剑麻纤维复合黏性土裂隙发育特征及其机理研究

喻永祥 ，闵望 ，宋京雷 ，郝社锋，蒋波，刘瑾，卜凡

（1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；2.自然资源部国土（耕地）生态监测与修复工程技术创新中心，江苏 南京 210018；3.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

黏性土作为自然界中常见的一种土体而广泛分布于世界各地。近年来，由于人类活动对自然界的影响，导致世界范围内如干旱、洪水、飓风等极端灾害频发。其中，在干旱的气候条件下，黏性土体由于内部水分流失而产生干缩开裂，裂隙从局部发育至整体，进而导致其整体结构、稳定性遭到破坏（唐朝生等，2012，2018；刘平等，2015；骆赵刚等，2020）。与此同时，黏性土表面及内部裂隙的存在，将为水分的运移提供“快速通道”，尤其是在降雨条件下，极易发生水土流失，进而诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害（姚海林等，2002；袁俊平和殷宗泽，2004；习羽等，2017；戚赏等，2020）。面临未来居高不下的极端干旱气候，黏性土干缩开裂的问题也将愈发严重。因此，这一灾害现象也成为了近年来地质工程领域的研究人员密切关注的一大热点。

目前，国内外研究人员针对黏性土体干缩开裂的研究已有较大的进展。如探究不同试验条件（温度、土体厚度、黏粒含量、干湿循环）、试样尺寸效应以及边界效应等因素，对于黏性土干燥收缩过程中裂隙发育的影响（Tang et al.,2010；袁权等，2016；曾浩等，2019），且将研究角度逐渐从二维的土体表面裂隙发育延伸至三维空间，由此极大地提升了人们对于土体干缩、裂隙发育及发展的机理认知（徐其良等，2018）。对于开裂机理，Morris et al.（1993）根据土体干缩产生龟裂的行为，针对基质吸力，开展了二者之间相互作用关系的理论研究；刘昌黎等（2018）归纳总结了土体龟裂的力学机理及相关理论模型的研究进展，对土体开裂有了进一步的认识。基于上述研究，笔者认为下一步需要对黏性土进行针对性地改良，从而减少其干缩裂隙的发育。传统的黏性土改良技术，如添加水泥、石灰、土凝岩等（曾智等，2014；廖一蕾等，2016），虽然对其整体强度、结构稳定性都有显著的提升，能够达到制约其干缩开裂的目的，但是也影响了改良后土体表面植被的生长，以及在水泥的生产过程中会产生粉尘、二氧化碳，从而造成环境污染，不符合生态修复的标准（Najim et al.,2014;Caravaca et al.,2017;El-Attar.,2017）。因此，需要探究一种既能制约黏土体裂隙发育，且不会对环境造成破坏的新型黏性土改良方法。

针对上述问题，本文选择天然的剑麻纤维，通过变化其含量，对黏性土进行改良。研究开展了一系列的室内干燥、干湿循环试验，记录试验过程中试样裂隙产生及发育的情况，最后结合数字图像处理技术（PCAS），对土体表层裂隙网络的几何形态进行了定量分析，进而探究剑麻纤维对黏性土裂隙发育的影响机理。相关成果对实际工程中黏性土的改良具有一定的参考意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次室内干燥试验所采用的黏性土取自南京某地区下蜀土。土体呈黄褐色，干燥、粉碎后过2 mm的筛。其天然含水率为20～27%，比重为2.72，塑限与液限分别为22%与36.6%，塑性指数为14.6。

试验中所采用的剑麻纤维，是一种表面粗糙、弹性好、抗拉强度高的天然经济材料。其抗断裂强度约为450～700 MPa，杨氏模量约为3～7 GPa。本研究中的纤维含量定义为纤维与干黏土的质量比值，计算公式如下：

式（1）中：Cf为剑麻纤维的含量，%；Mf为剑麻纤维的质量，g；Ms为干黏土的质量，g。

1.2 试样制备

试验选择规格为16 cm×16 cm×6 cm的塑料方盒作为盛放土样的容器，利用玻璃胶将规格为60目的砂纸粘于容器底部，以较为准确地模拟自然条件下摩擦效应对土体干缩开裂的影响，并在容器四壁均匀地涂上凡士林，以减少边界摩擦力造成的误差，每份试样所用土体质量为800 g，且设定试样的初始含水率（Iw）为60%，计算公式如下：

式（2）中：Iw为试样的初始含水率，%；Mw为所添加水的质量，g；Ms为干黏土的质量，g。

在制备试样时，将水-土-纤维混合物翻拌均匀后倒入容器中，机械振动3～5 min，使得含水土样与容器内壁紧密接触，同时排除试样内部的气泡。完成上述操作后，将试样静置24 h，待其完全均匀，抽取表层多余清液，并计算每份试样的最终含水率（Fw）。

本次试验以剑麻纤维含量（Cf）为变量，并与无添加的试样进行比较，共进行4组试验，每组设置3个平行试样，具体试样参数如表1所示。

表1 试样主要参数

1.3 试验方法

研究采用干湿循环法进行试验。首先，抽取试样表面多余水分后，将其置于20 ℃的恒温箱进行干燥，并且按时对各组试样进行称重、拍照，至每两次读数之差小于1 g时，试样称重结束，记为一次干燥过程结束。与此同时，向干燥完毕的试样中添加质量为初始含水量的50%的水，添加完毕标志为一次干湿循环结束。重复上述方法，进行第二次、第三次干湿循环试验。最后，结合PCAS技术，对试样的裂隙发育情况进行定量分析（刘春等，2008）。

2 试验结果

2.1 纤维含量对黏性土干缩开裂的影响

一般地，土体在干缩开裂的过程中，一定区域范围内会产生一条“较为宽大的裂隙”，而后随着土体自身含水率的降低，该裂隙周围则会衍生出一些“细小的裂隙”。本文将上述“较为宽大的裂隙”与“细小的裂隙”分别定义为主裂隙与新生裂隙。

不同剑麻纤维含量的黏性土第一次干湿循环的开裂过程如图1所示。由于试验组数，以及试验过程中所摄图片较多，故只选择各组中的特征图片进行展示。从图中可以看出，不同纤维含量的黏性土，其初始状态基本一致，且在记录时段内，均于48 h左右产生第一条裂隙。然而，随着蒸发试验的进行，各组试样便体现出不同的开裂形态。无剑麻纤维添加的试样，明显地存在着一条主裂隙，随着试样含水率的降低，该裂隙呈逆时针方向不断发育，直至约56 h裂隙闭合，停止延伸，此时主裂隙周围逐渐产生新生裂隙，试样整体呈现为主裂隙不断拓宽、新生裂隙不断涌现。含有0.1%纤维含量的试样，其干缩开裂的过程与无剑麻纤维添加的试样基本一致，与后者不同的是，前者达到稳定状态时，表面的破碎程度更高，即除主裂隙外，产生了更多的新生裂隙，随着使用试样中剑麻纤维含量的不断增加，这一现象也愈发明显，这是因为剑麻纤维贯穿于土体内部，在一定程度上“破坏”了试样的致密性，然而这种“破坏”却能更好地提升黏土试样的整体稳定性。

图1 不同剑麻纤维含量的黏性土第一次干湿循环开裂过程

表2与图2为采用PCAS技术计算、统计得到的不同剑麻纤维含量试样的各项裂隙参数，其中分形维数被定义为度量物体或分形体复杂程度与不规则性的最主要参数，即分形维数越大，其表面的复杂程度与不规则性越高。通过分析表2可知，随着试样中所添加剑麻纤维含量的增加，试样的最大、平均裂隙宽度，最大、平均裂隙长度，以及所形成的最大、平均区块面积均呈现出递减趋势。对比纤维含量为0与0.6%的试样发现，上述各项参数分别降低了45.27%、75.85%、33.65%、50.62%、87.48%、78.48%。表明纤维含量的提升，能够在一定程度上限制裂隙的发育。分析图2可知，随着试样中纤维含量的不断增加，其分形维数逐渐变大，说明试样表面的破碎程度高，这与图1中“稳定状态”所示结果相一致，即由于剑麻纤维的存在，使得试样“更加容易”产生裂隙。然而，通过分析表2所统计的裂隙相关参数，不难发现随着纤维含量的增加，土体表面虽然有较多的裂隙产生，但均是一些细短，纵深较浅，且未延伸至底部的裂隙，此类裂隙将不会对土体本身稳定性产生特别大的影响，并且在实际工程中随着雨水的冲刷还将出现一定程度的“裂隙愈合”现象。

表2 不同剑麻纤维含量试样裂隙参数统计表

2.2 干湿循环对与不同纤维含量黏性土干缩开裂的影响

上述分析表明，虽然纤维含量越高的试样，其干燥完成后表面裂隙发育越复杂，破碎程度越高，但此时所产生的裂隙大多浮于土体表面，且均为浅而细小的形态。不同纤维含量的试样第2次与第3次的干湿循环过程如图3所示。可以明显地看出，刚加入水时，纤维含量为0的试样，其裂隙仅产生了一定程度的“愈合”，且随着试样中纤维含量的增加，“裂隙愈合”的效果则越明显。与此同时，结合图1与图3中各试样的稳定状态可知，较低纤维含量的试样（纤维含量=0、0.1%）的裂隙非但不能“愈合”，反而还因加入水后出产生了更多的新生裂隙，并且各区块也因遇水呈现出“崩解”状态。然而，较高纤维含量的试样（纤维含量=0.3%、0.6%）在干湿循环后虽然也有新生裂隙的产生，但由于原有裂隙的“愈合”以及土体内部大量剑麻纤维的桥接效应，呈现出逐渐稳定的状态（图4）。通过PCAS技术计算得到纤维含量为0.6%的试样在三次干湿循环结束后，其表面分形维数统计也可对上述结论进行印证（图5）。

图3 不同剑麻纤维含量的试样第二次与第三次干湿循环过程图

图4 剑麻纤维含量为0.6%的试样三次干湿循环完成后表面裂隙网络

图5 剑麻纤维含量为0.6%的试样三次干湿循环完成后分形维数统计图

3 机理分析

与砂土颗粒相同，黏性土颗粒的表面附着着一层极薄的水化膜结构，即土颗粒之间并非直接接触，微观层面表现为颗粒之间存在着一定的间隔。当黏性土发生干燥失水时，表面的自由水被蒸发完毕后，土体内部的水分，即土颗粒之间的结合水运移至表面对蒸发作用进行“补偿”。此时，土颗粒之间的间隔因水分流失而不断收缩，进而在内部形成了张、拉应力场。当土体内部某处的应力场逐渐增大并超过土体本身抗拉强度时，便会引发拉裂破坏，形成裂缝（唐朝生等，2018；罗茂泉等，2018）。

通过对试验结果的分析可知，随着黏性土试样内部水分的不断流失，土颗粒之间产生失水收缩，宏观表现为试样表面随机产生了若干道主裂隙，并且在主裂隙不断延伸、拓宽的同时，其边缘也将进一步产生大量的新生裂隙。与此同时，随着蒸发作用的持续进行，试样内部的含水率逐渐降低。当含水率接近于零时，蒸发作用停止，试样此时的状态可近似地看作为“失水完全的海绵”，整体结构相对稳定。然而通过不断地进行干湿循环试验，试样在复湿的过程中持续吸收水分，土颗粒之间再次充满结合水膜。当试样再次发生失水收缩时，除对已生成的裂隙造成二次破坏外，原先未被破坏的区域也会随机地生成裂隙。此外，随着干湿循环次数的增加，试样的整体稳定性逐渐减弱，宏观表现为土块不断地产生“溶解”、“崩塌”等现象。

针对这一现象，本研究采用添加剑麻纤维对黏性土进行复合改良。与混凝土中添加钢筋的效果相似，当黏性土体因失水而产生干缩、开裂时，存在于其内部的剑麻纤维便起到“桥接”的作用。通过纤维与土颗粒之间产生的摩擦力，一定程度上抵消了部分因土颗粒间水分散失而产生的拉应力，从而衔接了土体开裂产生的断口，并达到削减裂隙纵向发育，以及裂隙持续延伸的目的（图6）。同时，在对试样进行干湿循环试验的过程中，由于剑麻纤维在土体内部编织而成的网状结构，通过“桥接作用”极大地限制了裂隙的纵、横向发育。因此试样在复湿的过程中，反而使得土体表面的裂隙能够被不断地“愈合”，表明其整体稳定性获得了进一步的提升。此外，当试样中所添加的剑麻纤维含量越高，上述效果越明显。

图6 剑麻纤维改良黏性土机理示意图

4 结论

本文通过添加不同含量的剑麻纤维对黏性土进行改良，并开展一系列干燥、干湿循环试验，对其干缩开裂后的裂隙的发育及裂隙网络的形态特征进行研究，得出以下结论：

（1）在本次研究所设定的环境条件下，随着试样中所添加剑麻纤维含量的增加，试样的最大、平均裂隙宽度，最大、平均裂隙长度，以及所形成的最大、平均区块面积均呈现出递减趋势。对比纤维含量为0与0.6%的试样发现，上述各项参数分别降低了45.27%、75.85%、33.65%、50.62%、87.48%、78.48%，表明纤维含量的提升，能够在一定程度上限制裂隙的发育。

（2）在本次研究所设定的环境条件下，试样中所添加的剑麻纤维含量越高，其分形维数越大，即试样表面破碎程度越高，但所形成的裂隙大多细短，且纵深较小。经过反复的干湿循环试验，此类细小裂隙的“愈合”效果较深大裂隙更好，表明添加剑麻纤维的含量与土体整体稳定性的提升呈正相关的关系。