控制高径比条件下崩岗土体的收缩开裂特性

王佳妮，张晓明，丁树文，王 谦，聂道祥

控制高径比条件下崩岗土体的收缩开裂特性

王佳妮，张晓明※，丁树文，王 谦，聂道祥

（华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

崩岗土体的收缩开裂受到多种因素的影响。该研究为研究高径比对其影响，共设计10组高径比，通过定点拍照记录脱湿前与脱湿结束时的土体形态变化，结合数字图像处理技术进行定量分析，探讨在控制高径比条件下崩岗土体的收缩开裂规律。结果表明：1）崩岗4层土中，过渡层的裂隙性、径向收缩性能最强，砂土层最弱，两者之间的较大差异会严重破坏崩岗土体的稳定性与承载力，促使崩壁崩塌；2）高径比较小的试样裂隙发育明显，径向收缩不明显；高径比较大的试样无裂隙发育，径向收缩显著。其中，4层土由干缩开裂土样过渡至径向收缩土样的高径比具体临界值分别位于：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147；3）当高径比相同时，即使高度、直径不一致，但其各裂隙参数、径向收缩率具备相似性，轴向收缩率随厚度的增加而增加；4)随高径比的增加，收缩含水率逐渐增大，开裂含水率逐渐减小，两者之间的差值可以表示脱湿过程中土体产生抗拉强度的大小。收缩开裂裂隙度、宽径比、径向收缩率随高径比的增加整体呈现增大的趋势，其余参数均呈现减小的趋势。其中，4层土中，过渡层的收缩开裂特性受高径比影响最显著，砂土层受影响程度最小。研究结果可为揭示崩岗崩塌机理提供科学依据。

裂隙；收缩；定量分析；崩岗；高径比

0 引 言

崩岗土体由于具有亲水性黏土矿物高岭石与水云母，使其在水分蒸发过程中会产生明显的收缩变形、裂隙发育现象。收缩变形一方面会造成土体不均匀沉降，破坏土体稳定性，另一方面也会促进裂隙的发育[1-5]。裂隙的存在会破坏土体的承载力、抗剪强度、整体结构性。降雨时上部土体吸水重力增加，当重力超过下部土体的承载力时，崩壁发生崩塌[6]。崩塌的发生会威胁当地人民的生命财产安全，毁坏土地资源与水利设施等[7-8]。

国内外对土体收缩开裂特性的研究多集中于膨胀土，且对收缩性与裂隙性分别单独进行研究，但自然条件下收缩变形、裂隙发育是同时发生的，因此有必要对两者同时进行研究分析。以往研究重点集中于收缩机理、裂隙发育机理、影响因素三方面。对于收缩机理的研究，唐朝生等[9]提出基质吸力的产生是收缩变形的主要力学因素，而曾浩等[10]认为基质吸力只是收缩变形的诱因，两者之间并不是一对一的关系，并提出了收缩应力的概念。对于裂隙发育机理的研究，Rayhani等[11]、Peron 等[12]认为裂隙的产生实质上是脱湿过程中土体内部受力变化作用的产物，唐朝生等[13]进一步提出控制裂隙产生的两个关键力学因素是基质吸力与抗拉强度。对于影响因素的研究，包括土体结构[14-17]（黏粒含量、初始含水率、干密度、矿物含量）、环境因素[18-23]（干湿循环、温度、湿度）、边界约束[24-25]（界面粗糙度、边界约束）、尺寸条件[26-29]（厚度、长度、表面积）等。基于尺寸条件，骆赵刚等[26]在研究厚度影响时，提出土样厚度与表面积的比值对裂隙的发育也存在影响，本文将针对土样高径比进行具体试验研究。

由于崩岗土体是在自然地质演变过程中形成的具有明显分层性的特殊土质，根据以往研究，众多学者将崩岗自上而下划分为表土层、红土层、过渡层、砂土层[30-32]。各层次的土体结构、粒度分布、力学特性[33-35]等均具有明显的差异。各层次在收缩性、裂隙性方面的差异，仍是需要研究的重点。因此，本文以湖北省通城县五里镇的崩岗土体为研究对象，在控制土体高径比条件下，对4层土进行室内脱湿试验，采用相机进行定点拍照记录土体收缩变形、裂隙发育变化，采用ImageJ-Fiji提取收缩、裂隙参数进行定量分析，探讨高径比影响下的崩岗土体收缩变形、裂隙演化特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验所用土样取自湖北省通城县五里镇的典型瓢型崩岗（113°46′26′′ E, 29°12′39′′ N），崩岗边壁高约3.38 m，崩岗发育完整，面积约为126 m²，植被覆盖度约为35%。通城县属于亚热带季风气候，年平均气温17.1℃，无霜期为260 d左右。全年干湿季分明、降雨分布不均匀，夏季降雨量大气温高，冬季降雨量少气温低，年平均降雨量为1 604 mm，主要集中于3–9月。在气候的交替变化下，裂隙发育明显，崩岗发育情况严重。

在野外进行采样时主要依据崩壁剖面土壤颜色、土壤深度对土层进行划分。表土层，暗红色，0.05～0.17 m；红土层，红色，0.17～0.49 m；过渡层，淡红色至灰白色，0.49～2.10 m；砂土层，灰白色，2.10～3.38 m。在每层中部用铁锹采集大量的土壤放入麻袋中运回实验室，进行室内试验。土体的基本性质测定方法：干密度采用环刀法，有机质采用外加热重铬酸钾容重法，塑性指数采用液塑限联合测定仪；颗粒组成采用筛分法结合移液管法。测定结果见表1。

表1 崩岗土体的基本性质

1.2 试验设计

由于野外采集回来的土存在大量的砾石、树根等物质，对土体的干缩开裂影响较大，因此将采集回来的土风干碾碎过2 mm筛后混合均匀，将土样均匀加水搅拌为过饱泥浆状态[23]，密封在容器内静置24 h后，抽去表面清液，缓缓倒入泥浆试样，轻轻晃动培养皿使试样平整。配置为过饱和泥浆状态的原因在于土体含水率梯度是裂隙产生的关键因素[36]，过饱和泥浆试样使水分充分均匀地分布于土壤颗粒之间，减小试验影响因素。

试验共设计40个土样（4层土×10组高径比），其中前3组1、2、3高径比相同，均为0.067，后7组4、5、6、7、8、9、10高径比不同，分别为：0.080、0.107、0.134、0.147、0.160、0.183、0.234，土样具体直径、高度设置值见表2。土样直径的控制方法：直接采用内直径为6、10、12、15 cm的培养皿；土样高度的控制方法：在试验前，采用钢尺随机测量培养皿3个角度的底部高度，取其平均值0.25 cm为培养皿底高，采用钢尺测量培养皿高度0.65、1.05、1.25、1.65、1.85、2.45 cm处做标记，此处即为土样厚度0.4、0.8、1.0、1.4、1.6、2.2 cm。

配置好的试样，表土层、红土层、过渡层、砂土层的干密度分别为1.38、1.35、1.39、1.41 g/cm3。对于同一土层，10个试样（10组高径比）均为同一批进行饱和的土样，干密度保持一致。

脱湿采用同一风速的低风速风扇置于试样同一侧加速水分蒸发[19]，并保证每个试样间距为10 cm，保证其不受其他风扇的影响。在脱湿前与脱湿结束时使用相机记录土体形态变化，拍照装置如图1所示。上方相机用于记录裂隙发育及径向收缩，侧方相机用于记录轴向收缩。

1.3 数据处理

具体处理如图2所示，使用Photoshop对图片进行裁剪、修正光源分布不均等问题；使用ImageJ-Fiji对图片进行灰度转换、二值化、去噪、骨架化等处理，提取裂隙参数与收缩参数。在脱湿后使用钢尺随机对试样的3个不同角度进行高度测量，取其平均值为脱湿后的土样高度，用于计算脱湿前后土样高度的收缩量，计算结果与数字图像处理的轴向收缩量结果进行对比修正。

表2 土体的高径比K设置

注：代表直径，cm；代表高度，cm。

Note:represents the diameter, cm;represents the height, cm.

图1 拍照装置示意图

裂隙参数包括：收缩开裂裂隙度δ，收缩开裂面积（包括径向收缩面积和开裂面积）与土样初始表面积的比值[21]；长径比，裂隙长度与土样初始直径的比值；宽径比，裂隙平均宽度与土样初始直径的比值（由于试样初始表面积不一致，因此对裂隙总长度、平均宽度进行对比分析时，不存在相对性，此处采用长径比、宽径比进行对比分析）；裂隙总条数，2个交点之间为1条裂隙；裂隙交点个数，2条裂隙相交的交点；被分割的土块个数，被裂隙分割的闭合土块。

收缩参数包括：径向收缩率，脱湿后土块直径的缩小值（即土样干缩后与容器侧壁间的间隙）与初始直径的比值；轴向收缩率，脱湿后土块高度的缩小值与初始高度的比值。具体表达式为：

式中δ为收缩开裂裂隙度，%；S为收缩开裂面积，cm²；S为径向收缩面积，cm²；S为开裂面积，cm²；土样初始表面积，cm²；为长径比；为裂隙总长度，cm；为土样初始直径，cm；为宽径比；W为裂隙平均宽度，cm；δ为径向收缩率，%；D为收缩后的土样直径，cm；δ为轴向收缩率，%；为初始土样高度，cm；H为收缩后的土样高度，cm。

2 结果与分析

2.1 同一高径比条件下土体的收缩开裂

图3为控制高径比条件相同的情况下，脱湿结束时4层土的收缩开裂终止图。采用ImageJ-Fiji对各收缩开裂

终止图进行处理，提取各裂隙参数见表3。

表3 同一高径比下脱湿结束时土体的裂隙参数统计

注：δ代表收缩开裂裂隙度，%；代表长径比；代表宽径比；代表裂隙总条数；代表裂隙交点个数；代表被分割的土块个数。

Note: δrepresents the degree of shrinkage cracking, %;represents the length-diameter ratio;represents the width-diameter ratio;represents the number of crack strips;represents the number of crack intersection;represents the number of soil lumps.

由图3可以看出，4层土的3个土样的裂隙发育明显，几乎无核心收缩，且裂隙形态纤细，分布交错密集。同一尺寸条件下（直径、高度值一样），由表土层至过渡层，裂隙形态逐渐复杂，裂隙交点个数、被分割的土块数量逐渐增多，单个土块面积减小。砂土层的裂隙发育不明显，裂隙条数、交点个数小于其他3个土层。过渡层与砂土层在崩岗土体垂直剖面上属于相邻土层，两者裂隙性的较大差异会严重破坏土体的稳定性。

通过对各裂隙参数进行对比分析（表3）。可以发现，每层土的1、2、3，裂隙参数均波动不大。以表土层为例，其土样1、2、3的收缩开裂裂隙度分别为：10.98%、11.97%、12.48%，变异系数为5.27%；裂隙长径比：11.42、11.87、12.22，变异系数为2.77%；裂隙宽径比：0.007、0.007、0.008，变异系数为6.43%；其他参数也如此。表明同一高径比下，崩岗土体的裂隙发育具有相似性。由公式（2）、（3）计算可知1至3，表土层裂隙总长度分别为68.55、142.45、183.30 cm，裂隙平均宽度分别为0.045、0.095、0.120 cm。结合图3，表明同一高径比条件下，土体直径越大，裂隙总长度、裂隙平均宽度逐渐增加。

图4 同一高径比下4层土的收缩参数

对脱湿结束后同一高径比下3个土样的径向收缩率与轴向收缩率进行分析（图4）。同一高径比条件下，各土层的径向收缩率波动幅度较小，结合图3，各层土3个土样的径向收缩现象不显著，径向收缩率几乎全分布在0.5%～1.5%之间。轴向收缩率由1至3缓慢增大，可能是因为1～3的土样高度分别为0.4、0.8、1.0 cm，随着高度的增加土体在垂直剖面上受到的重力越大，轴向收缩变形越剧烈。轴向收缩中4层土关系式为：红土层＞过渡层＞表土层＞砂土层。

2.2 不同高径比条件下土体的干缩开裂

通过相机定点拍照记录脱湿结束时4层土的收缩开裂情况（图5）。随着高径比的增加，土体形态变化可分为4个阶段：①裂隙形态纤细、密集交错，网状分布，无主裂隙，轻微径向收缩（表土层3、4）；②裂隙形态简单，裂隙条数显著减少，宽度增加，无明显主裂隙，径向收缩增加（表土层5）；③裂隙形态逐渐单一，裂隙条数减少，宽度增加，线状分布，具有明显主裂隙，径向收缩增加（表土层6、7）；④无裂隙发育，径向收缩显著（表土层8、9、10）。表明土体的径向收缩与裂隙发育之间相互影响，随着高径比的增加，土体整体呈现裂隙发育减弱、径向收缩增强的趋势。

可以将脱湿结束后土体分为2种状态：①收缩开裂土样：裂隙发育，伴随着径向收缩；②径向收缩土样：无裂隙发育，仅径向收缩。4层土由收缩开裂土样过渡至径向收缩土样的高径比具体临界值范围分别为：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147，砂土层＜表土层＜红土层～过渡层，与土壤中的黏粒含量呈现相同的大小关系。

对3～10的临界含水率进行统计（表4）。临界含水率包括：开缩含水率（w），土体开始产生径向收缩时的含水率；开裂含水率（w），土体开始产生裂隙时的含水率。由7～10，各土层中均有些土样呈现仅径向收缩现象，无裂隙发育，因此没有开裂含水率。

可以看出，4层土中过渡层的临界含水率值最大，砂土层最小。是由于土体颗粒之间的不均匀分布影响水分蒸发，促使含水率梯度的形成，产生拉张应力，开始径向收缩，当拉张应力大于抗拉强度时，裂隙产生。而黏粒之间孔隙小且胶结作用强，会抑制水分蒸发，促使土体更早形成含水率梯度，过渡层黏粒含量最大，因此过渡层最早产生径向收缩与裂隙。随着高径比的增加，4层土的开缩含水率有增大的趋势，开裂含水率有减小的趋势。以表土层为例，由3～10开缩含水率分别为23.95%、26.37%、28.43%、29.12%、29.87%、28.23%、30.58%、31.48%；开裂含水率分别为：23.57%、23.01%、24.96%、24.56%、23.07%（8～10仅产生径向收缩现象，无开裂含水率）。原因在于土体高径比越大，脱湿过程中产生的上下含水率梯度越大，上部土体越容易产生拉张应力，同时下部土体对上部土体收缩产生的约束作用也促进上部土体拉张应力的增大，使上部土体有更早开始收缩的趋势。高径比的增加，不仅可以促进拉张应力的增加，同时也会增大土体的抗拉强度[33]，因为对崩岗土体抗拉强度的增大作用强于拉张应力，使土体开裂受到的阻力越大，致使开裂含水率呈现减小的趋势。

表4 不同高径比下4层土的临界含水率

注：w代表收缩含水率，%；w代表开裂含水率。

Note: wrepresents shrinkage water content, %;wrepresents crack water content, %.

随着高径比的增加，各土样的开缩含水率与开裂含水率之间的差值逐渐增大。以过渡层为例，土样3的开缩含水率与开裂含水率分别为：31.09%、29.85%，8分别为：35.95%、26.33%，两个临界含水率的差值由1.14个百分点增大至9.62个百分点。土体开始产生径向收缩的条件为土体产生拉张应力，土体开始产生裂隙的条件为土体产生的拉张应力超过抗拉强度；抗拉强度越大，土体越难开裂，开裂含水率越小，开裂含水率与开缩含水率之间的差值越大；因此开缩含水率与开裂含水率的差值可以表示脱湿过程中土体产生抗拉强度的大小。当高径比较小时，开缩含水率与开裂含水率之间的差值越小，抗拉强度越小，脱湿过程中拉张应力更容易超过抗拉强度，也就意味着越早产生裂隙。

对各土层土样3～10的裂隙参数进行提取绘制变化曲线图（图6）。随着高径比的增加，收缩开裂裂隙度整体呈现先增加后减小的趋势。表土层、红土层、过渡层在高径比= 0.147 (7) 时收缩开裂裂隙度达到峰值17.79%、21.85%、22.44%，砂土层在= 0.234 (10) 时达到峰值5.90%。由于此峰值并不是特别明显且受土样数量的限制，还需进一步试验进行验证。

对于径向收缩土样，表土层的8、9、10收缩开裂裂隙度分别为：16.50%、16.65%、16.41%；红土层9、10分别为19.11%、18.05%，过渡层9、10分别为20.95%、15.53%，砂土层7、8、9、10分别为4.63%、3.12%、5.37%、5.90%。除过渡层外，其他3个土层收缩开裂裂隙度受高径比的影响不大。

图6 4层土的裂隙参数随高径比变化

4层土的长径比随着高径比增加整体呈现下降的趋势。当高径比= 0.067～0.107（3～5），下降趋势最显著；高径比= 0.107～0.183（5～9），呈波动式下降，但下降幅度明显减小；高径比= 0.183～0.234（9～10），处于稳定状态，结合图5，土样9～10为仅产生径向 收缩的土样，所以高径比对径向收缩土样的长径比影响不大。

4层土的宽径比随着高径比的增加整体呈现上升的趋势。红土层、过渡层高径比= 0.067～0.16（3～8），呈波动式上升，上升幅度较小；高径比= 0.16～0.234 （8～10），宽径比波动较大，先呈快速增大后快速减小，在高径比= 0.183（9）处达到最大值。表土层从高径比= 0.147（7）处开始快速增大后快速减小，在高径比=0.16（8）处达到最大值。结合图5，红土层8～10、过渡层土样8～10、表土层7～10为由收缩开裂土样过渡至径向收缩的土样，所以干缩开裂土样的宽径比随高径比的增加呈缓慢增加的趋势，径向收缩土样的宽径比受高径比的影响较大，表土层在高径比=0.16时达到最大值，红土层、过渡层在高径比=0.183时达到最大值。砂土层的宽径比波动幅度较小。

4层土的裂隙条数、裂隙交点个数、被分割的土块个数随着高径比增加整体呈现下降的趋势。当高径比= 0.067～0.107（3～5），下降趋势最显著；高径比=0.107～0.147（5～7），呈缓慢下降趋势，变化幅度明显减小；= 0.147～0.234（7～10）时，处于稳定状态。

对各土层土样3～10的径向收缩面积与开裂面积进行细化分析（图7）。因为土样的表面积不一致，因此不同土样的径向收缩面积、开裂面积不存在相对性，无法进行比较。此处采用开裂面积占比、径向收缩面积占比进行对比分析。开裂面积占比为开裂面积与土样初始表面积的比值，径向收缩面积占比为径向收缩面积与土样初始表面积的比值。开裂面积占比与径向收缩面积占比之和为收缩开裂裂隙度。公式如下：

式中δ为开裂面积占比，%；δ为径向收缩面积占比，%。

图7 4层土的收缩、开裂面积占比随高径比变化

随着高径比的增加，开裂面积占比逐渐减少，径向收缩面积占比逐渐增加，至土样形态变化为仅径向收缩时，开裂面积占比为0。当高径比=0.067时，表土层的开裂面积占比、径向收缩面积占比分别为：6.31%、6.18%，红土层分别为：10.92%、2.05%，过渡层分别为：12.51%、2.66%，砂土层分别为：0.99%、2.06%，开裂面积占比：过渡层＞红土层＞表土层＞砂土层。当高径比=0.183时，4层土的径向收缩面积占比分别为：16.65%、19.11%、20.95%、5.37%，过渡层＞红土层＞表土层＞砂土层，过渡层径向收缩现象最显著。

随高径比的增加，径向收缩率而呈波动式上升趋势（图8）。以表土层为例，3～10的径向收缩率分别为：1.27%、2.50%、4.13%、7.42%、6.20%、8.50%、8.92%、7.50%，因为高径比的增加使拉张应力增大，从而促使径向收缩率增大，但由于设置的高径比之间差值不大，且试验过程中会受到其他外部环境因素的影响，致使其变化存在波动性；3～10的轴向收缩率分别为：22.00%、20.00%、19.50%、18.76%、18.95%、16.45%、20.45%、15.49%，轴向收缩率随高径比的增加，整体呈现波动式下降的趋势。各裂隙、收缩参数随高径比的变化存在波动性，原因在于试验设置各组高径比之间的差值较小，使得各组之间裂隙、收缩参数变化量不大，同时试验过程中会受到环境等客观因素的影响，使数据存在波动性。波动的原因是否存在厚度与表面积的耦合效应，还需进一步对厚度和表面积两个因素进行单独试验进行对比分析。

图8 4层土的径向、轴向收缩率随高径比变化

3 结 论

1）崩岗4层土中，过渡层与砂土层在崩岗垂直剖面上属于相邻的下部土层，而两者收缩开裂性能的较大差异会破坏土体的承载力与稳定性，加速崩塌的发生。

2）当土体的高径比相同时，其水平面上裂隙发育、径向收缩具有相似性。当高径比不同时，随高径比的增加，裂隙发育减弱，径向收缩增强。当高径比到达某一临界值时，土体呈现无裂隙发育，仅核心收缩现象。在崩岗4层土中，红土层、过渡层临界值较大，砂土层最小。

3）对于干缩开裂土样，随高径比的增加，收缩开裂裂隙度、宽径比、径向收缩率呈现整体增加的趋势，其余参数均呈现整体减小的趋势。对于径向收缩土样，宽径比受高径比的影响较大，其余参数波动幅度不大，由于本试验的径向收缩土样较少，因此具体影响仍需进一步试验进行研究分析。

4）高径比增加对土体抗拉强度的增大作用大于拉张应力，致使开缩含水率随高径比的增加逐渐减小，开裂含水率逐渐增大。在崩岗4层土中，受到黏粒含量的影响，过渡层的2个临界含水率值最大，砂土层最小。

[1] Fredlund D G, Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M]. New York: Wiley, 1993.

[2] Yesiller N, Miller C J, Inci G, et al. Desiccation and cracking behaviour of three compacted landfill liner soils[J]. Engineering Geology, 2000, 57: 105-121.

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

[4] 张晓明，丁树文，蔡崇法，等. 干湿效应下崩岗岩土不均匀沉降变形规律与崩壁崩塌机制[J]. 岩土力学，2013，34(S2)：299-305.

Zhang Xiaoming, Ding Shuwen, Cai Chongfa, et al. Mechanism of effects of wetting-drying on nonuniform settlement and caved wall collapsed in slope disintegration erosion area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(S2): 299-305.

[5] 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): 59-167. (in Chinese with English abstract)

[6] 周红艺，李辉霞，叶奇，等. 华南活动崩岗崩壁土体裂隙发育规律试验研究[J]. 水土保持研究，2016，23(1)：338-342.

Zhou Hongyi, Li Huixia, Ye Qi, et al. Simulation of morphological development of soil cracks in the collapsing hill region of southern China[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2016, 23(1): 338-342.

[7] 朱磊，陈玖泓，刘德东. 土壤表面干缩裂隙形态定量分析及其数值模拟[J]. 农业工程学报，2016，32(14)：8-14.

Zhu Lei, Chen Jiuhong, Liu Dedong. Morphological quantity analysis of soil surface shrinkage crack and its numerical simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(14): 8-14. (in Chinese with English abstract)

[8] 彭旭东，戴全厚，李昌兰，等. 模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：131-140.

Peng Xudong, Dai Quanhou, Li Changlan, et al. Effect of simulated rainfall intensities and underground pore fissure degrees on soil nutrient loss from slope farmlands in Karst Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 131-140. (in Chinese with English abstract)

[9] 唐朝生，施斌，刘春. 膨胀土收缩开裂特性研究[J]. 工程地质学报，2012，20(5)：663-673.

Tang Chaosheng, Shi Bin, Liu Chun. Study on desiccation cracking behaviour of expansive soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2012, 20(5): 663-673.

[10] 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 Geootechnical Engineering, 2019, 41(4): 717-725.

[11] Rayhani M H T, Yanful E K, Fakher A. Desiccation-induced cracking and its effect on the hydraulic conductivity of clayed soils from Iran[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44(3): 276-283.

[12] Peron 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(10): 1177-1201.

[13] 唐朝生，施斌，崔玉军. 土体干缩裂隙的形成发育过程及机理[J]. 岩土工程学报，2018，40(8)：1415-1423.

Tang Chaosheng, Shi Bin, Cui Yujun. Behaviors and mechanisms of desiccation cracking of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(8): 1415-1423.

[14] Albrecht B A, Benson C H. Effect of desiccation on compacted natural clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 1271: 67-75.

[15] 王东伟，唐朝生，李胜杰，等. 膨胀土干缩变形特性试验研究[J]. 高校地质学报，2019，25(5)：756-765.

Wang Dongwei, Tang Chaosheng, Li Shengjie, et al. Experimental study on volumetric shrinkage behavior of expansive soil[J]. Geological Journal of China Universities, 2019, 25(5): 756-765.

[16] Corte A, Higashi A. Experimental research on desiccation cracks in soil[R]. U.S. Army Snow Ice and Permafrost Research Establishment. Illinois, USA, 1960.

[17] Omidi G H, Thomas J C, Brown K M. Effect of desiccation cracking on the hydraulic conductivity of a compacted clay liner[J]. Water, Soil and Soil Pollution, 1996, 89: 91-103.

[18] 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)

[19] 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 uunder rainfall infiltration and evaporation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(2): 413-421.

[20] 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)

[21] 叶万军，万强，申艳军，等. 干湿循环作用下膨胀土开裂和收缩特性试验研究[J]. 西安科技大学学报，2016， 36(4)：541-547.

Ye Wanjun, Wan Qiang, Shen Yanjun, et al. Cracking and shrinkage properties of expansive soil under wetting-drying cycles[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2016, 36(4): 541-547.

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

[23] 唐朝生，崔玉军，施斌，等. 膨胀土收缩开裂过程及其温度效应[J]. 岩土工程学报，2012，34(12)：2181-2187.

Tang Chaosheng, Cui Yujun, Shi Bin, et al. Shrinkage and desiccation cracking process of expansive soil and its temperature-dependent behaviour[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(12): 2181-2187.

[24] 曾浩，唐朝生，刘昌黎，等. 控制厚度条件下土体干缩开裂的界面摩擦效应[J]. 岩土工程学报，2019，41(3): 544-553.

Zeng Hao, Tang Chaosheng, Liu Changli, et al. Effects of boundary friction and layer thickness on desiccation cracking behaviors of soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(3): 544-553.

[25] 袁权，谢锦宇，任柯. 边界约束对膨胀土干缩开裂的影响[J]. 工程地质学报，2016，24(4)：604-609.

Yuan Quan, Xie Jinyu, Ren Ke. Effect of boundary constrains on desiccation crack of swelling soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2016, 24(4): 604-609.

[26] 骆赵刚，汪时机，杨振北，等. 膨胀土裂隙发育的厚度效应试验研究[J]. 岩土工程学报，2020，42(10)：1922-1930.

Luo Zhaogang, Wang Shiji, Yang Zhenbei, et al. Thickness effect on crack evolution of expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(10): 1922-1930.

[27] 朱磊，马荣，范东峻，等. 考虑相关长度的土壤开裂模型改进及其参数对裂隙形态的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(24)：123-131.

Zhu Lei, Ma Rong, Fan Dongjun, et al. Soil cracking improved model considering with correlation length and effect of its parameters on crack morphology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 123-131. (in Chinese with English abstract)

[28] Lakshmikantham R, Pratpere C, Ledesmaalberto. Experimental evidence of size effect in soil cracking[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2008, 49(3): 264-284.

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

[30] 万勇善，史德明，席承藩. 南方花岗岩侵蚀区土壤退化的研究[J]. 水土保持学报，1991，5(8)：80-87.

Wan Yongshan, Shi Deming, Xi Chengfan. Research on soil degradation in granite erosion area in south China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1991, 5(8): 80-87.

[31] 吴志峰，王继增. 华南花岗岩风化壳岩土特性与崩岗侵蚀关系[J]. 水土保持学报，2000，14(2)：31-35.

Wu Zhifeng, Wang Jizeng. Relationship between slope disintegration and rock soil characteristics of granite weathering mantle in south China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000, 14(2): 31-35.

[32] 夏栋. 南方花岗岩区崩岗崩壁稳定性研究[D]. 武汉：华中农业大学，2015.

Xia Dong. Research on Stability of Collapsing Gully Wall in Granite Region of South China[D]. Wu Han: Huazhong Agricultural University, 2015.

[33] 冯延云. 崩岗土体抗拉力学特性及对崩岗稳定性影响研究[D]. 武汉：华中农业大学，2020.

Feng Yanyun. Study on the Tensile Properties of Collapsed Soil and Its Influence on the Stability of Collapsed Soil[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2020.

[34] 刘昌鑫，潘健，邓羽松，等. 干湿循环作用对崩岗土体稳定性的研究[J]. 水土保持学报，2016，30(6)：253-258.

Liu Changxin, Pan Jian, Deng Yusong, et al. The influence of wet-dry cycles on collapsing gullt stability[J]. Joural of Soil and Water Conservation, 2016, 30(6): 253-258.

[35] 魏玉杰，吴新亮，蔡崇法. 崩岗体剖面土壤收缩特性的空间变异性[J]. 农业机械学报，2015，46(6)：153-159.

Wei Yujie, Wu Xinliang, Cai Chongfa. Spatial variability of soil shrinkage characteristics in profile of slope disintegration body[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 153-159.

[36] 张家俊，龚壁卫，胡波，等. 干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J]. 岩土力学，2011，32(9)：2729-2734.

Zhang Jiajun, Gong Biwei, Hu Bo, et al. Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9): 2729-2734.

Shrinkage and cracking characteristics of Benggang soil under the condition of controlling height-diameter ratio

Wang Jiani, Zhang Xiaoming※, Ding Shuwen, Wang Qian, Nie Daoxiang

(430070,)

Shrinkage and cracking of Benggang soil often occur and vary significantly in different soil layers during water evaporation. That is because there are the hydrophilic clay minerals (kaolinite and hydromica) in the special soil with stratification after natural geological evolution. This study aims to clarify the influence of height-diameter ratios on soil shrinkage and cracking characteristics. The Benggang soil was selected in the Wuli Town, Tongcheng County, Hubei Province of China. 10 groups of height-diameter ratio were then designed for the experiment. The soil samples were configured as supersaturated mud, where the water evaporation was accelerated using low-speed wind fans. The soil morphologies before and after dehumidification were characterized at a fixed position. Digital image processing was also utilized to carry out a quantitative analysis. Therefore, the shrinkage and cracking mechanism of Benggang soil were addressed under the condition of controlling the height-diameter ratio. The results are listed as follows. 1) There was the strongest radial shrinkage and cracks development in the transition layer, whereas, the weakest in the sandy layer among the four layers of Benggang soil. The transition and sandy layers were then defined as the lower soil adjacent to the soil layer in the vertical section. The less difference between the two soil layers was contributed to the stability and bearing capacity of Benggang soil, thereby relieving the collapse of the Benggang wall. 2) The samples with a smaller height-diameter ratio developed significant cracks, but the radial shrinkage was not outstanding. By contrast, there was no crack in the samples with a larger height-diameter ratio, but the radial shrinkage was significant. Among them, the specific critical values of the height-diameter ratio for the four soil layers during the transition from the drying cracking to radial shrinkage state were achieved, 0.147-0.160, 0.160-0.183, 0.160-0.183, and 0.134-0.147, respectively. 3) The crack parameters and radial shrinkage ratio were similar, but the axial shrinkage ratio increased as the thickness of the soil layer increased, particularly when the height-diameter ratio was the same, even though the height and diameter were different. More importantly, the crack morphology developed more complex from the topsoil to the transition layer, but the sandy layer remained unchanged. 4) The shrinkage water content gradually increased with the increase of height-diameter ratio, whereas, the crack water content gradually decreased. The difference between them was then represented by the tensile strength of soil during the dehumidification. Correspondingly, the degree of shrinkage and cracking, the width-diameter ratio, and the radial shrinkage ratio increased with the increase of the height-diameter ratio, whereas the rest parameters showed a decreasing trend. Therefore, there was the most significant influence of height-diameter ratio on the shrinkage and cracking characteristics in the transition layer, whereas, the least influence was found in the sandy layer. The finding can also provide strong theoretical support to reveal the collapse mechanism of Benggang soil for higher stability in construction projects.

crack; shrinkage; quantitative analysis; Benggang; height-diameter ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016

TU443

A

1002-6819(2021)-21-0134-09

王佳妮，张晓明，丁树文，等. 控制高径比条件下崩岗土体的收缩开裂特性[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：134-142.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016 http://www.tcsae.org

Wang Jiani, Zhang Xiaoming, Ding Shuwen, et al. Shrinkage and cracking characteristics of Benggang soil under the condition of controlling height-diameter ratio[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 134-142. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.016 http://www.tcsae.org

2021-06-08

2021-08-12

国家自然科学基金（41771307；41201271）；国家重点研发计划课题（2017YFC0505302）；长江科学院开放研究基金资助项目（CKWV2017522/KY）；2020年湖北省大学生创新创业训练项目（S202010504045）

王佳妮，研究方向为崩岗土体的稳定性。Email：798603101@qq.com

张晓明，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为崩岗崩塌及土壤侵蚀过程。Email: zxm_huanong@mail.hzau.edu.cn