礫石對石灰土表面干縮裂隙發育特征的影響

王 星， 徐勤學， 賴本忠， 張帥普， 甘 磊

(1.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室科教結合科技創新基地，廣西 桂林 541004； 2.桂林理工大學 巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心， 廣西 桂林 541004)

土壤表面裂隙會破壞土壤結構完整性，增加土體風化深度，造成土壤優先流[1]，降低土壤抗侵蝕能力[2]。盧全中等[2]總結了黃土裂隙發育特征及其規律，發現黃土中存在大量不同規模不同成因的裂隙，這些裂隙使得黃土高原土壤侵蝕加劇。裂隙是土體在干燥脫水過程中內部應力分布不均勻導致的，裂隙發育過程與土壤中黏粒含量、含水量、溫度以及土壤添加物等環境條件密切相關[3]。根據不同環境條件下的裂隙指標可反推出影響土體開裂過程的關鍵因素[4]，相較于傳統的人工測量方法，使用數字圖像處理技術能夠獲得更精確的裂隙參數指標。冷挺等[5]對膨脹土在干濕循環條件下產生表面裂隙的過程進行了監測，并對獲得的裂隙圖像進行處理，得到裂隙網絡的量化指標，解釋了干濕循環過程土壤表面裂隙的發育規律。朱磊等[6]改進了基于胡克定律的土壤開裂模型，用以模擬蒸發作用下農田土壤表面干縮裂隙的動態開裂，模擬結果與田間試驗結果具有一致性。國內的裂隙研究主要集中在黃土[7]、下蜀黃土[8]以及膨脹土[9]等地區，目前針對石灰土表面裂隙的研究比較少見。

石灰土在喀斯特地區廣泛分布，在自然條件下有機質含量和土壤肥力高，是珍貴的土地資源。但是由于不合理的耕作活動影響，石灰土的團粒結構很容易被破壞，失去穩定性，在干旱季節會發生土壤板結開裂的現象[10]。石灰土中通常存在礫石，許多學者強調了礫石會加劇土壤侵蝕以及提高土壤入滲速率[11-13]。礫石直接影響到土壤容重、土壤含水率等物理性質，不考慮土壤中的礫石，土壤的有效含水量要高估約39%[14]。以上研究結果表明，土壤中的礫石與表面裂隙均會加劇土壤侵蝕以及提高土壤入滲速率，那么究竟礫石與表面裂隙有何關系，是否礫石會影響石灰土裂隙發育，還有待進一步研究。

本文以石灰土為研究對象，設計不同礫石粒徑及礫石含量的土石混合介質，并進行干濕循環。采用數字圖像處理技術，得到多個裂隙網絡形態的量化指標。分析礫石含量和粒徑對表面裂隙發育特征的影響，并總結含礫石土壤裂隙發育機制，以期為防治石灰土地區的水土流失以及石漠化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用土壤為石灰土，礫石為石灰巖，于2018年4月取自廣西壯族自治區桂林市靈川縣海洋鄉枇杷塘村(25°17′32″N,110°33′42″E)。取樣區域為典型的喀斯特峰叢坡地地貌，土層淺薄，礫石含量高，由于常年的人為擾動，加劇了石漠化速度，土地類型逐漸轉變成裸巖石礫地。取樣點位于中坡位，坡度約30°，取土深度為10—40 cm，初始含水率約30%。根據室內試驗得出土壤基本理化性質指標(見表1)，機械組成標準采取國際制。取土過程中挑選大塊石灰巖礫石，經過破碎篩分后使用，所取石灰巖密度約2.8 g/cm3，導水性極弱，可忽略不計。

表1 試驗區土壤基本理化性質

1.2 試驗方法

將取回的土樣在室內風干，去除根系和礫石等雜質后，研磨過篩(2 mm)。根據前人研究經驗，喀斯特峰叢洼地坡面土壤礫石含量最高達到39.49%[15]，礫石粒徑分布在2～75 mm之間，其中5～20 mm粒徑之間的碎石最多。本試驗使用容器直徑為100 mm，為減小邊壁效應，粒徑設計為2～5,5～12.5 mm兩組粒徑[16]。最終按不同礫石含量(10%,20%,30%,40%質量百分比)、不同粒徑(2～5,5～12.5 mm)與土樣混合進行交叉試驗，并設置無礫石添加的對照組，每種配置做3次重復試驗。填土容器選用透明有機玻璃圓柱，高為50 cm，內徑為10 cm。填土高度為40 cm。土柱配置見表2。

表2 試驗土柱配置

干濕循環的次數也會影響裂隙的發育程度，前2次干濕過程會加劇裂隙的發育，隨著干濕循環次數增多，裂隙發育在第5次干濕循環之后趨于穩定[17]。借鑒前人研究經驗，本文采取7次干濕循環。濕潤過程將土柱放入盛滿水的圓桶中，使水面高于土面約5 cm，浸泡24 h。干燥過程選擇恒溫烘箱來加速土壤內部水分蒸發，將飽和的土柱放入60 ℃烘箱內烘干72 h，此為1次干濕過程[16]，干濕過程共重復7次。濕潤過程中，土壤表面放置1層濾紙，防止注水過程水滴對表層土壤產生濺蝕，保持表層土壤平整；干燥過程將濾紙去除，不影響水分蒸發。最后1次干燥過程結束后，對每個土柱表面進行拍照，獲得土壤表面裂隙的高清圖像。

1.3 裂隙圖像處理及參數計算

1.3.1 裂隙圖像處理 采用Image J(1.51版本)軟件進行圖像的處理。Image J圖像分析軟件可以實現圖像的預處理、閾值分割、去除噪點、參數提取等一系列操作。

首先對圖像進行預處理，為了去除邊界效應，裁剪掉約1/6直徑的外圍圖像，得到直徑約8.3 cm的圓形區域。由于彩色圖像數據量太大，不方便處理，將圖像轉化為只有黑白兩色的灰度圖像(圖1a)，灰度值為0至255。使用增強對比度的方法增加裂隙與土壤顆粒的色彩差異(圖1b)。

圖像預處理完成后，使用閾值分割功能將裂隙從圖像中提取出來并轉化為二值圖像(圖1c)。然后去除圖像上的無關噪點(圖1d)。最后進行骨架化處理，骨架化處理即提取裂隙的中軸線，使裂隙圖像轉化為單位像素寬度的圖像(圖1e)，骨架化用于計算裂隙條數。

圖1 石灰石土表面裂隙圖像處理過程

1.3.2 裂隙參數計算

(1) 裂隙條數N：相鄰兩個交點之間的部分為一條裂隙。使用Image J中的Bone J插件對骨架化圖像進行骨架分析得出裂隙條數。

(2) 裂隙平均寬度WAC(average crack width)、裂隙平均長度LAC(average crack length)和裂隙總長度LTC(total crack length)，這3個指標用來表示裂隙網絡的幾何特征。使用Image J中的Bone J插件進行寬度分析，得出裂隙的平均寬度。裂隙骨架化之后得到單位寬度裂隙圖像，單位寬度裂隙所占像素即是裂隙總長度。裂隙平均長度由裂隙總長度除以裂隙條數得到。

(1)

式中：LTC表示裂隙總長度(mm)；N表示裂隙條數。

(3) 表面裂隙率RSC(surface crack rate)：土壤表面裂隙面積與總面積之比，反映土體開裂程度。使用Image J軟件自帶的像素測量功能，測量裂隙圖像黑色像素的個數，并計算出裂隙率。

(2)

式中：AC表示裂隙網絡所占面積(mm2)；A表示試樣面積(mm2)。

(4) 分形維數DF(Fractal dimension)：分形維數可以描述土壤表面裂隙的分布情況和復雜程度，Image J軟件中的Bone J插件提供了測量分形維數的功能，該功能采用“數盒子”方法計算裂隙結構的分維值。

2 結果與分析

2.1 含礫石石灰土表面裂隙發育特征

不同礫石條件下石灰土表面裂隙見圖2，無礫石石灰土的平均表面裂隙率僅為3.03%(圖2)。其它學者研究得到膨脹土的表面裂隙率為5%左右[5,9]。石灰土的表面裂隙率較小可能是由于黏粒含量相對偏低導致的。所有含礫石石灰土土柱的表面裂隙率平均值為7.18%，高于無礫石石灰土2.4倍。圖2中處理為2～12.5 mm，40%的表面裂隙率最大，為8.66%，是無礫石石灰土的2.9倍。

對比圖2中同一粒徑不同含量的裂隙圖像，從單個裂隙的形態來看，隨著礫石含量的增多，裂隙條數變多，裂隙寬度變窄。圖2中處理為2～12.5 mm，10%的裂隙條數為144條，而圖2中處理為2～12.5 mm，40%的裂隙條數為475條，裂隙條數增長了3.3倍。拓展到整個土壤表面裂隙網絡，隨著礫石含量的增多，裂隙網絡的形態變得狹窄且密集。

注：圖中百分數為礫石含量； 數字1—9為土樣編號。

土體裂隙主要是由于土壤孔隙的擴大和開裂，在土體的含水量降低時，由于含水量分布不均勻，在土壤顆粒之間產生含水量梯度，導致局部應力產生差異，從而使土壤孔隙不斷擴張，最終導致土體開裂[18]。而土壤中添加礫石，原本的土壤顆粒之間的連接會被礫石打斷，形成巖土界面。由于土壤和巖石收縮性差異巨大，當含水量減小時，巖土界面更容易形成裂隙[19]。巖土界面會形成兩種形態的裂隙：①圍繞礫石的裂隙；②向外延伸的裂隙(見圖3)。從圖3中還可以看出，在礫石形態的棱角處，容易產生向外延伸的裂隙，可以稱之為主裂隙。靠近礫石棱角處的裂隙寬度最大，向外延伸的裂隙寬度會逐漸減小，并產生分支或者與另一條裂隙相連接。因此，隨著碎石含量的提高，主裂隙也會越多，同時產生越來越多的分支，使土壤基質破碎，裂隙網絡更加復雜。

圖3 受礫石影響的石灰石土表面裂隙發育

2.2 大粒徑條件下礫石含量對裂隙發育的影響

表3中的數據可以定量描述大粒徑條件下礫石含量對裂隙發育的影響。所有礫石含量大于10%的試樣，裂隙參數都與無礫石對照組存在較大差異，其中表面裂隙率、裂隙條數、裂隙平均寬度、裂隙總長度以及分形維數都大于對照組。根據表3中表面裂隙率和裂隙條數的方差分析結果，1號(無礫石)與3號(20%，5～12.5 mm)，4號(30%，5～12.5mm)，5號(40%，5～12.5mm)存在顯著性差異。裂隙平均寬度的方差分析結果顯示無礫石試樣與含礫石試樣存在顯著性差異。

表3 大粒徑礫石條件下石灰石土表面裂隙網絡分析結果

針對各個裂隙參數與礫石含量進行了Pearson相關性分析(見圖4)，發現所有裂隙參數均與礫石含量成顯著線性相關(p<0.05)。隨著礫石含量的增加，裂隙條數增加，平均寬度和平均長度減小，分形維數提高，裂隙網絡分布得更為密集。裂隙平均寬度、裂隙平均長度、裂隙總長度可以描述裂隙網絡的幾何特征[20]。裂隙總長度與礫石含量呈正相關性，裂隙平均長度與礫石含量呈負相關性。裂隙總長度增加，而平均長度減小，說明裂隙網絡被礫石分割成更多的小裂隙。裂隙條數與礫石含量呈正相關性，添加礫石會使土壤表面裂隙條數增多，這也證明了礫石會分割原有的裂隙路徑。在本試驗中，裂隙條數被定義為兩個裂隙節點之間的路徑。隨著礫石含量增多，土壤表面裂隙網絡的節點也會增多，導致裂隙條數增多。

圖4 大粒徑礫石配置不同礫石含量對石灰石土表面裂隙參數的影響

礫石會使土壤表面裂隙網絡的分形維數提高，分形維數表示裂隙網絡的復雜程度[21]。由圖4f可知，礫石含量與裂隙網絡的復雜程度成正比，在本試驗中40%含量配置的裂隙網絡最復雜。

2.3 小粒徑條件下礫石含量對裂隙發育的影響

結合表4，從圖4和圖5中可以看出，小粒徑(2～5 mm)礫石配置的裂隙參數同樣與礫石含量具有顯著線性相關性。小粒徑礫石配置的表面裂隙率與礫石含量成負相關，這與大粒徑礫石配置是相反的。除此之外，其余參數的線性相關性與大粒徑礫石配置是一致的。整體也表現出礫石含量越大，裂隙網絡就會越復雜。

表4 小粒徑礫石條件下石灰石土表面裂隙網絡分析結果

圖5 小粒徑礫石配置不同礫石含量對石灰石土表面裂隙參數的影響

不同粒徑配置的表面裂隙率變化規律不同，添加大粒徑礫石的土柱表面裂隙率與礫石含量成正相關，礫石含量40%時達到最大，為8.66%，而添加小粒徑礫石的土柱表面裂隙率與礫石含量成負相關，在礫石含量10%時最大，為8.62%。造成這種現象的原因可能有兩點，首先是由于大粒徑礫石的幾何形態不規則，大粒徑礫石的棱角更多，隨著礫石含量的增加，越容易產生主裂隙，而小粒徑礫石更接近球體或者正方體；其次小粒徑礫石配置的裂隙平均寬度減小的幅度太大，導致裂隙率變小。裂隙平均寬度與礫石含量呈負線性相關趨勢。小粒徑礫石配置的試樣中，裂隙平均寬度從1.232 mm減小到0.382 mm，降幅為0.850 mm。大粒徑礫石配置的裂隙平均寬度從0.852 mm減小到0.676 mm，降幅為0.176 mm。從圖2中也可以直觀的看出，隨著礫石含量增加，寬度較小的裂隙數量會變多，裂隙網絡具有更均勻的裂隙寬度并變得更加復雜。DeCarlo等[22]也觀察到礫石影響下裂隙平均寬度的相同趨勢。

對比圖4和圖5，在相同礫石含量時，小粒徑礫石配置的裂隙條數、裂隙總長度、分形維數都大于大粒徑礫石配置，而平均裂隙長度小于大粒徑礫石配置，小粒徑最大含量配置的分形維數達到最大。這說明當礫石含量相同時，小粒徑礫石使裂隙網絡發育更復雜[16]。

3 結 論

(1) 無礫石石灰土的平均表面裂隙率僅為3.03%，含礫石石灰土土柱的表面裂隙率平均值為7.18%，是無礫石石灰土土柱的2.4倍，大粒徑(5.0～12.5 mm)高含量(40%)條件下的表面裂隙率最大，達到8.66%。裂隙率的增加表明了礫石會促進表面裂隙發育，進而弱化土體的抗侵蝕能力。

(2) 裂隙網絡的分形維數與礫石含量存在顯著的正線性相關關系，當礫石含量增加時，裂隙的形態變得細小且密集。小粒徑礫石會使裂隙網絡更復雜，相同礫石含量時，小粒徑配置的分形維數均大于大粒徑配置。

(3) 礫石粒徑對表面裂隙率的影響存在臨界值。大粒徑(5～12.5mm)條件下的土壤表面裂隙率與礫石含量成正線性相關，而小粒徑(2～5mm)條件下的裂隙率與礫石含量成負線性相關。

(4) 礫石會成為裂隙發育的基點，每個礫石顆粒周圍都有可能產生圍繞礫石或是向外延伸的裂隙。且在礫石形態的棱角處，容易產生向外延伸的裂隙。靠近礫石棱角處的裂隙寬度最大，向外延伸的裂隙寬度會逐漸減小，并產生分支或者與另一條裂隙相連接。