劍麻纖維復合黏性土裂隙發育特征及其機理研究

喻永祥 ，閔望 ，宋京雷 ，郝社鋒，蔣波，劉瑾，卜凡

（1.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部國土（耕地）生態監測與修復工程技術創新中心，江蘇 南京 210018；3.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

黏性土作為自然界中常見的一種土體而廣泛分布于世界各地。近年來，由于人類活動對自然界的影響，導致世界范圍內如干旱、洪水、颶風等極端災害頻發。其中，在干旱的氣候條件下，黏性土體由于內部水分流失而產生干縮開裂，裂隙從局部發育至整體，進而導致其整體結構、穩定性遭到破壞（唐朝生等，2012，2018；劉平等，2015；駱趙剛等，2020）。與此同時，黏性土表面及內部裂隙的存在，將為水分的運移提供“快速通道”，尤其是在降雨條件下，極易發生水土流失，進而誘發崩塌、滑坡、泥石流等地質災害（姚海林等，2002；袁俊平和殷宗澤，2004；習羽等，2017；戚賞等，2020）。面臨未來居高不下的極端干旱氣候，黏性土干縮開裂的問題也將愈發嚴重。因此，這一災害現象也成為了近年來地質工程領域的研究人員密切關注的一大熱點。

目前，國內外研究人員針對黏性土體干縮開裂的研究已有較大的進展。如探究不同試驗條件（溫度、土體厚度、黏粒含量、干濕循環）、試樣尺寸效應以及邊界效應等因素，對于黏性土干燥收縮過程中裂隙發育的影響（Tang et al.,2010；袁權等，2016；曾浩等，2019），且將研究角度逐漸從二維的土體表面裂隙發育延伸至三維空間，由此極大地提升了人們對于土體干縮、裂隙發育及發展的機理認知（徐其良等，2018）。對于開裂機理，Morris et al.（1993）根據土體干縮產生龜裂的行為，針對基質吸力，開展了二者之間相互作用關系的理論研究；劉昌黎等（2018）歸納總結了土體龜裂的力學機理及相關理論模型的研究進展，對土體開裂有了進一步的認識。基于上述研究，筆者認為下一步需要對黏性土進行針對性地改良，從而減少其干縮裂隙的發育。傳統的黏性土改良技術，如添加水泥、石灰、土凝巖等（曾智等，2014；廖一蕾等，2016），雖然對其整體強度、結構穩定性都有顯著的提升，能夠達到制約其干縮開裂的目的，但是也影響了改良后土體表面植被的生長，以及在水泥的生產過程中會產生粉塵、二氧化碳，從而造成環境污染，不符合生態修復的標準（Najim et al.,2014;Caravaca et al.,2017;El-Attar.,2017）。因此，需要探究一種既能制約黏土體裂隙發育，且不會對環境造成破壞的新型黏性土改良方法。

針對上述問題，本文選擇天然的劍麻纖維，通過變化其含量，對黏性土進行改良。研究開展了一系列的室內干燥、干濕循環試驗，記錄試驗過程中試樣裂隙產生及發育的情況，最后結合數字圖像處理技術（PCAS），對土體表層裂隙網絡的幾何形態進行了定量分析，進而探究劍麻纖維對黏性土裂隙發育的影響機理。相關成果對實際工程中黏性土的改良具有一定的參考意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次室內干燥試驗所采用的黏性土取自南京某地區下蜀土。土體呈黃褐色，干燥、粉碎后過2 mm的篩。其天然含水率為20～27%，比重為2.72，塑限與液限分別為22%與36.6%，塑性指數為14.6。

試驗中所采用的劍麻纖維，是一種表面粗糙、彈性好、抗拉強度高的天然經濟材料。其抗斷裂強度約為450～700 MPa，楊氏模量約為3～7 GPa。本研究中的纖維含量定義為纖維與干黏土的質量比值，計算公式如下：

式（1）中：Cf為劍麻纖維的含量，%；Mf為劍麻纖維的質量，g；Ms為干黏土的質量，g。

1.2 試樣制備

試驗選擇規格為16 cm×16 cm×6 cm的塑料方盒作為盛放土樣的容器，利用玻璃膠將規格為60目的砂紙粘于容器底部，以較為準確地模擬自然條件下摩擦效應對土體干縮開裂的影響，并在容器四壁均勻地涂上凡士林，以減少邊界摩擦力造成的誤差，每份試樣所用土體質量為800 g，且設定試樣的初始含水率（Iw）為60%，計算公式如下：

式（2）中：Iw為試樣的初始含水率，%；Mw為所添加水的質量，g；Ms為干黏土的質量，g。

在制備試樣時，將水-土-纖維混合物翻拌均勻后倒入容器中，機械振動3～5 min，使得含水土樣與容器內壁緊密接觸，同時排除試樣內部的氣泡。完成上述操作后，將試樣靜置24 h，待其完全均勻，抽取表層多余清液，并計算每份試樣的最終含水率（Fw）。

本次試驗以劍麻纖維含量（Cf）為變量，并與無添加的試樣進行比較，共進行4組試驗，每組設置3個平行試樣，具體試樣參數如表1所示。

表1 試樣主要參數

1.3 試驗方法

研究采用干濕循環法進行試驗。首先，抽取試樣表面多余水分后，將其置于20 ℃的恒溫箱進行干燥，并且按時對各組試樣進行稱重、拍照，至每兩次讀數之差小于1 g時，試樣稱重結束，記為一次干燥過程結束。與此同時，向干燥完畢的試樣中添加質量為初始含水量的50%的水，添加完畢標志為一次干濕循環結束。重復上述方法，進行第二次、第三次干濕循環試驗。最后，結合PCAS技術，對試樣的裂隙發育情況進行定量分析（劉春等，2008）。

2 試驗結果

2.1 纖維含量對黏性土干縮開裂的影響

一般地，土體在干縮開裂的過程中，一定區域范圍內會產生一條“較為寬大的裂隙”，而后隨著土體自身含水率的降低，該裂隙周圍則會衍生出一些“細小的裂隙”。本文將上述“較為寬大的裂隙”與“細小的裂隙”分別定義為主裂隙與新生裂隙。

不同劍麻纖維含量的黏性土第一次干濕循環的開裂過程如圖1所示。由于試驗組數，以及試驗過程中所攝圖片較多，故只選擇各組中的特征圖片進行展示。從圖中可以看出，不同纖維含量的黏性土，其初始狀態基本一致，且在記錄時段內，均于48 h左右產生第一條裂隙。然而，隨著蒸發試驗的進行，各組試樣便體現出不同的開裂形態。無劍麻纖維添加的試樣，明顯地存在著一條主裂隙，隨著試樣含水率的降低，該裂隙呈逆時針方向不斷發育，直至約56 h裂隙閉合，停止延伸，此時主裂隙周圍逐漸產生新生裂隙，試樣整體呈現為主裂隙不斷拓寬、新生裂隙不斷涌現。含有0.1%纖維含量的試樣，其干縮開裂的過程與無劍麻纖維添加的試樣基本一致，與后者不同的是，前者達到穩定狀態時，表面的破碎程度更高，即除主裂隙外，產生了更多的新生裂隙，隨著使用試樣中劍麻纖維含量的不斷增加，這一現象也愈發明顯，這是因為劍麻纖維貫穿于土體內部，在一定程度上“破壞”了試樣的致密性，然而這種“破壞”卻能更好地提升黏土試樣的整體穩定性。

圖1 不同劍麻纖維含量的黏性土第一次干濕循環開裂過程

表2與圖2為采用PCAS技術計算、統計得到的不同劍麻纖維含量試樣的各項裂隙參數，其中分形維數被定義為度量物體或分形體復雜程度與不規則性的最主要參數，即分形維數越大，其表面的復雜程度與不規則性越高。通過分析表2可知，隨著試樣中所添加劍麻纖維含量的增加，試樣的最大、平均裂隙寬度，最大、平均裂隙長度，以及所形成的最大、平均區塊面積均呈現出遞減趨勢。對比纖維含量為0與0.6%的試樣發現，上述各項參數分別降低了45.27%、75.85%、33.65%、50.62%、87.48%、78.48%。表明纖維含量的提升，能夠在一定程度上限制裂隙的發育。分析圖2可知，隨著試樣中纖維含量的不斷增加，其分形維數逐漸變大，說明試樣表面的破碎程度高，這與圖1中“穩定狀態”所示結果相一致，即由于劍麻纖維的存在，使得試樣“更加容易”產生裂隙。然而，通過分析表2所統計的裂隙相關參數，不難發現隨著纖維含量的增加，土體表面雖然有較多的裂隙產生，但均是一些細短，縱深較淺，且未延伸至底部的裂隙，此類裂隙將不會對土體本身穩定性產生特別大的影響，并且在實際工程中隨著雨水的沖刷還將出現一定程度的“裂隙愈合”現象。

表2 不同劍麻纖維含量試樣裂隙參數統計表

2.2 干濕循環對與不同纖維含量黏性土干縮開裂的影響

上述分析表明，雖然纖維含量越高的試樣，其干燥完成后表面裂隙發育越復雜，破碎程度越高，但此時所產生的裂隙大多浮于土體表面，且均為淺而細小的形態。不同纖維含量的試樣第2次與第3次的干濕循環過程如圖3所示。可以明顯地看出，剛加入水時，纖維含量為0的試樣，其裂隙僅產生了一定程度的“愈合”，且隨著試樣中纖維含量的增加，“裂隙愈合”的效果則越明顯。與此同時，結合圖1與圖3中各試樣的穩定狀態可知，較低纖維含量的試樣（纖維含量=0、0.1%）的裂隙非但不能“愈合”，反而還因加入水后出產生了更多的新生裂隙，并且各區塊也因遇水呈現出“崩解”狀態。然而，較高纖維含量的試樣（纖維含量=0.3%、0.6%）在干濕循環后雖然也有新生裂隙的產生，但由于原有裂隙的“愈合”以及土體內部大量劍麻纖維的橋接效應，呈現出逐漸穩定的狀態（圖4）。通過PCAS技術計算得到纖維含量為0.6%的試樣在三次干濕循環結束后，其表面分形維數統計也可對上述結論進行印證（圖5）。

圖3 不同劍麻纖維含量的試樣第二次與第三次干濕循環過程圖

圖4 劍麻纖維含量為0.6%的試樣三次干濕循環完成后表面裂隙網絡

圖5 劍麻纖維含量為0.6%的試樣三次干濕循環完成后分形維數統計圖

3 機理分析

與砂土顆粒相同，黏性土顆粒的表面附著著一層極薄的水化膜結構，即土顆粒之間并非直接接觸，微觀層面表現為顆粒之間存在著一定的間隔。當黏性土發生干燥失水時，表面的自由水被蒸發完畢后，土體內部的水分，即土顆粒之間的結合水運移至表面對蒸發作用進行“補償”。此時，土顆粒之間的間隔因水分流失而不斷收縮，進而在內部形成了張、拉應力場。當土體內部某處的應力場逐漸增大并超過土體本身抗拉強度時，便會引發拉裂破壞，形成裂縫（唐朝生等，2018；羅茂泉等，2018）。

通過對試驗結果的分析可知，隨著黏性土試樣內部水分的不斷流失，土顆粒之間產生失水收縮，宏觀表現為試樣表面隨機產生了若干道主裂隙，并且在主裂隙不斷延伸、拓寬的同時，其邊緣也將進一步產生大量的新生裂隙。與此同時，隨著蒸發作用的持續進行，試樣內部的含水率逐漸降低。當含水率接近于零時，蒸發作用停止，試樣此時的狀態可近似地看作為“失水完全的海綿”，整體結構相對穩定。然而通過不斷地進行干濕循環試驗，試樣在復濕的過程中持續吸收水分，土顆粒之間再次充滿結合水膜。當試樣再次發生失水收縮時，除對已生成的裂隙造成二次破壞外，原先未被破壞的區域也會隨機地生成裂隙。此外，隨著干濕循環次數的增加，試樣的整體穩定性逐漸減弱，宏觀表現為土塊不斷地產生“溶解”、“崩塌”等現象。

針對這一現象，本研究采用添加劍麻纖維對黏性土進行復合改良。與混凝土中添加鋼筋的效果相似，當黏性土體因失水而產生干縮、開裂時，存在于其內部的劍麻纖維便起到“橋接”的作用。通過纖維與土顆粒之間產生的摩擦力，一定程度上抵消了部分因土顆粒間水分散失而產生的拉應力，從而銜接了土體開裂產生的斷口，并達到削減裂隙縱向發育，以及裂隙持續延伸的目的（圖6）。同時，在對試樣進行干濕循環試驗的過程中，由于劍麻纖維在土體內部編織而成的網狀結構，通過“橋接作用”極大地限制了裂隙的縱、橫向發育。因此試樣在復濕的過程中，反而使得土體表面的裂隙能夠被不斷地“愈合”，表明其整體穩定性獲得了進一步的提升。此外，當試樣中所添加的劍麻纖維含量越高，上述效果越明顯。

圖6 劍麻纖維改良黏性土機理示意圖

4 結論

本文通過添加不同含量的劍麻纖維對黏性土進行改良，并開展一系列干燥、干濕循環試驗，對其干縮開裂后的裂隙的發育及裂隙網絡的形態特征進行研究，得出以下結論：

（1）在本次研究所設定的環境條件下，隨著試樣中所添加劍麻纖維含量的增加，試樣的最大、平均裂隙寬度，最大、平均裂隙長度，以及所形成的最大、平均區塊面積均呈現出遞減趨勢。對比纖維含量為0與0.6%的試樣發現，上述各項參數分別降低了45.27%、75.85%、33.65%、50.62%、87.48%、78.48%，表明纖維含量的提升，能夠在一定程度上限制裂隙的發育。

（2）在本次研究所設定的環境條件下，試樣中所添加的劍麻纖維含量越高，其分形維數越大，即試樣表面破碎程度越高，但所形成的裂隙大多細短，且縱深較小。經過反復的干濕循環試驗，此類細小裂隙的“愈合”效果較深大裂隙更好，表明添加劍麻纖維的含量與土體整體穩定性的提升呈正相關的關系。