干濕循環下摻根率對膨脹土開裂的影響

許英姿, 蘇超, 劉德志, 黃效

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 南寧 530004; 2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 南寧 530004)

近年來，植被防護膨脹土邊坡得到了廣泛的推廣應用。生態防護也被公認為實用性和環境友好度均較高的護坡方式[1-2]。然而在自然環境中的膨脹土邊坡，即便植被達成了有效防護，仍會不可避免地在降雨-蒸發循環下濕脹干縮，產生相應的裂隙網絡，降低土體強度與穩定性[3]。因此，開展根系對膨脹土開裂影響的相關研究對膨脹土邊坡的生態防護具有重大意義。

裂隙性是膨脹土較為突出的不良工程特性之一，已有學者指出裂隙的存在會對邊坡的穩定產生負面影響[4-5]。在降雨-蒸發作用下，邊坡表面極易產生裂隙，造成坡面土體崩解和強度降低。為了定量化研究膨脹土的開裂機理，吳珺華等[6]使用遠距光學顯微鏡觀測裂隙發展過程，利用圖像灰度熵評價裂隙形態。Wang等[7]使用分形維數描述裂隙網絡的自相似性和結構復雜性，揭示了干濕循環中裂隙的形態差異。汪為巍等[8]使用高精度CT技術對膨脹土的裂隙發育進行了定量分析，研究了土體裂隙的三維分布規律。研究發現裂隙深度與降雨影響深度呈正相關，而降雨影響深度則由植被主根決定[9]。由此不難發現根系與裂隙之間存在緊密聯系，并與邊坡穩定性高度相關。羅露瑤等[10]制備了多組重塑根土復合體試樣進行直剪試驗，指出了根長與土體黏聚力之間的關系。付江濤等[11]通過室內直剪試驗和概率統計的方式，定量分析了不同植物根土復合體抗剪強度的主要影響因素。

總的來說，根系對土體的積極作用主要表現在加筋固土方面，對于根系阻裂和強度之間的量化研究還很少。在根系的加筋防護作用下，多次等幅度的干濕循環對膨脹土的開裂和強度的復合影響鮮見報道，摻根土體的裂隙特征與強度之間的關系尚不明確。為此，以南寧膨脹土為研究對象，將狗牙根根系作為改良手段，以不同的摻根率(根土質量比)分組，采集裂隙圖像后使用計算機圖像處理技術進行指標提取。依據裂隙網絡的相關定量化指標和抗剪強度指標，對干濕循環下摻根膨脹土的裂隙演化機理進行討論研究。

1 試驗方案

1.1 試驗用土

于廣西南寧市興寧區水牛研究所內的膨脹土地區建立膨脹土現場邊坡，并進行了不間斷的原位綜合監測。本研究中使用的土樣取自該膨脹土現場邊坡，通過室內試驗得到土樣的基本物理指標，結果如表1所示。

表1 土樣基本物理力學性質

1.2 試驗方法

根據現場邊坡的監測數據，將土體含水率與日降雨量隨時間的變化整理如圖1所示。

圖1 土體含水率與降雨量變化時程曲線Fig.1 Time history curve of soil moisture content and rainfall change

由日降雨量與土體含水率的關系曲線知，土體含水率的變化范圍為9%～30.5%。因此本試驗以膨脹土體的最優含水率(含水率ω=19%)為基準，幅度確定為±10%。研究表明，膨脹土的裂隙網絡及強度在干濕循環5～6次后趨于穩定，由此本試驗等幅度的干濕循環次數為6次[12]。此外，南寧地區夏季最高氣溫約為40 ℃，所以本次試驗的脫濕環境溫度設置為40 ℃。以現場邊坡的密實程度為準，將本次室內試驗中試樣的密實度確定為85%。

選擇狗牙根的根系作為改良手段。狗牙根作為生態護坡的優勢選種對象[13-14]，根系發達且直徑差異較小，適合作為室內試驗材料。由試驗現場取回草本根系后，使用清水清洗根系并用吸水紙吸掉表層水分后稱重。因狗牙根主根尺寸過大不利于進行定量化室內試驗，且細根的加筋效果優于粗根[15]，因此本研究選取須根根系作為改良措施，并將其裁剪為5 mm。此外，根據前期護坡植被的種植試驗及根系的統計分析得知[16]，狗牙根的根系平均直徑最大不超過0.44 mm。因此選取根徑≤0.4 mm的須根根系以開展進一步的研究。

將膨脹土風干碾碎后過2 mm篩，將土體配至最優含水率19%，燜土24 h使土樣的水分均勻分布。燜土完成后將土體與狗牙根根系充分摻和均勻。使用四分法選取摻根土體進行試樣的制備，通過控制壓入環刀內的土體質量控制壓實度，采用靜壓法一次壓實制樣。在環刀內壁和鐵質墊塊下表面涂抹凡士林，避免試樣表面被破壞。制成的試樣如圖2所示。

圖2 以不同摻根率制成的試樣Fig.2 Samples made with different root mixing rate

加濕過程：將試樣置于電子天平(精度為0.01 g)上，并在試樣的上下表面各墊一張濾紙和一塊透水石，采用小型噴霧器對摻根土制成的試樣進行噴水加濕。脫濕過程：試樣的脫濕在40 ℃烘箱中完成。脫濕開始后以固定時間間隔采用電子天平對土樣進行稱重，土樣質量變化范圍在0.02 g以內即認為脫濕完成。在每一次脫濕操作完成后,使用固定拍攝裝置對試樣進行等焦距(20 cm)拍照。每次拍攝均僅使用室內相同光源以保證光線條件一致。

為模擬不同密度的根系防護下膨脹土的裂隙演化過程，根據鮮少華[17]對狗牙根的根系統計分析知，土體中的根土質量比為0.06%～0.22%。因此以摻根率為變量分為4組，各組的摻根率分別為0、0.06%、0.14%和0.22%。每組4個試樣，共記錄并分析了16個試樣的裂隙網絡特征，裂隙網絡圖像共96張。具體試樣分組如表2所示。

表2 干濕循環試驗方案

圖3 各組試樣的裂隙定量化指標變化曲線Fig.3 Variation curve of crack quantitative index of each group of samples

1.3 裂隙定量化指標的提取

將在本試驗中拍攝得到的裂隙圖像導入南京大學開發的CIAS軟件中[18]，進行去噪、二值化和裂隙骨架化等一系列操作。在裂隙分析中選用表面裂隙率等5個指標對裂隙網絡進行定量化描述，各指標的定義為①表面裂隙率：指土樣表面裂隙的面積與總面積之比。為了確保裂隙率計算過程的一致性，在本試驗中將環刀的上表面積作為總面積；②裂隙數量：兩個相鄰的節點之間的裂隙跡線定義為一條裂隙；③裂隙平均長度：指裂隙總長度與裂隙數量的比值；④裂隙平均寬度：指土樣表面所有裂隙寬度的平均值；⑤連通性：將相交點的數量與相交點和端點的數量之和的比值定義為裂隙連通性。

1.4 直剪試驗

將完成干濕循環試驗的土樣進行直剪試驗。每組試驗準備4個平行試樣并依照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2017)進行剪切試驗，每次干濕循環試驗后均對各組試樣的平行試樣進行直剪試驗。

2 實驗結果及分析

2.1 土樣裂隙網絡定量結果及分析

將各組試樣的裂隙網絡的各個定量指標隨干濕循環次數的變化曲線整理如圖3所示。

由圖3(a)可知，土樣裂隙數量隨著摻根率和干濕循環次數的增加而增加。摻根率為0.14%和0.22%的土樣的表面裂隙數量變化曲線均表現為先增后減再增的趨勢，變化幅度比較大。兩組土樣的裂隙數量出現大幅變化的時間節點分別為第2次循環和第3次循環。在經過六次干濕循環后，高摻根率(0.22%)的試樣的裂隙數量為75，相較于純膨脹土試樣增加了41條。

由圖3(b)可知，膨脹土試樣的裂隙平均寬度隨著摻根率的增加而下降。摻根率0.22%的試樣在第3次干濕循環中裂隙平均寬度減小了28.6%，僅為0.37 mm，與此同時裂隙數量增加了25條。在隨后的第4次干濕循環中，上述的兩個定量指標表現出相反的變化趨勢。

此外，裂隙平均長度也與裂隙數量緊密相關。由圖3(c)可見，同一干濕循環下不同摻根率的膨脹土試樣的裂隙平均長度基本上隨著摻根率的增加而降低。在經歷六次干濕循環后，高摻根率(0.22%)試樣的裂隙平均長度僅為2.91 mm，比純膨脹土試樣的裂隙平均長度小69.6%。摻根率為0.00%的試樣的裂隙平均長度最終穩定在約10 mm。這種變化趨勢與裂隙數量有關，此規律在多次干濕循環后更加顯著。根系與土體性質有較大差異，摻根率高的土樣會表現出更強的不均勻性，在土樣的表面出現更多的薄弱面，土體的干縮開裂多由薄弱處萌生或擴展，由此產生數量更多的短小裂隙，這些短小裂隙的擴展和切割作用使得裂隙平均長度下降。

由圖3(d)可知，摻根率為0.22%的試樣裂隙連通性最低，在6次循環后僅為0.69；純膨脹土的裂隙連通性最高，最高可達0.87。在多次干濕循環后摻根率相對較低(0、0.06%、0.12%)的各組試樣的連通性基本穩定在約0.79，均大于摻根率0.22%的試樣的連通性。由各組試樣的連通性對比分析不難看出，摻根試樣的連通性較純膨脹土試樣低，根系能夠有效抑制貫穿性大裂隙的開展。

將表面裂隙率與其余各指標聯系起來看，表面裂隙率的變化有明顯的規律。如圖3(e)所示，試樣的表面裂隙率隨摻根率的增加呈遞減趨勢。各組試樣均在第2次干濕循環結束后表面裂隙率大幅增長，其中摻根率0.22%的試樣的表面裂隙率增加了7.22%。在隨后的4次干濕循環中各組試樣的表面裂隙率雖然有一定的變化，但是整體上保持了相對穩定，各組試樣的變化幅度最大不超過1.91%。與此同時裂隙網絡的其他定量指標基本保持穩定，由此可以認為第2次干濕循環對純膨脹土開裂的影響是最大的。此外，表面裂隙率和裂隙平均寬度的增減趨勢基本一致，該規律在摻根率0.06%和0.14%兩組試樣中尤為明顯。綜合裂隙網絡的各個定量指標的變化趨勢，可知摻根試樣的表面裂隙網絡在第4次干濕循環后才達到了比較穩定的狀態，即對于高摻根率(0.22%)的土樣第3次干濕循環對其影響最大。

在裂隙的開展過程中，主裂隙會首先出現，將土體分成若干塊區[18]。次裂隙在于主裂隙上萌生、擴展，并將土體表面“切割”為若干個小塊區。在裂隙發育的過程中，表面裂隙率在第2次干濕循環結束后達到比較穩定的水平。在隨后的干濕循環中，裂隙寬度有一定增加，裂隙長度不斷減小，致使裂隙數目顯著增多。直觀表現為短小裂隙增多，土體表面趨于破碎。在摻根土樣中，雖然裂隙數目相對較多，但裂隙網絡的連通性和平均長、寬度較低。從整體上看土體表面的裂隙網絡由連通性差的短小裂隙組成，貫通的長裂隙較少，土體的完整性保持良好。綜上可以認為，根系在土體中的含量越高，根系與土顆粒之間結合的就越緊密，可以有效限制土體干縮開裂。

2.2 直剪試驗結果及分析

將不同摻根率的膨脹土試樣的黏聚力隨干濕循環次數的變化整理如圖4所示。

圖4 黏聚力隨干濕循環次數的變化Fig.4 Cohesion changes with the number of drying and wetting cycles

由圖4可見，在同一干濕循環試驗中，土樣的黏聚力隨著摻根率的增加而增加。在第6次干濕循環結束后，摻根率為0.22%的試樣的黏聚力比純膨脹土的黏聚力大51.59 kPa。將根系看作是土體加筋材料，根系在土樣中隨機分布，縱橫聯結，通過與土顆粒之間的摩擦咬合增強了土體的強度。各組的黏聚力都會隨著干濕循環次數的增加而減小。經過6次干濕循環的連續作用，純膨脹土試樣的黏聚力降幅可達61.6%，而摻根率為0.22%的試樣的黏聚力降幅僅為22.0%。根系有效限制了干濕循環對膨脹土強度的削弱。

圖5 干濕循環前后各組試樣的內摩擦角對比Fig.5 Comparison of internal friction angle of samples before and after drying and wetting cycles

將6次干濕循環前后的各組試樣的內摩擦角的變化整理如圖5所示。可以看出，經過6次干濕循環，各組試樣的內摩擦角均有不同程度的減小。其中純膨脹土的第0次干濕循環時的內摩擦角為20.10°，第6次干濕循環后的內摩擦角為14.20°，降幅可達29.4%；對于摻根率為0.22%的試樣，第0次干濕循環時的內摩擦角為24.60°，第6次干濕循環結束后的內摩擦角為22.45°，降幅為8.7%。由上可知干濕循環會對土體的抗剪強度產生負面影響，但是干濕循環對摻根試樣的影響相對較小。

表面裂隙率作為裂隙網絡的代表性指標，可以直接反映各階段裂隙的發育程度。因此選擇將表面裂隙率分別與土體黏聚力、內摩擦角建立聯系，并將表面裂隙率與抗剪強度指標的關系曲線如圖6、圖7所示。

由圖6可知，隨著干濕循環次數的增加，土體的表面裂隙率增加，黏聚力減小。在經過兩次干濕循環后，土體的表面裂隙率基本穩定。摻根率0.22%的試樣的表面裂隙率基本穩定在8.20%，素土試樣的裂隙率穩定在13.50%。土體的黏聚力的大小及降幅隨著干濕循環次數的增加而減小。經過4次干濕循環后，各組試樣的黏聚力基本穩定，后續的單次干濕循環操作對黏聚力的削弱小于2 kPa。經過4次干濕循環后，土體的表面裂隙率和黏聚力的變化程度都會減小，土體已經達到了較破碎的狀態。

圖6 表面裂隙率與黏聚力的關系圖Fig.6 The relationship between surface crackrate and cohesion

由圖7可知，內摩擦角隨裂隙率的變化規律與黏聚力基本一致，但是波動相對較大。其中摻根率為0.22%的試樣的內摩擦角變化較小，經過4次干濕循環后的數值穩定在約22.4°。

圖7 表面裂隙率與內摩擦角的關系Fig.7 Relationship between surface crack rate and internal friction angle

可以看出，土體的抗剪性能與裂隙網絡的演化存在緊密聯系。當干濕循環開始后，土體開裂導致破碎程度加劇，土體的抗剪強度也隨之下降。經過多次干濕循環后，土體的破碎程度已經達到極限狀態，土體的抗剪強度的下降也變的不再顯著，后續的干濕循環過程對土體強度的削弱作用比較有限。裂隙和強度之間存在相互影響且相互促進的關系，根系的存在有效地保持了土體強度，限制了土體開裂。

3 根系的作用機制分析

在脫濕過程中，土體上表面直接與空氣接觸率先失水，基質吸力上升，產生張拉應力[19]。當土體表面的張拉應力超過土體自身的抗拉強度時，土體就會萌生裂隙[20]。裂隙由土體的缺陷處和不均勻處萌生或擴展，并形成最終的裂隙網絡。對于摻根土體，根系在土體中會與土顆粒相互纏繞連結，形成了穩定的三維支撐網絡。根系為土顆粒承受了一部分的張拉應力，抑制裂隙寬度的開展。當土體中某一部分出現裂隙時，整個支撐網絡會自發響應，帶動周圍的交織點抵抗變形，并分散土體開裂時產生的張拉應力。含根系膨脹土的開裂機理示意圖如圖8所示。

圖8 含根系膨脹土的開裂機理示意圖Fig.8 Schematic diagram of cracking mechanism of expansive soil with roots

根系的存在可以限制水分在土體中的運移[21]，并由此減少土樣表面向深處發展的裂隙的數量。在干濕循環試驗的實際操作過程中發現，摻根膨脹土比純膨脹土脫濕到相同的含水率需要更多的時間。該現象表明摻根膨脹土的保水能力優于素膨脹土，較慢的脫濕速率可減小脫濕過程中形成的含水率梯度，限制土體豎向的開裂。摻有根系的試樣具備更強的抵抗干濕循環的能力，摻根率越高，干濕循環對其強度造成的削弱影響就越小。

4 結論

通過對摻根膨脹土的裂隙網絡及強度進行分析，得出以下結論。

(1)根系在膨脹土中的含量越高，根系與土顆粒之間的結合就越緊密，根系的存在限制了土體干縮開裂。在6次干濕循環作用下，高摻根率(0.22%)試樣的表面裂隙率較純膨脹土試樣減小了38.5%。

(2)對于低摻根率的試樣第2次干濕循環對于土體開裂的影響最大，高摻根率(0.22%)的試樣第3次干濕循環對其開裂影響最大。經多次干濕循環作用后，土體表面趨于破碎，裂隙數目增加，裂隙平均長、寬度減小。

(3)多次的干濕循環會對土體的強度產生不利影響。對于高摻根率(0.22%)的試樣，在第4次干濕循環結束后其抗剪強度和開裂程度都達到了比較穩定的狀態。在土體中根系的含量越高，土體的抗剪強度越大，在干濕循環中強度指標的降幅也會顯著減小。

(4)植物根系的存在能夠對土體進行強度上的補強，并在多次干濕循環后保持土體一定的完整性，因此植被防護膨脹土值得進一步研究推廣。