黏土失水开裂演化过程的影响试验

谢建宝， 姚亚辉， 龚绪龙， 张卫强

(1. 江苏省地质工程有限公司，江苏南京210018； 2. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京210018； 3. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051； 4. 江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)



黏土失水开裂演化过程的影响试验

谢建宝1，2， 姚亚辉3， 龚绪龙2，4， 张卫强2

(1. 江苏省地质工程有限公司，江苏南京210018； 2. 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京210018； 3. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051； 4. 江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)

摘要：裂隙性为黏土的主要特性之一。探讨黏土的开裂规律，对于分析地裂缝成因机理，开展预测研究具有重要的理论意义和工程价值。通过室内试验，研究了黏土干燥收缩过程中含水率的变化规律。分别制备不同厚度、宽度、含砂量的试样，获得不同条件下黏土失水过程含水率的变化规律。在试验所设定的条件下，土体开裂时的含水率很接近，平均约为33.48%；当样品宽度不变时，土层越厚，含水率变化速率越小；当样品厚度相同时，宽度不同，含水率变化速率几乎相同；当厚度、宽度都相同时，含水率变化速率随含砂量的增大而减小。对于同一样品，土体厚度越大，样品裂隙率越小；土体厚度相同时，样品的裂隙率随着样品宽度的增大先减小后增大，且样品的开裂周期与样品的裂隙率同步变化。

关键词：黏土；含水率；失水；开裂；江苏常州

0引言

裂隙性黏土是在自然地质的形成过程中产生的一种多裂隙且具有显著胀缩性的地质体，其主要成分是强亲水性的矿物蒙脱石、伊利石及其混层黏土矿物。在干旱的气候条件下，土体干缩失水，到达一定程度后，土体表面和内部就会发育大量纵横交错的干缩裂隙，在黏粒含量较高的膨胀土中，这种现象尤其普遍和典型。黏土干缩裂缝是自然界中常见的现象，它不仅破坏土体的整体性，而且也为降雨入渗提供了良好的通道，从而降低土体强度，是影响黏土工程性质的重要因素。工程中干缩裂缝的发育直接影响土体的强度和稳定性，进而会缩短工程的服务年限，甚至直接威胁人的生命安全，造成不可估量的后果(姚海林等，2001；孔令伟等，2007；殷宗泽等，2012)；裂隙还会增加土体的风化深度，加重坡面水土流失，破坏生态环境(唐朝生等，2012)。由此可见，土体干缩裂隙在边坡稳定性(殷宗泽等，2010，2011，2012)、地基承载力(孔德坊，1994；刘特洪，1997；Morrisetal., 1992)、堤坝稳定性(王延贵，2003)、地裂缝形成(汪丽，2006)、土壤肥力(黄树辉等，2004a，2004b；裴银鸽等，2012;Bandyopadbyayetal.， 2003)等许多领域内都有极其重要的影响。沈珠江等(2004)和邓刚等(2006)采用非饱和简化固结理论，在对饱和土的有限元程序进行相应修改的基础上，对黏土体干湿过程中表面裂缝的形成过程进行了数值模拟。

地裂缝作为苏锡常地区的一种地质灾害，对该地区的发展造成了严重危害。研究黏土开裂的基本规律和裂隙分布状况，并提出相应的防治对策，对解决工程中土体开裂问题具有重要意义。针对土体失水作用过程中表面裂缝的发育规律，通过室内土工试验等分析手段，从土体的外形尺寸和含砂量两方面进行研究，探讨土体失水作用过程中土体含水率的变化规律，对苏锡常地区地裂缝的形成机制进行研究。

1土体失水开裂试验

试验采用的土样为江苏常州地区的地表黏土，呈土黄色，取样深度约1m。样品制备：土样取回室内后，进行机械粉碎，将粒径>1cm的土块粉碎；在105 ℃条件下，在烘箱内干燥24h，使土样的初始含水量为0。通过筛分筛选出粒径<2mm的土样，留作试验样品。由于主要研究裂缝表面形态的演化特征，所以采用材质较硬的钢化玻璃作为黏土干缩试验容器的基底，玻璃模型几何外形分5种类型，长均为30cm，高均为10cm，宽分别为3、5、10、15、20cm5种。称量仪器采用精密电子称，精度0. 01g。表1为土样的基本物理性质指标。

表1　土样的基本物理性质指标

黏土的矿物组成与黏土物理力学性质密切相关。X射线衍射(图1)和X射线荧光(表2)分析结果表明，黏土样中黏土矿物质量分数较高是黏土与水作用明显的原因，随着含水量的变化，黏土的体积会发生显著变化，因此宏观上土体会产生明显的变形现象。

图1　试验黏土XRD光谱图Fig.1　XRD spectrogram of the test clays

样品质量分数/%Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOCO210.501.4116.6161.958.531.179.0520.501.4216.6962.048.591.178.80

根据土体厚度不同共进行5组试验，第1至第5组土样厚度h分别为2.6、5.2、20、65、70mm。每组试验依据玻璃模型宽度不同分为5份样品，1—5号样品玻璃模型宽度d分别为3、5、10、15、20cm。为研究含砂量对黏土开裂的影响，选取含砂量分别为0、50、100、150g进行试验。试验过程中烘箱温度控制在65 ℃，定时对试样进行拍照、称量，观察土体干燥过程中裂缝的演化过程。当裂缝出现时缩短称量、拍照的时间间隔，增加称量、拍照次数。实验装置如图2所示。

图2　试验装置Fig.2　Experimental equipments (a) group 1; (b) group 2; (c) group 3; (d) group 4; (e) group 5

2黏土失水作用过程中含水率变化规律

含水率的大小是影响黏土体干缩开裂的关键因素，试验过程中定时测量每个样品的质量，以统计样品的含水率，其计算方法如下。

(1)

式(1)中，ω为含水率，m0为土体干质量，mi为土体测试时的质量。

表3为土体开裂时样品的含水率统计表。结果显示，土层的厚度、容器的宽度对土样开裂时的含水率均没有直接关系。在试验所设定的条件下，土体开裂时的含水率基本一致，约为33.48%。

表3　土体开裂时样品的含水率

图3是样品宽度d分别为3、5、10cm时不同厚度含水率变化曲线。图4为不同宽度含水率下降速率与土层厚度关系曲线。研究发现，当宽度不变时，土层越厚，含水率变化速率越小。

图5—7是样品厚度h为2.6、5.2、20mm时样品含水率随时间的变化曲线。当厚度相同时，宽度不同，含水率变化速率几乎相同，表4所示为同一厚度下，不同宽度的样品含水率下降速率。由此可知，当土样厚度相同时，不同宽度的样品含水率下降速率几乎相同，并且随着厚度的增加，同一样品含水率下降速率逐渐减小。

图8所示是厚度h=70mm、宽度d=20cm、含砂量不同时含水率随时间的变化曲线。由图8可知，含砂量为0g的样品含水率下降速率最大，含砂量为150g的样品含水率下降速率最小。表5为不同含砂量样品含水率下降速率。由此可知，当厚度、宽度都相同时，含水率变化速率随含砂量的增大而减小。

3黏土失水作用过程中裂隙率变化规律

采用裂隙率来描述裂隙的总体分布特征，即使用MATLAB的图形图像像素统计功能，将土样开裂和未开裂的部分,分别转换成图形图像处理中所需要的像素，白色像素点代表试样未开裂的部分，黑色像素点代表试样开裂的部分，分别统计白色和黑色像素点数。黏土试样的最终裂隙率即为黑色像素点数与总像素点数的百分比，如下式所示。

(2)

图3　不同厚度含水率随时间变化曲线Fig.3　Variation curves of moisture content with time for samples with different thickness(a) d=3 cm; (b) d=5 cm; (c) d=10 cm

式(2)中，ε为裂隙率；Ai为第i条裂隙所占的面积；A为统计试样面积；nh为黑色像素点数，即试样中裂隙部分面积；nb为白色像素点数，即试样中未开裂部分面积；n为总像素点数，即试样的总面积。由

图4　不同宽度含水率下降速率与土层厚度关系曲线Fig.4　Relationship of moisture content declining rate with soil thickness for samples with different widths

图5　样品含水率-时间函数曲线(土层厚度h=2.6 mm)Fig.5　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=2.6 mm)

裂隙率的定义可以看出，统计的裂隙率只考虑裂隙的平面形态，对其深度没有研究，主要是目前的技术对裂隙深度的演化还不能进行有效的、精确的定量统计，但所采用的裂隙率可以很好地表征裂隙特征对土体性能的影响。因此，选取上述方式所得到的裂隙率代表裂隙的综合指标。图9为采用MATLAB软件对图像进行处理得到的灰度图像。

图6　样品含水率-时间函数曲线(土层厚度h=5.2 mm)Fig.6　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=5.2 mm)

表6为同一宽度下，不同厚度的样品裂隙率大小的对比表。对于同一样品，土体厚度越大，样品裂隙率越小。表6直观地反映了裂隙率随样品厚度的变化规律，开裂过程中裂隙率由大到小依次为：h=2.6mm>h=5.2mm>h=20mm> h=65mm。开裂周期由小到大为h=2.6mm

图7　样品含水率-时间函数曲线(土层厚度h=20 mm)Fig.7　Function curves of moisture content and time for the samples(soil thickness h=20 mm)

样品编号含水率下降速率k12345h=2.6mm-1.46-0.97-1.23-0.89-1.28h=5.2mm-2.45-2.01-1.87-1.98-2.21h=20mm-7.10-7.02-6.96-7.54-7.37h=65mm-12.70-12.92-11.67-13.45-12.89h=70mm-13.00-12.78-12.93-13.17-12.39

图8　不同含砂量样品含水率-时间函数曲线Fig.8　Function curves of moisture content and time for samples with different sand contents

含砂量/g050100150含水率下降速率k-1.11-0.84-0.52-0.47

图9　MATLAB图像处理Fig.9　Image processing by MATLAB(a) before processing; (b) after processing

表7为同一厚度下，不同宽度的样品裂隙率大小的对比表。表7显示，土体厚度相同时，样品的裂隙率随宽度的增大先减小后增大，且开裂周期与裂隙率同步变化。当样品宽度<5～10cm时，样品的裂隙率、开裂周期随着宽度的增大而减小；当样品宽度>5～10cm时，样品的裂隙率、开裂周期随着宽度的增大而增大。

表6　同一宽度下不同厚度的样品裂隙率大小比较

表7　同一厚度下不同宽度的样品裂隙率大小比较

4结论

黏土干缩裂缝的形成和发展会对土体的强度、稳定性和渗透性等产生影响，其影响范围广泛分布于土壤学、农业、工程地质和环境保护等学科。通过室内模拟试验，研究黏土干缩裂缝的形成和发展过程中土体宽度、厚度、含砂量3个因素对土体含水率变化的影响规律。

(1) 在试验所设定的所有条件下，土体开裂时的含水率非常接近，平均约为33.5%。

(2) 当样品宽度不变时，土层越厚，含水率变化速率越小；当样品厚度相同时，宽度不同，含水率变化速率几乎相同。

(3) 当厚度、宽度都相同时，含水率变化速率随含砂量的增大而减小。

(4) 对于同一样品，土体厚度越大，样品裂隙率越小；土体厚度相同时，样品的裂隙率随着样品宽度的增大先减小后增大，且样品的开裂周期与裂隙率同步变化。当样品宽度<5～10cm时，样品的裂隙率、开裂周期随着样品宽度的增大而减小；当宽度>5～10cm时，样品的裂隙率、开裂周期随着样品宽度的增大而增大。

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Experimental study on the influence factors of evolution process of clay dehydration cracking

XIE Jianbao1,2, YAO Yahui3, Gong Xulong2,4, ZHANG Weiqiang2

(1.JiangsuGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Nanjing210018,Jiangsu,China; 2.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources,Nanjing210018,Jiangsu,China; 3.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,CGS,Baoding071051,Hebei,China; 4.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)

Abstract：Fissure is one of the main characteristics of clay. Clarifying the cracking rules of the clay is of important theoretical significance and engineering value to illuminate the genetic mechanisms of ground fissure and conduct prediction research. This work studied the variations of water content during the clay drying shrinkage based on indoor experiments. Samples with different thicknesses, widths and sand contents were prepared, respectively, and the variations of water content during clay dehydration process under varying conditions were obtained. Under the condition of the experiment, the water content of all clay is about 33.48% when the clay began to crack. With the same sample width, the thicker the soil is, the smaller the variation rate of water content is. When the samples have the same thickness, the variation rate of water content hardly changes with the sample width. When the sample thickness and width are the same, the change rate of water content is inversely proportional to the amount of sand. For the same soil sample, the greater the thickness is, the smaller the fissure rate is. With the same sample thickness, the sample fissure rate first decreases and then increases with the increasing sample width, and the cracking cycle changes synchronously with the fissure rate.

Keywords：clay; water content; water loss; cracking; Changzhou in Jiangsu Province

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.346

收稿日期：2015-01-12；修回日期：2015-11-02；编辑：蒋艳

基金项目：国土资源部行业科研专项“苏南平原区地裂缝成因机制及预警研究”(201411096)

作者简介：谢建宝(1968—)，男，高级工程师，主要从事工程地质勘察与研究工作,E-mail： xiejianbao@163.com

中图分类号：P694; TU411.2

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)02-0346-06