黏性土干缩开裂特征规律研究现状分析

胡忠平 段刘贺

摘 要 黏土在干燥气候环境下会失水干缩变形并产生裂隙，裂隙会对土体的工程性质产生显著影响，并由此引发各种工程地质灾害，因此关于黏土的干缩开裂研究逐渐成为国内外学者关注的热点。基于国内外近些年关于黏土干缩开裂所开展的研究工作，从黏性土干缩开裂试验方法及其开裂特征规律等方面对现有的研究成果进行总结归纳。

关键词 黏土;干缩开裂;试验方法;发育特征

中图分类号：TU43 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.26.095

1 黏土概述

黏土作为载体被广泛应用于人类工程地质活动中，如工程建筑中的基础处理、高速公路和铁路工程路基处理及边坡稳定与加固处理等。然而，在气候干旱环境下，黏土干燥失水收缩易发生开裂，在工程表面形成犬牙交错的裂隙网络。裂隙的存在不仅降低了黏土体的整体性、连续性，还改变了黏土的物理力学性质，继而引发一系列的工程地质问题。

黏土失水收缩引起的开裂问题涉及多个学科领域。在工程地质领域，裂隙的存在是造成土质边坡发生滑坡和泥石流等灾害的重要因素。土体中发育的裂隙为降水入渗提供了优先快捷的通道，土体渗透性成倍增加，其抗剪强度和边坡安全系数大幅下降。在基础工程建设方面，有研究显示，红黏土具有含水量高、塑性高、孔隙率高的特殊工程性质，在干湿循环条件下作为路基填料易发生变形破坏，对路基造成危害[1]。环境工程领域也存在不少关于土体开裂引发环境问题的报道，如在干湿循环、温度变化等条件下用于垃圾填埋场的黏土衬垫层常发生严重开裂，导致防渗屏障阻隔功效降低甚至失效，垃圾渗滤液泄露入渗地下水，导致环境污染[2]。由此可见，黏土干缩开裂问题涉及领域广泛、牵涉工程问题众多，为了防治黏土在工程应用中的开裂现象，国内外众多研究人员对此展开了研究。因此，基于国内外相关文献资料，总结归纳有关黏性土干缩开裂的研究方法以及关于其開裂特征规律的研究进展。

2 黏性土干缩开裂试验研究

2.1 室内试验研究

在土体开裂室内试验研究方法中，一般采用控制变量法和对比试验研究一个或多个参数对土体裂隙发育特征及其形成机理的影响，包括试样尺寸大小、土样厚度、密度、含水量、蒸发率、环境温度、相对湿度及干湿循环次数等。

孙希望等[3]对昆明地区压实红黏土开展直剪与三轴试验，研究表明压实红黏土的抗剪强度与含水率呈负相关关系，与红黏土压实度呈正相关关系。Lakshmikantha等[4]提出土体开裂应力和试样的尺寸密切相关。谢建宝等[5]以江苏省常州地区的地表黏土为研究对象得出含水率变化速率和试样裂隙率随着土层的增厚而减小。唐朝生等[6]取南京地区的粉质黏土和淤泥质黏土进行相应室内试验来研究土层厚度与裂隙网络发育规律的关系。施国栋等[7]的室内龟裂试验结果表明，随着温度升高，黏性土裂隙率和分维值增长且龟裂发育时间缩短，裂隙宽度变宽。周东等[8]以饱和黏土为研究对象，在改变环境温度、湿度条件下进行研究观察分析，结果表明裂隙率、平均块区面积及分维数随环境湿度的增加而减小，而块区个数和最大块区面积增加。黄少平等[9]开展了大量三轴压缩试验并建立劣化模型，发现随着干湿循环次数增加，裂隙逐渐发育，黏土黏聚力呈指数下降趋势且趋势不断减缓，抗剪强度显著降低。当前对于各影响因素与黏土干缩开裂间的研究主要集中于黏土表面的开裂发育特征及规律，所以揭示黏土内部开裂情况是当前该领域仍需探讨研究的方向。黏土干缩开裂受诸多因素影响，国内外不少学者也已对这些参数与黏土干缩开裂规律间的关系开展了研究，但黏土裂隙发育是一个繁复庞杂、多因素综合作用的过程，因此针对各因素在影响裂隙产生发育过程的贡献量及多因素耦合分析的研究在该领域未来发展中显得尤为重要。

2.2 裂隙网络定量分析

对裂隙网络进行量化分析及评价也是研究黏土干缩开裂的重要环节。Baer等[10]采用摄像的方式记录下裂隙发育照片，对土壤表面裂隙面积、裂隙边缘分形维数、质量分形维数及土壤表面裂隙间的空隙数字化图像进行分析研究。李雄威等[11]等学者运用MATLAB软件对裂缝图像进行二值化分析统计。刘春等[12]开发了岩土体裂隙网络图像分析系统CIAS，可直接得到裂缝各参数指标。杨振北等[13]以安徽省合肥市膨胀土为研究对象，开展了干湿循环-CT扫描试验并提取灰度值及灰度共生矩阵来研究裂隙发育状态的变化。

3 黏性土开裂特征规律研究

近年来，很多学者对黏性土开裂特征规律展开了观察研究。施斌等[14]将黏性土龟裂过程分为龟裂形成、发展、稳定和固定四个阶段。1）在试样含水率相对较低的部分首先出现短小裂隙，不断发展后构成裂隙骨架;2）裂隙骨架上逐渐发育次一级的龟裂;3）裂隙条数逐渐稳定，但其宽度不断增加;4）龟裂网络基本不变。施斌等[14]还发现了近乎所有裂纹都垂直相交，将土样分割成以四边形为主的多边形块区。陈开圣[15]发现，首次脱湿干缩下试样边界出现裂缝，加水后黏土样表面中部出现大量短小裂隙，随着脱湿加水循环继续进行，裂隙从中部向边缘发展且逐渐变大，细微裂隙逐步消失。张宏等[16]发现细小裂缝首先出现于试样表面圆心和周边，随着试样继续干燥失水，裂隙延伸扩展，其长度和平均宽度达到峰值后，裂隙开始回缩。总体而言，在试验中普遍发现裂隙先在试样表面联结较弱、应力集中处产生，第二期裂纹以稍大于90°方向向中间延伸发展，随后产生的裂纹与前期裂纹基本呈垂直发育，形成的裂隙网络将试样分割成大多为四边形的不规则多边形。

4 结语

随着我国各种工程建设活动的迅猛发展，黏土的应用也愈来愈广泛。然而，黏土在干燥气候环境下易失水干缩，产生裂隙，对相应工程的稳定性、安全性、可靠性带来了极大危害。因此，研究黏土体干缩开裂问题对实际工程应用具有一定的指导意义。通过总结近年来国内外关于黏性土干缩开裂机理、研究方法及黏性土开裂特征规律等方面的研究成果，为黏土的工程应用提供一定的理论依据。

参考文献：

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[4] Lakshmikantha MR，Prat PC，Ledesma A.Experimental evidence of size effect in soil cracking[J].Canadian Geotechnical Journal，2012，49（3）：264-284.

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[12] 刘春，王宝军，施斌，等.基于数字图像识别的岩土体裂隙形态参数分析方法[J].岩土工程学报，2008，30（9）：1383-1388.

[13] 杨振北，胡东旭，汪时机.膨胀土胀缩裂隙演化及其扰动规律分析[J].农业工程学报，2019，35（17）：169-177.

[14] 施斌，唐朝生，王宝军，等.粘性土在不同温度下龟裂的发展及其机理讨论[D].2009，15（2）：192-198.

[15] 陈开圣.干湿循环下红黏土裂隙演化规律及对抗剪强度影响[J].水文地质工程地质，2018，45（1）：89-95.

[16] 张宏，何灵灵，刘海洋.呼和浩特地区压实红黏土收缩开裂特性研究[J].工程地质学报，2019，27（6）：

1311-1319.

（责任编辑：赵中正）