晴雨交替环境的膨胀土裂隙发展规律研究

佟宏伟

（上海城投水务（集团）有限公司，上海市 200002）

0 引言

膨胀土的裂隙很容易出现与发展。膨胀土地基与边坡中的裂隙存在，一方面由于裂隙导水性质远好于均匀土体，裂隙通道增加了土体的渗透性，加剧了土体结构的湿化变形与膨胀土的胀缩，使土体强度降低、结构破坏；另一方面裂隙面两侧土体不接触或弱接触，裂隙面上的正应力接近为0，裂隙的存在使土体裂隙面强度远小于同样应力环境的均匀土体强度，使土体更容易沿裂隙面滑动失稳。

对于膨胀土边坡与地基，由于气候条件的变化，晴雨交替，膨胀土反复吸水和失水，土体裂隙经历了“发育-闭合-再发育”的反复循环过程，裂隙的产生与发展肯定与干旱环境不一样。正是由于这种不同，所以在不同地区，由于气候环境不同，类似性质的土体裂隙也不同，在工程设计中进行长期稳定计算时需要进行区分。

膨胀土裂隙方面研究相对较多。Chertkov[1]研究了膨胀土干缩裂缝网络的曲折性。Scott[2]根据经验研究了土体裂隙密度的分布，认为裂隙密度近似服从指数分布。Vogel[3]研究了裂隙的几何特征。Nahlawi和Kodikara[4]研究了在实验室条件下比较薄的粘土层在恒温恒湿条件下裂缝的发展情况。H.NA HLAWI[5]通过观察裂缝形态的演化，来解释粘土裂缝形成的瞬态机理。袁俊平[6,7]从统计分析的角度对裂隙的特征和影响作了初步的定量研究。唐朝生[8-10]对不同土层厚度、干湿循环次数和土质成分等条件下获得的干缩裂缝网络进行定量分析和对比。王景明[11]在研究黄土构造裂隙中用玫瑰花图作为描述裂隙的方法。孔德坊[12]用直方图直观的表明了裂隙的倾角、长度、间距和裂隙灰白粘土厚度的分布特征。在裂隙开展深度研究方面，Fredlund[13]在其专著《非饱和土土力学》中指出，土质边坡的裂缝开裂深度；姚海林[14]结合断裂力学求得裂缝开裂深度的计算公式。

但是，在晴雨交替导致膨胀土干湿循环条件下的膨胀土裂隙发育规律，依然没有存在定论。

1 晴雨条件下的裂隙发展试验设计

试验的主要目的是通过干旱少雨环境，以及降水多发环境下的裂隙开展模拟试验，研究不同气候条件下土体裂隙开展规律以及裂隙参数是否存在差异。

虽然在干旱地区与多雨地区的温度、湿度不同，但是模拟试验的目的只是为了模拟晴雨交替与单纯的无雨环境的对比，影响因素过多会使试验结果的分析变得复杂。试验选择温度、湿度、光照度等环境参数相同的同一个试验槽。

试验开始前，分别填筑同样的膨胀土试样，初始含水率均为30.0%，两个区域之间用柔性格挡，保证两部分土体中间不开裂（见图1）。

试验期间，在实际没有降水的天气，试验槽两个区域同样敞开，使土体失水干缩。在降水天气，为了防止土体表面的裂隙结构被冲刷，利用土工膜与彩条布做防雨覆盖。晴雨交替区用喷雾器定期喷洒一定质量的水来模拟降水，模拟降水结束后，依然让土体蒸发，形成晴雨交替。

图1 不同气候裂隙模拟试验分区

试验在夏季中国江淮地区进行，以试验开始的时间7月10日为基准D0，试验期间早、中、晚、夜每天4次左右，对环境温度、湿度以及光照度进行记录，数据记录结果见图2～图4。

图2 试验期间的环境温度

图3 试验期间的环境湿度

图4 试验期间的日间光照度

试验开始阶段的气温平均在35℃，后期平均为30℃。环境相对湿度值较大，平均在70%左右，但是总体土表的湿度值大于环境湿度，总体以蒸发为主，试样的含水率在非降水时间处于降低趋势。由于天气与树木的影响，试验期间的光照度波动很大，但光照度的变化不影响试验过程。

2 单纯干旱气候下的土体裂隙开展过程

试验填筑完成后，由于气温较高，土体表面迅速失水，膨胀土收缩开裂，10 min之后，可以在土表发现细微可见的裂隙；随着试验的进行，裂隙逐渐发展，1 h后，裂隙变得非常明显，土体表面可见多条小裂隙分布；试验进行24 h后，土体表面裂隙尺寸增加、长度增加，一些裂隙连接到一起；试验48 h之后，土体表面裂隙形成网格结构，裂隙尺寸进一步增加；试验进行到更长时间后，裂隙形态与48 h的裂隙形态基本相似，整体变化不大。

由图5中可以看出，由于试验环境、状态、土体都一样，所以裂隙开展的过程、结果以及裂隙形态、尺寸等数据也基本一样。

试样填筑完成后，观测土体。图中可以明显看出，干旱区与晴雨交替区的初始情况基本一样。表层土体蒸发失水后微细裂隙出现（见图5）；60 min的测值有着明显的变化，此时，两个模拟区域的裂隙都明显可见；1 000 min后，土体裂隙发育，裂隙呈现网格状分布。

与表层测值相对照的是，10 cm以下裂隙观测值在短时间内均保持稳定，短期内未受土体表面蒸发影响。试验时间内，土体裂隙的深度整体小于20 cm。

3 晴雨交替的土体表面裂隙变化

试验进行一周后，裂隙发展基本稳定。针对晴雨交替区进行模拟降水，整个试验过程模拟降水3次，降水量分别对应中雨、大雨与小雨，见表1。

试验开始后的D8时间，利用喷雾器对晴雨区进行模拟降水。降水前后的试验区表面情况见图6。降水前两区域土体表面干硬，裂隙发育，次级裂隙较少。模拟降水后，晴雨交替区土体表层含水率增加，表面裂隙尺寸略有减小，裂隙形态未发生变化（见图 6）。

图5 裂隙随时间的变化

表1 晴雨交替区降水量表

图6 D8模拟降水前后的土体表面变化

模拟降水试验结束后，继续使试验土体自然失水，晴雨区表层土体含水率从模拟降水状态迅速降低，裂隙再次开展。图7中可以发现，对于降水之前存在的主裂隙，形态未见改变，尺寸略有不明显的增加。而主裂隙网格之间，次级裂隙开始出现，次级裂隙的尺寸远小于主裂隙尺寸。

图7 雨晴交替再次蒸发后的土体表面裂隙变化

整个雨晴过程，干旱区裂隙形态未见改变。

试验土体的裂隙发育再次进入稳定状态，裂隙形态、尺寸等参数在D9-D12期间未见明显改变。对晴雨区土体再次进行模拟降水，降水后的土体表面裂隙情况见图8。

图8 D12模拟降水前后的土体表面变化

图8中可以明显看出，降雨后，由于土体吸水膨胀，土体表面次级裂隙收缩并闭合。而主裂隙，由于裂隙尺寸较大，土体的膨胀不足以是裂隙闭合，裂隙形态没有明显的改变。由于雨量较大，部分裂隙位置，裂隙壁产生坍塌，尺寸较大的裂隙坍塌更为明显。

降水完成后，再次进入蒸发阶段。与前面的雨后蒸发一样，土体表面次级裂隙发育。图9中可以明显看出，第二次雨晴循环后的次级裂隙尺寸较第一次有明显的增加，次级裂隙的宽度虽依然小于主裂隙，但是接近主裂隙尺寸的数量级，少量次级裂隙形成新的主裂隙。

随后的模拟降水后的土体表面裂隙特征都因循此规律变化，随着晴雨交替次数的增加，土体表面越来越破碎。

4 晴雨交替的土体裂隙参数对比

图9 D12模拟降水前后的土体表面变化

试验末期，经过开挖进行室内试验，不同气候条件下的土体含水率变化不同（见图10）。干旱区的表层含水率在试验末期较低，而晴雨交替区域，由于降水的影响，在试验末期的含水率高于干旱区域。另外由于试验槽底部的防水处理，试验末期，底层土体的含水率较初始含水率略有升高。

图10 不同气候条件下的土体含水率变化

在试验中利用人工测量统计，同时辅助以图形识别后发现，干旱气候条件下的土体裂隙宽度、裂隙数量以及裂隙在平面上的比例都随着试验的进行、含水率的降低而升高。当试验进行一段时间后，各参数趋于稳定（图11、图12）。

图11 干旱气候条件下的土体裂隙参数变化

图12 降水后的土体裂隙参数变化

晴雨交替气候的土体裂隙参数，在试验初期与干旱气候一样（见图12）。一次降水模拟后，短时间内由于含水率的增加，土体膨胀，裂隙宽度变小，裂隙在平面上的相对密度值也随之变小，裂隙数量少量的减少。随着降水过程的结束，裂隙数量急剧上升，裂隙密度也随之上升。裂隙数远远超过同时间干旱区的裂隙数，次级裂隙发育。但由于次级裂隙宽度较小，平均的裂隙宽度在一段时间内降低。所有参数随之试验条件的稳定不变，裂隙参数同样趋于稳定。

结合透明的试验槽壁的观察，试验末期干旱区的裂隙开展深度最大值为21.0 cm。晴雨交替试验区15 cm以上裂隙发育，裂隙最大深度在19.0 cm。

由数据（见图13）可以看出，晴雨交替情况下降水限制了裂隙深度方向上的开展，最大裂隙深度在一定时间段内小于干燥区裂隙最大深度，但是随着降水结束，土体继续蒸发失水，裂隙深度可达到与同等条件下干旱区的裂隙开展深度。

5 晴雨交替下的膨胀土裂隙发展规律

试验模拟的自然环境晴雨交替，降水与干燥主要通过土体上表面进行，试验过程中土体含水率以及含水率的变化都不均匀。表层土体干湿循环，下部土体的含水率变化一般小于上部，深部土体几乎没有干湿循环。

图13 不同气候条件下的土体裂隙开展深度

通过模型试验模拟了晴、雨气候，观测不同时间下的裂隙发展得到了如下规律：

（1）单纯干旱气候下，土体裂隙迅速开展。随着干旱期的增长，土体蒸发影响深度逐渐增加，土体裂隙尺寸快速增长后慢慢趋缓，但是随着干旱气候的时间变化而增长。

（2）降水气候下，土体表层含水率迅速增加，裂隙愈合。但是随着雨后干旱期，裂隙再次开展。

（3）对于平面土体模型，晴雨交替循环次数的增加使土体次级裂隙发育，土体表面更为破碎。试验模拟的晴雨交替环境与单一干旱气候相比，对应最大裂隙宽度以及裂隙深度的发展，没有太大的变化。干湿循环本身对裂隙深度的影响较小。

[1]Chert V Y,Ravina I.Tortuosity of crack networks in swelling clay soils[J].Soil Science Society of American Journal,1999,63（6）:1523-1530.

[2]Scott,G.J.T.,Webster,R.,Nortcliff,S.An analysis of crack pattern in clay soil:its density and orientation[J].Journal of Soil Science,1986（37）:653-668.

[3]Vogel,H.J.,Weller,U.,Babel,U.Estimating orientation and width of channels and cracks atsoilpolished blocks-a stereological approach[J].Geoderma,1993（6）:301-316.

[4]Nahlawi,Kodikara.Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers[J].Geotechnical and Geological Engineering,2006,24（6）:1641-1664.

[5]H.NAHLAWI,J.K.KODIKARA.Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers[J].Geotechnical and Geological Engineering,2006（24）.

[6]袁俊平,殷宗泽.膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究[J].水利学报,2004（6）:108-113.

[7]袁俊平.非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡稳定研究[D].江苏南京:河海大学,2003

[8]唐朝生,施斌,刘春,等.黏性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析[J].岩土工程学报,2007,29(5）:743-749.

[9]唐朝生,施 斌,刘 春,等.影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析[J].水利学报,2007,38（10）:1186-1192.

[10]唐朝生,崔玉军,施斌,等.土体干燥过程中的体积收缩变形特征[J].岩土工程学报,2011,33（8）:1271-1279.

[11]王景明,等.黄土构造节理的理论及其应用[M].北京:中国水利水电出版社,1996.

[12]孔德坊,等.裂隙性粘土[M].北京:地质出版社,1994.

[13]D·G弗雷德隆德,H·拉哈尔左.非饱和土土力学[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[14]姚海林,郑少河,陈守义.考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析[J].岩土工程学报,2001,23（5）:606-609.