湖南邵阳地区高液限红黏土干缩裂隙演化过程的量化分析

陈爱军，陈俊桦，程 峰，吴 迪

湖南邵阳地区高液限红黏土干缩裂隙演化过程的量化分析

陈爱军，陈俊桦，程 峰，吴 迪

（桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，桂林 541004）

红黏土对环境湿度变化非常敏感，在干燥环境中极易开裂，纵横交错的裂缝网络损害了土壤结构的完整性，很容易诱发红黏土边坡失稳和崩塌，导致农田水利设施的破坏，甚至加剧整个生态环境的水旱灾害。为探究红黏土裂隙的演化规律，该研究采用自制试验装置和三维应变测量系统开展了自然湿热条件下的红黏土泥浆样干燥试验，通过采集土体水分和土表位移、应变和裂隙的变化，定量分析脱湿过程中土体表面裂隙形态和应变场的演变特征，并进一步探讨水分变化对裂隙形态和应变场的影响。结果表明：1）土样表面干缩裂隙的演化一共经历了6个阶段，后阶段裂隙分割前阶段裂隙围成的区域，且不同阶段裂隙的交叉角接近90º；2）裂隙产生初始，裂隙尖端处拉应变约为0.5%，土表面大部分区域处于受拉状态；随着裂隙进一步发展，裂隙周边土体逐渐由拉应变状态向压应变状态转变；当所有裂隙发育完成，裂隙周边土体处于压应变状态；3）裂隙演化阶段与界限含水率有关，当泥浆土样的含水率接近液限时（67.7%），土体表面裂隙开始发育，裂隙迅速张开和延伸；当土的含水率达到塑限时（28.3%），裂隙发展的速率逐渐变缓；当含水率小于缩限时（18.8%），裂隙变化已经很小，裂隙发育接近完成；4）在裂隙演化过程中，早期裂隙的发展持续时间和裂隙宽度均超过后期裂隙；土表不同位置的位移和应变均不相同，土块中心竖向收缩大于边缘竖向收缩，而土块中心位移及应变均小于土块边缘，研究可为红黏土开裂引发的工程地质灾害的预防及治理提供参考。

土壤；水分；裂隙；红黏土；应变场；DIC

0 引 言

红黏土是热带亚热带湿热环境作用下，碳酸盐岩经过物理风化、化学风化、生物风化和红土化作用而形成的一种特殊土，土体主要呈棕红、褐红和黄褐等颜色[1]。红黏土对环境湿度变化非常敏感，在干燥环境中极易开裂，干缩裂缝的产生对土体的强度和稳定性有重要影响，红黏土地基和红黏土边坡工程普遍存在收缩开裂引发的坍塌隐患[2-3]。除此之外，裂缝的宽度﹑深度﹑延伸长度以及裂缝网络的结构形态等参数在很大程度上与土体的渗透性和水力学特性有直接关系。因此，量化红黏土干缩开裂有助于准确剖析红黏土工程病害的形成机理，并对预防红黏土地区的工程地质病害或环境地质问题具有重要工程意义。

红黏土属于典型的黏性土，而黏性土裂隙的形成及发育规律一直是岩土工程领域的研究热点和难点。黏性土开裂源于土中水分的蒸发及由此产生土体的收缩，收缩过程中受边界限制及不均匀收缩的影响，导致土中应力应变场的形成和发展，一旦张拉应力超过土的抗拉强度，土中裂隙便开始形成及扩展[4-5]。由此可见，裂隙在本质上是由于外界（干燥）环境引发土体水分、收缩应变、裂隙间的作用关系而产生和扩展。

水分蒸发是红黏土干裂的前提和诱因。唐朝生[6]和曾浩等[7]对黏性土泥浆样开展一系列干燥试验，发现试样的蒸发速率呈现为3个阶段：常速率、减速率和残余阶段，环境相对湿度对土样的蒸发过程和最终含水率有重要影响，Rodríguez等[8-9]也在试验中得到了相似的结论。黏性土产生裂隙时的含水率为临界含水率（w），曹玲等[10]发现非饱和试样的w均接近土样的初始含水率，饱和试样的w正好对应基质吸力并接近土样进气值；另外，临界含水率与内外部条件有关，研究发现w随土层厚度和温度的增加而增加[11-12]。可见，黏性土水分的变化既受外部环境条件的影响，也与土体本身性质有关。

为了获得黏性土在干燥开裂过程中的收缩变形，学者们开展了相关的室内试验研究，如张宏等[13]以内蒙古地区典型红黏土为研究对象，通过击实制样和烘箱干燥试验，研究红黏土土样在不同击实次数和干燥时间的整体收缩特性，并对其裂缝形态进行了简单描述；Peron等[14]设计了长×宽为295 mm×49 mm，厚度分别为4和12 mm的长条状试样进行干燥收缩试验，采用游标卡尺和图像处理软件获取试样在干燥过程中的纵向应变、横向应变和竖向应变。

裂隙在干燥过程中的演化也引起了学者们的极大关注，如张炳晖等[15]对桂林重塑红黏土裂隙发育特性进行室内干湿循环试验，并结合分形特征对裂隙进行分析；杨振北等[16-17]研究膨胀土在干湿循环作用下裂隙图像的灰度值及其纹理的变化规律和膨胀土的强度特征，并将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；许锡昌等[18]根据裂隙度将裂隙发展分为裂隙产生并快速扩展和基本稳定两阶段，汪为巍等[19]将裂隙发育过程大体分为4个阶段，Li等[20]通过现场试验研究了2种土壤干裂的发生和发展机理，将干燥裂纹的形成分为3个阶段。上述研究针对裂隙发展阶段的划分仅以某个裂隙特征指标为标准，缺乏全面而综合的评价及分析。

开展红黏土裂隙研究必须测量干裂过程中土体裂隙相关参数，而运用数字图像相关技术（Digital Image Correlation，DIC）测量并量化分析裂隙的形成及演化具有高精度、非接触、快速和动态等优点，部分学者已对此开展了初步研究，如Kahn-Jetter 等[21]采用2个固定不动的摄像机同时采集被测试件的散斑图像，然后运用DIC 技术将所采集的两组二维数字图像的相关信息进行分析对比，由2组数据的视差得出了试件的三维位移场；Teng 等[22]自主开发可执行 DIC 技术的土壤变形测量设备，对低分辨率图像不可见的局部变形进行测量，在“微观”尺度以及“宏观”尺度上可视化土壤行为，从而识别其宏观破坏机制；唐朝生课题组[23-24]制作泥浆饱和土样，应用数字图像相关技术识别获取土样在自然干燥条件试样表面的位移场、应变场和裂隙形态，初步分析了裂隙的产生与应变的关系。黏性土在干燥过程中的收缩和变形具有不均匀的特点，常规试验及测量手段无法准确反映其不均匀性，而最新测试技术的应用为解决这一问题指明了方向。

综上所述，虽然学术界对黏性土干裂过程的水分蒸发、收缩应变及裂隙发展已经做了相关研究工作，但针对红黏土干缩裂隙演化规律的研究成果较少，尤其关于红黏土干燥过程中的水分变化、收缩应变与裂隙的相互关系及定量化分析则更少。本文通过开展红黏土的室内干燥试验，运用DIC技术对土体干缩开裂的全过程进行了动态监测，结合土体水分监测和土体表面裂隙识别，量化分析干燥条件下土体水分变化、应变与裂隙发展的相互关系，以期为红黏土开裂引发的工程地质灾害的预防及治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土样

本试验所用土样为湖南邵阳地区地表下2.5～4.0 m深度的红黏土，呈棕黄色，其基本物理性质：相对密度2.72，缩限18.8%，液限67.7%，塑限28.3%，塑性指数39.4%，最优含水率18.5%，最大干密度1.86 g/cm3，黏粒质量分数62.8%。根据颗粒组成及塑性指标判断其属于高液限黏土。

1.2 制样方法

试验土样的制样方法如下：将取回的试样风干土用橡皮锤捣碎并过 2 mm 筛，然后称适量的风干土放入边长200 mm的方形容器中，同时往容器中添加水配置成初始含水率为120%的饱和泥浆。把泥浆充分搅拌，通过振动排除土中气泡，然后静置48 h进行沉淀，最后抽去浆液表面的清水，制备好的试样初始厚度为15 mm。

利用数字图像相关技术采集土体表面信息，而追踪物体表面的散斑图像时，土表面必须具有可识别的表征特性（即散斑）。根据试验土料的特点和对裂隙识别的要求，分别采用石灰粉和煤炭颗粒作为基层料和散斑点，即先在土表均匀撒上一层薄石灰粉，要求遮住土样的本色，然后在石灰粉上面随机撒上煤炭颗粒（粒径0.2～1 mm）以便于获取表面特征。

1.3 试验设备及步骤

本试验采用自行设计的装置（图1），可以实现土样的干燥并获取土样不同时间的质量、土表裂隙形态和土表位移应变信息。

试验主要设备为XTDIC三维变形测量系统（西安新拓三维光测科技有限公司），这个系统是一种光学非接触式三维变形测量系统，它结合DIC与双目立体视觉技术，通过设置种子点，追踪物体表面的散斑图像，以获取土样干燥过程中土表的三维坐标、位移及应变。该系统由2个可调节的高精度相机镜头，1个控制箱和1台高性能的计算机组成。

试样干燥模拟室外日照环境，采用2盏太阳灯照射土样，设计光照强度为600 W/m2。试验室的环境温度为（23±0.5）℃，相对湿度60%±2%。土样放置在电子天平上方，通过天平可获取土样的质量变化，以此计算土体水分蒸发及不同时间的含水率。XTDIC系统的2个镜头和1盏LED灯安装在同一根水平横梁上，用1个可升降的钢支架固定水平横梁。在土样正上方LED灯侧面放置1台相机，拍摄土样照片用于裂隙特征参数的提取。试验开始时，将土样放在电子天平上面并记录土样的初始质量，XTDIC系统和相机同时拍摄土样的初始状态，2盏太阳灯照射土样，然后每隔30 min记录电子天平的读数，XTDIC系统和相机间隔10 min拍摄1次。当电子天平显示相邻2次读数之差小于1 g时，即停止试验。

2 结果与分析

2.1 裂隙的演化过程

本试验共持续了24 h（1 440 min），所有裂隙全部发育完成，图2为经过不同干燥时间的土样照片，其中图2a和图2b为裂隙发展初期的土样，图2c～图2g为裂隙发展中后期的土样局部，图2h为裂隙已稳定的土样。为便于分析裂隙演变过程，不同阶段产生的裂隙用不同颜色表示，数字表示裂隙形成的阶段。

分析图2a和图2b可知，土样第1条裂隙出现在试样左下角，然后从左下往右上呈对角线方向延伸，其形状近似直线，基本把土样分割成大小相等的两部分。由图2b和图2c可知，在第1阶段裂隙（初始裂隙）发展的过程中，第2阶段的数条裂隙在初始裂隙的两侧产生，继续分割土样，其首尾与初始裂隙连接并垂直交叉。结合图2d～图2g可知，第3阶段裂隙产生于第2阶段与第1阶段裂隙围成的区域，第4阶段裂隙产生于第3阶段与第1、第2阶段裂隙围成的区域，以此类推，直至第6个阶段裂隙发育完成。由此可见，土样裂隙的演化经历了6个阶段，后阶段裂隙分割前几个阶段裂隙围成的区域，且后阶段裂隙首尾与前阶段基本垂直交叉。除土样边界范围土块碎裂外，被裂隙分割的土块大部分为四边形，少量土块呈三角形。裂隙产生的时间越早，裂隙发育的越长且其宽度越大。

上述试验结果与林銮等[23]的研究结果类似，但裂隙稳定所需时间不同。文献[23]的试验条件是恒温恒湿（温度（25±0.5）℃，相对湿度（50%+3%））的自然风干，试验历经72 h后裂隙网络已完全稳定。本文试验模拟太阳日照环境，土表温度初期约30 ℃，后期土表温度接近50 ℃，试验经过24 h后，所有裂隙已稳定并不再产生新裂隙，由于土体温度高，土中水分蒸发速度加快，裂隙稳定所需时间也相应缩短。

2.2 土表应变场的演化

众所周知，土体干缩裂隙的产生源于土体干燥失水引起的收缩，当收缩应变达到一定的程度即产生裂隙。图3为裂隙产生过程中不同时间的土样实际照片和土样表面主应变云图，其中正应变为拉应变，负应变为压应变，应变的大小以不同颜色表示。三维应变的计算是在变形前的参考状态中，利用待求点周围的4个点建立4个三角形，然后针对于每一个三角形，根据其变形前后的边长变化获得基于柯西-格林张量的拉格朗日应变，最后取4个三角形的应变平均值作为待求点的应变。

从图3a可知，第1条裂隙从左下角角点开始出现，裂隙尖端处的应变大于0.4%。试验进行到570 min时，第一条主裂隙呈直线向右上角发展，同时在土样边界区域又产生数条裂隙，它们均从边界向土样中心延伸，裂隙尖端处的应变值为0.5%左右，裂隙基本呈直线发展，无裂隙处仍然大部分受拉，仅在左下角裂隙之间的范围存在部分受压区。试验到610 min时，部分裂隙从早期裂隙的某处开始产生并发展，这里的早期裂隙称为母裂隙，从母裂隙发展的裂隙称为子裂隙，子裂隙与母裂隙的交叉角约为90°。裂隙的线形有直线和曲线，每条裂隙发展方向与已成形的早期裂隙呈直角相交。在裂隙的交叉区域出现了明显的压应变，裂隙的其他边界处也存在少量压应变，离裂隙较远区域仍以拉应变为主，裂隙尖端处应变值仍为0.5%。试验750 min后，绝大部分裂隙已稳定不再发展，个别裂隙间距较大区域仍有裂隙形成并发育，每条裂隙首尾与其他裂隙连接，交叉角接近90°，土样表面绝大部分区域受压。

图3a显示，在裂隙出现时，由于土体的不均匀性和外界条件的影响，土样表面的应变场分布不均匀，拉应变区域面积明显大于压应变区域面积，这与文献[23]的研究结果类似。土样经过一段时间的蒸发，土体基质吸力增大引起收缩，进而导致张拉应力产生并增大。张拉应力超过抗拉强度时，土体裂隙开始出现，而裂隙尖端处应力讯速集中，导致裂隙继续延伸。裂隙产生后，裂隙两侧土体垂直裂隙方向背离移动，当裂隙两侧土体移动距离相等时，裂隙呈直线延伸；当一侧土体位移大于另一侧位移时，裂隙延伸向位移较大一侧发生偏转。裂隙两侧土体位移越大，裂隙越宽，释放的应变能越大，裂隙两侧拉应变区逐渐转变为压应变区（图3应变云图的蓝色区），但其影响范围未波及非裂隙周边区域的应变场。当母裂隙产生后，垂直母裂隙方向张拉应力得到降低，而平行母裂隙方向的张拉应力随着水分的蒸发继续增大，当某处张拉应力超过抗拉强度时，该处产生子裂隙且其方向垂直母裂隙。随着裂隙数量的增加，土体的拉应变区域逐渐减少，压应变区域逐渐扩大，裂隙的发展渐趋稳定。

2.3 水分变化与裂隙演化的关系

根据相机拍摄固定时间间隔的照片，然后通过matlab编程对土样裂隙照片进行二值化、形态学处理、中值滤波、骨架提取和毛刺去除，获得裂隙率（裂隙所占面积与干燥前土样表面积之比）及裂隙总长度。另外，试验时通过电子天平读数计算土体含水率随时间的变化，据此得到土样含水率、裂隙率和裂隙长度随时间的变化关系（图4）。

图4b表明裂隙率的变化也可以划分为4个阶段，600 min之前属于裂隙孕育阶段，600～1 000 min期间为裂隙快速发展阶段，裂隙率与时间基本呈线性关系；1 000～1 200 min为裂隙缓慢收敛阶段，裂隙率增速下降并逐渐稳定，1 200 min之后裂隙率基本停止增加。对比图4a和图4b可知，裂隙率的收敛时间在裂隙长度之后，说明当裂隙长度停止增加后，裂隙率的增大来自于裂隙宽度的增加。

许锡昌等[10,18]开展压实土样干燥试验也得到了类似的结论，但文献[18]采用直径为146 mm、高为20 mm的圆饼状试样，且初始含水率低于50%，试验开始时土样先产生整体收缩，然后裂隙才出现；文献[10]的土样较大（29.5 cm×39.5 cm×3 cm），干燥过程中土样没有整体收缩，但由于含水率小于30%，所以试验开始时裂隙就产生了。本文试验采用边长为200 mm、厚度为15 mm方形泥浆土样，由于土样与容器底面的粘结力大于土粒间的收缩应力[7]，所以干燥过程中土样没有整体向心收缩，在含水率达到液限时土体裂隙才出现。因此，笔者认为，临界含水率针对饱和土才有意义，非饱和土的初始含水率即为临界含水率。

2.4 土表变形定量分析

为了定量分析土样表面的变形，选取若干个特征点描述其变形随时间的变化，特征点的位置如图5所示，其中特征点D1和D3为土块中心点，特征点D2和D4为主裂隙边缘点，特征点D5和D6为次级裂隙边缘点，P1、P2和P3分别表示不同阶段裂隙两侧点之间的距离，裂隙两侧点距离的变化相当于相应位置裂隙宽度的变化。P1、P2、P3处裂隙宽度随时间的变化如图6所示。特征点的最大主应变、竖向位移、位移和位移随时间的变化分别见图7～图8。

通过图2的裂隙演化分析可知，P1处的裂隙产生于第1阶段，P2处的裂隙属于第2阶段，P3处的裂隙属于第4阶段。图6表明，P1、P2和P3处裂隙产生时间约为520、560和780 min。裂隙产生后，其宽度随时间呈线性增加，且3个位置裂隙宽度增速相同。P1、P2和P3处裂隙终止时间分别约为1 170、1 100和1 080 min，而P1、 P2和P3处的裂隙最终宽度分别为6.6、5.1和3.3 mm，P1和 P2处裂隙宽度分别是P3处裂隙宽度的200%和155%，P1处裂隙宽度相当于P2处裂隙宽度的129%。由此可知，主裂隙产生最早，裂隙稳定时间最晚，其裂隙发展持续时间最长，裂隙宽度最大；相对于主裂隙，次级裂隙产生的更晚，裂隙发展持续时间更短，裂隙宽度更小。

注：图中P1-P3表示不同阶段裂隙两侧点之间的距离，下同。D1-D6表示裂隙边缘特征点。

由图7可知，土样表面最大主应变发展经历了3个阶段：第1阶段从试验开始至约590 min，表面各点产生了-0.1%～0.3%的主应变，此阶段土样表面以受拉为主，但由于拉应变值小而不至于受拉开裂。第2阶段590～1 070 min期间，各点主应变迅速增加，但不同位置的主应变增速不同，应变绝对值大小顺序为D2、D6、D5、D4、D3、D1，其中主裂隙边缘点D2的主应变绝对值最大（19%），土块中心点D1主应变绝对值（13%）最小，说明土块中心收缩小于土块边缘收缩。第3阶段为1 070 min之后，土样表面各点的主应变渐趋稳定。结合图5和图6分析，第1阶段土体尚未产生裂隙，仅在未期开始出现少量裂隙，第2阶段土体裂隙逐渐形成及发展，第3阶段土体裂隙基本稳定不再明显发展，裂隙的和应变的发展阶段相吻合，说明裂隙的产生及发育缘于应变的变化。

图8a表明，土体表面各点竖向位移变化经历了4个阶段：第1阶段从试验开始到约530 min，竖向位移呈线性增加，但不同位置的竖向位移有所差别，其中D1（土块中心）竖向位移最大（4.5 mm），D4（裂隙边缘）竖向位移最小（3.7 mm），分别为土样厚度（15 mm）的30%和25%，此阶段土样表面没有产生裂隙，但竖向收缩一直持续发展，且不同位置的竖向收缩程度不完全相同。第2阶段530～970 min期间，竖向位移在前60 min增速趋缓，然后继续增大，各点的竖向位移差别越来越大，最大为D1处竖向位移6.8 mm，最小为D4处竖向位移4.8 mm，两者相差2 mm，相当于土样初始厚度的13.3%，此阶段裂隙长度及裂隙率呈线性增加，即裂隙发展的同时，土样继续产生竖向收缩并达到最大值。第3阶段竖向位移不增反减，即土样表面不再下沉而是起拱，其中D1和D2持续到1 190 min，其他4个点持续到1 060 min，此阶段起拱的高度约为0.8～1.3 mm之间。由图4可知，此阶段裂隙长度增加开始变慢并趋于稳定，即裂隙网络大体定型，土样被裂隙分割成大小不同的土块，每个土块继续向中心收缩，导致土块底面与容器面脱离[25]，因此土表产生起拱。第4阶段竖向位移变化较小，其中D1和D2的竖向位移基本稳定，而D3、D4、D5和D6的竖向位移均增加了约0.5 mm。

由图8b和图8c可知，位移和位移的发展均可以划分为相同的3个阶段：第1阶段2个方向位移均很小，因为试验初期裂隙尚未产生；第2阶段裂隙出现后，位移开始随时间线性增加，但点D3、D4、D5的位移在后期增速加大，最后位移又有小幅减小；第3阶段为位移停止发展期。D1和D3点的位移和位移为最小，因为这两点位于裂块的中心；D2和D5的位移较大，D4和D6的位移较大，因为它们均靠近裂隙边缘。其中，位移最大值为D2的3.3 mm，位移的最大值为D6的3.6 mm，根据图2分析结果，D2和D6分别位于第1阶段和第2阶段裂隙边缘，早期产生裂隙宽度较大，其裂隙边缘点的位移也相应较大。

结合图7和图8分析，在泥浆土干燥初期，即裂隙出现前土表仅产生竖向收缩；裂隙产生后，土表位移和应变均随时间有了明显的增加，导致裂隙快速发展；在试验后期，土表位移和应变停止发展，裂隙也基本稳定。林銮等[23]发现土块向中心收缩且收缩中心随时间而变化，本文通过试验数据证实最终的土块中心区域位移及应变均小于土块边缘，但在裂隙发展的不同阶段，土块的形状、大小及其中心的位置也在变化，在裂隙发展前期的土块中心可能在后期产生裂隙，只有最终成形的土块中心位移及应变一直很小。

3 结 论

本文模拟自然湿热环境对红黏土泥浆样进行干燥试验，通过数字图像相关技术获取了土体表面的位移场以及应变场，分别利用电子天平和数码相机记录土体收缩开裂过程中的水分变化及裂隙形态，进而定量分析了土体水分、收缩应变及裂隙的演化特征及相互关系，得到以下结论：

1）泥浆土样裂隙的发展经历了6个阶段，后期裂隙分割早期裂隙围成的区域，且后期裂隙首尾与早期裂隙基本垂直正交。早期裂隙长度和宽度大于后期裂隙的长度及宽度。被裂隙分割的土块形状多为四边形，少数土块呈三角形。

2）土样干燥初期，土样表面应变分布不均匀，但大部分为拉应变区，裂隙尖端处拉应变约为0.5%。干燥中期，次级裂隙分别从土样边界和早期裂隙处产生，在裂隙的交叉区域出现了明显的压应变。干燥后期，每条裂隙首尾均与其他裂隙连接，土样表面绝大部分区域受压。

3）在土样干燥大部分时间，含水率随时间呈线性减少，仅在试验后期含水率逐渐缓慢减少并趋于稳定。裂隙的变化可以划分为4个阶段：裂隙酝酿及缓慢形成阶段，裂隙快速发展阶段，裂隙缓慢收敛阶段和裂隙稳定阶段。土体含水率接近液限时（67.7%）裂隙出现，土体含水率达到塑限时（28.3%）裂隙开始缓慢收敛，含水率小于缩限时（18.8%）裂隙渐趋稳定。

4）在裂隙出现后，其宽度随时间呈线性增加，主裂隙最早产生且持续时间最长，次级裂隙产生较晚且持续时间较短。土样干燥开始即产生土表竖向收缩，但不同位置的竖向收缩不同，土块中心竖向收缩最大并达到6.8 mm，裂隙边缘竖向收缩最小仅为4.8 mm。土表不同位置的主应变及位移随时间增加而增速不同，土块中心主应变及位移均小于土块边缘。

[1] 刘冬，杨果林. 中南地区红粘土工程力学特性研究[J]. 公路交通技术，2009(2)：26-29.

Liu Dong, Yang Guolin. Study on features of engineering mechanics of red clay in south central area of China[J]. Technology of Highway and Transport, 2009(2): 26-29. (in Chinese with English abstract)

[2] 武明，陈正汉，姚志华，等. 云南非饱和红黏土的强度和变形特性研究[J]. 地下空间与工程学报，2013，9(6): 1257-1265.

Wu Ming, Chen Zhenghan, Yao Zhihua, et al. On strength and deformation of Yunnan unsaturated red clay[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(6): 1257-1265. (in Chinese with English abstract)

[3] 张益华，刘剑. 红黏土边坡失稳引起环境工程地质灾害机理的探讨[J]. 湖南水利水电，2009(5)：34-35.

Zhang Yihua, Liu Jian. Discussion on the mechanism of environmental engineering geological disasters caused by red clay slope instability[J]. Hunan Water Conservancy and Hydropower, 2009(5): 34-35. (in Chinese with English abstract)

[4] Stewart R D, Rupp D E, Najm M R A, et al. A unified model for soil shrinkage, subsidence, and cracking[J]. Vadose Zone Journal, 2016, 15(3): 1-12.

[5] 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: 69-77.

[6] 唐朝生，施斌，顾凯. 土中水分的蒸发过程试验研究[J]. 工程地质学报，2011，19(6)：875-881.

Tang Chaosheng, Shi bin, Gu Kai. Experimental investigation on evaporation process of water in soil during drying[J]. Journal of Engineering Geology, 2011, 19(6): 875-881. (in Chinese with English abstract)

[7] 曾浩，唐朝生，刘昌黎，等. 膨胀土干燥过程中收缩应力的测试与分析[J]. 岩土工程学报，2019，41(4)：717-725.

Zeng Hao, Tang Chaosheng, Liu Changli, et al. Measurement and analysis of shrinkage stress of expansive soils during drying process[J]. Chinese Journal of Geotechnical Gngineering, 2019, 41(4): 717-725. (in Chinese with English abstract)

[8] Rodríguez R, Snchez M, Ledesma A, et al. Experimental and numerical analysis of desiccation of a mining waste[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44: 644-658.

[9] Péron H, Herchel T, Laloui L, et al. Fundamentals of desiccation cracking of fine-grained soils: Experimental characterization and mechanisms identification[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2009, 46: 1177-1201.

[10] 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)

[11] Nahlawi H, Kodikara J K. Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2006, 24: 1641-1664.

[12] Tang C S, Cui Y J, Tang A M, et al. Experiment evidence on the temperature dependence of desiccation cracking behavior of clayey soils[J]. Engineering Geology, 2010, 114: 261-266.

[13] 张宏，何灵灵，刘海洋. 呼和浩特地区压实红黏土收缩开裂特性研究[J]. 工程地质学报，2019，27(6)：1311-1319.

Zhang Hong, He Lingling, Liu Haiyang. Research on the shrinkage and cracking characteristics of compacted red clay in Hohhot area[J]. Journal of Engineering Geology, 2019, 27(6): 1311-1319. (in Chinese with English abstract).

[14] Peron H, Hueckel T, Laloui L, et al. Fundamentals of desiccation cracking of fine-grained soils: Experimental characterisation and mechanisms identification[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2009, 46(10): 1177-1201.

[15] 张炳晖，刘磊，刘宝臣，等. 桂林重塑红粘土裂隙发育特性研究[J]. 水力发电，2020，46(8)：109-113.

Zhang Binghui, Liu Lei, Liu Baochen, et al. Study on crack development characteristics of remolded red clay in Guilin[J]. Hydropower, 2020, 46(8): 109-113. (in Chinese with English abstract).

[16] 杨振北，胡东旭，汪时机. 膨胀土胀缩裂隙演化及其扰动规律分析[J]. 农业工程学报，2019，35(17)：169-177.

Yang Zhenbei, Hu Dongxu, Wang Shiji. Evolution law of expansion-shrinkage crack and its disturbance rule of expansive soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 169-177. (in Chinese with English abstract)

[17] 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.

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)

[18] 许锡昌，周伟，陈善雄. 南阳重塑中膨胀土脱湿全过程裂隙开裂特征及影响因素分析[J]. 岩土力学，2015，36(9)：142-148，157.

Xu Xichang, Zhou Wei, Chen Shanxiong. Study of cracking characteristics and influencing factors for remolded Nanyang expansive soil in dehydration process[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(9): 142-148, 157. (in Chinese with English abstract)

[19] 汪为巍，黎伟. 易远. 南阳膨胀土裂隙发育规律研究[J]. 地下空间与工程学报，2015，11(6)：1437-1443.

Wang Weiwei, Li Wei, Yi Yuan. Study on the cracking law of Nanyang expansive soil[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(6): 1437-1443. (in Chinese with English abstract)

[20] Li J H, Zhang L M. Study of desiccation crack initiation and development at ground surface[J]. Engineering Geology, 2011, 123(4): 347-358.

[21] Kahn-Jetter Z L, CHU T C. Three-dimensional displacement measurement using digital image correlation and photogrammic analysis[J]. Experimental Mechanics, 1990, 30: 10- 16.

[22] Teng Y, Stanier S, Gourvenec S M. Synchronised multi-scale image analysis of soiled formations[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, 2017, 17(1): 53-71

[23] 林銮，唐朝生，程青，等. 基于数字图像相关技术的土体干缩开裂过程研究[J]. 岩土工程学报，2019，41(7)：1311-1318.

Lin Luan, Tang Chaosheng, Cheng Qing, et al. Desiccation cracking bebavior of soils based on digital image correlation technique[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(7): 1311-1318. (in Chinese with English abstract)

[24] Wang L L, Tang C S, Shi B, et al. Nucleation and propagation mechanisms of soil desiccation cracks[J]. Engineering Geology, 2018, 238: 27-35.

[25] 杜长城，祝艳波，苗帅升，等. 三趾马红土失水收缩裂缝演化规律研究[J]. 岩土力学，2019，40(8)：3019-3027，3036.

Du Changcheng, Zhu Yanbo, Miao Shuaisheng, et al. The evolution of cracks in the dewatering shrinkage process of hipparion red soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(8): 3019-3027, 3036. (in Chinese with English abstract)

Quantitative analysis of the evolution process of high liquid limit laterite shrinkage fracture in Shaoyang areas of Hunan Province of China

Chen Aijun, Chen Junhua, Cheng Feng, Wu Di

(g,,541004,)

Laterite is a special type of soil in tropical and subtropical humid areas. It is evolved from carbonate rocks to physical, chemical, and biological weathering, as well as laterization with the color of brown-red, maroon and yellowish-brown. Furthermore, laterite is very likely to crack in a dry environment, due to its sensitivity to ambient humidity. The resulting dry shrinkage cracks have posed a great threat to the strength and stability of the soil. Therefore, there is a commonly-hidden danger of collapse from the shrinkage cracking of laterite in slope projects. Most cracking of cohesive soil comes from the evaporation of water in the soil. Boundary constraints and uneven shrinkage can result in the formation and development of a stress-strain field in the soil. Once the tensile exceeds the maximum tensile strength of the soil, the cracks gradually occur and continue to develop during evolution. In this study, a quantitative analysis was performed on the dry shrinkage cracking of red clay in high liquid-limit laterite in Shaoyang area of Hunan Province in China. A drying test was also conducted to explore the evolution and formation mechanism of cracks in the laterite using slurry samples under natural hot-humid conditions. A three-dimensional strain measurement system was adopted to collect the moisture, displacement, strain, and crack of the soil. Then, a quantitative description was made on the evolution characteristics of crack morphology and strain field during dehumidification, thereby investigating the influence of water content on fracture morphology and strain field. The results show that: 1) Six stages were found in the evolution of dry shrinkage cracks on the surface of the soil sample. The cracks were formed in the later stages with the cracking surroundings from the previous stages. Specifically, the intersection angle of fractures was close to 90º in different stages. 2) Most soil was in the tensile state with a nearly 0.5% strain at the crack tip during the initial stage of crack development. The soil around the cracks gradually evolved into a compressive state, as the crack developed. Once all the cracks developed, the soil around the crack was totally in a compressive state. 3) The evolution of cracks was closely related to the limited water content. Specifically, the cracks on the soil surface began to rapidly develop, widen and extend, when the soil water content approached the liquid limit of 67.7%. The developing rate of crack began to slow down when the soil water content reached the plastic limit of 28.3%. Once the soil water content was less than the plastic limit of 18.8%, there was no obvious change of fracture, indicating that the fracture development was nearly completed. 4) The cracking time and width of early fracture exceeded those of later fracture in the process of fracture evolution. The displacement and strain varied at the different parts of the soil surface. The vertical shrinkage at the center of the soil block was greater than that at the edge, but the displacement and strain at the center of the soil block were much less than that at the edge. The finding can offer a great engineering reference to prevent geological diseases or environmental disasters in laterite areas.

soils; water; fracture; laterite; strain field; DIC

陈爱军，陈俊桦，程峰，等. 湖南邵阳地区高液限红黏土干缩裂隙演化过程的量化分析[J]. 农业工程学报，2021，37(20)：146-153.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.016 http://www.tcsae.org

Chen Aijun, Chen Junhua, Cheng Feng, et al. Quantitative analysis of the evolution process of high liquid limit laterite shrinkage fracture in Shaoyang areas of Hunan Province of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 146-153. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.016 http://www.tcsae.org

2021-04-28

2021-10-10

国家自然科学基金地区项目（42067044）；广西自然科学基金（2019GXNSFAA245011）

陈爱军，博士，副教授，研究方向为路基工程及特殊土处治。Email：44420141@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.016

TU 446

A

1002-6819(2021)-20-0146-08