极端干湿循环作用下饱和泥浆红黏土的干缩裂隙发育特征

2022-02-14何岱洵张家明龙郧铠

安全与环境工程 2022年1期

何岱洵，张家明，陈茂，龙郧铠

(昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500)

在云贵高原干旱气候环境中红黏土干缩开裂是一种普遍的自然现象，在土木、水利和岩土等工程领域引发各种灾害[1-2]。红黏土干缩开裂会降低土体强度和稳定性，诱发滑坡、崩塌等地质灾害[3-4]。如在强降雨期间，红黏土的干缩裂隙可产生优先流，加快降雨入渗补给地下水，引发降雨型地质灾害[5]；红黏土防渗衬砌干裂，雨季水库蓄水初期会发生大量渗漏[6]；红黏土地基干缩开裂，会产生不均匀沉降，导致上部建筑结构失稳或破坏[7]。

红黏土的水敏性极强[8-9]，对干旱也比较敏感[10]，因此干湿循环会显著影响红黏土的工程地质特性。目前，已有学者开展了干湿循环对红黏土表面干缩裂隙结构形态的影响研究[11-13]。例如：陈开圣[14]探究了贵州余庆—凯里高速公路红黏土干缩裂隙的面积率与干湿循环次数的关系；李焱等[15]通过试验揭示了江西东乡红黏土裂隙度与干湿循环次数的相关性；陈开圣[16]通过精细设计边坡模型试验，探索了贵阳花溪红黏土裂隙宽度、裂隙深度、裂隙率、裂隙条数、裂隙长度、裂隙块区数随干湿循环的变化规律；熊俊豪等[17]通过试验研究了干湿循环次数对桂林雁山红黏土裂隙率、裂隙长度的影响。

上述研究成果对更深入地认识红黏土干缩开裂的干湿循环效应发挥了重要作用，但是针对极端干湿循环作用下红黏土干缩裂隙的发育特征还缺乏系统研究。土体水分蒸发是干缩开裂的诱因，干缩开裂是土体蒸发失水到一定程度的产物[18]。红黏土具有崩解性[19-20]，其可能影响干缩裂隙的发育规律。但是既有红黏土干缩裂隙的研究很少考虑土体水分蒸发特征和崩解性的影响。

气象监测数据分析表明，云南地区的干旱化趋势将会持续加重，干旱事件的发生频率也将会继续增加，其影响范围逐渐扩大[21-23]。随着人们环保意识的提高，云南地区的红黏土生态边坡逐渐增多，在旱季，浇水灌溉模拟降雨是生态边坡养护的重要方式，边坡红黏土经历了极端干湿循环过程。此外，既有红黏土干缩裂隙的研究都是以压实样为研究对象，但作为基础研究，泥浆样制备方便、重复性好。因此，为了研究极端干湿循环作用对红黏土干缩裂隙发育规律的影响，本文以云南昆明呈贡地区红黏土为研究对象，通过制备红黏土初始饱和泥浆样，在室内进行了5次干湿循环试验，分析了极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发、干缩裂隙的形成及其演化、表面干缩裂隙结构形态的影响。该试验结果对红黏土地区由干缩裂隙诱发的地质灾害和工程安全问题具有重要的防控指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料是昆明呈贡地区二叠系下统栖霞组、茅口组灰岩上覆红黏土，取样点深度为1.7 m，无植被根系，避免了根系和先期自然干缩开裂的影响。红黏土的基本物理性质参数见表1，红黏土黏粒(<5 μm)矿物成分的X射线衍射(XRD)测试结果见表2。

表1 红黏土的基本物理性质参数

表2 红黏土黏粒(<5 μm)矿物成分的X射线衍射测试结果

1.2 试验方法

试验步骤如下：①将取回的土样在室内风干碾碎，并过2 mm筛子；②称取一定量的筛下红黏土细粒倒入不锈钢桶内，加入适量的蒸馏水，用木棍、大功率电动搅拌器等工具充分搅拌成泥浆，并先后用保鲜膜、湿抹布密封钢桶，静置于暗室24 h；③将泥浆充分搅拌均匀，然后向内长×内宽×深为200 mm×200 mm×20 mm的正方形有机玻璃容器中倒入675 g泥浆，在木桌子上均匀地手工振动玻璃容器，制备成厚度为10 mm的均质泥浆样，按此步骤制备3个平行样(S1、S2、S3)，并先后用保鲜膜、湿抹布密封玻璃容器，静置于暗室24 h；④对试样进行干处理：对试样用控温烘箱进行70℃恒温干燥试验，干燥过程中对试样定时称重和对试样表面进行拍照(如图1所示为自制的试样称重和拍照不锈钢装置，在暗室内拍照，获得相同光亮度、放大倍数、分辨率和表面积的图像)，试样出现裂隙前、后的时间间隔分别为1 h、0.5 h，如果试样的质量在2 h之内无变化，即认为干燥过程完成[24]，以上为第1次干湿循环，记为DW1；⑤对试样进行后续4次先湿后干循环试验，依次记为DW2、DW3、…、DW5，其路径见图2。对试样进行湿处理：将干燥试样水平置于天平上，用喷雾器向试样表面均匀、等速地喷洒蒸馏水，使试样恢复到初始含水率(初始质量)，用时控制为10 min，并先后用保鲜膜、湿抹布密封玻璃容器，静置于暗室24 h，湿处理过程中禁止扰动试样，然后对试样进行干处理，方法如前所述；⑥将整个试样于105℃烘干，测量试样的干土质量；⑦最后基于试样的干土质量、初始质量和干燥过程中的质量，计算试样的质量含水率和蒸发速率。本文取3个试样测试结果的平均值进行分析。

图1 红黏土试样称重和拍照装置

图2 红黏土干湿循环试验路径示意图

1.3 图像处理

采用南京大学施斌教授团队研发的颗粒及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)[25]进行图像处理，以S2试样第1次干湿循环末期图像为例，图像处理流程如下(见图3)：①裁剪中间区域：受有机玻璃容器边界的影响，其附近的裂隙相对中间区域显得杂乱破碎[见图3(a)]，为了消除边界的影响，提高分析结果的可靠度，选取中间700像素×700像素区域[见图3(b)]作为分析对象，其实际尺寸为160.7 mm×160.7 mm，即图像分辨率为4.36像素/mm；②灰度图像：将彩色图像转化为灰度图像[见图3(c)]；③二值化图像：设定一个灰度阈值将灰度图像转化为黑白图像[见图3(d)]，黑色区域为裂隙，白色区域为块区；④去除杂点：由于试样杂质和图像噪声等原因[26]，图像二值化处理后块区中有一些孤立的小黑点，但这些小黑点不是裂隙[见图3(e)]，由于裂隙深度贯通试样厚度，局部玻璃容器底部反光在裂隙中间形成孤立的白色小区域，但这些白色区域不是块区[见图3(f)]，因此应采用软件的去杂点功能消除块区中的小黑点和裂隙中的白色小区域；⑤基于真实的二值化图像获取裂隙和块区的统计参数[见图3(g)]。

图3 红黏土干缩裂隙图像处理流程

1.4 测量参数

本研究测量的参数如下：

(1) 测量不同时刻试样的含水率w(%)和水分蒸发速率Re(为单位时间内的失水质量，g/h)。

(2) 统计裂隙交点数Nn和裂隙条数NI。裂隙节点包括端点和交点，其中裂隙交点为3条或3条以上裂隙的相交点，两个相邻节点之间为1条裂隙[26]。

(3) 统计裂隙总长度L、裂隙平均长度La和裂隙平均宽度W。

(4) 统计土块数Na、土块平均面积Sav和土块最大面积Smax。

(5) 统计表面裂隙率RSC，为裂隙面积与试样的初始总面积之比。

(6) 计算表面裂隙的分形维数D，采用软件中盒维法计算得到[24]。

需要说明的是，裂隙、土块与面积或长度有关的参数都是通过软件PCAS统计黑色像素点的个数、白色像素点的个数来确定的，也可以基于图像分辨率计算实际物理面积或长度。

2 结果与讨论

2.1 红黏土的水分蒸发过程

红黏土的水分蒸发速率Re与干燥时间的关系曲线称为蒸发曲线，红黏土的含水率w与干燥时间的关系曲线称为干燥曲线[24]。不同干湿循环过程中红黏土的蒸发曲线和干燥曲线，见图4和图5。

由图4和图5(a)可以看出：

图4 不同干湿循环过程中红黏土的蒸发曲线

图5 不同干湿循环过程中红黏土的干燥曲线及其局部特写

(1) 不同干湿循环过程中红黏土的蒸发曲线和干燥曲线，其形状总体相似。

(2) 根据红黏土水分蒸发速率Re随干燥时间的变化规律，红黏土的蒸发曲线可分为4个阶段：增速率阶段(Ⅰ)、常速率阶段(Ⅱ)、减速率阶段(Ⅲ)、稳定阶段(Ⅳ)。其中，常速率阶段红黏土的水分蒸发速率总体稳定，但也有先增后减的微小波动，这是因为红黏土的干缩裂隙首先在常速率阶段产生，增大蒸发面积，红黏土的水分蒸发速率增大，随着水分蒸发，红黏土的含水率降低，其水分蒸发速率降低[24]。

(3) 在历时方面，红黏土减速率阶段历时最长，常速率阶段、增速率阶段次之，稳定阶段历时最短。

(4) 在干燥初期，红黏土的含水率与干燥时间几乎呈直线关系，随后红黏土的干燥曲线趋于平缓，最后红黏土的干燥曲线几乎水平[见图5(a)]，最终红黏土含水率在1.01%～1.45%之间[见图5(b)]。

(5) 从数量上看，不同干湿循环过程中红黏土的蒸发曲线和干燥曲线在各蒸发阶段的历时、水分蒸发速率和干燥完成时间方面存在差异，但是差异并不显著，尤其是后4次干湿循环试样。例如：不同干湿循环次数试样(DW1至DW5)的增速率阶段历时依次为2 h、4 h、4 h、3 h、4 h，常速率阶段历时分别为8.5 h、5 h、4 h、6 h、6.5 h，试样的最大水分蒸发速率分别为26 g/h、25 g/h、26.5 g/h、26 g/h、25.5 g/h，常速率阶段试样的平均水分蒸发速率依次为23.11 g/h、24.58 g/h、25.42 g/h、25.08 g/h、24.38 g/h(见图4)，干燥完成时间分别为21.5 h、19.5 h、19 h、19 h、19 h[见图5(b)]，后4次干湿循环红黏土的水分蒸发速率比第1次干湿循环红黏土的大。

以上分析表明，极端干湿循环作用会显著影响红黏土的水分蒸发过程，但影响程度随干湿循环次数的增加而减弱。

2.2 红黏土干缩裂隙的形成及其演化过程

根据红黏土干缩裂隙的特点，将第1次干湿循环过程中红黏土干缩裂隙的形成及其演化过程分为5个阶段，以S2试样为例简述红黏土干缩裂隙形成及其演化过程各阶段的特征如下：第1阶段为裂隙孕育阶段，即裂隙出现之前，土体含水率逐渐减小，土颗粒干缩，并且呈非均匀运动，发生相互靠拢或分离；第2阶段为裂隙形成阶段，即从初始开裂至最后一条裂隙出现，土样表面出现孤立的主裂隙，主裂隙延伸并近似垂直相交，形成主裂隙网络和初级块区，而主裂隙垂直衍生出子裂隙，形成次级块区，子裂隙再衍生出次子裂隙，形成更次级块区，直到最后一条裂隙开始形成[见图6(a)、(b)、(c)、(d)];第3阶段为裂隙条数稳定阶段，即裂隙条数不变，裂隙长度不断增长[见图6(e)]；第4阶段为裂隙长度稳定阶段，即裂隙长度不变，裂隙网络结构已定形，但裂隙宽度不断增加，块区形状基本不变，但面积仍继续缩小；第5阶段为表面裂隙率稳定阶段，即裂隙网络结构和块区分布已经固定，土体含水率和蒸发速率继续减小，土体水分蒸发速率最终为零。

第2、3、4、5次干湿循环过程中红黏土干缩裂隙的形成及其演化过程类似，以S2试样第2次干湿循环过程为例简述红黏土干缩裂隙的形成及其演化特征(见图7)如下：首先在试样表面隐隐约约出现裂隙网络[见图7(a)、(b)]，随着试样水分蒸发，裂隙宽度增加，裂隙网络结构变得清晰[见图7(c)、(d)、(e)]。对比第1次干湿循环(见图6)，第2次干湿循环红黏土干缩裂隙的形成及其演化具有以下特点：①在试样表面最先出现的干缩裂隙不是随机形成的孤立、明显的主裂隙，而是隐隐约约的裂隙网络结构；②试样裂隙网络几乎同时出现和发展，没有显示出主裂隙、子裂隙、次子裂隙、更次子裂隙的逐级先后衍生关系；③试样裂隙网络的形状、位置与第1次干湿循环末期试样的裂隙网络结构高度吻合；④试样表面新增一些微小的干缩裂隙。

图6 第1次干湿循环过程中红黏土试样S2干缩裂隙的形成及其演化过程

图7 第2次干湿循环过程中红黏土试样S2干缩裂隙的形成及其演化过程

以上分析表明：首次与后续极端干湿循环过程中红黏土干缩裂隙的形成及其演化过程不同，后续极端干湿循环过程中红黏土干缩裂隙的形成及其演化过程类似;首次极端干湿循环过程中红黏土形成的干缩裂隙网络结构对后续干湿循环红黏土干缩裂隙的形成及其演化起控制性作用，后续极端干湿循环红黏土的干缩裂隙是在首次极端干湿循环过程中红黏土形成的干缩裂隙网络结构的基础上形成的。

2.3 红黏土表面干缩裂隙结构形态

图8展示了经5次干湿循环后红黏土试样S2表面形成的典型干缩裂隙网络结构，土样表面被裂隙网络分离为独立的土块。

由图8可见：首次干湿循环后，土块形状相对规则，裂隙的边壁光滑，彼此相互垂直[见图8(a)]；第2次干湿循环之后，裂隙边壁变得粗糙[见图8(b)]；后3次干湿循环后，裂隙边壁越来越光滑[见图8(c)、(d)、(f)]。这些现象与红黏土试样表面裂隙分形维数的计算结果一致，即5次干湿循环后红黏土试样表面裂隙的分形维数依次为0.928、1.069 5、1.007 3、1.003 5、0.975 1。此外，图8清晰地显示了不同干湿循环过程中红黏土试样主体裂隙网络结构的几何形态特征相似，但随着干湿循环次数的增加，试样裂隙宽度减小，试样表面新增了一些微小裂隙，土块的数量增多、面积减小，试样表面干缩裂隙网络结构越来越破碎。

图8 不同干湿循环过程中红黏土试样S2表面形成的典型干缩裂隙网络结构

定量分析红黏土裂隙网络结构的几何形态特征对土体干缩开裂形成机理和土体裂隙预测研究具有重要的意义。表3汇总了每次干湿循环后红黏土表面干缩裂隙网络结构几何形态参数的平均值，图9用曲线形式展示了红黏土表面干缩裂隙网络结构几何形态参数与干湿循环次数的关系。

表3 每次干湿循环后红黏土表面干缩裂隙网络结构几何形态参数的平均值

由表3和图9可知：随着极端干湿循环次数的增加，红黏土表面干缩裂隙交点数、裂隙条数、裂隙总长度、土块数快速增加[见图9(a)、(b)、(d)、(g)]，土块平均面积、土块最大面积快速减小[见图9(h)、(i)]，裂隙平均长度在最初2个干湿循环过程中快速减小，后3个干湿循环过程中缓慢减小[见图9(e)]。以上分析表明：随着极端干湿循环次数的增加，红黏土表面干缩裂隙和土块数量增加，土块面积减小，土体碎裂化加剧；从第1次到第2次干湿循环过程中，红黏土表面干缩裂隙平均宽度W、表面裂隙率RSC快速大幅度减小，从第2次到第5次干湿循环过程中，红黏土表面干缩裂隙平均宽度W、表面裂隙率RSC缓慢减小并趋于稳定，如第1次至第5次干湿循环后红黏土表面裂隙率RSC依次为26.98%、13.57%、13.29%、12.77%、12.57%[见图9(c)、(f)]。

选用表面裂隙率来评价土体干缩裂隙发育程度，则首次极端干湿循环作用对土体干缩裂隙发育的影响最显著，后续干湿循环作用的影响强度逐渐减弱。

2.4 极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发速率的影响

土体水分蒸发是一个复杂的过程，同时受外部环境因素和内部因素的综合影响[27]。本文开展的红黏土干湿循环试验，每次循环的干处理方式都是70℃室内恒温干燥试验，不同干湿循环的外部环境因素一致。因此，造成不同干湿循环作用下土体蒸发过程存在差异的原因是土体内部因素。前文分析表明，后续干湿循环过程中红黏土的水分蒸发速率比首次干湿循环的红黏土大，这应该与极端干湿循环作用改变了土体自身的物理特性和结构特征有关。

土体水分蒸发速率与土体含水率、饱和度、渗透系数、含砂量、粗颗粒含量、孔径、裂隙发育程度呈正相关关系，与土体黏粒含量、密度、含盐量、孔隙气体体积呈负相关关系[27-34]。随着干湿循环次数的增加，土体黏粒含量减少、粉粒含量增加[35]。红黏土具有显著的膨胀收缩性，极端干湿循环导致红黏土产生大幅度的体积收缩、膨胀交替变形，土颗粒交替靠近、分离，且随着干湿循环次数的增加，导致土体疲劳损伤，破坏了土体结构和颗粒团聚性，增强了土的分散性[36-37]，降低了土体密度。此外，红黏土在极端干湿循环过程中会发生显著崩解，形成很多微小裂隙，增大了土体的空隙率[20]。上述这些变化都将增大土体的水分蒸发速率。

2.5 首次与后续极端干湿循环作用下红黏土的干缩开裂机理

土体结构影响红黏土干缩裂隙的形成及其演化过程，图10展示了红黏土试样S2每次干燥试验前的表面干缩裂隙网络结构形态。

图10 红黏土试样S2每次干燥试验前的表面干缩裂隙网络结构形态

由图10可以看出，首次与后4次干燥试验前试样的表面干缩裂隙网络结构形态明显不同。首次干燥试验前的试样[见图10(a)]是初始饱和泥浆样，试样还没有经历干湿循环和崩解(见图2)，土质相对均匀，局部结构性差异较小；而后4次干燥试验前的试样[见图10(b)、(c)、(d)、(e)]为经历了干湿循环和崩解的饱和泥浆样，试样表面变得粗糙。虽然不同干湿循环的红黏土主体裂隙网络几何形态特征相似，主体裂隙位置相同(见图8)，Yesiller等[38]和Tang等[39]也有类似发现，但是首次与后4次极端干湿循环红黏土的干缩开裂机理是不同的。

初始饱和泥浆样[见图10(a)]具有土质的非均质性和土样表面含水率分布的非均匀性，土颗粒间的联结强度大小不一，由基质吸力和收缩膜的表面张力共同形成的张拉应力场在土体中的分布也是非均匀的，很容易在局部产生应力集中，一旦某点的张拉应力超过土颗粒间的联结强度，便会张开形成裂隙[见图6(a)]；在裂隙尖端产生拉应力集中，在尖端的引导下[见图6(b)]，裂隙从水平方向和竖直方向继续延伸，土块不断收缩，裂隙逐渐变宽加深[见图6(c)、(d)。干缩开裂是一种在内力作用下的张拉破坏，裂隙面是张拉面，因此裂隙发育方向总是垂直于最大拉应力方向，子级裂隙一般垂直主裂隙发育，逐渐形成裂隙网络结构[40][见图6(e)]。

本研究进行的是先湿后干循环试验，而且湿处理过程中不能扰动试样。此外，红黏土具有高收缩性、低膨胀性[41-42]，干湿循环会对土样造成不可逆的结构损伤[43]，而土体崩解也为不可逆的物理过程，因此红黏土的胀缩变形过程是不可逆的[36]，即首次干湿循环形成的红黏土干缩裂隙在后续循环的湿处理过程中不能完全自愈合，对后续干湿循环红黏土干缩裂隙的形成及其演化起控制性作用。对于后续干湿循环，首次干湿循环形成的红黏土裂隙面是软弱张拉面，在干燥试验水分蒸发过程中，土体收缩，率先沿软弱张拉面裂开，因此后续干湿循环的红黏土干缩裂隙同时沿着先前裂隙张开(见图8)。此外，土块收缩进程中，由于内力分布不均，土块内部出现若干微小裂隙，随着干湿循环次数的增加，微小裂隙增多[见图8(b)、(c)、(d)、(e)]，而第5次循环后土块看似块状[见图8(e)]，其实已经是散体状，并非如图8(a)所示的完整块状。

2.6 极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发过程和干缩裂隙发育强度影响的极限平衡状态

极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发过程和干缩裂隙发育强度的影响程度随干湿循环次数的增加而减弱，并趋于稳定，但首次干湿循环作用对红黏土水分蒸发过程和干缩裂隙发育强度的影响尤为显著，表明极端干湿循环作用对红黏土水分蒸发过程和干缩裂隙发育强度的影响存在极限平衡状态[44]。极端干湿循环作用对红黏土影响的极限平衡状态不仅体现在干缩裂隙方面，还体现在力学特性方面[35]。究其原因是极端干湿循环改变了红黏土的物理特性和结构特征，而且这种改变是不可逆的，红黏土的胀缩变形是不可逆的，其变形随干湿循环次数的增加而减小，并趋于稳定[36]，红黏土的耐崩解性随干湿循环次数的增加而逐渐减弱。以上原因导致红黏土对极端干湿循环的响应越来越不明显，但达到极限平衡状态所需要的干湿循环次数可能会受干湿条件、循环路径和土体特性的影响而不同。

以上分析表明，极端干湿循环作用显著影响红黏土的干缩开裂，该研究结果对红黏土地区的工程防灾减灾工作具有重要的指导意义。比如：工程实践中应尽量避免或减弱极端干湿循环的影响，红黏土边坡的浇水养护应尽量安排在土体温度较低的时间段；应严格控制工程(如红黏土边坡工程、路基工程)周期，尽量让红黏土经历多次极端干湿循环过程，待红黏土干缩裂隙达到极限平衡状态后才进行下一步工序。