿時，土體的力學性質大幅改變，從而會引起誘發滑坡、泥石流等地質災害。如1988～1992年東歐區域出現大片地域的建筑破壞，對地方經濟造成重大打擊，而其根本原因就在于一段較長時間的干旱致使大范圍地基出現干裂，最終地基的承載力下降無法繼續維持房子穩定[1]；美國Stockton和Wister大壩由于壩體表面出現大范圍干裂誘發管涌而最終導致垮塌[2]。因此，對粘性土的干縮特性開展研究，對粘性土干裂現象能進行預測及破壞效果評估，有利于幫助人們在工程和生活中科學合理地利用土體材料，避免重大事故的發生。

2 試驗方案

2.1 材料的選擇

本實驗中使用的粘土來自江西南昌紅壤土，土壤的級配曲線圖如圖1所示，土體的不均勻系數和曲率系數顯示該粘土級配良好。

2.2 樣品制備

本試驗的重點為紅壤土的干縮開裂，因此試驗的初始含水率控制為液體極限的1.5倍左右。通過將紅壤土與水混合后制成漿料進行干燥實驗，觀察干燥開裂的基本特征（例如初始、開裂時和最終質量含水率，表面裂紋網絡幾何參數）。在測試之前，土壤被覆蓋12h，以便其有充分與水分混合的能力，使用刮刀手動將土壤放置于內部尺寸為10×10cm的正方體玻璃容器中，為避免土壤粘附至容器內壁上，將粘附住的粘土用刮刀刮至土層中，同時為保證容器的密封，粘合處采用的是雙層膠封。按一定質量含水率加入水混合，充分攪拌均勻后靜置，幾分鐘后在土樣的頂部形成過量的水層。這樣試驗的土樣制作基本完成。

2.3 試驗條件

本次干縮開裂試驗在能控制溫度和相對濕度的恒溫恒濕機中進行，空氣由空調系統負責循環，頂部有小孔進行空氣擴散。為實現實驗的均勻空氣流動條件，將恒溫恒濕機放置在溫度不低于10℃且空氣流通的房間內，實驗進行中的每日蒸發量根據溫度濕度的不同而不一致。

本文主要根據不同層厚、溫度、濕度、干濕循環次數等4個因素對紅壤土干縮開裂的影響進行試驗分析，其中為研究層厚影響，考慮了10、15和20mm5種不同層厚情況；為研究溫度影響，考慮了5、20和40℃3種不同溫度；為研究濕度影響，考慮了30%、50%和80%3種不同濕度；為研究干濕循環影響，分別將層厚實驗中5、10和15mm3種實驗結果進行多次干濕循環。將恒溫恒濕機按照試驗條件設置完畢后，將盛有試樣的容器放入其中，定期取出測量其質量變化，直至樣品質量在24h前后質量基本不變停止實驗。本試驗的校準實驗為10mm厚紅壤土在恒溫20℃，恒濕50%的情況下進行，過程中記錄數據并拍攝圖片。

3 試驗結果及分析

3.1 紅壤土干縮開裂的形成過程

粘性土發生開裂破壞的根本原因是由于干燥產生的拉應力超過土體中的吸力，而這與干燥過程中水分蒸發、應力變化和土壤收縮之間的關系是分不開的。本節主要介紹了所有開裂實驗的觀測結果。圖3顯示的是10mm厚粘土層從表面水分幾乎蒸發完畢至開裂完全結束的大致過程，全程時間大概為160h。在如圖2所示的樣本中，表面被各裂縫分割出一組具有特定尺寸的多邊形裂縫單元網絡，這些裂縫并不是表面裂縫，如圖3所示為在干燥結束時試樣的仰視圖，頂部表面的所有裂縫均可以在底部找到并一一對應，這意味著表面的所有裂縫為貫穿裂縫，即裂縫從土樣表面垂直通到容器底部。

通過對比可以看出，較厚的粘土層比較薄的粘土層裂縫數量少，裂縫分割的單元面積大且裂縫相對較寬。這個結果的解釋可以用不同的干燥速度影響開裂過程來解釋（例如層越薄，干燥速度越快）。干燥開裂過程在快速干燥中往往更不規則，導致存在更多的分支，從而最終裂縫也會出現的更多。

可以將紅壤土干燥開裂的形成過程主要特征歸納為以下幾點：①隨著干燥進行，裂縫按順序出現，并按照T形彼此相交；②被裂縫分割的塊體單元與層厚有關系，層厚越厚，塊體單元越大；③層厚小到一定程度，裂縫交叉的角度從T形慢慢往Y形發展。

圖2 裂縫完全發展完畢

圖3 底部表面開裂結果

3.2 開裂形成過程中的形貌分析

眾所周知，自然界中并不是所有土體在干燥環境下都會產生開裂，比如含砂量相對較高的土體，盡管干燥過程中土體內部仍會產生吸力，但無論含水量如何變化，土體的表面均不會出現裂縫，這說明開裂的形成過程與土質條件密切相關。

部分土體干燥之所以容易產生開裂，主要與其中含有黏土礦物及其親水性強到一定程度相關。在高含水量條件下，黏土顆粒外圍包括一層較厚的水化膜，顆粒間距較大，在干燥過程中，水分逐漸被蒸發，水化膜逐漸變薄，在吸力作用下土顆粒重新排列，顆粒間距變短，孔隙不斷變小，在宏觀的表現上即是土體收縮變形，許多研究表明，土體的收縮性隨黏粒含量尤其是蒙脫石含量的增加而顯著增強。由于邊界效應作用導致裂縫表面的第一條裂縫會出現在靠近邊界內壁的部分，然后逐漸像土體中部發展，速度比較緩慢，當表面的主裂縫發展完畢后，裂縫的數量和裂縫的寬度均快速增加。

可以將裂縫出現和發展的過程可以分為3個不同的階段：初始階段，發展階段和穩定階段。

①初始階段：隨著含水量降低，土壤表面，裂縫在初始階段發展緩慢，這個階段，土樣水分主要從表面蒸發，少數裂縫出現，其位置由于邊界效應的存在幾乎可以預見出現在靠近邊界的附近，而室外的天然土壤最先出現的位置可能由土壤的各向異性決定隨機出現。

②發展階段：在土體表面出現一些裂縫之后，除垂直方向上的表面水分蒸發外，土壤水分還會從裂縫間隙中蒸發掉，裂縫擴展進入發展階段。在這個階段，隨著含水量的持續下降，裂縫發展很快，在這個階段形成的裂縫稱為主裂縫，這些裂縫一般會形成一個網絡，而裂縫分支即二次裂縫發育最有可能出現在現有裂縫的末端和交點處。

③穩定階段：土壤和外界環境的水分交換基于水汽相對梯度進行，當外界環境的相對濕度與土壤中的相對濕度相等時，水汽相對梯度為零，土壤與大氣之間的水分交換停止。隨著干燥的繼續進行，土體和裂縫的蒸發速率變小，裂縫發展減緩，達到穩定狀態，但是這種穩定狀態只是相對，指的是表面裂縫發展非常緩慢，而裂縫的發展受到土壤深層水分傳導的影響，需要較長時間才能達到穩定狀態。

4 結語

本文通過大量室內干縮開裂試驗系統地研究了南昌紅壤土開裂行為的干縮變形特性及其影響因素，主要結合土樣干燥過程中水分蒸發的影響，描繪裂縫發展動態過程，確定裂縫出現位置及發展路徑，探索了該土樣干縮開裂過程中主要影響因素不同的影響規律。