湖南邵陽地區高液限紅黏土干縮裂隙演化過程的量化分析

陳愛軍，陳俊樺，程 峰，吳 迪

湖南邵陽地區高液限紅黏土干縮裂隙演化過程的量化分析

陳愛軍，陳俊樺，程 峰，吳 迪

（桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，桂林 541004）

紅黏土對環境濕度變化非常敏感，在干燥環境中極易開裂，縱橫交錯的裂縫網絡損害了土壤結構的完整性，很容易誘發紅黏土邊坡失穩和崩塌，導致農田水利設施的破壞，甚至加劇整個生態環境的水旱災害。為探究紅黏土裂隙的演化規律，該研究采用自制試驗裝置和三維應變測量系統開展了自然濕熱條件下的紅黏土泥漿樣干燥試驗，通過采集土體水分和土表位移、應變和裂隙的變化，定量分析脫濕過程中土體表面裂隙形態和應變場的演變特征，并進一步探討水分變化對裂隙形態和應變場的影響。結果表明：1）土樣表面干縮裂隙的演化一共經歷了6個階段，后階段裂隙分割前階段裂隙圍成的區域，且不同階段裂隙的交叉角接近90o；2）裂隙產生初始，裂隙尖端處拉應變約為0.5%，土表面大部分區域處于受拉狀態；隨著裂隙進一步發展，裂隙周邊土體逐漸由拉應變狀態向壓應變狀態轉變；當所有裂隙發育完成，裂隙周邊土體處于壓應變狀態；3）裂隙演化階段與界限含水率有關，當泥漿土樣的含水率接近液限時（67.7%），土體表面裂隙開始發育，裂隙迅速張開和延伸；當土的含水率達到塑限時（28.3%），裂隙發展的速率逐漸變緩；當含水率小于縮限時（18.8%），裂隙變化已經很小，裂隙發育接近完成；4）在裂隙演化過程中，早期裂隙的發展持續時間和裂隙寬度均超過后期裂隙；土表不同位置的位移和應變均不相同，土塊中心豎向收縮大于邊緣豎向收縮，而土塊中心位移及應變均小于土塊邊緣，研究可為紅黏土開裂引發的工程地質災害的預防及治理提供參考。

土壤；水分；裂隙；紅黏土；應變場；DIC

0 引 言

紅黏土是熱帶亞熱帶濕熱環境作用下，碳酸鹽巖經過物理風化、化學風化、生物風化和紅土化作用而形成的一種特殊土，土體主要呈棕紅、褐紅和黃褐等顏色[1]。紅黏土對環境濕度變化非常敏感，在干燥環境中極易開裂，干縮裂縫的產生對土體的強度和穩定性有重要影響，紅黏土地基和紅黏土邊坡工程普遍存在收縮開裂引發的坍塌隱患[2-3]。除此之外，裂縫的寬度﹑深度﹑延伸長度以及裂縫網絡的結構形態等參數在很大程度上與土體的滲透性和水力學特性有直接關系。因此，量化紅黏土干縮開裂有助于準確剖析紅黏土工程病害的形成機理，并對預防紅黏土地區的工程地質病害或環境地質問題具有重要工程意義。

紅黏土屬于典型的黏性土，而黏性土裂隙的形成及發育規律一直是巖土工程領域的研究熱點和難點。黏性土開裂源于土中水分的蒸發及由此產生土體的收縮，收縮過程中受邊界限制及不均勻收縮的影響，導致土中應力應變場的形成和發展，一旦張拉應力超過土的抗拉強度，土中裂隙便開始形成及擴展[4-5]。由此可見，裂隙在本質上是由于外界（干燥）環境引發土體水分、收縮應變、裂隙間的作用關系而產生和擴展。

水分蒸發是紅黏土干裂的前提和誘因。唐朝生[6]和曾浩等[7]對黏性土泥漿樣開展一系列干燥試驗，發現試樣的蒸發速率呈現為3個階段：常速率、減速率和殘余階段，環境相對濕度對土樣的蒸發過程和最終含水率有重要影響，Rodríguez等[8-9]也在試驗中得到了相似的結論。黏性土產生裂隙時的含水率為臨界含水率（w），曹玲等[10]發現非飽和試樣的w均接近土樣的初始含水率，飽和試樣的w正好對應基質吸力并接近土樣進氣值；另外，臨界含水率與內外部條件有關，研究發現w隨土層厚度和溫度的增加而增加[11-12]。可見，黏性土水分的變化既受外部環境條件的影響，也與土體本身性質有關。

為了獲得黏性土在干燥開裂過程中的收縮變形，學者們開展了相關的室內試驗研究，如張宏等[13]以內蒙古地區典型紅黏土為研究對象，通過擊實制樣和烘箱干燥試驗，研究紅黏土土樣在不同擊實次數和干燥時間的整體收縮特性，并對其裂縫形態進行了簡單描述；Peron等[14]設計了長×寬為295 mm×49 mm，厚度分別為4和12 mm的長條狀試樣進行干燥收縮試驗，采用游標卡尺和圖像處理軟件獲取試樣在干燥過程中的縱向應變、橫向應變和豎向應變。

裂隙在干燥過程中的演化也引起了學者們的極大關注，如張炳暉等[15]對桂林重塑紅黏土裂隙發育特性進行室內干濕循環試驗，并結合分形特征對裂隙進行分析；楊振北等[16-17]研究膨脹土在干濕循環作用下裂隙圖像的灰度值及其紋理的變化規律和膨脹土的強度特征，并將裂隙開展分為裂隙醞釀期、裂隙快速傳播期和裂隙平穩發展期3個階段；許錫昌等[18]根據裂隙度將裂隙發展分為裂隙產生并快速擴展和基本穩定兩階段，汪為巍等[19]將裂隙發育過程大體分為4個階段，Li等[20]通過現場試驗研究了2種土壤干裂的發生和發展機理，將干燥裂紋的形成分為3個階段。上述研究針對裂隙發展階段的劃分僅以某個裂隙特征指標為標準，缺乏全面而綜合的評價及分析。

開展紅黏土裂隙研究必須測量干裂過程中土體裂隙相關參數，而運用數字圖像相關技術（Digital Image Correlation，DIC）測量并量化分析裂隙的形成及演化具有高精度、非接觸、快速和動態等優點，部分學者已對此開展了初步研究，如Kahn-Jetter 等[21]采用2個固定不動的攝像機同時采集被測試件的散斑圖像，然后運用DIC 技術將所采集的兩組二維數字圖像的相關信息進行分析對比，由2組數據的視差得出了試件的三維位移場；Teng 等[22]自主開發可執行 DIC 技術的土壤變形測量設備，對低分辨率圖像不可見的局部變形進行測量，在“微觀”尺度以及“宏觀”尺度上可視化土壤行為，從而識別其宏觀破壞機制；唐朝生課題組[23-24]制作泥漿飽和土樣，應用數字圖像相關技術識別獲取土樣在自然干燥條件試樣表面的位移場、應變場和裂隙形態，初步分析了裂隙的產生與應變的關系。黏性土在干燥過程中的收縮和變形具有不均勻的特點，常規試驗及測量手段無法準確反映其不均勻性，而最新測試技術的應用為解決這一問題指明了方向。

綜上所述，雖然學術界對黏性土干裂過程的水分蒸發、收縮應變及裂隙發展已經做了相關研究工作，但針對紅黏土干縮裂隙演化規律的研究成果較少，尤其關于紅黏土干燥過程中的水分變化、收縮應變與裂隙的相互關系及定量化分析則更少。本文通過開展紅黏土的室內干燥試驗，運用DIC技術對土體干縮開裂的全過程進行了動態監測，結合土體水分監測和土體表面裂隙識別，量化分析干燥條件下土體水分變化、應變與裂隙發展的相互關系，以期為紅黏土開裂引發的工程地質災害的預防及治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

本試驗所用土樣為湖南邵陽地區地表下2.5～4.0 m深度的紅黏土，呈棕黃色，其基本物理性質：相對密度2.72，縮限18.8%，液限67.7%，塑限28.3%，塑性指數39.4%，最優含水率18.5%，最大干密度1.86 g/cm3，黏粒質量分數62.8%。根據顆粒組成及塑性指標判斷其屬于高液限黏土。

1.2 制樣方法

試驗土樣的制樣方法如下：將取回的試樣風干土用橡皮錘搗碎并過 2 mm 篩，然后稱適量的風干土放入邊長200 mm的方形容器中，同時往容器中添加水配置成初始含水率為120%的飽和泥漿。把泥漿充分攪拌，通過振動排除土中氣泡，然后靜置48 h進行沉淀，最后抽去漿液表面的清水，制備好的試樣初始厚度為15 mm。

利用數字圖像相關技術采集土體表面信息，而追蹤物體表面的散斑圖像時，土表面必須具有可識別的表征特性（即散斑）。根據試驗土料的特點和對裂隙識別的要求，分別采用石灰粉和煤炭顆粒作為基層料和散斑點，即先在土表均勻撒上一層薄石灰粉，要求遮住土樣的本色，然后在石灰粉上面隨機撒上煤炭顆粒（粒徑0.2～1 mm）以便于獲取表面特征。

1.3 試驗設備及步驟

本試驗采用自行設計的裝置（圖1），可以實現土樣的干燥并獲取土樣不同時間的質量、土表裂隙形態和土表位移應變信息。

試驗主要設備為XTDIC三維變形測量系統（西安新拓三維光測科技有限公司），這個系統是一種光學非接觸式三維變形測量系統，它結合DIC與雙目立體視覺技術，通過設置種子點，追蹤物體表面的散斑圖像，以獲取土樣干燥過程中土表的三維坐標、位移及應變。該系統由2個可調節的高精度相機鏡頭，1個控制箱和1臺高性能的計算機組成。

試樣干燥模擬室外日照環境，采用2盞太陽燈照射土樣，設計光照強度為600 W/m2。試驗室的環境溫度為（23±0.5）℃，相對濕度60%±2%。土樣放置在電子天平上方，通過天平可獲取土樣的質量變化，以此計算土體水分蒸發及不同時間的含水率。XTDIC系統的2個鏡頭和1盞LED燈安裝在同一根水平橫梁上，用1個可升降的鋼支架固定水平橫梁。在土樣正上方LED燈側面放置1臺相機，拍攝土樣照片用于裂隙特征參數的提取。試驗開始時，將土樣放在電子天平上面并記錄土樣的初始質量，XTDIC系統和相機同時拍攝土樣的初始狀態，2盞太陽燈照射土樣，然后每隔30 min記錄電子天平的讀數，XTDIC系統和相機間隔10 min拍攝1次。當電子天平顯示相鄰2次讀數之差小于1 g時，即停止試驗。

2 結果與分析

2.1 裂隙的演化過程

本試驗共持續了24 h（1 440 min），所有裂隙全部發育完成，圖2為經過不同干燥時間的土樣照片，其中圖2a和圖2b為裂隙發展初期的土樣，圖2c～圖2g為裂隙發展中后期的土樣局部，圖2h為裂隙已穩定的土樣。為便于分析裂隙演變過程，不同階段產生的裂隙用不同顏色表示，數字表示裂隙形成的階段。

分析圖2a和圖2b可知，土樣第1條裂隙出現在試樣左下角，然后從左下往右上呈對角線方向延伸，其形狀近似直線，基本把土樣分割成大小相等的兩部分。由圖2b和圖2c可知，在第1階段裂隙（初始裂隙）發展的過程中，第2階段的數條裂隙在初始裂隙的兩側產生，繼續分割土樣，其首尾與初始裂隙連接并垂直交叉。結合圖2d～圖2g可知，第3階段裂隙產生于第2階段與第1階段裂隙圍成的區域，第4階段裂隙產生于第3階段與第1、第2階段裂隙圍成的區域，以此類推，直至第6個階段裂隙發育完成。由此可見，土樣裂隙的演化經歷了6個階段，后階段裂隙分割前幾個階段裂隙圍成的區域，且后階段裂隙首尾與前階段基本垂直交叉。除土樣邊界范圍土塊碎裂外，被裂隙分割的土塊大部分為四邊形，少量土塊呈三角形。裂隙產生的時間越早，裂隙發育的越長且其寬度越大。

上述試驗結果與林鑾等[23]的研究結果類似，但裂隙穩定所需時間不同。文獻[23]的試驗條件是恒溫恒濕（溫度（25±0.5）℃，相對濕度（50%+3%））的自然風干，試驗歷經72 h后裂隙網絡已完全穩定。本文試驗模擬太陽日照環境，土表溫度初期約30 ℃，后期土表溫度接近50 ℃，試驗經過24 h后，所有裂隙已穩定并不再產生新裂隙，由于土體溫度高，土中水分蒸發速度加快，裂隙穩定所需時間也相應縮短。

2.2 土表應變場的演化

眾所周知，土體干縮裂隙的產生源于土體干燥失水引起的收縮，當收縮應變達到一定的程度即產生裂隙。圖3為裂隙產生過程中不同時間的土樣實際照片和土樣表面主應變云圖，其中正應變為拉應變，負應變為壓應變，應變的大小以不同顏色表示。三維應變的計算是在變形前的參考狀態中，利用待求點周圍的4個點建立4個三角形，然后針對于每一個三角形，根據其變形前后的邊長變化獲得基于柯西-格林張量的拉格朗日應變，最后取4個三角形的應變平均值作為待求點的應變。

從圖3a可知，第1條裂隙從左下角角點開始出現，裂隙尖端處的應變大于0.4%。試驗進行到570 min時，第一條主裂隙呈直線向右上角發展，同時在土樣邊界區域又產生數條裂隙，它們均從邊界向土樣中心延伸，裂隙尖端處的應變值為0.5%左右，裂隙基本呈直線發展，無裂隙處仍然大部分受拉，僅在左下角裂隙之間的范圍存在部分受壓區。試驗到610 min時，部分裂隙從早期裂隙的某處開始產生并發展，這里的早期裂隙稱為母裂隙，從母裂隙發展的裂隙稱為子裂隙，子裂隙與母裂隙的交叉角約為90°。裂隙的線形有直線和曲線，每條裂隙發展方向與已成形的早期裂隙呈直角相交。在裂隙的交叉區域出現了明顯的壓應變，裂隙的其他邊界處也存在少量壓應變，離裂隙較遠區域仍以拉應變為主，裂隙尖端處應變值仍為0.5%。試驗750 min后，絕大部分裂隙已穩定不再發展，個別裂隙間距較大區域仍有裂隙形成并發育，每條裂隙首尾與其他裂隙連接，交叉角接近90°，土樣表面絕大部分區域受壓。

圖3a顯示，在裂隙出現時，由于土體的不均勻性和外界條件的影響，土樣表面的應變場分布不均勻，拉應變區域面積明顯大于壓應變區域面積，這與文獻[23]的研究結果類似。土樣經過一段時間的蒸發，土體基質吸力增大引起收縮，進而導致張拉應力產生并增大。張拉應力超過抗拉強度時，土體裂隙開始出現，而裂隙尖端處應力訊速集中，導致裂隙繼續延伸。裂隙產生后，裂隙兩側土體垂直裂隙方向背離移動，當裂隙兩側土體移動距離相等時，裂隙呈直線延伸；當一側土體位移大于另一側位移時，裂隙延伸向位移較大一側發生偏轉。裂隙兩側土體位移越大，裂隙越寬，釋放的應變能越大，裂隙兩側拉應變區逐漸轉變為壓應變區（圖3應變云圖的藍色區），但其影響范圍未波及非裂隙周邊區域的應變場。當母裂隙產生后，垂直母裂隙方向張拉應力得到降低，而平行母裂隙方向的張拉應力隨著水分的蒸發繼續增大，當某處張拉應力超過抗拉強度時，該處產生子裂隙且其方向垂直母裂隙。隨著裂隙數量的增加，土體的拉應變區域逐漸減少，壓應變區域逐漸擴大，裂隙的發展漸趨穩定。

2.3 水分變化與裂隙演化的關系

根據相機拍攝固定時間間隔的照片，然后通過matlab編程對土樣裂隙照片進行二值化、形態學處理、中值濾波、骨架提取和毛刺去除，獲得裂隙率（裂隙所占面積與干燥前土樣表面積之比）及裂隙總長度。另外，試驗時通過電子天平讀數計算土體含水率隨時間的變化，據此得到土樣含水率、裂隙率和裂隙長度隨時間的變化關系（圖4）。

圖4b表明裂隙率的變化也可以劃分為4個階段，600 min之前屬于裂隙孕育階段，600～1 000 min期間為裂隙快速發展階段，裂隙率與時間基本呈線性關系；1 000～1 200 min為裂隙緩慢收斂階段，裂隙率增速下降并逐漸穩定，1 200 min之后裂隙率基本停止增加。對比圖4a和圖4b可知，裂隙率的收斂時間在裂隙長度之后，說明當裂隙長度停止增加后，裂隙率的增大來自于裂隙寬度的增加。

許錫昌等[10,18]開展壓實土樣干燥試驗也得到了類似的結論，但文獻[18]采用直徑為146 mm、高為20 mm的圓餅狀試樣，且初始含水率低于50%，試驗開始時土樣先產生整體收縮，然后裂隙才出現；文獻[10]的土樣較大（29.5 cm×39.5 cm×3 cm），干燥過程中土樣沒有整體收縮，但由于含水率小于30%，所以試驗開始時裂隙就產生了。本文試驗采用邊長為200 mm、厚度為15 mm方形泥漿土樣，由于土樣與容器底面的粘結力大于土粒間的收縮應力[7]，所以干燥過程中土樣沒有整體向心收縮，在含水率達到液限時土體裂隙才出現。因此，筆者認為，臨界含水率針對飽和土才有意義，非飽和土的初始含水率即為臨界含水率。

2.4 土表變形定量分析

為了定量分析土樣表面的變形，選取若干個特征點描述其變形隨時間的變化，特征點的位置如圖5所示，其中特征點D1和D3為土塊中心點，特征點D2和D4為主裂隙邊緣點，特征點D5和D6為次級裂隙邊緣點，P1、P2和P3分別表示不同階段裂隙兩側點之間的距離，裂隙兩側點距離的變化相當于相應位置裂隙寬度的變化。P1、P2、P3處裂隙寬度隨時間的變化如圖6所示。特征點的最大主應變、豎向位移、位移和位移隨時間的變化分別見圖7～圖8。

通過圖2的裂隙演化分析可知，P1處的裂隙產生于第1階段，P2處的裂隙屬于第2階段，P3處的裂隙屬于第4階段。圖6表明，P1、P2和P3處裂隙產生時間約為520、560和780 min。裂隙產生后，其寬度隨時間呈線性增加，且3個位置裂隙寬度增速相同。P1、P2和P3處裂隙終止時間分別約為1 170、1 100和1 080 min，而P1、 P2和P3處的裂隙最終寬度分別為6.6、5.1和3.3 mm，P1和 P2處裂隙寬度分別是P3處裂隙寬度的200%和155%，P1處裂隙寬度相當于P2處裂隙寬度的129%。由此可知，主裂隙產生最早，裂隙穩定時間最晚，其裂隙發展持續時間最長，裂隙寬度最大；相對于主裂隙，次級裂隙產生的更晚，裂隙發展持續時間更短，裂隙寬度更小。

注：圖中P1-P3表示不同階段裂隙兩側點之間的距離，下同。D1-D6表示裂隙邊緣特征點。

由圖7可知，土樣表面最大主應變發展經歷了3個階段：第1階段從試驗開始至約590 min，表面各點產生了-0.1%～0.3%的主應變，此階段土樣表面以受拉為主，但由于拉應變值小而不至于受拉開裂。第2階段590～1 070 min期間，各點主應變迅速增加，但不同位置的主應變增速不同，應變絕對值大小順序為D2、D6、D5、D4、D3、D1，其中主裂隙邊緣點D2的主應變絕對值最大（19%），土塊中心點D1主應變絕對值（13%）最小，說明土塊中心收縮小于土塊邊緣收縮。第3階段為1 070 min之后，土樣表面各點的主應變漸趨穩定。結合圖5和圖6分析，第1階段土體尚未產生裂隙，僅在未期開始出現少量裂隙，第2階段土體裂隙逐漸形成及發展，第3階段土體裂隙基本穩定不再明顯發展，裂隙的和應變的發展階段相吻合，說明裂隙的產生及發育緣于應變的變化。

圖8a表明，土體表面各點豎向位移變化經歷了4個階段：第1階段從試驗開始到約530 min，豎向位移呈線性增加，但不同位置的豎向位移有所差別，其中D1（土塊中心）豎向位移最大（4.5 mm），D4（裂隙邊緣）豎向位移最小（3.7 mm），分別為土樣厚度（15 mm）的30%和25%，此階段土樣表面沒有產生裂隙，但豎向收縮一直持續發展，且不同位置的豎向收縮程度不完全相同。第2階段530～970 min期間，豎向位移在前60 min增速趨緩，然后繼續增大，各點的豎向位移差別越來越大，最大為D1處豎向位移6.8 mm，最小為D4處豎向位移4.8 mm，兩者相差2 mm，相當于土樣初始厚度的13.3%，此階段裂隙長度及裂隙率呈線性增加，即裂隙發展的同時，土樣繼續產生豎向收縮并達到最大值。第3階段豎向位移不增反減，即土樣表面不再下沉而是起拱，其中D1和D2持續到1 190 min，其他4個點持續到1 060 min，此階段起拱的高度約為0.8～1.3 mm之間。由圖4可知，此階段裂隙長度增加開始變慢并趨于穩定，即裂隙網絡大體定型，土樣被裂隙分割成大小不同的土塊，每個土塊繼續向中心收縮，導致土塊底面與容器面脫離[25]，因此土表產生起拱。第4階段豎向位移變化較小，其中D1和D2的豎向位移基本穩定，而D3、D4、D5和D6的豎向位移均增加了約0.5 mm。

由圖8b和圖8c可知，位移和位移的發展均可以劃分為相同的3個階段：第1階段2個方向位移均很小，因為試驗初期裂隙尚未產生；第2階段裂隙出現后，位移開始隨時間線性增加，但點D3、D4、D5的位移在后期增速加大，最后位移又有小幅減小；第3階段為位移停止發展期。D1和D3點的位移和位移為最小，因為這兩點位于裂塊的中心；D2和D5的位移較大，D4和D6的位移較大，因為它們均靠近裂隙邊緣。其中，位移最大值為D2的3.3 mm，位移的最大值為D6的3.6 mm，根據圖2分析結果，D2和D6分別位于第1階段和第2階段裂隙邊緣，早期產生裂隙寬度較大，其裂隙邊緣點的位移也相應較大。

結合圖7和圖8分析，在泥漿土干燥初期，即裂隙出現前土表僅產生豎向收縮；裂隙產生后，土表位移和應變均隨時間有了明顯的增加，導致裂隙快速發展；在試驗后期，土表位移和應變停止發展，裂隙也基本穩定。林鑾等[23]發現土塊向中心收縮且收縮中心隨時間而變化，本文通過試驗數據證實最終的土塊中心區域位移及應變均小于土塊邊緣，但在裂隙發展的不同階段，土塊的形狀、大小及其中心的位置也在變化，在裂隙發展前期的土塊中心可能在后期產生裂隙，只有最終成形的土塊中心位移及應變一直很小。

3 結 論

本文模擬自然濕熱環境對紅黏土泥漿樣進行干燥試驗，通過數字圖像相關技術獲取了土體表面的位移場以及應變場，分別利用電子天平和數碼相機記錄土體收縮開裂過程中的水分變化及裂隙形態，進而定量分析了土體水分、收縮應變及裂隙的演化特征及相互關系，得到以下結論：

1）泥漿土樣裂隙的發展經歷了6個階段，后期裂隙分割早期裂隙圍成的區域，且后期裂隙首尾與早期裂隙基本垂直正交。早期裂隙長度和寬度大于后期裂隙的長度及寬度。被裂隙分割的土塊形狀多為四邊形，少數土塊呈三角形。

2）土樣干燥初期，土樣表面應變分布不均勻，但大部分為拉應變區，裂隙尖端處拉應變約為0.5%。干燥中期，次級裂隙分別從土樣邊界和早期裂隙處產生，在裂隙的交叉區域出現了明顯的壓應變。干燥后期，每條裂隙首尾均與其他裂隙連接，土樣表面絕大部分區域受壓。

3）在土樣干燥大部分時間，含水率隨時間呈線性減少，僅在試驗后期含水率逐漸緩慢減少并趨于穩定。裂隙的變化可以劃分為4個階段：裂隙醞釀及緩慢形成階段，裂隙快速發展階段，裂隙緩慢收斂階段和裂隙穩定階段。土體含水率接近液限時（67.7%）裂隙出現，土體含水率達到塑限時（28.3%）裂隙開始緩慢收斂，含水率小于縮限時（18.8%）裂隙漸趨穩定。

4）在裂隙出現后，其寬度隨時間呈線性增加，主裂隙最早產生且持續時間最長，次級裂隙產生較晚且持續時間較短。土樣干燥開始即產生土表豎向收縮，但不同位置的豎向收縮不同，土塊中心豎向收縮最大并達到6.8 mm，裂隙邊緣豎向收縮最小僅為4.8 mm。土表不同位置的主應變及位移隨時間增加而增速不同，土塊中心主應變及位移均小于土塊邊緣。

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Quantitative analysis of the evolution process of high liquid limit laterite shrinkage fracture in Shaoyang areas of Hunan Province of China

Chen Aijun, Chen Junhua, Cheng Feng, Wu Di

(g,,541004,)

Laterite is a special type of soil in tropical and subtropical humid areas. It is evolved from carbonate rocks to physical, chemical, and biological weathering, as well as laterization with the color of brown-red, maroon and yellowish-brown. Furthermore, laterite is very likely to crack in a dry environment, due to its sensitivity to ambient humidity. The resulting dry shrinkage cracks have posed a great threat to the strength and stability of the soil. Therefore, there is a commonly-hidden danger of collapse from the shrinkage cracking of laterite in slope projects. Most cracking of cohesive soil comes from the evaporation of water in the soil. Boundary constraints and uneven shrinkage can result in the formation and development of a stress-strain field in the soil. Once the tensile exceeds the maximum tensile strength of the soil, the cracks gradually occur and continue to develop during evolution. In this study, a quantitative analysis was performed on the dry shrinkage cracking of red clay in high liquid-limit laterite in Shaoyang area of Hunan Province in China. A drying test was also conducted to explore the evolution and formation mechanism of cracks in the laterite using slurry samples under natural hot-humid conditions. A three-dimensional strain measurement system was adopted to collect the moisture, displacement, strain, and crack of the soil. Then, a quantitative description was made on the evolution characteristics of crack morphology and strain field during dehumidification, thereby investigating the influence of water content on fracture morphology and strain field. The results show that: 1) Six stages were found in the evolution of dry shrinkage cracks on the surface of the soil sample. The cracks were formed in the later stages with the cracking surroundings from the previous stages. Specifically, the intersection angle of fractures was close to 90o in different stages. 2) Most soil was in the tensile state with a nearly 0.5% strain at the crack tip during the initial stage of crack development. The soil around the cracks gradually evolved into a compressive state, as the crack developed. Once all the cracks developed, the soil around the crack was totally in a compressive state. 3) The evolution of cracks was closely related to the limited water content. Specifically, the cracks on the soil surface began to rapidly develop, widen and extend, when the soil water content approached the liquid limit of 67.7%. The developing rate of crack began to slow down when the soil water content reached the plastic limit of 28.3%. Once the soil water content was less than the plastic limit of 18.8%, there was no obvious change of fracture, indicating that the fracture development was nearly completed. 4) The cracking time and width of early fracture exceeded those of later fracture in the process of fracture evolution. The displacement and strain varied at the different parts of the soil surface. The vertical shrinkage at the center of the soil block was greater than that at the edge, but the displacement and strain at the center of the soil block were much less than that at the edge. The finding can offer a great engineering reference to prevent geological diseases or environmental disasters in laterite areas.

soils; water; fracture; laterite; strain field; DIC

陳愛軍，陳俊樺，程峰，等. 湖南邵陽地區高液限紅黏土干縮裂隙演化過程的量化分析[J]. 農業工程學報，2021，37(20)：146-153.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.016 http://www.tcsae.org

Chen Aijun, Chen Junhua, Cheng Feng, et al. Quantitative analysis of the evolution process of high liquid limit laterite shrinkage fracture in Shaoyang areas of Hunan Province of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 146-153. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.016 http://www.tcsae.org

2021-04-28

2021-10-10

國家自然科學基金地區項目（42067044）；廣西自然科學基金（2019GXNSFAA245011）

陳愛軍，博士，副教授，研究方向為路基工程及特殊土處治。Email：44420141@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.016

TU 446

A

1002-6819(2021)-20-0146-08