干湿效应下崩岗土体的裂隙演化及收缩变形规律

2022-04-08王佳妮张晓明丁树文王云琦段晓阳杨清杰

水土保持学报 2022年2期

王佳妮，张晓明，丁树文，王云琦，段晓阳，杨清杰

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070)

自然环境中在降雨—蒸发的交替变化下，崩岗土体产生膨胀收缩现象并衍生大量的裂隙，降低土体的抗剪强度，破坏土体的稳定性，加速崩塌的发生。为抑制崩岗侵蚀的发生，国内学者们针对崩岗土体的力学特性，如抗剪强度、渗透特性、固结特性、抗拉特性、无侧限抗压强度等方面做过大量的研究。对崩岗土体裂隙性以及胀缩性的研究方面，张晓明等研究表明，在干湿循环效应下，崩岗土体内会衍生大量的裂隙，引起土体不均匀沉降；刘昌鑫等研究表明，崩岗土体裂隙比的增加主要发生在第2次干湿循环；魏玉杰等对崩岗不同土层进行收缩试验表明，红土层与过渡层收缩变化明显，砂土层较为缓和，且土壤黏粒含量与轴向收缩率呈正相关。对崩岗土体的裂隙性与胀缩性研究较少，且对裂隙发育与收缩变形分别单独进行研究，自然环境中两者是同时发生且相互影响的，因此需要进一步同时研究崩岗土体的裂隙发育与收缩变形，并探讨两者之间的关系。

国内外针对胀缩性与裂隙性的研究多集中于膨胀土，总结胀缩变形与裂隙产生的原因在于：一是其主要矿物成分为蒙脱石与伊利石，具有极强的亲水特性；二是土体中的黏粒通过胶结作用形成团聚体，团聚体内存在孔隙，当水分子进入孔隙时土体膨胀，当干燥失水时孔隙缩小造成土体收缩；三是脱湿过程中黏粒之间形成水化膜，产生张拉力，当张拉力大于抗拉强度时，裂隙产生。易顺民等、唐朝生等研究表明，自然条件下裂隙看起来分布杂乱无章且发育随机，但经过野外统计和室内试验发现其具有较好的分形特性，且存在较强的时序性。对于胀缩变形、裂隙发育的影响因素，学者们从土体结构(初始干密度、含水率等)、土质因素(黏粒含量、矿物含量等)、外界环境因素(温度、湿度、界面粗糙度、边界约束等)、土体尺寸(厚度、表面积等)等方面进行试验研究，初步揭示了膨胀土的裂隙发育规律。自然条件下降雨—蒸发的反复交替是土体膨胀收缩与裂隙发育的促使因素，因此有必要对干湿效应进行研究。

学者们对于收缩变形与裂隙发育规律的研究多集中于膨胀土，对崩岗土体的研究较少。因此本文以湖北省通城县的典型崩岗土体为研究对象，对4层土进行室内干湿循环试验，通过工业相机记录脱湿过程中裂隙发育、土体收缩的动态过程，采用数字图像处理技术对裂隙参数、收缩参数定量化分析，研究干湿效应下崩岗不同土层的裂隙发育与收缩变形规律，以及两者之间的相互影响关系，对进一步研究崩岗失稳机理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土样取自湖北省咸宁市通城县五里镇的瓢型崩岗(113°46′26′′E，29°12′39′′N)，该崩岗发育完整，崩壁边高约3.38 m，面积达126 m，植被覆盖度约为35%。在野外进行采样时依据崩壁剖面土壤颜色、土壤深度对土层进行划分。表土层，取样深度0.05—0.17 m，土体呈现暗红色，根系肉眼可见，表层有稀疏的植被，土粒质感细腻，具有较好的结构性；红土层，取样深度0.17—0.49 m，土体为红色，根系分布较少，土粒质感细腻，结构紧实；过渡层，取样深度0.49—2.10 m，土壤颜色呈现淡红色至灰白色，没有植物根系，有轻微的砂质干，结构比较松散；砂土层，取样深度2.10—3.10 m，土体颜色呈现灰白色，无植物根系，颗粒不均一，砂质感较强，结构松散。

采取原状土时，提前在环刀内壁薄涂一层凡士林，环刀采用规格为50.46 mm×50 mm，在每层中部各取3个原状土，并迅速用保鲜膜包裹，做好密封措施。原状土主要用于测量土壤的自然含水率、干密度和毛管孔隙度。在每层中部用铁锹采集大量的土壤放入麻袋中运回实验室，进行室内试验，包括有机质含量测量、液塑限测量、矿物含量组成、颗粒组成、干湿循环试验等。4层土的基本物理性质、颗粒组成见表1和表2。

表1 崩岗4层土的基本物理性质

表2 崩岗4层土的颗粒组成单位：%

1.2 试样制备

将采回的土风干碾碎过2 mm筛后混合均匀，将土样均匀加水为过饱泥浆状态，密封在容器内静置24 h后，抽去表面清液，将泥浆试样缓缓倒入培养皿(=15 cm，=1.6 cm)中，轻轻晃动培养皿使试样平整，共设计12个试样(4层土×3组重复)。并从剩余泥浆中取3个土样采用烘干法测量含水率，其平均值即为土样的初始含水率，以此方法测量4层土的初始含水率分别为38.03%，40.97%，42.88%，33.11%。

1.3 试验方法

在温度和湿度都相对恒定的室内(温度(24±0.5)℃，相对湿度(65±2)%)进行干湿循环试验，脱湿过程采用同一风速的低风速风扇置于试样同一侧加速水分的蒸发，并保证每个试样间距为10 cm，保证其不受其他风扇的影响。在脱湿初始阶段，每隔4 h进行定时定点称重拍照；当开始产生收缩或者裂隙时，时间间隔缩短至2 h；当裂隙发育稳定后，时间间隔增加至6 h至脱湿结束。称重是用于记录水分蒸发过程，计算土体含水率的变化情况。拍照装置见图1。相机采用500万像素的工业相机，将试样放置在图像校正板上保证每次拍摄位置和角度相同，上方相机用于记录裂隙发育及径向收缩，侧方相机用于记录轴向收缩，使用黑布进行遮蔽避免其他光源的影响。

图1 试验拍照装置示意

数字图像处理：先使用Photoshop软件对图片进行裁剪，修正由于光源影响造成的颜色不均问题，使用ImageJ-Fiji软件对图片进行灰度转换、二值化、去噪、骨架化等处理，进行裂隙参数提取分析。裂隙参数包括表面裂隙率、裂隙总长度、平均宽度、裂隙条数、交点个数和土块个数。通过ImageJ-Fiji的比例尺设置功能将像素值转化为实际值，进行径向收缩面积、开裂面积、裂隙总长度、裂隙平均宽度、径向收缩率和轴向收缩率的测量。在脱湿过程中同时使用游标卡尺对同一试样的3个不同方向进行高度测量，取其平均值，用于与轴向收缩率的图像处理结果进行对比修正。

裂隙参数：以往的研究中，定义表面裂隙率为裁剪掉边缘效应产生的径向收缩，仅计算裂隙面积与土样初始表面积的占比，这样计算的缺点在于忽略了脱湿初期裂隙的酝酿过程。因此，本文定义裂隙范畴包含径向收缩区域，表面裂隙率为径向收缩面积与开裂面积之和与土样初始表面积之比。参数表达式为：

(1)

式中：为表面裂隙率(%)；为径向收缩面积与开裂面积之和(cm)；为土样初始表面积(cm)；为径向收缩面积(cm)；为开裂面积(cm)。

收缩参数中轴向收缩率、径向收缩率的表达式：

(2)

(3)

式中：为土样初始直径(cm)；为收缩后的土样直径(cm)；为土样初始高度(cm)；为收缩后的土样高度(cm)。

2 结果与分析

2.1 单次脱湿下土体的裂隙发育

对4层土(3组重复)第1次脱湿结束的裂隙参数进行统计分析(表3)发现，各土层3组重复试验的裂隙参数几乎没有产生较大差异。以表土层为例，统计3个重复试样的干缩开裂终止图(图2)发现，其裂隙形态相似，均具备环形裂隙，不同之处在于裂隙产生部位不一致。在定量分析裂隙参数中S、S、S的表面裂隙率分别为12.99%，12.85%，13.20%，变异系数为1.11%；裂隙总长度分别为94.52，92.71，93.43 cm，变异系数为0.80%；裂隙平均宽度分别为0.24，0.24，0.24 cm，变异系数为0；裂隙条数分别为15，14，14，变异系数为3.29%；裂隙交点个数分别为10，9，9，变异系数为5.05%；被分割的土块个数分别为6，5，6，变异系数为8.32%。所以对于相同配置的土样，虽然裂隙的产生具有随机性，但仅仅体现在裂隙产生部位上，其他裂隙参数仍具备相似性。

图2 表土层的干缩开裂终止图

表3 第1次脱湿结束后4层土的裂隙参数统计

4层土的表面裂隙率与裂隙平均宽度的关系一致，表现为过渡层>红土层>表土层>砂土层，与土体中黏粒含量的关系相同；而其裂隙总长度、裂隙条数、交点个数、被分割的土块个数中，过渡层、红土层、表土层相差不大，砂土层最小，表明过渡层表面裂隙率大于其他土层，主要贡献来源于裂隙宽度。而过渡层与砂土层在崩岗垂直剖面上属于相邻土层，两者裂隙性的较大差异性破坏土体稳定性，造成崩塌的发生。

由于前面分析重复试样的裂隙参数具有相似性，因此4层土分别选取1个代表试样S、S、S、S，运用SPSS软件对表面裂隙率与4层土的基本物理性质、颗粒组成进行相关分析(表4)，表明液限、塑性指数、黏粒含量与表面裂隙率均存在显著正相关关系，砂粒含量与表面裂隙率存在显著负相关关系。塑性指数越大，土壤颗粒越细，黏粒的亲水矿物含量越高。而在脱湿过程中，表层土体与风、空气等外界因素直接接触，水分蒸发快，而下部土体由于水分蒸发迁移路径长以及吸力的产生，水分蒸发慢，致使土体形成上低下高的含水率梯度。而黏粒之间的黏结作用，以及黏粒之间的间隙较小，均会阻碍下部土体的水分蒸发，进一步加大上下含水率梯度，形成受力不均的拉张应力场，当某一处的拉张力大于其抗拉强度时，裂隙产生。因此，黏粒含量的增加进一步加大表面裂隙率，砂粒的作用则与之相反。液限与表面裂隙率呈现显著正相关关系，可能是因为液限越大，土体由液态转化为可塑状态所需含水率越大，同时说明在脱湿过程中土体更易由过饱和状态转化为可塑状态，产生拉张力也越容易。

参考Wang等[11]的方法：将一定量的去质子化丁香酚溶液(10%，v/v)加入到100 mL酪蛋白酸钠溶液(2% w/v)中，磁力搅拌(600 r·min-1)30 min，得到丁香酚浓度为1%的混合溶液。在磁力搅拌(600 r·min-1)作用下，用3 mol·L-1的柠檬酸溶液将混合溶液pH调至7.0，得到丁香酚微乳。

表4 表面裂隙率与4层土的基本物理性质、颗粒组成相关分析统计

2.2 单次脱湿下土体的收缩特性

在二维条件下，对4层土(3组重复)第1次脱湿结束的收缩参数进行统计分析(表5)发现，各土层3组重复试验的收缩参数几乎没有产生较大差异。以表土层为例，其S、S、S的轴向收缩率分别为19.50%，19.98%，19.46%，变异系数为1.20%；径向收缩率分别为4.13%，3.95%，4.35%，变异系数为3.94%。所以对于相同配置的土样，其收缩特性具有相似性。

表5 第1次脱湿结束后4层土的收缩参数统计单位：%

由于重复试样的收缩参数具有相似性，因此4层土分别选取1个代表试样S、S、S、S，将脱湿过程中其径向收缩率()、轴向收缩率()进行对比分析(图3)。随脱湿的进行，径向收缩率呈“S”形增大，轴向收缩率随“厂”形增大，与范本贤等的研究结果一致。4层土的轴向收缩约在含水率30%时，急速增长阶段结束，此时径向收缩才开始产生。4层土的开裂含水率分别为24.96%，26.15%，29.47%，22.36%，此时径向收缩急速阶段结束，表明脱湿过程中土体形态变化顺序为轴向收缩、径向收缩、裂隙发育。脱湿结束时4层土的径向收缩率分别为4.13%，5.51%，5.68%，2.39%，轴向收缩率分别为19.50%，30.63%，18.13%，10.00%，轴向收缩率大于其径向收缩率，表明脱湿过程中土体在垂直面上的收缩变形大于其水平面上的收缩变形，且4层土之间径向收缩率为过渡层>红土层>表土层>砂土层，轴向收缩率为红土层>表土层>过渡层>砂土层。

图3 径向收缩率、轴向收缩率随含水率变化

运用SPSS软件对4层土(S、S、S、S)的基本物理性质、颗粒组成与土体径向收缩率、轴向收缩率进行相关分析(表6、表7)，液限、黏粒含量与土体径向收缩率呈显著正相关关系，砂粒含量与径向收缩率呈显著负相关关系，土体干密度与轴向收缩率呈显著负相关关系。

表6 径向收缩率与4层土的基本物理性质、颗粒组成相关分析统计

表7 轴向收缩率与4层土的基本物理性质、颗粒组成相关分析统计

黏粒含量、砂粒含量、液限对径向收缩的作用机理与对收缩开裂一致，而干密度越大，土体越紧实，脱湿过程中土壤颗粒在轴向上的位移受到限制，致使轴向收缩率越小。

2.3 干湿效应下土体的裂隙发育

选取4层土代表试样S、S、S、S进行干湿循环试验，对干湿循环过程中每次脱湿结束的干缩开裂图进行统计(图4)，可以看出，随着干湿循环的进行，表土层、砂土层的裂隙骨架、裂隙形态基本未改变，而红土层、过渡层的裂隙形态趋于复杂化，在前3次循环中主裂隙骨架未改变，同时产生许多新生裂隙，在后3次干湿循环中，基本没有存在主裂隙，裂隙形态改变较严重，且4层土的裂隙宽度、径向收缩明显减小。

注：T为干湿循环次数。

对4层土的开裂含水率()进行统计(表8)。第1次脱湿中，4层土的开裂含水率分别为24.96%，26.15%，29.47%，22.36%。根据冯延云等的研究，4层土的抗拉强度为过渡层>红土层>表土层>砂土层，随着脱湿的进行，抗拉强度先逐渐增大后逐渐减小再趋于稳定，且表土层、红土层、过渡层在含水率为24.40%左右达到峰值，砂土层在25.80%左右达到峰值。将拉张力与抗拉强度结合分析，以过渡层为例，可分为5个阶段：(1)含水率在42.88%～29.47%，随着脱湿的进行，土体产生拉张力，抗拉强度也逐渐增大，但此时拉张力小于抗拉强度；(2)在含水率为29.47%时，拉张力大于抗拉强度，裂隙产生；(3)含水率在29.47%～24.40%，拉张力与抗拉强度仍在增加，拉张力大于抗拉强度，裂隙延伸、拓宽；(4)含水率在24.40%～15.50%，拉张力增大，抗拉强度减小，裂隙拓宽、延伸；(5)含水率在15.50%～2.26%，拉张力与抗拉强度趋于稳定，裂隙发育稳定。4层土之间，表土层、红土层、过渡层均在抗拉强度达到峰值之前裂隙就已产生，砂土层在抗拉强度达到峰值之后裂隙才产生，表明脱湿过程中表土层、红土层、过渡层拉张力的增大速度远大于砂土层。而表土层、红土层、过渡层中，抗拉强度、开裂含水率均为过渡层>红土层>表土层，过渡层抗拉强度最大，说明它需要产生更大的拉张力土体才能开裂，而过渡层的开裂含水率也最大，说明它的拉张力最早大于抗拉强度，也表明过渡层的拉张力增大速度最快。

表8 干湿循环效应下4层土的开裂含水率(wc) 单位：%

随着干湿循环的进行，逐渐减小在=3后逐渐趋于稳定，这是因为第1次脱湿过程中裂隙周围土体结构已经被破坏，而增湿过程只是土体吸水膨胀，裂隙宽度逐渐缩小，当其减小至裂隙两边土体贴近时，造成肉眼所见的裂隙愈合，但其并不能恢复土壤颗粒之间的黏结作用。所以再次进行脱湿时，下部土体水分沿着裂隙部分蒸发，使上下含水率梯度减小，开裂含水率也逐渐减小。但由于干湿循环作用的有限性，开裂含水率趋于稳定。4层土之间由=1至=3开裂含水率的减少值分别为1.30%，1.70%，2.01%，0.40%，这与其裂隙开裂面积有关，过渡层收缩开裂面积最大，因此增湿后再进行脱湿时，其下部土体水分蒸发的途径更多一些，土体上下含水率更难形成大梯度差值，则其再次脱湿时所需的开裂含水率值相对更小，造成4层土中过渡层的开裂含水率减小值更大。

2.4 干湿效应下的裂隙参数定量化分析

图5(a)～图5(f)为表面裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度、裂隙总条数、裂隙交点个数、被分割的土块个数随干湿循环的变化。表面裂隙率与裂隙平均宽度的变化趋势基本一致。随着干湿循环的进行逐渐减小，表土层在=4后趋于稳定，红土层、过渡层、砂土层在=3后趋于稳定，其中4层土由=1至=2表面裂隙率分别减小4.60%，8.75%，9.35%，1.01%，平均宽度分别减小0.1，0.2，0.2，0.02 cm，各土层之间变化幅度均为过渡层>红土层>表土层>砂土层；由=2至=3表面裂隙率分别减小2.42%，2.51%，2.20%，1.42%，平均宽度分别减小0.04，0.03，0.02，0.04 cm，各土层之间减小幅度差别不明显。表明第2次干湿循环对土体的干缩开裂影响最大，且4层土之间受干湿循环的影响最大的是过渡层，砂土层最小。

图5 4层土的裂隙参数随干湿循环的变化

每层土的裂隙总长度、裂隙条数、交点个数、土块个数变化趋势基本一致。表土层随着干湿循环的进行，各裂隙参数先缓慢增加，在=3时达到最大值，后有轻微减小，并在=4后趋于稳定，表明表土层在前3次干湿循环的作用下，裂隙逐渐延伸、相交，并衍生新裂隙，在第4次干湿循环时某些部位裂隙愈合致使各参数减小。红土层与过渡层的变化一致，各裂隙参数先缓慢增加，在=2时达到最大值，后大幅度减小，在=3后趋于稳定。砂土层的各裂隙参数基本未发生改变，处于无波动状态。总结各土层均在=3后趋于稳定，在=3之前均有涨幅。根据冯延云等的研究，因为随着干湿循环地进行，各土层抗拉强度逐渐衰减在=3后趋于稳定，使脱湿过程中拉张力大于抗拉强度，裂隙更容易产生，裂隙总长度、裂隙条数、交点个数、土块个数均有涨幅。

2.5 干湿效应下的收缩参数定量化分析

由图2可以看出，随着干湿循环的进行，其径向收缩现象已经不存在，土体边缘以由径向收缩转变为边缘裂隙。这可能是因为增湿过程中土块边缘土体在水的作用下崩解、堆积在径向收缩区域内，与土块分离，属于边缘闲散土壤颗粒，因此不对径向收缩率进行研究。在二维条件下，对土体表面裂隙率(图5(a))与轴向收缩率(图6)进行对比分析。水平面上，表面裂隙率随干湿循环逐渐减小，在=3时趋于稳定；垂直面上，轴向收缩率随干湿循环逐渐减小，在=4时趋于稳定。由=1进行到=6，4层土的表面裂隙率减小量分别为8.76%，12.46%，11.98%，2.63%，轴向收缩率减小量分别为3.50%，9.71%，7.51%，3.01%，4层土的表面裂隙率的变化量均大于其轴向收缩率的变化量，干湿循环对表面裂隙率的影响大于其轴向收缩。在4层土中，表面裂隙率的变化量为过渡层～红土层>表土层>砂土层，轴向收缩率的变化量为红土层>过渡层>表土层>砂土层，这是因为表面裂隙率主要影响因素为黏粒含量，轴向收缩率的主要影响因素为土体的干密度。