考虑基底起伏的土体失水开裂动态过程试验研究

龚绪龙 孙 强， 张卫强 姚亚辉

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京210049;2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116)

土体失水开裂涉及到土质土力学、土壤物理学和流体力学等多门学科的问题。开裂后的土体会导致大量的工程和环境问题。例如，导致土质边坡失稳［1-3］;地基承载力下降，引起上部建筑物变形破坏［4-6］;诱发堤坝溃决［7］;促发地裂缝形成［8］;导致土壤水分快速蒸发，致使土壤肥力下降［9-12］等。因此，土体失水开裂成为众多研究人员关注的问题。国内外目前对土体失水开裂已经进行了较多的研究［13-20］。例如，施斌等［13］、周东［14］等进行了不同土体龟裂试验;唐朝生等［15］、Vogel［16］将图像处理技术应用于土体开裂分析;Velde［17］、Colina 等［18-19］对土体开裂的分析特征和尺度效应进行了研究;Horga等［20］构建了土体裂缝随机生长模型。但是，自然界的土体开裂除了受土体性质和环境蒸发等因素的影响外，还与其厚度及其均一性等赋存条件有关。本研究利用失水收缩性强的膨润土，进行了土体失水开裂特征试验，在此基础上分析探讨了土体干缩开裂发育的动态过程特征与基底起伏对裂缝发育的影响。

1 试验设计

试验模型箱用80 cm ×80 cm ×50 cm 的玻璃制成，底部预置10 cm 高混凝土，在中部沿模型轴向预设了由硬化的水泥构成的12.5 cm 高的起伏形态(如图1(a)所示，下文称为梁式起伏)，水泥梁底部宽36 cm(两侧各18 cm，见图1(b))。以中心线为坐标原点，其起伏状态可近似表达为

式中，h0取8.5 cm，a、b 分别取13.9、181.5，拟合精度R2= 0.982 。

图1 模型装置Fig.1 Test model

试验时在模型中放入由钠基膨润土和水配成的饱和均匀泥浆，试验所用膨润土参数如表1 所示。在自然条件下水平静置至干缩开裂(如图2 所示)。

表1 膨润土物理参数Table 1 Physical parameters of bentonite

图2 试验模型Fig.2 Test model

图2 所示模型中饱和膨润土高度为16.5 cm，超过起伏梁的顶部4 cm。试验过程对试样进行了长达45 d的观测，对其失水收缩与开裂过程进行了详细记录。

2 开裂过程裂缝发育特征动态分析

试验时土样初始含水量较高，在试验的前240 h，土样表面未观测到发生明显开裂现象，但在玻璃与土样交界部位可以发现较为明显的收缩痕迹。根据试样开裂过程中裂缝率面积率(试样表面裂缝面积总和与试样初始表面面积的百分比)和裂缝发育条数，可以将裂缝发育演化的动态特征过程划分为开裂前Ⅰ、快速开裂Ⅱ、开裂趋于停滞Ⅲ3 个阶段，如图3 所示。这里，重点对后2 个阶段进行分析。

图3 裂缝面积率、裂缝条数与时间的关系曲线Fig.3 Relationship curve among cracks area ratio，cracks number and time

2.1 快速开裂阶段裂缝发育特征关系

裂缝快速发展期(阶段Ⅱ):根据裂缝发育空间部位和裂缝开裂程度可细分化为Ⅱ－1、Ⅱ－2 两个小阶段(见图3)，对主要裂缝按开裂的先后顺序进行了编号。

(1)在Ⅱ－1 阶段，随着因蒸发导致的失水增加，土体裂缝开始出现在位于边界范围的区域(如图4所示)，开裂的起点位于器壁和基底起伏梁最高点的交界位置，F1 的发育演化显著地受到了基底起伏、边界条件的影响。随着土体失水增加，已形成的裂缝F1 的长度、宽度和深度快速生长，诱导了新的裂缝F2 和F3 产生(见图5(a))。

上述F1、F2、F3 为裂缝按出现的时间顺序编号，以下同。

图4、图5 显示出图中下部分比上部开裂得早，这与模型放置时底部设置了极微缓的坡度有关，这导致图中下部所在位置相对上部更加有利于水分的蒸发，同时也影响着F3 发育开裂方向。由图5 可以明显地看出，F3的发育演化径迹和过程显著地受到了基底起伏造成的沉降差的影响，体现为裂缝发育长度超长，且裂缝整体开裂方向与起伏梁走向成小角度相交(平均约为29°)。在这个阶段裂缝面积率增加到大约为3.32%，除了F3，裂缝主要集中发育在模型边缘角部位置(见图5(d))。

图5 裂缝演化过程Fig.5 Evolution process of fractures

(2)Ⅱ－2 阶段。在Ⅱ－1 阶段末期的图5(d)中，可以观察到对Ⅱ－2 阶段裂缝发育演化起着重要控制性影响的裂缝F8 的起始开裂信息，其开裂源点正好位于基底起伏涵盖范围的边缘位置。F8 的开裂主体方向与F3 近乎于平行(图6(a)所示)，但不同的是其开裂演化过程除了受到基底起伏的显著影响，还与先前开裂和这个阶段伏梁顶部失水率快于两侧有关。从发育进程来看，F8 的发育明显快于F3。

从裂缝的条数和裂缝面积率来看，Ⅱ－2 阶段裂缝发育明显快于Ⅱ－1 阶段。在Ⅱ－2 阶段裂缝面积率增加到大约为19.8%。新生裂缝主要集中发育在基底起伏所涵盖的范围内，且新生裂缝与先前裂缝近乎于垂直相交(见图6)。

2.2 开裂趋于停滞阶段裂缝发育特征关系

阶段Ⅲ(裂缝发育趋于停滞期)，在这个阶段土体开裂的整体格局基本上与图6(d)相同，不同之处在于裂缝宽度随着失水率的增加而有了显著增长。此外，模型边缘位置被裂缝切割的块体上有新的小裂缝发育。因此，尽管在图3 上显示这个阶段的裂缝面积率和裂缝条数仍有较大程度增加，但裂缝发育演化的整体格局已经不再发生明显变化(如图7 所示)，且可以从顶部看到模型预先设计起伏所用的硬化水泥。在这个阶段，土体裂缝的变化主要受土体含水量的变化控制。

图6 裂缝演化过程Fig.6 Evolution process of fractures

图7 裂缝演化过程Fig.7 Evolution process of fractures

此外，图7 中圈出了边界影响和基底起伏涵盖的范围，从图中可知，在起伏区裂缝最为发育。需要指出的是，若是含水量进一步降低，图7 中较大的块体仍有可能开裂，但这个过程需要很长时间。

3 结 论

(1)土体失水开裂过程可划分为开裂前Ⅰ、快速开裂Ⅱ、开裂趋于停滞Ⅲ3 个阶段。

(2)裂缝动态演化过程中受到了模型边界和基底起伏的显著影响:在快速开裂Ⅱ－1 阶段，裂缝主要发育在模型的角部，Ⅱ－2 阶段裂缝主要在基底起伏影响范围内发育;在Ⅲ阶段，尽管表面开裂仍在发生，裂缝发育的整体格局已经不再发生显著变化。

(3)从裂缝形态看，后期裂缝与前期裂缝主要呈现为垂直相交，特别是在起伏区范围内。

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