红壤土干缩开裂特性试验研究

2018-07-20中国瑞林工程技术有限公司江西南昌330031

安徽建筑 2018年3期

胡虎（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

1 引言

随着水分流失，土体体积收缩，表面会出现纵横交错的裂隙网格，自然界中存在大量的这种现象。当土壤表面出现裂缝并贯穿时，土体的力学性质大幅改变，从而会引起诱发滑坡、泥石流等地质灾害。如1988～1992年东欧区域出现大片地域的建筑破坏，对地方经济造成重大打击，而其根本原因就在于一段较长时间的干旱致使大范围地基出现干裂，最终地基的承载力下降无法继续维持房子稳定[1]；美国Stockton和Wister大坝由于坝体表面出现大范围干裂诱发管涌而最终导致垮塌[2]。因此，对粘性土的干缩特性开展研究，对粘性土干裂现象能进行预测及破坏效果评估，有利于帮助人们在工程和生活中科学合理地利用土体材料，避免重大事故的发生。

2 试验方案

2.1 材料的选择

本实验中使用的粘土来自江西南昌红壤土，土壤的级配曲线图如图1所示，土体的不均匀系数和曲率系数显示该粘土级配良好。

2.2 样品制备

本试验的重点为红壤土的干缩开裂，因此试验的初始含水率控制为液体极限的1.5倍左右。通过将红壤土与水混合后制成浆料进行干燥实验，观察干燥开裂的基本特征（例如初始、开裂时和最终质量含水率，表面裂纹网络几何参数）。在测试之前，土壤被覆盖12h，以便其有充分与水分混合的能力，使用刮刀手动将土壤放置于内部尺寸为10×10cm的正方体玻璃容器中，为避免土壤粘附至容器内壁上，将粘附住的粘土用刮刀刮至土层中，同时为保证容器的密封，粘合处采用的是双层胶封。按一定质量含水率加入水混合，充分搅拌均匀后静置，几分钟后在土样的顶部形成过量的水层。这样试验的土样制作基本完成。

2.3 试验条件

本次干缩开裂试验在能控制温度和相对湿度的恒温恒湿机中进行，空气由空调系统负责循环，顶部有小孔进行空气扩散。为实现实验的均匀空气流动条件，将恒温恒湿机放置在温度不低于10℃且空气流通的房间内，实验进行中的每日蒸发量根据温度湿度的不同而不一致。

本文主要根据不同层厚、温度、湿度、干湿循环次数等4个因素对红壤土干缩开裂的影响进行试验分析，其中为研究层厚影响，考虑了10、15和20mm5种不同层厚情况；为研究温度影响，考虑了5、20和40℃3种不同温度；为研究湿度影响，考虑了30%、50%和80%3种不同湿度；为研究干湿循环影响，分别将层厚实验中5、10和15mm3种实验结果进行多次干湿循环。将恒温恒湿机按照试验条件设置完毕后，将盛有试样的容器放入其中，定期取出测量其质量变化，直至样品质量在24h前后质量基本不变停止实验。本试验的校准实验为10mm厚红壤土在恒温20℃，恒湿50%的情况下进行，过程中记录数据并拍摄图片。

3 试验结果及分析

3.1 红壤土干缩开裂的形成过程

粘性土发生开裂破坏的根本原因是由于干燥产生的拉应力超过土体中的吸力，而这与干燥过程中水分蒸发、应力变化和土壤收缩之间的关系是分不开的。本节主要介绍了所有开裂实验的观测结果。图3显示的是10mm厚粘土层从表面水分几乎蒸发完毕至开裂完全结束的大致过程，全程时间大概为160h。在如图2所示的样本中，表面被各裂缝分割出一组具有特定尺寸的多边形裂缝单元网络，这些裂缝并不是表面裂缝，如图3所示为在干燥结束时试样的仰视图，顶部表面的所有裂缝均可以在底部找到并一一对应，这意味着表面的所有裂缝为贯穿裂缝，即裂缝从土样表面垂直通到容器底部。

通过对比可以看出，较厚的粘土层比较薄的粘土层裂缝数量少，裂缝分割的单元面积大且裂缝相对较宽。这个结果的解释可以用不同的干燥速度影响开裂过程来解释（例如层越薄，干燥速度越快）。干燥开裂过程在快速干燥中往往更不规则，导致存在更多的分支，从而最终裂缝也会出现的更多。

可以将红壤土干燥开裂的形成过程主要特征归纳为以下几点：①随着干燥进行，裂缝按顺序出现，并按照T形彼此相交；②被裂缝分割的块体单元与层厚有关系，层厚越厚，块体单元越大；③层厚小到一定程度，裂缝交叉的角度从T形慢慢往Y形发展。

图2 裂缝完全发展完毕

图3 底部表面开裂结果

3.2 开裂形成过程中的形貌分析

众所周知，自然界中并不是所有土体在干燥环境下都会产生开裂，比如含砂量相对较高的土体，尽管干燥过程中土体内部仍会产生吸力，但无论含水量如何变化，土体的表面均不会出现裂缝，这说明开裂的形成过程与土质条件密切相关。

部分土体干燥之所以容易产生开裂，主要与其中含有黏土矿物及其亲水性强到一定程度相关。在高含水量条件下，黏土颗粒外围包括一层较厚的水化膜，颗粒间距较大，在干燥过程中，水分逐渐被蒸发，水化膜逐渐变薄，在吸力作用下土颗粒重新排列，颗粒间距变短，孔隙不断变小，在宏观的表现上即是土体收缩变形，许多研究表明，土体的收缩性随黏粒含量尤其是蒙脱石含量的增加而显著增强。由于边界效应作用导致裂缝表面的第一条裂缝会出现在靠近边界内壁的部分，然后逐渐像土体中部发展，速度比较缓慢，当表面的主裂缝发展完毕后，裂缝的数量和裂缝的宽度均快速增加。

可以将裂缝出现和发展的过程可以分为3个不同的阶段：初始阶段，发展阶段和稳定阶段。

①初始阶段：随着含水量降低，土壤表面，裂缝在初始阶段发展缓慢，这个阶段，土样水分主要从表面蒸发，少数裂缝出现，其位置由于边界效应的存在几乎可以预见出现在靠近边界的附近，而室外的天然土壤最先出现的位置可能由土壤的各向异性决定随机出现。

②发展阶段：在土体表面出现一些裂缝之后，除垂直方向上的表面水分蒸发外，土壤水分还会从裂缝间隙中蒸发掉，裂缝扩展进入发展阶段。在这个阶段，随着含水量的持续下降，裂缝发展很快，在这个阶段形成的裂缝称为主裂缝，这些裂缝一般会形成一个网络，而裂缝分支即二次裂缝发育最有可能出现在现有裂缝的末端和交点处。

③稳定阶段：土壤和外界环境的水分交换基于水汽相对梯度进行，当外界环境的相对湿度与土壤中的相对湿度相等时，水汽相对梯度为零，土壤与大气之间的水分交换停止。随着干燥的继续进行，土体和裂缝的蒸发速率变小，裂缝发展减缓，达到稳定状态，但是这种稳定状态只是相对，指的是表面裂缝发展非常缓慢，而裂缝的发展受到土壤深层水分传导的影响，需要较长时间才能达到稳定状态。