何岱洵,張家明,陳 茂,龍鄖鎧
(昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500)
在云貴高原干旱氣候環境中紅黏土干縮開裂是一種普遍的自然現象,在土木、水利和巖土等工程領域引發各種災害[1-2]。紅黏土干縮開裂會降低土體強度和穩定性,誘發滑坡、崩塌等地質災害[3-4]。如在強降雨期間,紅黏土的干縮裂隙可產生優先流,加快降雨入滲補給地下水,引發降雨型地質災害[5];紅黏土防滲襯砌干裂,雨季水庫蓄水初期會發生大量滲漏[6];紅黏土地基干縮開裂,會產生不均勻沉降,導致上部建筑結構失穩或破壞[7]。
紅黏土的水敏性極強[8-9],對干旱也比較敏感[10],因此干濕循環會顯著影響紅黏土的工程地質特性。目前,已有學者開展了干濕循環對紅黏土表面干縮裂隙結構形態的影響研究[11-13]。例如:陳開圣[14]探究了貴州余慶—凱里高速公路紅黏土干縮裂隙的面積率與干濕循環次數的關系;李焱等[15]通過試驗揭示了江西東鄉紅黏土裂隙度與干濕循環次數的相關性;陳開圣[16]通過精細設計邊坡模型試驗,探索了貴陽花溪紅黏土裂隙寬度、裂隙深度、裂隙率、裂隙條數、裂隙長度、裂隙塊區數隨干濕循環的變化規律;熊俊豪等[17]通過試驗研究了干濕循環次數對桂林雁山紅黏土裂隙率、裂隙長度的影響。
上述研究成果對更深入地認識紅黏土干縮開裂的干濕循環效應發揮了重要作用,但是針對極端干濕循環作用下紅黏土干縮裂隙的發育特征還缺乏系統研究。土體水分蒸發是干縮開裂的誘因,干縮開裂是土體蒸發失水到一定程度的產物[18]。紅黏土具有崩解性[19-20],其可能影響干縮裂隙的發育規律。但是既有紅黏土干縮裂隙的研究很少考慮土體水分蒸發特征和崩解性的影響。
氣象監測數據分析表明,云南地區的干旱化趨勢將會持續加重,干旱事件的發生頻率也將會繼續增加,其影響范圍逐漸擴大[21-23]。隨著人們環保意識的提高,云南地區的紅黏土生態邊坡逐漸增多,在旱季,澆水灌溉模擬降雨是生態邊坡養護的重要方式,邊坡紅黏土經歷了極端干濕循環過程。此外,既有紅黏土干縮裂隙的研究都是以壓實樣為研究對象,但作為基礎研究,泥漿樣制備方便、重復性好。因此,為了研究極端干濕循環作用對紅黏土干縮裂隙發育規律的影響,本文以云南昆明呈貢地區紅黏土為研究對象,通過制備紅黏土初始飽和泥漿樣,在室內進行了5次干濕循環試驗,分析了極端干濕循環作用對紅黏土水分蒸發、干縮裂隙的形成及其演化、表面干縮裂隙結構形態的影響。該試驗結果對紅黏土地區由干縮裂隙誘發的地質災害和工程安全問題具有重要的防控指導意義。
試驗材料是昆明呈貢地區二疊系下統棲霞組、茅口組灰巖上覆紅黏土,取樣點深度為1.7 m,無植被根系,避免了根系和先期自然干縮開裂的影響。紅黏土的基本物理性質參數見表1,紅黏土黏粒(<5 μm)礦物成分的X射線衍射(XRD)測試結果見表2。

表1 紅黏土的基本物理性質參數

表2 紅黏土黏粒(<5 μm)礦物成分的X射線衍射測試結果
試驗步驟如下:①將取回的土樣在室內風干碾碎,并過2 mm篩子;②稱取一定量的篩下紅黏土細粒倒入不銹鋼桶內,加入適量的蒸餾水,用木棍、大功率電動攪拌器等工具充分攪拌成泥漿,并先后用保鮮膜、濕抹布密封鋼桶,靜置于暗室24 h;③將泥漿充分攪拌均勻,然后向內長×內寬×深為200 mm×200 mm×20 mm的正方形有機玻璃容器中倒入675 g泥漿,在木桌子上均勻地手工振動玻璃容器,制備成厚度為10 mm的均質泥漿樣,按此步驟制備3個平行樣(S1、S2、S3),并先后用保鮮膜、濕抹布密封玻璃容器,靜置于暗室24 h;④對試樣進行干處理:對試樣用控溫烘箱進行70℃恒溫干燥試驗,干燥過程中對試樣定時稱重和對試樣表面進行拍照(如圖1所示為自制的試樣稱重和拍照不銹鋼裝置,在暗室內拍照,獲得相同光亮度、放大倍數、分辨率和表面積的圖像),試樣出現裂隙前、后的時間間隔分別為1 h、0.5 h,如果試樣的質量在2 h之內無變化,即認為干燥過程完成[24],以上為第1次干濕循環,記為DW1;⑤對試樣進行后續4次先濕后干循環試驗,依次記為DW2、DW3、…、DW5,其路徑見圖2。對試樣進行濕處理:將干燥試樣水平置于天平上,用噴霧器向試樣表面均勻、等速地噴灑蒸餾水,使試樣恢復到初始含水率(初始質量),用時控制為10 min,并先后用保鮮膜、濕抹布密封玻璃容器,靜置于暗室24 h,濕處理過程中禁止擾動試樣,然后對試樣進行干處理,方法如前所述;⑥將整個試樣于105℃烘干,測量試樣的干土質量;⑦最后基于試樣的干土質量、初始質量和干燥過程中的質量,計算試樣的質量含水率和蒸發速率。本文取3個試樣測試結果的平均值進行分析。

圖1 紅黏土試樣稱重和拍照裝置

圖2 紅黏土干濕循環試驗路徑示意圖
采用南京大學施斌教授團隊研發的顆粒及裂隙圖像識別與分析系統(PCAS)[25]進行圖像處理,以S2試樣第1次干濕循環末期圖像為例,圖像處理流程如下(見圖3):①裁剪中間區域:受有機玻璃容器邊界的影響,其附近的裂隙相對中間區域顯得雜亂破碎[見圖3(a)],為了消除邊界的影響,提高分析結果的可靠度,選取中間700像素×700像素區域[見圖3(b)]作為分析對象,其實際尺寸為160.7 mm×160.7 mm,即圖像分辨率為4.36像素/mm;②灰度圖像:將彩色圖像轉化為灰度圖像[見圖3(c)];③二值化圖像:設定一個灰度閾值將灰度圖像轉化為黑白圖像[見圖3(d)],黑色區域為裂隙,白色區域為塊區;④去除雜點:由于試樣雜質和圖像噪聲等原因[26],圖像二值化處理后塊區中有一些孤立的小黑點,但這些小黑點不是裂隙[見圖3(e)],由于裂隙深度貫通試樣厚度,局部玻璃容器底部反光在裂隙中間形成孤立的白色小區域,但這些白色區域不是塊區[見圖3(f)],因此應采用軟件的去雜點功能消除塊區中的小黑點和裂隙中的白色小區域;⑤基于真實的二值化圖像獲取裂隙和塊區的統計參數[見圖3(g)]。

圖3 紅黏土干縮裂隙圖像處理流程
本研究測量的參數如下:
(1) 測量不同時刻試樣的含水率w(%)和水分蒸發速率Re(為單位時間內的失水質量,g/h)。
(2) 統計裂隙交點數Nn和裂隙條數NI。裂隙節點包括端點和交點,其中裂隙交點為3條或3條以上裂隙的相交點,兩個相鄰節點之間為1條裂隙[26]。
(3) 統計裂隙總長度L、裂隙平均長度La和裂隙平均寬度W。
(4) 統計土塊數Na、土塊平均面積Sav和土塊最大面積Smax。
(5) 統計表面裂隙率RSC,為裂隙面積與試樣的初始總面積之比。
(6) 計算表面裂隙的分形維數D,采用軟件中盒維法計算得到[24]。
需要說明的是,裂隙、土塊與面積或長度有關的參數都是通過軟件PCAS統計黑色像素點的個數、白色像素點的個數來確定的,也可以基于圖像分辨率計算實際物理面積或長度。
紅黏土的水分蒸發速率Re與干燥時間的關系曲線稱為蒸發曲線,紅黏土的含水率w與干燥時間的關系曲線稱為干燥曲線[24]。不同干濕循環過程中紅黏土的蒸發曲線和干燥曲線,見圖4和圖5。
由圖4和圖5(a)可以看出:

圖4 不同干濕循環過程中紅黏土的蒸發曲線

圖5 不同干濕循環過程中紅黏土的干燥曲線及其局部特寫
(1) 不同干濕循環過程中紅黏土的蒸發曲線和干燥曲線,其形狀總體相似。
(2) 根據紅黏土水分蒸發速率Re隨干燥時間的變化規律,紅黏土的蒸發曲線可分為4個階段:增速率階段(Ⅰ)、常速率階段(Ⅱ)、減速率階段(Ⅲ)、穩定階段(Ⅳ)。其中,常速率階段紅黏土的水分蒸發速率總體穩定,但也有先增后減的微小波動,這是因為紅黏土的干縮裂隙首先在常速率階段產生,增大蒸發面積,紅黏土的水分蒸發速率增大,隨著水分蒸發,紅黏土的含水率降低,其水分蒸發速率降低[24]。
(3) 在歷時方面,紅黏土減速率階段歷時最長,常速率階段、增速率階段次之,穩定階段歷時最短。
(4) 在干燥初期,紅黏土的含水率與干燥時間幾乎呈直線關系,隨后紅黏土的干燥曲線趨于平緩,最后紅黏土的干燥曲線幾乎水平[見圖5(a)],最終紅黏土含水率在1.01%~1.45%之間[見圖5(b)]。
(5) 從數量上看,不同干濕循環過程中紅黏土的蒸發曲線和干燥曲線在各蒸發階段的歷時、水分蒸發速率和干燥完成時間方面存在差異,但是差異并不顯著,尤其是后4次干濕循環試樣。例如:不同干濕循環次數試樣(DW1至DW5)的增速率階段歷時依次為2 h、4 h、4 h、3 h、4 h,常速率階段歷時分別為8.5 h、5 h、4 h、6 h、6.5 h,試樣的最大水分蒸發速率分別為26 g/h、25 g/h、26.5 g/h、26 g/h、25.5 g/h,常速率階段試樣的平均水分蒸發速率依次為23.11 g/h、24.58 g/h、25.42 g/h、25.08 g/h、24.38 g/h(見圖4),干燥完成時間分別為21.5 h、19.5 h、19 h、19 h、19 h[見圖5(b)],后4次干濕循環紅黏土的水分蒸發速率比第1次干濕循環紅黏土的大。
以上分析表明,極端干濕循環作用會顯著影響紅黏土的水分蒸發過程,但影響程度隨干濕循環次數的增加而減弱。
根據紅黏土干縮裂隙的特點,將第1次干濕循環過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程分為5個階段,以S2試樣為例簡述紅黏土干縮裂隙形成及其演化過程各階段的特征如下:第1階段為裂隙孕育階段,即裂隙出現之前,土體含水率逐漸減小,土顆粒干縮,并且呈非均勻運動,發生相互靠攏或分離;第2階段為裂隙形成階段,即從初始開裂至最后一條裂隙出現,土樣表面出現孤立的主裂隙,主裂隙延伸并近似垂直相交,形成主裂隙網絡和初級塊區,而主裂隙垂直衍生出子裂隙,形成次級塊區,子裂隙再衍生出次子裂隙,形成更次級塊區,直到最后一條裂隙開始形成[見圖6(a)、(b)、(c)、(d)];第3階段為裂隙條數穩定階段,即裂隙條數不變,裂隙長度不斷增長[見圖6(e)];第4階段為裂隙長度穩定階段,即裂隙長度不變,裂隙網絡結構已定形,但裂隙寬度不斷增加,塊區形狀基本不變,但面積仍繼續縮?。坏?階段為表面裂隙率穩定階段,即裂隙網絡結構和塊區分布已經固定,土體含水率和蒸發速率繼續減小,土體水分蒸發速率最終為零。
第2、3、4、5次干濕循環過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程類似,以S2試樣第2次干濕循環過程為例簡述紅黏土干縮裂隙的形成及其演化特征(見圖7)如下:首先在試樣表面隱隱約約出現裂隙網絡[見圖7(a)、(b)],隨著試樣水分蒸發,裂隙寬度增加,裂隙網絡結構變得清晰[見圖7(c)、(d)、(e)]。對比第1次干濕循環(見圖6),第2次干濕循環紅黏土干縮裂隙的形成及其演化具有以下特點:①在試樣表面最先出現的干縮裂隙不是隨機形成的孤立、明顯的主裂隙,而是隱隱約約的裂隙網絡結構;②試樣裂隙網絡幾乎同時出現和發展,沒有顯示出主裂隙、子裂隙、次子裂隙、更次子裂隙的逐級先后衍生關系;③試樣裂隙網絡的形狀、位置與第1次干濕循環末期試樣的裂隙網絡結構高度吻合;④試樣表面新增一些微小的干縮裂隙。

圖6 第1次干濕循環過程中紅黏土試樣S2干縮裂隙的形成及其演化過程

圖7 第2次干濕循環過程中紅黏土試樣S2干縮裂隙的形成及其演化過程
以上分析表明:首次與后續極端干濕循環過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程不同,后續極端干濕循環過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程類似;首次極端干濕循環過程中紅黏土形成的干縮裂隙網絡結構對后續干濕循環紅黏土干縮裂隙的形成及其演化起控制性作用,后續極端干濕循環紅黏土的干縮裂隙是在首次極端干濕循環過程中紅黏土形成的干縮裂隙網絡結構的基礎上形成的。
圖8展示了經5次干濕循環后紅黏土試樣S2表面形成的典型干縮裂隙網絡結構,土樣表面被裂隙網絡分離為獨立的土塊。
由圖8可見:首次干濕循環后,土塊形狀相對規則,裂隙的邊壁光滑,彼此相互垂直[見圖8(a)];第2次干濕循環之后,裂隙邊壁變得粗糙[見圖8(b)];后3次干濕循環后,裂隙邊壁越來越光滑[見圖8(c)、(d)、(f)]。這些現象與紅黏土試樣表面裂隙分形維數的計算結果一致,即5次干濕循環后紅黏土試樣表面裂隙的分形維數依次為0.928、1.069 5、1.007 3、1.003 5、0.975 1。此外,圖8清晰地顯示了不同干濕循環過程中紅黏土試樣主體裂隙網絡結構的幾何形態特征相似,但隨著干濕循環次數的增加,試樣裂隙寬度減小,試樣表面新增了一些微小裂隙,土塊的數量增多、面積減小,試樣表面干縮裂隙網絡結構越來越破碎。

圖8 不同干濕循環過程中紅黏土試樣S2表面形成的典型干縮裂隙網絡結構
定量分析紅黏土裂隙網絡結構的幾何形態特征對土體干縮開裂形成機理和土體裂隙預測研究具有重要的意義。表3匯總了每次干濕循環后紅黏土表面干縮裂隙網絡結構幾何形態參數的平均值,圖9用曲線形式展示了紅黏土表面干縮裂隙網絡結構幾何形態參數與干濕循環次數的關系。

表3 每次干濕循環后紅黏土表面干縮裂隙網絡結構幾何形態參數的平均值
由表3和圖9可知:隨著極端干濕循環次數的增加,紅黏土表面干縮裂隙交點數、裂隙條數、裂隙總長度、土塊數快速增加[見圖9(a)、(b)、(d)、(g)],土塊平均面積、土塊最大面積快速減小[見圖9(h)、(i)],裂隙平均長度在最初2個干濕循環過程中快速減小,后3個干濕循環過程中緩慢減小[見圖9(e)]。以上分析表明:隨著極端干濕循環次數的增加,紅黏土表面干縮裂隙和土塊數量增加,土塊面積減小,土體碎裂化加?。粡牡?次到第2次干濕循環過程中,紅黏土表面干縮裂隙平均寬度W、表面裂隙率RSC快速大幅度減小,從第2次到第5次干濕循環過程中,紅黏土表面干縮裂隙平均寬度W、表面裂隙率RSC緩慢減小并趨于穩定,如第1次至第5次干濕循環后紅黏土表面裂隙率RSC依次為26.98%、13.57%、13.29%、12.77%、12.57%[見圖9(c)、(f)]。
選用表面裂隙率來評價土體干縮裂隙發育程度,則首次極端干濕循環作用對土體干縮裂隙發育的影響最顯著,后續干濕循環作用的影響強度逐漸減弱。
土體水分蒸發是一個復雜的過程,同時受外部環境因素和內部因素的綜合影響[27]。本文開展的紅黏土干濕循環試驗,每次循環的干處理方式都是70℃室內恒溫干燥試驗,不同干濕循環的外部環境因素一致。因此,造成不同干濕循環作用下土體蒸發過程存在差異的原因是土體內部因素。前文分析表明,后續干濕循環過程中紅黏土的水分蒸發速率比首次干濕循環的紅黏土大,這應該與極端干濕循環作用改變了土體自身的物理特性和結構特征有關。
土體水分蒸發速率與土體含水率、飽和度、滲透系數、含砂量、粗顆粒含量、孔徑、裂隙發育程度呈正相關關系,與土體黏粒含量、密度、含鹽量、孔隙氣體體積呈負相關關系[27-34]。隨著干濕循環次數的增加,土體黏粒含量減少、粉粒含量增加[35]。紅黏土具有顯著的膨脹收縮性,極端干濕循環導致紅黏土產生大幅度的體積收縮、膨脹交替變形,土顆粒交替靠近、分離,且隨著干濕循環次數的增加,導致土體疲勞損傷,破壞了土體結構和顆粒團聚性,增強了土的分散性[36-37],降低了土體密度。此外,紅黏土在極端干濕循環過程中會發生顯著崩解,形成很多微小裂隙,增大了土體的空隙率[20]。上述這些變化都將增大土體的水分蒸發速率。
土體結構影響紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程,圖10展示了紅黏土試樣S2每次干燥試驗前的表面干縮裂隙網絡結構形態。

圖10 紅黏土試樣S2每次干燥試驗前的表面干縮裂隙網絡結構形態
由圖10可以看出,首次與后4次干燥試驗前試樣的表面干縮裂隙網絡結構形態明顯不同。首次干燥試驗前的試樣[見圖10(a)]是初始飽和泥漿樣,試樣還沒有經歷干濕循環和崩解(見圖2),土質相對均勻,局部結構性差異較小;而后4次干燥試驗前的試樣[見圖10(b)、(c)、(d)、(e)]為經歷了干濕循環和崩解的飽和泥漿樣,試樣表面變得粗糙。雖然不同干濕循環的紅黏土主體裂隙網絡幾何形態特征相似,主體裂隙位置相同(見圖8),Yesiller等[38]和Tang等[39]也有類似發現,但是首次與后4次極端干濕循環紅黏土的干縮開裂機理是不同的。
初始飽和泥漿樣[見圖10(a)]具有土質的非均質性和土樣表面含水率分布的非均勻性,土顆粒間的聯結強度大小不一,由基質吸力和收縮膜的表面張力共同形成的張拉應力場在土體中的分布也是非均勻的,很容易在局部產生應力集中,一旦某點的張拉應力超過土顆粒間的聯結強度,便會張開形成裂隙[見圖6(a)];在裂隙尖端產生拉應力集中,在尖端的引導下[見圖6(b)],裂隙從水平方向和豎直方向繼續延伸,土塊不斷收縮,裂隙逐漸變寬加深[見圖6(c)、(d)。干縮開裂是一種在內力作用下的張拉破壞,裂隙面是張拉面,因此裂隙發育方向總是垂直于最大拉應力方向,子級裂隙一般垂直主裂隙發育,逐漸形成裂隙網絡結構[40][見圖6(e)]。
本研究進行的是先濕后干循環試驗,而且濕處理過程中不能擾動試樣。此外,紅黏土具有高收縮性、低膨脹性[41-42],干濕循環會對土樣造成不可逆的結構損傷[43],而土體崩解也為不可逆的物理過程,因此紅黏土的脹縮變形過程是不可逆的[36],即首次干濕循環形成的紅黏土干縮裂隙在后續循環的濕處理過程中不能完全自愈合,對后續干濕循環紅黏土干縮裂隙的形成及其演化起控制性作用。對于后續干濕循環,首次干濕循環形成的紅黏土裂隙面是軟弱張拉面,在干燥試驗水分蒸發過程中,土體收縮,率先沿軟弱張拉面裂開,因此后續干濕循環的紅黏土干縮裂隙同時沿著先前裂隙張開(見圖8)。此外,土塊收縮進程中,由于內力分布不均,土塊內部出現若干微小裂隙,隨著干濕循環次數的增加,微小裂隙增多[見圖8(b)、(c)、(d)、(e)],而第5次循環后土塊看似塊狀[見圖8(e)],其實已經是散體狀,并非如圖8(a)所示的完整塊狀。
極端干濕循環作用對紅黏土水分蒸發過程和干縮裂隙發育強度的影響程度隨干濕循環次數的增加而減弱,并趨于穩定,但首次干濕循環作用對紅黏土水分蒸發過程和干縮裂隙發育強度的影響尤為顯著,表明極端干濕循環作用對紅黏土水分蒸發過程和干縮裂隙發育強度的影響存在極限平衡狀態[44]。極端干濕循環作用對紅黏土影響的極限平衡狀態不僅體現在干縮裂隙方面,還體現在力學特性方面[35]。究其原因是極端干濕循環改變了紅黏土的物理特性和結構特征,而且這種改變是不可逆的,紅黏土的脹縮變形是不可逆的,其變形隨干濕循環次數的增加而減小,并趨于穩定[36],紅黏土的耐崩解性隨干濕循環次數的增加而逐漸減弱。以上原因導致紅黏土對極端干濕循環的響應越來越不明顯,但達到極限平衡狀態所需要的干濕循環次數可能會受干濕條件、循環路徑和土體特性的影響而不同。
以上分析表明,極端干濕循環作用顯著影響紅黏土的干縮開裂,該研究結果對紅黏土地區的工程防災減災工作具有重要的指導意義。比如:工程實踐中應盡量避免或減弱極端干濕循環的影響,紅黏土邊坡的澆水養護應盡量安排在土體溫度較低的時間段;應嚴格控制工程(如紅黏土邊坡工程、路基工程)周期,盡量讓紅黏土經歷多次極端干濕循環過程,待紅黏土干縮裂隙達到極限平衡狀態后才進行下一步工序。
通過對昆明呈貢地區紅黏土飽和泥漿樣進行室內極端干濕循環試驗,研究了極端干濕循環作用對紅黏土水分蒸發、干縮裂隙的形成及其演化、表面干縮裂隙網絡結構形態的影響,得出如下結論:
(1) 紅黏土的蒸發曲線可分為4個階段,不同干濕循環過程中紅黏土的蒸發曲線和干燥曲線形狀相似,但紅黏土蒸發曲線各蒸發階段的歷時不等,后4次干濕循環的紅黏土干燥完成時間比第1次干濕循環的紅黏土短,其水分蒸發速率比第1次干濕循環的紅黏土大。
(2) 首次極端干濕循環過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化過程可分為5個階段,首次與后續干濕循環過程中紅黏土干縮裂隙的形成及其演化特征、形成機理不同,首次干濕循環形成的紅黏土干縮裂隙網絡結構對后續干濕循環紅黏土干縮裂隙的形成及其演化起控制性作用。
(3) 隨著干濕循環次數的增加,紅黏土表面干縮裂隙交點數、裂隙條數、土塊數、裂隙總長度增加,土塊平均面積、土塊最大面積、裂隙平均長度、裂隙平均寬度、表面裂隙率減小,紅黏土碎裂化程度加劇。
(4) 極端干濕循環作用對紅黏土水分蒸發過程和干縮裂隙發育強度的影響存在極限平衡狀態。