干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究

汪时机，杨振北，李 贤，骆赵刚，许 冲，李 达

干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究

汪时机1,2，杨振北1，李 贤1，骆赵刚1，许 冲1，李 达1

（1. 西南大学工程技术学院，重庆 400715；2. 重庆市建筑物全生命周期健康检测与灾害防治工程研究中心，重庆 408100）

为揭示干湿循环效应下膨胀土胀缩裂隙的演化特征及土体结构强度的劣化规律，对合肥弱膨胀土试样开展不同循环幅度下的干湿循环试验，利用图像处理技术从试样表面裂隙图像中提取出裂隙参数，并进行低应力下的抗剪强度试验。试验结果表明：1）裂隙开展分为裂隙酝酿期、裂隙快速传播期和裂隙平稳发展期3个阶段，裂隙指标的增长主要集中在裂隙快速传播期，且循环幅度的增大会使土体的开裂程度加剧；2）在干湿循环作用下，膨胀土的内摩擦角变化幅度小于2.2°，其受干湿循环次数的影响很小，土体的强度衰减主要源于粘聚力的大幅降低。膨胀土的粘聚力呈现出先快后缓的衰减趋势，其中前4次干湿循环期间粘聚力的衰减率达到50.97%～66.92%，且衰减率也与干湿循环幅度的大小密切相关；3）通过灰色关联度分析发现，粘聚力的衰减与裂隙面积率、裂隙总长度、裂隙平均宽度的变化趋势具有明显的关联性，其中裂隙面积率的关联度最大，其与粘聚力衰减率间的关联度为0.785～0.832，相应的权重达到0.461～0.472，且裂隙面积率与粘聚力衰减率间具有较好的线性关系，而裂隙平均宽度的关联度最小，其与粘聚力衰减率间的关联度为0.392～0.414，对应的权重仅为0.228～0.240。研究成果可为进一步揭示剧烈温湿变化诱发的膨胀土边坡灾变机理提供重要依据。

裂隙；抗剪强度；干湿循环；膨胀土；灰色关联分析

0 引 言

膨胀土是一种富含强亲水性黏土矿物、对环境湿热变化异常敏感的典型裂隙性黏土[1]。膨胀土自身的高胀缩性和低渗透性[2]使其历经降雨、蒸发后反复发生不均匀胀缩，从而萌生裂隙，并发育扩展。土体表层产生的纵横交错的裂隙网络会危害到土体结构的完整性，为地表水的入渗提供优势通道，对土石坝、河库、渠道等防渗屏障设施造成极大破坏。在雨季，雨水通过裂隙下渗，导致土体内部软化，抗剪强度急剧下降，极易诱使膨胀土边坡浅层失稳垮塌，使得农田水利设施被破坏，洪旱祸患加剧，最终给整个生态环境带来负面效应[3-4]。在极端季节性气候频发的背景下，干湿效应下的土体强度劣化已成为危害膨胀土工程建设长期稳定的重要因素[5-8]。

为揭示干湿循环作用下膨胀土的强度劣化规律，许多学者开展了一系列有益探索。Nowamooz等[9-11]研究了干湿循环效应下膨胀土的剪切强度特性，发现膨胀土抗剪强度的衰减主要由土体粘聚力降低引起，且上覆荷载能较好地抑制强度的衰减。吕海波等[12-13]对干湿循环效应下南宁膨胀土强度变化规律展开试验研究，并采用Ｓ型曲线函数较好地描述了强度衰减曲线。吴珺华等[14]总结了裂隙性膨胀土抗剪强度在反复干湿过程中的变化规律，并提出了考虑裂隙影响的非饱和膨胀土抗剪强度模型。李新明等[15]依照工程实际运营状况，探讨了膨胀土在干湿循环前后干密度和循环幅度对其残余剪切强度的影响。上述研究成果揭示了土体强度在大气营力下的变化规律，具有深远的理论和工程意义。

然而，目前研究大多以干湿循环次数为变量来分析膨胀土力学性能的劣化规律，却未能较好地将膨胀土强度的衰减与土体胀缩裂隙的发育情况相联系，对裂隙演化规律也缺少定量描述。事实上，裂隙的发育是造成膨胀土强度衰减的根本因素，干湿循环作用直接促进了膨胀土裂隙的发育，使得裂隙迅速扩展、贯通[16-19]，故在确定土体强度指标时，应当充分考虑裂隙的开展情况。而近年来膨胀土胀缩裂隙演化定量观测已成为膨胀土裂隙研究的热点，与土体工程特性密切相关的裂隙形状参数（如裂隙长度、面积率、宽度等）被用作描述裂隙演化程度的量化指标，且其量测手段也日趋丰富。蔡正银等[20-21]、胡东旭等[22]采用计算机断层扫描技术（CT法）和三维重建技术分别研究了冻融循环、干湿循环作用下膨胀土三维裂隙的演变规律；袁俊平等[23]利用远距光学显微镜对土体表面开裂进行连续观测，但考虑到目前试验条件的限制和对成本的控制，这些方法还不便于推广，而超声波法[24]和电阻率法[25]距用于定量化研究也尚有一定距离。目前，数字图像法因具有快速、准确、低成本等优点，仍然是土体裂隙连续、无损、客观观测裂隙发育过程较为高效便捷的手段，为众多学者广泛采用，并取得了丰硕的研究成果[26-28]。

除此之外，膨胀土边坡失稳具有浅层性[29]，滑塌面的上覆压力一般不超过50 kPa[30]，而以往研究所采用的常规直剪试验在施测时一般选取50或100 kPa作为最小正应力，这显然有悖于边坡实际破坏状况。因此，应当由边坡滑塌的实际状况出发，考虑低应力状态下的土体抗剪强度。

基于以上研究现状，本文选取引江济淮工程沿线边坡膨胀土为研究对象，通过室内试验对干湿交替下膨胀土胀缩裂隙的演化特征进行模拟，运用数字图像处理技术提取膨胀土表面的胀缩裂隙信息，获得定量化描述参数，结合干湿循环后的膨胀土在低应力下的直剪试验结果，定量表征裂隙演化和土体结构强度衰减之间的关联性，以期进一步明确干湿循环效应下的裂隙萌发对于膨胀土强度变化规律的影响，为工程领域运用裂隙演化指标来预测土体强度参数提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 试验土料及试样制备

本试验所用膨胀土取自合肥引江济淮工程引水渠道边坡，取土深度为2 m。天然土呈棕黄色，土质密实，富含铁锰结核，如图1。土体在取土深度处并未受到明显扰动，其天然含水率为24.22%，干密度为1.50 g/cm3。通过室内试验获取土体的基本物理指标为：相对密度为2.75，液限为52.6%，塑限为26.1%，自由膨胀率为52%。根据《膨胀土地区建筑技术规范》，试验用土为弱膨胀土。

将取回的膨胀土在自然风干后彻底粉碎，并过2 mm筛。配料时先将过筛的土料称量后分层铺撒在搪瓷盘中，于散土表面喷洒适量的蒸馏水并充分拌和，然后将试样密封48 h，使土料中的水分充分扩散。试样的初始干密度为1.50 g/cm3，为使得试样胀缩裂隙形态更加明显，初始含水率设计为18%。称取适量配制好的土料，采用静压法缓慢压实，压实速率控制为2 mm/min，直至将称取的土料完全压入模具当中，试样的直径为61.8 mm，高20 mm，压实后密度为1.77g/cm3。

1.2 干湿循环试验

考虑到地表以下不同深度范围内土体受大气营力的影响有所差异，致使含水率变化路径不同，依照现场试验结果，设置3种干湿循环含水率变化范围：10%～20%、10%～28%、10%～35%，对应的循环幅度Δ1、Δ2、Δ3分别为10、18、25个百分点。总循环次数设定为6次，试验过程中的控制含水率与初始含水率（18%）保持一致，以循环幅度18个百分点的试样（Δ2）为例，其干湿路径及含水率控制点如图2所示。

在试验中通过称重法来控制含水率，干湿循环过程分为加湿和脱湿2个步骤。加湿过程：将试样置于搪瓷盘中，于试样上面和底面各用1张湿滤纸和1块透水石覆盖，以避免试样吸水后崩解，并确保试样能均匀润湿。为模拟土体底部毛细水作用及上部降雨浸入，在盘底预先注入一定量的水，使水面恰好与底部透水石平齐，同时，使用小型喷壶每隔0.5 h在试样顶面的透水石上喷水，待称质量达到预设目标含水率时用保鲜膜将其密封好，放入保湿缸中密封不少于48 h，确保试样内外含水率平衡。脱湿过程：通过上海一恒科学仪器有限公司生产的DHG-9030型恒温烘箱对加湿完成的试样进行不鼓风脱湿，温度控制为35 ℃。脱湿24 h后定时取出试样，放置在精度为0.01 g的天平上称取质量校核瞬时含水率，当试样脱湿至含水率控制点时，将其放入保湿缸密封24 h，该过程为1次干湿循环，如此实施0～6次干湿循环。

1.3 数字图像处理

每次脱湿完成后，将试样置于拍照台进行观测，追踪土体的开裂情况。为取得高质量的裂隙照片，拍照时遮蔽其他光源，仅用LED灯照明，确保拍摄环境始终一致，以免光线干扰拍照效果。

拍照后所获得的原始图像为RGB彩色图像，若直接处理，即从色彩上区分开土块和裂隙，则产生的数据量较大。此外，试样表面通常具有不均匀性，如局部阴暗部分或裂隙中掺杂着土颗粒，这些区域如不去除，则会影响后续分析结果。因此，为了对裂隙图像展开高效、精确的定量分析，本文采用基于MATLAB开发的图像处理软件（TXCLS310Lab）对裂隙图像统一进行灰度化、除噪、二值化、骨架化等一系列预处理，相关操作流程如图3所示。

在取得的裂隙二值图及其骨架基础上，通过统计试样裂隙面积率、裂隙平均宽度、裂隙总长度等指标来定量表征土体胀缩裂隙演变形态。其中，裂隙面积率指试样裂隙投影面积与试样表面积的比值，表征试样裂隙的总体开展状况；裂隙总长度为的试样表面所有裂隙长度的总和；裂隙平均宽度为裂隙总面积与裂隙总长度的比值，用以反映发育裂隙的张开程度。这些指标作为影响膨胀土工程特性的几何要素，从不同角度反映了土体裂隙演变的剧烈程度以及土体表面的破损程度。

1.4 膨胀土低应力下的直剪强度试验

将已完成相应干湿循环次数并拍照的试样转移至真空缸中进行抽气饱和。随后将饱和完成的试样取出装入南京土壤仪器公司生产的ZJ型四联应变控制式直剪仪中进行快剪试验。试样剪切过程中，剪切速率恒定为0.8 mm/min，施加的上覆荷载分别为5、10、30和50 kPa。需要指出的是，本次试验所使用的直剪仪的标准配荷的最小荷载为50 kPa，因此，5、10及30 kPa这3级正应力通过称取等效质量的试验砂来施加，其余正应力均根据仪器操作要求通过杠杆配质量施加。

为较好地描述试样抗剪强度指标的衰减规律，对直剪强度试验结果进一步处理，定义粘聚力衰减率：

式中为干湿循环次数，=0,1,2,…,6；0、c分别为0、次干湿循环后试样的粘聚力，kPa。

1.5 灰色关联度分析

采用灰色关联分析方法定量表征土体胀缩裂隙各项指标与其抗剪强度参数的劣化之间联性的强弱。灰色关联度分析方法作为灰色系统理论的重要组成部分，基本思想为：通过两系统因素发展趋势之间的相似比较来衡量因素之间联系的紧密程度[31]，其计算步骤如下：

1）建立参考数列和比较数列。考虑到膨胀土的抗剪强度在干湿循环作用扰动下所表现出的强度衰减主要由土体粘聚力的降低来反映，因此以0～6次干湿循环后的土体粘聚力衰减率来构造参考数列，记作0={0()}，其中0()指代次干湿循环后的粘聚力衰减率，%；以0～6次干湿循环后裂隙面积率、裂隙总长度和裂隙平均宽度3项影响因子构成比较数列，分别记作1={1()}、2={2()}和3={3()}，如2(2)表示土体经历2次干湿循环后的裂隙总长度值，mm。

2）无量纲化处理。考虑到原始数据的单位存在差异，无法直接展开关联度计算。为使系统分析具有准确性及可比性，需采用均值化来消除量纲。

3）求取差序列Δ()|=|x−x|,（=0,1,2,…,6，=1,2,3且≠）并找出最大差maxmax|0()−x()|和最小差minmin|0()−x()|。

4）求取灰色关联系数ε()。

式中为分辨系数，一般取值0.5[32]。

5）关联度和权重的求取。

关联度

权重

式中为参考数列的个数；为裂隙指标与粘聚力间的关联度，=1,2,3，1、2、3分别表示裂隙面积率、裂隙总长度和裂隙平均宽度与粘聚力衰减率间的关联度；为关联度对应的权重，1、2、3表示1、2、3所对应权重。

2 结果与分析

2.1 土体裂隙特征定量分析

根据所获得的裂隙量化参数，进一步绘制出了不同循环幅度和循环次数控制条件下的土体各裂隙指标的观测趋势曲线（图4）。由图4可见，膨胀土试样裂隙指标均随循环次数的增加呈典型的台阶型增长趋势。总体上，裂隙发育过程大致经历3个变化阶段：裂隙酝酿阶段、裂隙快速传播阶段和裂隙平稳发育阶段。以干湿循环幅度为18个百分点的试样（Δ2）为例分析，其裂隙酝酿阶段主要发生在干湿循环初期（=0～1），此阶段试样的完整性较好，试样开裂缓慢，只在局部产生少量的微裂隙，故裂隙指标变化曲线相对平缓，但为后续土体裂隙的剧烈发育做积累。而到了快速传播阶段（>1～3），此时土体开裂程度最为剧烈，主要表现为初始裂隙进一步拓宽和次生裂隙逐渐萌生，曲线持续陡峭上升，试样裂隙的总长度和宽度均呈明显增长趋势，因而裂隙面积率也大幅度上升，在第3次干湿循环结束时，其值为第1次循环后的3倍。此后，随着干湿循环的继续作用，曲线开始发生转折并有平缓的趋势，在第4次干湿循环时，土体开裂逐渐过渡到平稳阶段，裂隙面积率和长度的增长势头有所放缓，裂隙平均宽度甚至开始呈现下降的潜势。在干湿循环后期（=5～6），曲线趋向平缓，裂隙面积率和长度趋近峰值，各项裂隙指标增幅微弱，裂隙平均宽度甚至出现一定幅度的收敛，其值在经历了6次干湿循环后相较第4次循环降低幅度为6.3%，此时裂隙发育基本完成，土体裂隙结构在经过数次调整后干湿循环作用效应趋于稳定。

2.2 膨胀土直剪试验结果

2.2.1 抗剪强度参数的确定

现有研究表明，膨胀土的强度普遍具备较明显的非线性特征[33]。为进一步论述这一观点，以未进行干湿循环的试样（=0）及经历了6次干湿循环的试样（=6）为例进行高、低应力条件下强度参数的对比分析。用双直线将低应力下的测点（5、15、30、50、75kPa）以及高应力下的测点（75、100、200、300 kPa）分别进行直线拟合，得到分段式抗剪强度包线如图5～6所示。

从图5～6中可看出，土体强度均呈现出较显著的非线性特征，若采用双直线进行分段拟合，则膨胀土试样在高应力段（75～300 kPa）的强度明显有别于低应力段（0～75 kPa）的试验结果。对于经历6次幅度为18个百分点干湿循环的试样（图6b），当采用正应力为75～300 kPa的常规方法施测时，得到试样粘聚力值为15.75 kPa，内摩擦角为21.84°。对比之下，低应力段下得到的粘聚力值为4.16 kPa，内摩擦角为30.46°。由此也不难看出，当土体上覆压力处在0～75 kPa时，若按规范中指定的方法仅实施高应力状态下的剪切试验，由其强度参数求取得到的土体抗剪强度通常是偏大的。杨和平等[10,34-35]通过对南宁膨胀土、百色膨胀土、北京丰台区膨胀土以及邯郸强膨胀土展开一系列的直剪强度试验也得到了相似的结果，可见该现象具有一定的广泛性，这可能是因为低上覆压力下的试样较易加湿膨胀，致使较大孔隙比和体积含水率增大，对于相应的剪切应力有不利影响。考虑到膨胀土边坡失稳常表现浅层滑坍，其滑裂面所受的上部作用力通常在50 kPa范围内，这就能解释有的膨胀土边坡土体失稳时其按常规方法算出的强度值仍不太低的原因[35]。因此，在进行土体强度试验时，应当对常规强度试验方法进行改进，尤其在研究膨胀土浅层失稳这一特性时，采用低应力条件下的强度参数来进行边坡稳定计算要更加合理。

2.2.2 干湿循环效应下膨胀土强度劣化规律分析

基于试样低应力下（小于75 kPa）的直剪试验结果，绘制出膨胀土强度指标内摩擦角和粘聚力随循环次数的变化曲线（图7）。由图7a可知，在不同的干湿循环幅度条件下，膨胀土试样的粘聚力均随着干湿循环次数的增加呈现出非线性衰减规律，6次干湿循环后粘聚力降至初始状态的26.22%～35.16%。相比之下，内摩擦角受干湿循环作用的影响较小，无论试样的循环幅度取何值，其内摩擦角变化范围在2.2°以内（图7b）。

图8为粘聚力衰减率变化曲线图，由图可直观看出，衰减曲线整体表现出3阶段变化：第1阶段发生在0～1次干湿循环，此阶段裂隙发育也正处于酝酿期，土体结构完整度较高，粘聚力衰减缓慢，尤其对于循环幅度为10个百分点的试样（Δ1），其在第1次干湿循环结束时的粘聚力衰减率仅为2.95%。但在第2阶段（>1～4），随着裂隙的快速发育，曲线斜率陡增，土体粘聚力呈指数递减，至第4次干湿循环结束时，粘聚力衰减率达到50.97%～66.92%；而在进入第3阶段（>4～6）时，粘聚力衰减逐渐放缓并最终趋向稳定值。此外，较高的含水率变化幅度也会加剧土体强度的劣化效应和劣化速率。膨胀土试样粘聚力随循环幅度的增加而减小，循环幅度大者，其粘聚力衰减率曲线的斜率也大。因此，在膨胀土边坡运营时，应注意监测土体含水率的变化情况并及时采取相应措施（如土工膜包盖等）来减少外界气候变化对膨胀土的影响以保持其湿度变化的稳定，从而确保土体强度不发生大幅衰减。

2.3 裂隙参数与抗剪强度衰减的关系分析

按照灰色关联分析方法分别计算出干湿循环幅度为10、18和25个百分点的试样的关联度和相应的权重，所得结果见表1。

表1 裂隙指标与粘聚力衰减率间的关联度及相关权重

影响因子的关联度r越大，表明其与土体粘聚力衰减的联系越密切。一般当r>0.3时，即可认为是明显关联[36]。由表1分析可知，裂隙面积率、裂隙总长度和裂隙平均宽度的r值均大于0.3，可见，土体粘聚力衰减率与这几种因素变化关系曲线均有显著的相关性。值得注意的是，无论干湿循环幅度取何值，3个影响因子的关联度和影响权重的大小排序始终为：裂隙面积率最大，裂隙总长度次之，裂隙平均宽度最小。说明裂隙面积率对于膨胀土抗剪强度衰减状况的联系最为密切，其与粘聚力衰减率间的关联度为0.785～0.832，其影响权重同样为3项指标中最大，达到0.461～0.472。相比之下，裂隙平均宽度的变化与土体强度的劣化之间的相关度最小，其与粘聚力衰减率间的关联度为0.392～0.414，影响权重只有0.228～0.240，故将其作为评价指标来描述土体开裂对于土体结构强度的扰动特征要显得相对单薄一些。而裂隙面积率作为表征土体整体开裂过程的裂隙评价参数，其对土体微裂隙的萌生及主裂隙的拓宽均具有较好的响应，故能较详实全面地观测土体开裂过程，且从图9中也能得知，该指标与粘聚力衰减率间保持有良好的线性关系（2>0.99）。因此，采用裂隙面积率来定量地表征干湿循环作用下膨胀强度退化规律能取得较好的效果。

3 讨 论

3.1 裂隙演化规律

土体裂隙发育受到多种因素的影响，除了湿度、温度、应力作用及外界辐射等外部因素，还存在多种内在因素，如土体密实程度、土层厚度、土体结构、黏土颗粒组分、土体矿物成分等。通常认为，膨胀土开裂实质为土体在脱湿环境下因不均匀失水收缩产生较大张拉应力的结果。

在脱湿箱内，试样蒸发速率的空间分布存在差异，其下部脱湿速率远不及上部。当含水率与初始含水率的形成一定差值时，土体就会在吸力的作用下收缩，若外部的约束或内部的不协调变形使得收缩无法自由发生时，将产生收缩应力场，并在局部发生张拉应力集中，在应力大小超过土体最大抗拉强度与其自身质量产生的侧向压应力之和时，初始裂隙随之萌生[2,37]。裂隙的形成一定程度释放了起初集聚的应变势能，应力转而集中于裂隙尖端，驱使裂隙朝纵深拓宽。此后，随着裂隙面逐渐发育成为新的水分蒸发面，裂隙面附近表层的土块失水干缩速率加快，而远离裂隙面的土块干缩相对缓慢，这种表面收缩的不协调造成了土体的二次开裂，从而次生裂隙根生于原有裂隙，两种裂隙相互交织，共同构成了土体的裂隙网络[38-39]。虽然在湿化过程中，土体吸水膨胀及土团粒遇水崩解后不断崩落至现有孔隙中，而使得裂隙有所愈合，但愈合处的抗拉强度往往未能恢复至原有水平。当再次脱湿时，裂隙会首先沿着这些薄弱位置重新展开，张开后的裂隙面形成了新的应力场分布，微裂隙继续朝四周蔓延。

然而，干湿循环效应的影响终究是有限的，在干湿循环进行到一定程度时，随着试样被裂隙割裂成许多的小土块，试样水分逃逸的速率逐渐加快，土体内部含水率更容易达到平衡，因此也更难出现较大的含水率梯度，这也意味着拉应力势能储备越来越低，干湿循环效应不再显著。在进入干湿循环后期时，势能主要通过增加次生裂隙的条数来释放（如图10），新出现的次生裂隙分担了很大一部分变形，也抑制了主裂隙的扩宽趋势。同时，在循环后期时整个试样脱湿空间发生逆转，试样下层失水收缩速率逐渐加快，上层由受拉向受压转变，致使部分裂隙有一定程度的闭合，故在此阶段裂隙面积、长度继续增加，而平均宽度会相应地有所减小，这与唐朝生等[40]的研究结果相一致。

干湿循环过程中，还可观察到在不同干湿循环幅度控制下，土体裂隙指标的变化存在差异。干湿循环幅度Δ值越大，裂隙的面积率、长度和宽度的值增长趋势则越显著，所能达到的稳定值也越大。究其原因，土体裂隙的萌生实质为张拉应力与抗拉强度的抗衡结果。对于黏土抗拉强度值，许多学者进行了研究，Trabelsi等[41]的研究表明其可采用关于基质吸力的单值函数来表示：

式中σ为土体结构抗拉强度，kPa；u、u和u−u分别为土体的孔隙气压力、孔隙水压力和基质吸力，kPa；1、2均为与土性有关的试验参数。本次试验所控制的初始含水率是一致的，因而循环幅度大者在增湿后能得到含水率要更高，此阶段试样的饱和度较高，基质吸力较低，抗拉强度处在较低值。再考虑到膨胀土的干缩力变化值与含水率呈正相关，即循环幅度较大的试样在脱湿过程中会产生更大的张拉应力，随着脱湿的持续进行，试样张拉应力也会很快地达到其结构抗拉强度，土体内部也就越易产生裂隙。此外，当脱湿温度一致时，循环幅度大者需要经历更为持久的脱湿过程，张拉应力作用时效也较长，这也为裂隙的持续发育提供了便利。

3.2 抗剪强度参数的变化规律

干湿循环对土体粘聚力的影响主要体现在以下两方面：一方面，土体裂隙的不断延展使得土体的结构退化，降低了土粒间的联结力，导致粘聚力降低；另一方面，土体在的基质吸力作用下形成了较为致密的结构，土颗粒间接触点增加，从而试样也能获得较高的抗拉强度[42]。而对于具有较高抗拉强度的试样而言，当土体抗拉强度足够大且能克服因土体不均匀收缩而产生的张拉应力时，裂隙则不易开展，故其对于土体粘聚力的衰减有较好的抑制作用。土体粘聚力的最终表现由这两方面所占的比重来决定。

课题组曾采用仪器设备中国有限公司生产的SDSWCC-H型压力板仪通过控制基质吸力获得了不同干湿循环次数下试样土水特征曲线[43]，将其绘制成表，见表2。结合图8和表2的分析可发现，在干湿循环初期（=0～1），当含水率相近时，该阶段试样的基质吸力处于较高值，由公式（5）可知，此时试样具有较强的抗拉强度，有利于抑制裂隙的传播，因而粘聚力衰减幅度较小。然而，随着干湿循环作用的深入（>1～4），同一含水率所对应的基质吸力大幅减小，当其对土体抗拉强度的增强作用不足以抵消土体所受的张拉应力时，则会促使土体裂隙大量增生以缓解张拉应力势能的集聚效应，而裂隙的大量传播破坏了土体的结构强度，也加快了土体结构性的劣化进程，致使粘聚力急剧下滑。但干湿循环效应的影响毕竟是有限的，干湿循环4次后，试样被裂隙割裂成许多的小土块，有利于试样水分的逃逸，土体内外含水率要更容易达到平衡，因此含水率梯度较小，此时也很难产生较大的张拉应力，从而裂隙的开展陷入瓶颈，对土体结构的损害也较小，同时，基质吸力在该阶段的减势也趋于稳定，其对于土体结构的巩固也能一定程度抑制粘聚力的衰减。此时两种因素的作用处在新的平衡，粘聚力的衰减趋势大幅放缓并逐渐有趋于稳定的态势。

李新明等[15]通过试验表明，干湿循环对值影响与否主要由土体干密度的取值决定：干密度愈大，值降幅越大；而干密度较小时，值则变化很小；在其试验中，干密度为1.60 g/cm3膨胀土试样的值在干湿循环前后保持稳定。而涂以亮等[44]则认为，干湿循环效应对值存在两方面的影响：一方面，土体胀缩裂隙传播弱化了土颗粒间的联结作用，导致值减小；另一方面，在干湿循环过程中，基质吸力的作用导致试样逐渐被压密[45]，使得微小的黏土颗粒凝聚成较大一级的团聚体，从而增强了团粒间的咬合摩擦力。本文试验所设膨胀土的干密度较小（1.50 g/cm3），基质吸力的压密效果明显，内摩擦角降低部分和增加部分能相互抵消，从而变化幅度很小。

综合上述结果，在试样干密度较小时，干湿循环作用下土体抗剪强度表现出的强度衰减主要源于土中粘聚力的降低。杨和平等[10]的研究结果也表明，正是粘聚力的急剧衰减诱使了膨胀土边坡发生浅层坍滑破坏。

4 结 论

1）干湿循环作用下的裂隙发育分为裂隙酝酿期、裂隙快速传播期和裂隙平稳发育期3个阶段，而裂隙指标的增长主要发生在裂隙快速传播期。此外，在相同循环次数下，循环幅度（含水率变化范围）越大，裂隙指标也越大。

2）若按现有规范不区分高低应力段开展直剪试验，得到的结果与实际中膨胀土坡浅层破坏时滑面的抗剪强度并不相符。故应当遵循膨胀土边坡浅层滑坍破坏规律，对试验方案进行改进，即开展考虑低应力条件的强度试验。

3）干湿循环作用下膨胀土粘聚力呈非线性衰减趋势，在经历6次干湿循环作用后的衰减至初始状态的26.22%～35.16%，且衰减率随着干湿循环幅度的增大而增大，故在渠坡运营时应及时检测土体的湿度变化并做好防控措施。相比之下，试样的内摩擦角变化较小，在干湿循环的影响下保持稳定，变化幅度小于2.2°，干湿循环土体强度的劣化主要源于粘聚力的衰减。

4）通过灰色关联法分析裂隙指标与土体粘聚力衰减率的关联程度发现，裂隙面积率、总长度和平均宽度均对土体抗剪强度有明显的影响，其中裂隙面积率的变化趋势与土体粘聚力衰减的关联性最为密切，其与粘聚力衰减率间的关联度为0.785～0.832，权重达到0.461～0.472，且与粘聚力衰减率间的关系可较好地用线性函数进行描述（2>0.99），可很好地用以定量表征干湿循环下裂隙对于土体结构强度的扰动，因而在工程中可以探讨通过实测裂隙参数来测算裂隙性膨胀土的真实抗剪强度。

[1]程展林，龚壁卫. 膨胀土边坡[M]. 北京：科学出版社，2015.

[2]殷宗泽，袁俊平，韦杰，等. 论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响[J]. 岩土工程学报，2012，34(12)：2155-2161.

Yin Zongze, Yuan Junping, Wei Jie, et al. Influences of fissures on slope stability of expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(12): 2155-2161. (in Chinese with English abstract)

[3]Albrecht B A, Benson C H. Effect of desiccation on compacted natural clays[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(1): 67-75.

[4]高奇，师学义，张琛，等. 县域农业生态环境质量动态评价与预测[J]. 农业工程学报，2014，30(5)：228-237.

Gao Qi, Shi Xueyi, Zhang Chen, et al. Dynamic assessmentand prediction on quality of agricultural eco-environment in county area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 228-237. (in Chinese with English abstract)

[5]孔令伟，陈建斌，郭爱国，等. 大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J]. 岩土工程学报，2007，29(7)：1065-1073.

Kong Lingwei, Chen Jianbin, Guo Aiguo, et al. Field responsetests on expansive soil slopes under atmosphere[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(7): 1065-1073. (in Chinese with English abstract)

[6]朱洵，李国英，蔡正银，等. 湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：159-167.

Zhu Xun, Li Guoying, Cai Zhengyin, et al. Failure modes and slope stability of expansive soil canal under wet-dry cycles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 159-167. (in Chinese with English abstract)

[7]李国维，李亚帅，袁俊平，等. 引江济淮工程河道边坡膨胀土开裂规律及影响因素[J]. 农业工程学报，2018，34(12)：154-161.

Li Guowei, Li Yashuai, Yuan Junping, et al. Crack development rule of expensive soil and its influence factors in river slope of Project of Leasing Water from Yangtze to Huai River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(12): 154-161. (in Chinese with English abstract)

[8]Aldaood A, Bouasker M, Al-Mukhtar M. Impact of wetting-drying cycles on the microstructure and mechanical properties of lime-stabilized gypseous soils[J]. Engineering Geology, 2014, 174: 11-21.

[9]Nowamooz H, Masrouri F. Relationships between soil fabric and suction cycles in compacted swelling soils[J]. Engineering Geology, 2010, 114: 444-455.

[10]杨和平，唐咸远，王兴正，等.有荷干湿循环条件下不同膨胀土抗剪强度基本特性[J]. 岩土力学，2018，39(7)：2311-2317.

Yang Heping, Tang Xianyuan, Wang Xingzheng, et al. Shear strength of expansive soils under wet-dry cycles with loading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(7): 2311-2317. (in Chinese with English abstract)

[11]边加敏. 弱膨胀土干湿循环直剪强度试验研究[J]. 长江科学院院报，2018，35(6)：81-85.

Bian Jiamin. Experimental study on direct shear strength of weak expansive soil in dry and wet cycles[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(6): 81-85. (in Chinese with English abstract)

[12]吕海波，曾召田，赵艳林，等. 胀缩性土强度衰减曲线的函数拟合[J]. 岩土工程学报，2013，35(S2)：157-162.

Lyu Haibo, Zeng Zhaotian, Zhao Yanlin, et al. Function fitting on strength attenuation curve of swell-shrinking soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(S2): 157-162. (in Chinese with English abstract)

[13]吕海波，曾召田，赵艳林. 干湿交替环境下膨胀土的累积损伤初探[J]. 自然灾害学报，2012，21(6)：119-123.

Lyu Haibo, Zeng Zhaotian, Zhao Yanlin. Preliminary study on accumulative damage of expansive soil in alternation of wetting-drying environment[J]. Journal of Natural Disasters, 2012, 21(6): 119-123. (in Chinese with English abstract)

[14]吴珺华，杨松. 干湿循环下膨胀土基质吸力测定及其对抗剪强度影响试验研究[J]. 岩土力学，2017，38(3)：678-684.

Wu Junhua, Yang Song. Experimental study of matric suction measurement and its impact on shear strength under drying-wetting cycles for expansive soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(3): 678-684. (in Chinese with English abstract)

[15]李新明，孔令伟，郭爱国，等. 基于工程包边法的膨胀土抗剪强度干湿循环效应试验研究[J]. 岩土力学，2014，35(3)：675-682.

Li Xinming, Kong Lingwei, Guo Aiguo, et al. Experimental research on shear strength of expansive soil under wetting-drying cycles based on wrapping method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(3): 675-682. (in Chinese with English abstract)

[16]殷宗泽，徐彬. 反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析[J].岩土工程学报，2011，33(3)：454-459.

Yin Zongze, Xu Bin. Slope stability of expansive soil under fissure influence[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(3): 454-459. (in Chinese with English abstract)

[17]刘华强，殷宗泽. 裂缝对膨胀土抗剪强度指标影响的试验研究[J]. 岩土力学，2010，31(3)：727-731.

Liu Huaqiang, Yin Zongze. Test study of influence of crack evolution on strength parameters of expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(3): 727-731. (in Chinese with English abstract)

[18]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，2004，19(6)：108-113.

Yuan Junping, Yin Zongze. Quantitative index of fissure and strength characteristics of fissured expansive soils[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 19(6): 108-113. (in Chinese with English abstract).

[19]徐彬，殷宗泽，刘述丽. 膨胀土强度影响因素与规律的试验研究[J]. 岩土力学，2011，32(1)：44-50.

Xu Bin, Yin Zongze, Liu Shuli. Experimental study of factors influencing expansive soil strength[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(1): 44-50. (in Chinese with English abstract)

[20]蔡正银，朱洵，黄英豪，等. 冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响[J]. 岩土力学，2019，40(12)：4555-4563.

Cai Zhengyin, Zhu Xun, Huang Yinghao, et al. Influences of freeze-thaw process on evolution characteristics of fissures in expensive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(12): 4555-4563. (in Chinese with English abstract)

[21]蔡正银，朱洵，黄英豪，等. 湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律[J]. 岩土工程学报，2019，41(8)：1381-1389.

Cai Zhengyin, Zhu Xun, Huang Yinghao, et al. Evolution rules of fissures in expansive soils under cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(8): 1381-1389. (in Chinese with English abstract)

[22]胡东旭，李贤，周超云，等. 膨胀土干湿循环胀缩裂隙的定量分析[J]. 岩土力学，2018，39（S1）：318-324.

Hu Dongxu, Li Xian, Zhou Chaoyun, et al. Quantitative analysis of swelling and shrinkage cracks in expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(S1): 318-324. (in Chinese with English abstract)

[23]袁俊平，殷宗泽，包承纲. 膨胀土裂隙的量化手段与度量指标研究[J]. 长江科学院院报，2003，20(6)：27-30.

Yuan Junping, Yin Zongze, Bao Chenggang. Quantitative description method & index for fissures in expansive soil[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2003, 20(6): 27-30. (in Chinese with English abstract).

[24]赵明阶，吴德伦. 单轴受荷条件下岩石的声学特性模型与实验研究[J]. 岩土工程学报，1999，21(5)：540-545.

Zhao Mingjie, Wu Delun. Ultrasonic properties of rock under loading and unloading: Theoretical model and experimental research[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999, 21(5): 540-545. (in Chinese with English abstract)

[25]Archie G E. The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics[J]. Well Logging Technology, 2007, 146(3): 54-62.

[26]刘观仕，陈永贵，曾宪云，等. 环境湿度与温度对压实膨胀土裂隙发育影响试验研究[J]. 岩土工程学报，2020，42(2)：260-268.

Liu Guanshi, Chen Yonggui, Zeng Xianyun, et al. Effects of ambient air humidity and temperature on crack development of compacted expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(2): 260-268. (in Chinese with English abstract)

[27]曹玲，王志俭，张振华. 降雨-蒸发条件下膨胀土裂隙演化特征试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35(2)：413-421.

Cao Ling, Wang Zhijian, Zhang Zhenhua. Experimental research of cracking process of expansive soil under rainfall infiltration and evaporation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(2): 413-421. (in Chinese with English abstract)

[28]冷挺，唐朝生，施斌. 干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究[J]. 工程地质学报，2016，24(5)：856-862.

Leng Ting, Tang Chaosheng, Shi Bin. Quantifing desiccation crack behaviour of remolded expansive soil during wetting-drying circles[J]. Journal of Engineering Geology, 2016, 24(5): 856-862. (in Chinese with English abstract)

[29]包承纲. 非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J]. 岩土工程学报，2004，26(1)：1-15.

Bao Chenggang. Behavior of unsaturated soil and stability of expansive soil slope[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(1): 1-15. (in Chinese with English abstract)

[30]Xiao Jie, Yang Heping, Zhang Junhui, et al. Surficial failure of expansive soil cutting slope and its flexible support treatment technology[J]. Advances in Civil Engineering, 2018, 2018: 1-13.

[31]崔洁，江权，冯夏庭，等. 岩石抗剪强度参数的理论概率分布形态研究[J]. 岩土力学，2015，36(5)：1261-1274.

Cui Jie, Jiang Quan, Feng Xiating, et al. Theoretical probability distribution of shear strength parameters for rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(5): 1261-1274. (in Chinese with English abstract)

[32]邓聚龙. 灰色系统理论教程[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1992.

[33]Lade P V. The mechanics of surficial failure in soil slopes[J]. Engineering Geology, 2010, 114(1/2): 57-64.

[34]肖杰，杨和平，李晗峰，等. 低应力条件下不同密度的南宁膨胀土抗剪强度试验[J]. 中国公路学报，2013，26(6)：15-21.

Xiao Jie, Yang Heping, Li Hanfeng, et al. Shear strength test of Nanning expansive soil with various dry densities and low stresses[J]. China Journal of Highway and Transport, 2013, 26(6): 15-21. (in Chinese with English abstract)

[35]程展林，李青云，郭熙灵，等. 膨胀土边坡稳定性研究[J].长江科学院院报，2011，28(10)：102-111.

Cheng Zhanlin, Li Qingyun, Guo Xiling, et al. Study on the stability of expansive soil slope[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2011, 28(10): 102-111. (in Chinese with English abstract)

[36]薛乐，汪时机，李贤，等. 重庆紫色土抗侵蚀能力的粒组效应研究[J]. 土壤学报，2019，56(3)：582-591.

Xue Le, Wang Shiji, Li Xian, et al. Impact of soil particle deletion on erosion resistance of purple soil in Chongqing based on strength index[J]. Acta Pedologica Sinica, 2019, 56(3): 582-591. (in Chinese with English abstract).

[37]刘昌黎，唐朝生，孙凯强，等. 土体龟裂力学机理及理论模型研究进展[J]. 工程地质学报，2018，26(2)：296-308.

Liu Changli, Tang Chaosheng, Sun Kaiqiang, et al. Review on the mechanism and theoretical model of desiccation cracking in clay soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2018, 26(2): 296-308. (in Chinese with English abstract)

[38]Amarasiri A L, Kodikara J K, Susanga C. Numerical modelling of desiccation cracking[J]. International Journal for Numerical & Analytical Methods in Geomechanics, 2011, 35(1): 82-96.

[39]Tang C S, Shi B, Liu C, et al. Experimental characterization of shrinkage and desiccation cracking in thin clay layer[J]. Applied Clay Science, 2011, 52(1): 69-77.

[40]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)：1186-1193.

Tang Chaosheng, Shi Bin, Liu Chun, at el. Factors affecting the surface cracking in clay due to drying shrinkage[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(10): 1186-1193. (in Chinese with English abstract)

[41]Trabelsi H, Jamei M, Zenzri H, et al. Crack patterns in clayey soils: experiments and modeling[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2012, 36(11): 1410-1433.

[42]刘文化，杨庆，唐小微，等. 干湿循环条件下不同初始干密度土体的力学特性[J]. 水利学报，2014，45(3)：261-268.

Liu Wenhua, Yang Qing, Tang Xiaowei, et al. Mechanical behaviors of soils with different initial dry densities under drying-wetting cycle[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(3): 261-268. (in Chinese with English abstract)

[43]王晓琪. 应力和干湿循环作用下膨胀土土-水特征曲线研究[D]. 重庆：西南大学，2019.

Wang Xiaoqi. Study on Soil-Water Characteristic Curve of Expansive Soil Under the Effect of Stress and Wetting-Drying Cycles[D]. Chongqing: Southwest University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[44]涂义亮，刘新荣，钟祖良，等. 干湿循环下粉质黏土强度及变形特性试验研究[J]. 岩土力学，2017，38(12)：3581-3589.

Tu Yiliang, Liu Xinrong, Zhong Zuliang, et al. Experimental study on strength and deformation characteristics of silty clay during wetting-drying cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(12): 3581-3589. (in Chinese with English abstract)

[45]叶为民，万敏，陈宝，等. 干湿循环条件下高压实膨润土的微观结构特征[J]. 岩土工程学报，2011，33(8)：1173-1177.

Ye Weimin, Wan Min, Chen Bao, et al. Micro-structural behaviors of densely compacted GMZ01 bentonite under drying/wetting cycles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(8): 1173-1177. (in Chinese with English abstract)

Experimental study on crack evolution and strength attenuation of expansive soil under wetting-drying cycles

Wang Shiji1,2, Yang Zhenbei1, Li Xian1, Luo Zhaogang1, Xu Chong1, Li Da1

(1.,,400715,; 2.,408100,)

Expansive soil is characterized by high dilatability and low permeability, particularly sensitive to the change of external environment, due mainly to the fact that this kind of high plastic clay is rich in hydrophilic clay minerals. Crack initiation and expansion often occur, as a result of repeatedly uneven dilatancy and shrinkage of soil after rainfall and evaporation under the exposure of rain and sunshine. The crisscrossing network of cracks has harmed the integrity of soil structure. Infiltration of surface water via crack channels has caused a great threat to the anti-seepage barrier facilities, such as earth or rock dams, river reservoirs, and channels. Especially in the frequent occurrence of the rainy season, the rainwater can easily infiltrate through cracks, resulting in the softening of internal soil and the sharp decline in shear strength. As such, it is very easy to induce instability and collapse of ashallow layer of expansive soil slope, leading to the destruction of irrigation and water conservancy facilities, even aggravation of floods and droughts to the whole ecological environment. Therefore, the soil strength degradation in the cycling load of dry and wet has become an important factor endangering the long-term stability of expansive soil engineering in an extremely seasonal climate. This study aims to reveal the evolution characteristics of expansion and shrinkage cracks in the expansive soil under the wetting-drying cycle, and thereby determine the perturbation of soil structure strength. The wetting-drying cycle tests were carried out on the weak expansive soil sampled from Hefei, Anhui Province, China. The crack parameters were extracted from the crack images of soil samples by image processing technology. The shear strength test was carried out under low stress. The experiment results show that: 1) There were three stages: the gestation, the rapid development, and the stable development of cracks. The growth of the crack index focused mainly on the rapid development of cracks. 2) Under the action of wetting-drying cycles, the variation in the internal friction angle of the expansive soil was less than 2.2°, indicating little influence from the number of wetting-drying cycles. The decrease of soil strength was due mainly to the decrease of cohesive force. The cohesion of expansive soil decreased rapidly at first and then slowly, where the attenuation rate of cohesion during the first four wetting-drying cycles was 50.97%-66.92%. The attenuation rate was also related to the amplitude of wetting-drying cycles. 3) In grey correlation analysis, there were obvious correlations between the attenuation of cohesive force and the crack area ratio, the total length, and the average width of the crack trend. Specifically, the maximum correlation between the crack area ratio and the attenuation of cohesive force was 0.785-0.832 with the weights of 0.461-0.472, indicating a good linear relationship. The minimum correlation between the attenuation of cohesive force and the average width of crack was 0.392-0.414, where the weight was only 0.228-0.240. The findings can provide an insightful theoretical basis to further reveal the catastrophic mechanism of expansive soil slope induced by a drastic change in temperature and humidity.

cracks; shear strength; wetting-drying cycles; expansive soil; grey correlation analysis

汪时机，杨振北，李贤，等. 干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：113-122.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.013 http://www.tcsae.org

Wang Shiji, Yang Zhenbei, Li Xian, et al. Experimental study on crack evolution and strength attenuation of expansive soil under wetting-drying cycles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 113-122. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.013 http://www.tcsae.org

2020-11-17

2021-02-20

国家自然科学基金项目（11972311，11572262）；中央高校基本业务费专项资金（XDJK2018AB003）

汪时机，教授，博士生导师，研究方向为水土力学与工程。Email：shjwang@swu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.013

TU443

A

1002-6819(2021)-05-0113-10