土工格栅抑制黄土干缩裂隙试验分析

郭 鸿，马帅帅，王 普，曹 龙，陈能远，薛道耐，胡囝楠

(1.陕西理工大学 土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安710054)

1 研究背景

在广大的黄土区域内，由于土体内部水分蒸发而引起的干缩裂隙[1-3]十分常见。在黄土地区的堤坝、路基等工程中，由于季节性降雨[4]和干旱交替的气候特点，黄土路基贯通裂隙现象已经成为公路路基病害之一。

引起土体干缩裂隙的原因一般是由于土颗粒之间的“吸引力”增大，土颗粒出现“团聚”现象，宏观上的表现则是颗粒被“撕裂”，出现干缩裂隙。在农业领域，土体的干缩裂隙直接影响农作物的生长、发育及产量[5]；在岩土工程领域，土体的干缩裂隙对土工构筑物的安全造成了不可忽视的隐患。比如在降雨后，如果出现连续干旱天气，黄土持续失水会导致干缩裂隙不断扩展，而干旱过后的降水将会更容易渗入黄土构筑物深层，从而使得深层黄土的黏聚力和内摩擦角减小，这就为滑坡或不均匀沉降埋下了隐患。近年来由于土体干缩裂隙对工程严重的影响而受到学者们的广泛关注。Horgan等[6]定量描述了土体的干缩裂隙，并建立了可以模拟干缩裂隙发展演化过程的模型；Ringrose-Voase等[7]通过试验，解决了土体颗粒表面裂隙定量测量的问题；Vogel等[8]基于室内试验的方法揭示了黏性土干缩裂隙的内在机制和动力学特征，并建立了基于动力学的裂隙模型；Yoshida等[9]采用Biot固结理论，对农田饱和黏土的干缩裂隙进行了预测研究。

影响土体干缩裂隙的因素很多，如蒙脱石含量[10]、颗粒特性[11]、土体内部含水情况[12]以及土水特征等[13-15]。以往针对土体干缩裂隙的研究基本都集中在裂隙产生的力学机制、几何形态的定量描述以及裂隙模型等方面，对于裂隙的抑制方法尚未见文献报道。从土体裂隙产生的机理看，主要是因为黏土抗拉强度达到极限而导致局部颗粒被“撕裂”。土工格栅具有良好的力学特性，在工程上常常被用于增加土体的抗拉、抗剪强度，因此被广泛应用于土体加固工程中[16-20]。鉴于此，本文从公路工程的背景出发，综合考虑环境温度、土层厚度和有无格栅等条件，分析出土工格栅、环境温度、土体厚度等对黄土干缩裂隙的影响规律，弥补土工格栅对黄土干缩裂隙影响方面的研究空缺，并对黄土地区路基的干缩裂隙防治提供相应的理论依据。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验材料

试验采用的黄土为西安市某工程基坑深5 m处的Q3黄土，土样的物理性质指标见表1，土样取回后经室内风干粉碎并过2 mm筛；本试验所用土工格栅为双向聚酯经编涤纶型，如图1所示，其力学指标见表2。

表1 土样的物理性质指标

表2 土工格栅力学指标

图1 双向聚酯经编涤纶土工格栅

2.2 试验方案

在试验方案的确定中，综合考虑土工格栅、试样厚度及温度对裂隙的影响。试样厚度共分3种，分别为5、9、14 mm(用H1、H2、H3表示)，试样的直径均为15 cm，试验温度分别为30、40、50℃(用T3、T4、T5表示)。试验中不加格栅用N表示，加格栅用G表示；厚度主要依靠控制分装质量来实现；温度依靠调节恒温烘干箱的温度来实现。通过对上述不同试样进行组合，可以得到这18个试样标签，如表3所示。

表3 18个试样标签

需要指出的是，本文试验采用恒温蒸发，且试验温度区间有限，而实际黄土构筑物工程的干缩问题，受风速、气候等因素影响，长时间恒温的可能性较小，且温度区间很可能会超出30～50℃的区间。另外，由于试样尺寸有限，边界可能对土体干缩裂隙有一定影响，在本文中暂未考虑尺寸效应。尽管如此，本文试验方案对于研究蒸发温度对干缩裂隙的影响具有一定的理论指导意义。

试验时称取一定量的风干土置于搅拌容器中，后加入一定量的水，配置含水率为60%的泥浆。搅拌均匀后，按厚度对比分装质量将试样分装，将准备好的格栅加入到标签为G的试样中，用泥浆将格栅埋没。整平所有试样并放在水平桌面静置1 h，而后称取所有试样质量，将试样放入对应温度的烘干箱中，保证试样在对应温度下恒温失水。试验过程中每间隔2 h要对试样进行图像采集和数据采集。

3 结果与分析

3.1 含水率及水分蒸发速率变化

根据采集到的数据，分别计算得到试验温度为30、40、50℃下所有试样的含水率和蒸发速率随时间变化曲线，如图2所示。

图2 不同试验温度下各试样含水率和蒸发速率随时间变化曲线

由图2(a)、2(c)、2(e)可知，所有试样含水率变化曲线都有相同的趋势，即在含水率大于2%时，含水率随时间呈线性变化；当含水率降小于2%时，曲线近似平行于时间轴。因此曲线会出现转折点，观察在此拐点所对应的图像，与其他图像相比较，发现在此拐点后裂隙再无变化，说明此时裂隙的发展已经稳定。

对所有试样含水率曲线进行分析，得出含水率曲线转折点，分析达到该转折点需要的时长可知，试验温度在30、40℃时，有无格栅对裂隙稳定所需时间没有影响；在50℃时，有格栅试样裂隙稳定所需时间比无格栅试样裂隙稳定时间要短。说明在高温情况下，格栅缩短了黄土裂隙稳定的时间。

对比观察蒸发速率曲线可知，一定温度下，试样蒸发速率在某一时段内上下浮动，之后会迅速降低，如30℃下的所有试样初始蒸发速率为0.012～0.018 g/(mm2·h)；40℃下试样初始蒸发速率为0.02～0.025 g/(mm2·h)；50℃下试样初始蒸发速率为0.035～0.045 g/(mm2·h)。由此可知：在一定温度下，黄土中水的蒸发速率是一定的。同时观察2(b)、2(d)、2(f)可知，初始蒸发速率与土体厚度、和加筋与否均无关。但是从蒸发速率开始快速衰减的时间来看，厚度越大，开始快速衰减前的耗时越长，且同等条件下，有格栅黄土的衰减耗时更长，尤其是在50℃时比较明显。

3.2 干缩裂隙图像分析

裂隙的形成和发展是改变土体结构的主要因素，这是极其复杂的过程，不过其具有一定的规律性。认识和了解其规律对于研究裂隙的形成机理和土体中水分的迁移有极大的帮助[3]。

3.2.1 土工格栅抑制干缩裂隙分析 以试验温度为40℃时的情况为例，在试样含水率相同的条件下分析试样厚度及土工格栅对其裂隙形态的影响，如图3所示。

图3 含水率相同时试样不同厚度及土工格栅对其裂隙的影响对比(试验温度40℃)

分析图3可以看出，在温度、厚度相同条件下，加格栅试样比不加格栅的试样出现裂隙多，且加格栅试样裂隙在试样表面分布比不加格栅试样要均匀。另外，加格栅试样裂隙比较细而窄，且在中心区域裂隙比较密集，但是大多并未形成贯通裂隙；试样越厚的土体裂隙会越少，但是其宽度越大。在实际工程中，长而宽的裂隙遇到强降水，水会从裂隙快速流入土内，容易造成滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害，对于施工安全和工程质量是致命的。

试样的干缩裂隙最大宽度和最大深度反映了土工格栅的加固效果。以40℃为例，测量了不同试样厚度情况下裂隙的最大宽度和深度，如图4所示。由于试样的厚度在9～14 mm之间，干缩稳定后裂隙均贯穿到了试样底部，因此，加固前后裂隙深度均一样。但是土工格栅对于最大裂隙宽度影响较大，当试样厚度分别为5、9和14 mm时，最大裂隙宽度分别减小了20%、24%和34%。这就说明土工格栅对于抑制黄土干缩裂隙的作用明显，且随着试样厚度的增加效果更趋明显。

图4 不同试样厚度下土工格栅对试样最大裂隙宽度和深度的影响(试验温度40℃)

3.2.2 黄土试样裂隙发展 黄土试样从完全饱和到完全干燥的过程中，裂隙不断发展演变。以30℃下厚度为14 mm不加格栅试样(NH3T3)的裂隙发展过程为例，如图5所示。

观察图5中试样裂隙形态发现，试样在37 h的裂隙形状与69 h的裂隙形状大致相同，说明37 h以后没有其他新的裂隙产生。但是在37 h以前，裂隙的数量、宽度和深度在缓慢增加。对试样采集到的图像观察发现，所有试样都有以上规律。因此可将裂隙的发展分为3个阶段：

图5 NH3T3试样不同时间裂隙形态

(1)形成阶段，在此阶段内，试样的裂隙会迅速增加，但是大多数裂隙是比较窄的；

(2)加速阶段，其表现为不再有新裂隙的产生，只是形成阶段产生的裂隙加宽加深；

(3)稳定阶段，在此时间段内，试样含水率继续减小，但试样裂隙的数量、宽度、深度不再随时间的改变而改变。为探究土工格栅对裂隙发展的抑制作用，将每一阶段起始时间以及试样此时的含水率进行分析(以40℃为例)，如表4所示。

由表4可知，相同温度和厚度情况下，土工格栅对于裂隙发展起到一定的作用，具体表现为：试样厚度较小时，土工格栅加快了裂隙的形成；试样厚度较大时，土工格栅减小了裂隙的形成。这一结果给实际工程带来重要启示，即在土工格栅加固黄土的施工过程中，“保护层”的厚度非常重要，必须达到一定的厚度才能有效抑制黄土干缩裂隙。需要指出的是，由于室内试验的局限性，目前尚无法给出工程具体的“保护层”厚度，需要用模型试验或现场试验予以解决。

表4 不同试样开裂的3个阶段对应的时间(t)及含水率(w)

(1)

式中：Ncrack为试样的裂隙数;Nnode为试样的裂隙节点数。

表5 各试样裂隙数、裂隙节点数及其比值(试验温度40℃)

4 结 论

本文通过黄土的干缩裂隙试验，对不同蒸发温度和试样厚度下有、无土工格栅黄土试样的干缩裂隙进行了分析，主要得到了以下结论：

(1)格栅作用对黄土的初始蒸发速率几乎没有影响，但是使得蒸发速率衰减时间提前，尤其在50℃时比较明显，说明土工格栅在温度较高时促使了土体内部水分的运移。

(2)在温度、厚度相同条件下，有格栅黄土的裂隙数目较多，较均匀，宽度较小，说明土工格栅使得黄土内部在干缩时受力更均匀。

(3)裂隙的产生分为3个阶段：一是形成阶段，在此阶段内，试样的裂隙开始形成；二是加速阶段，随着含水率的降低，新的裂隙迅速发展；三是稳定阶段，蒸发速率极小，干缩裂隙几乎不再改变。