中国南方碳酸盐岩上覆红黏土龟裂研究进展

龙郧铠 张家明 陈 茂

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引 言

红黏土是碳酸盐岩风化残坡积在热带、亚热带温湿气候条件下，经过红土化地质作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性黏土[1-2]，是一种典型的区域性特殊土，主要集中在广西、贵州、云南、广东和湖南等省，覆盖面积高达1.08×106km2[3]．

红黏土的胀缩性和裂隙性在公路、铁路、水利和岩土工程等领域存在很多工程隐患[4-9]．红黏土干缩开裂，增大蒸发面积，加快深度土体的水分蒸发，干缩裂隙的宽度和深度不断扩展，劣化了土体结构，导致土体强度和稳定性降低[10]．在强降雨期间，干缩裂隙作为水分运移的快速通道，产生优先流[11]，加快水分渗入土体内部，导致土体强度和边坡稳定性急剧下降，诱发滑坡等地质灾害[12-16]．

受全球气候变暖的影响，未来极端干旱和高强度降雨事件的发生频率越来越高，影响范围越来越广[17]．据此推测，红黏土干缩开裂及其诱发的工程问题可能会越发严重．文中从干缩变形、干缩裂隙和干缩进程的微观结构变化等方面对中国南方碳酸盐岩上覆红黏土干缩性和裂隙性的研究成果进行总结，讨论研究方法和内容，并指明今后的研究方向，旨在全面认识中国南方红黏土的干缩裂隙性．

1 干缩变形

既有红黏土干缩变形试验的基本信息见表1(圆柱形式样)．分析了试样初始含水率、初始干密度、压实度、温度和干湿循环作用对干缩性能的影响．干缩性能的评价指标主要有：收缩量、轴向收缩率、径向收缩率、环向收缩率、体缩率、相对收缩率、收缩系数．

由表1可知：干缩变形特性研究主要集中于干湿循环对红黏土胀缩性能的影响．由于计算收缩量或收缩率所选取的基准不同，导致部分研究成果表述存在相互矛盾的现象．文中认为在分析干湿循环对红黏土干缩变形特性的影响时，应先进行干湿循环处理，再进行胀缩试验，以干湿循环前的初始状态为基准来计算干缩性能评价指标更为恰当．因此，在这些指标的计算公式为

表1 干缩变形试验的基本信息

Δa=h0-h

(1)

Δr=d0-d

(2)

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(8)

式中：Δa、Δr、δa、δr、δC、δV、δi、αδ分别为轴向收缩量、径向收缩量、轴向收缩率、径向收缩率、环向收缩率、体缩率、相对收缩率、收缩系数；h0、d0、C0、V0依次为干湿循环前试样的初始高度、直径、周长、体积；h、d、C、V为试样的实时高度、直径、周长、体积；hi-2、hi-1、hi为干缩过程中第i-2、i-1、i时刻试样的高度；Δδ、Δw分别为收缩曲线上两点间的收缩率(体缩率)差值、含水率差值．

图1为红黏土干缩变形的相关曲线．

图1 红黏土干缩变形的相关曲线

由图1可知：收缩量、最终轴向收缩率、最终环向收缩率、体缩率随土体初始含水率的增加而增加[18-19]；初始干密度、压实度越小，收缩量越大[20]；温度越高，收缩越快，收缩率越大[21]；收缩时程曲线可划分为3个阶段，即直线快速收缩阶段、外凸弧线减速收缩阶段和直线缓慢收缩阶段[22]，相对收缩率随时间逐渐降低；收缩曲线分为3个阶段，即快速收缩变形阶段、过渡阶段和缓慢变形阶段(图1c)，收缩系数随含水率降低而逐渐降低，快速收缩变形阶段的收缩量最大[23]；干湿循环路径影响干缩过程[24]；干湿循环次数增加，收缩率[25]和最终体缩率增加[26]；整体轴向收缩系数随初始含水率的增加而先增后减，拐点含水率为最优含水率；干湿循环产生的干缩变形是不可逆的；环向收缩率小于轴向收缩率[27]，干缩变形表现出各向异性；碳酸盐岩红土的收缩率比玄武岩红土大．

2 干缩裂隙

在红黏土干缩裂隙方面，主要采用室内试验分析了干湿循环对土样表面干缩裂隙结构形态的影响，但是试样和干缩循环的方法不尽相同,见表2．干湿循环路径有“先干后湿”和“先湿后干”，以后者居多，干湿处理方法不同，干处理以烘箱烘干为主，温度高达105 ℃．

表2 室内干缩裂隙试验的基本信息

由表2可知：干湿循环次数增加，裂隙的条数、深度、最大宽度和长度、块区数、裂隙率、分形维数和节点数增大，而裂隙平均长度和块区平均面积减小，但变化幅度逐渐减弱[28]，干湿循环对土体干缩开裂的影响具有平衡状态特征；裂隙是路基土体失水与吸水的优先通道[29]；再次脱湿时，土体最先沿着之前的闭合裂隙开裂[30]．

在理论研究方面，文献[12]假设红黏土是均质、各向同性介质，提出了土体开裂深度的计算公式．结果表明开裂深度h与地表基质吸力u1和吸力梯度k有关，u1增大，h增大，k增大，h减小．

3 干缩进程的微观结构及讨论

在红黏土干缩进程中微观结构变化方面，以广西贵港原状红黏土为对象，利用冷干法备样进行压汞试验(mercury intrusion porosimetry，MIP)，分析在室温下缓慢脱湿过程中土体孔隙变化规律[31-33]．谈云志等[34]采用MIP测试了湖南长韶娄压实红黏土自然风干过程中孔隙变化．文献[26]运用MIP研究了干湿循环对贵州凯羊高速公路压实红黏土孔径分布的影响．张祖莲等[35]使用扫描电镜(scanning electron microscopy，SEM)研究了干湿循环对云南压实红黏土微观结构的影响．

在干旱气候条件下，红黏土干缩开裂是一种普遍的自然现象[36]．干缩裂隙扩展是土体体积收缩变形的一种表现形式[37]．土体干缩变形和干缩裂隙属于宏观表现，本质上归因于土体微观结构的变化[38]．

3.1 研究方法

3.1.1室内试验的试样制备

红黏土干缩裂隙室内试验的试样以压实样为主，包括重型击实和静力压实，仅文献[33]以原状红黏土为试验对象．针对压实样的研究对水库大坝、防洪堤岸、路堤、填方边坡、防渗衬砌工程有重要指导意义，但与实际工程又有所区别．这是因为土质学是影响土体干缩裂隙的重要因素[39-40]，为了方便制备样品，部分压实样剔除了粒径大于2 mm的颗粒，甚至更小的颗粒．文献[35]认为以重塑土为对象的试验结果与原状土的实际情况可能存在差异．孙德安等[41]认为压实或击实样无法真正模拟原状样的真实状态，比如内部孔隙分布和裂隙的发展．泥浆样制备方便、结构简单、均质、重复性好，被多数学者用于研究普通黏性土和膨胀土干缩裂隙的影响因素和龟裂机理[42-44]．从基础研究和工程实践考虑，未来应加强基于泥浆样、压实样和原状样的红黏土干缩裂隙室内试验研究．

3.1.2室内试验方法

在研究干湿循环对干缩变形影响时，干湿处理方法、干缩循环路径和循环次数存在差异．湿处理方法有浸水、注射器注水、饱和器中饱和，而干处理方法有自然风干、燃烧酒精加热烘干、不同温度烘箱烘干．不同处理方法模拟了不同的工况和气候条件，试验结果存在差异．浸水饱和-烘箱烘干法模拟一种极端的、剧烈的干湿环境[45]．此外，有些研究的干湿循环处理与干缩试验同时进行，而另一些是分开进行．在干缩性能评价指标计算方法方面，不同研究选取的基准也不统一．

红黏土干缩裂隙室内试验至今仍没有标准仪器，无统一试验方法．试样有圆柱体、长方体和边坡模型，但以直径、高度分别为61.8、20 mm的圆柱居多．湿处理方法有：喷雾、浸水饱和、注射器注水、气压喷水壶喷水；干处理方法有：红外加热、浴霸+暖风机加热、烘箱烘干．干湿循环次数不等，以“先湿后干”为主．试验结果可对比性差，在一定程度上制约着该领域的进展，应尽快制定可操作性强的试验标准．

3.1.3裂隙网络结构参数提取

在红黏土干缩裂隙网络结构参数提取方面，目前主要采用照相机获得土样表面裂隙图片，然后运用图像处理方法获取裂隙的几何参数，裂隙深度仍采用传统手工测量．这种方法虽然只能提取土样表面裂隙的二维信息，但该法成本低、方便快捷、普适性强，被广大科研人员采用．为此，南京大学开发了一套适用于该方法的专门裂隙图像处理系统PCAS供广大科研工作者免费使用[46]．

随着三维激光扫描技术的发展，可视化和定量化干缩裂隙的三维几何形态已经成为可能，还可以测量试样的体缩率．在室内，可采用瑞典ROMER RA-7520-2六轴关节臂三维测量仪进行扫描，KSCAN复合式三维扫描仪和MetraSCAN3D可适用于室内、现场试验，后者扫描速度更快．针对现场大型干缩裂缝，可使用徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪，见图2．

图2 三维激光扫描仪

三维激光扫描技术对土体内部隐藏的裂隙则无能为力．计算机断层成像(computed tomography，CT)技术能够可视化、量化土样表面和内部裂隙，但是该技术对实验设备和操作人员有更高要求，而且只适用于室内试验．高密度电阻率成像(electrical resistivity tomography，ERT)技术已成功应用于普通黏性土干缩裂隙的室内外试验，电阻率模型能够很好地模拟裂隙的几何形态，可监测裂隙的发展动态．分布式光纤传感技术能够监测普通黏性土的干缩变形过程[47]．数字图像相关(digital image correlation，DIC)技术能够无损获取黏性土表面干缩变形位移和应变的时空演变规律．但是这些先进技术至今还没有用于红黏土干缩裂隙研究．

3.1.4室内试验的边界效应

裂隙首先从试样边界衍生，在边界附近形成平行于边界的裂隙，而且边界附近的裂隙比中央破碎，证明边界效应是明显的，影响试验结果的可靠性．此外，室内试验模拟的环境与自然环境存在差异：自然环境只有一个蒸发面，即地表面，而有些室内试验，土样的顶面、底面同时暴露烘箱中，有两个蒸发面；自然环境中只有地表面(土体表面)有热源(太阳辐射)，只能从土体表面向下传播热量，土体温度随深度增加而降低，而在烘箱烘干模拟中，如果模具不隔热，土样周围都有热源，土样迅速升温而成为等温体，与实际情况存在差异，但是温度对裂隙的形成和发展影响明显，见图3．

图3 自然环境与室内试验环境的土体龟裂

为了降低或消除边界效应，文献[36]用内径为16 cm×16 cm×3 cm的长方体玻璃缸制备样品，选取12.5 cm×12.5 cm的中间区域作为研究对象．此外，在玻璃缸内壁涂抹凡士林，以尽可能消除内壁摩擦作用对土样收缩变形的影响，但如果凡士林涂抹不均匀，反而会在土样表面形成“杂点”．未来应开展更大尺度的室内模型试验，选取中间区域进行分析．为了尽可能模拟自然环境，尤其是热环境，应选择隔热板制作模具．

3.1.5土体微观结构监测

土体微观结构常用观测方法有偏光显微镜、SEM、环境扫描电子显微镜、X射线衍射、MIP、CT、恒温氮吸附[48]．目前采用了MIP和SEM研究红黏土干缩进程中微观结构变化规律．CT技术是一种无损观测方法，不仅可以对试样进行动态监测，还可以根据CT数计算土样密度[49]．随着CT技术的不断发展和应用普及，CT是未来土体微观结构监测的重要手段．

3.1.6干缩裂隙综合试验

红黏土龟裂是不协调干缩变形的结果，本质上是随着水分蒸发，土体微观结构的改变．因此，红黏土干缩裂隙是一个系统科学问题，应开展综合试验同时研究本文述及的3个方面．但到目前为止，红黏土干缩裂隙综合试验的研究并不多见，仅文献[22]联合了干缩变形试验与干缩裂隙试验，文献[34]结合了干缩变形试验和MIP试验．

在未来，整合室内干缩裂隙试验与CT技术，能够可视化、定量化试样裂隙网络的三维几何形态，计算试样的体缩率，观测土体微观结构变化．联合现场原位干缩裂隙试验、三维激光扫描技术与高密度电阻率成像技术，同样可以达到室内综合试验的目的．

3.2 研究内容

对普通黏性土和膨胀土的干缩裂隙性已经开展了较为全面的研究，并取得了丰硕成果，但是红黏土的工程地质特性不同于普通黏性土、膨胀土[50]，而且具有明显的地域性．因此，从以下4个方面进一步开展红黏土干缩裂隙性研究仍然具有重要的科学意义和工程实际意义．

红黏土干缩变形、干缩裂隙、微观结构变化3者耦合的干缩裂隙宏微观综合研究．内容包括：开展室内干缩裂隙试验的边界效应研究，确定合理的室内试验尺度，形成操作性强的试验标准；基于泥浆样、压实样和原状样，研究温度、湿度、干湿循环次数、土层厚度、粒度组成、矿物成分、土体结构和崩解性等对红黏土干缩裂隙的形成和演化、三维几何形态的影响；红黏土不协调干缩变形与胶结状态的关系；干缩进程中红黏土孔隙大小、形状、分布及颗粒接触状态的变化规律；天然干缩裂隙三维网络结构与室内模拟试验结果的异同；体缩率、干缩裂隙三维网络结构参数、微观结构参数之间的定量关系．

红黏土蒸发特性与干缩裂隙性的耦合研究．土中水分蒸发是龟裂形成的前提和诱因，龟裂是土体干燥失水到一定程度的产物．但是目前红黏土干缩裂隙研究很少考虑蒸发特性，只有综合考虑红黏土的蒸发特性，才能充分揭示红黏土干缩裂隙的形成机理．应系统研究红黏土的干燥曲线、蒸发曲线与干缩变形性能评价指标、干缩裂隙三维网络结构、微观结构演化的关系．

红黏土与普通黏性土、膨胀土的干缩裂隙性对比研究．在干缩变形，干缩裂隙的形成、演化和三维网络结构，微观结构方面的差异；在干缩变形机理和龟裂机理方面的差异．

红黏土干缩裂隙的形成理论研究和数值模拟．运用水土相互作用原理和基本土力学理论研究红黏土的干缩裂隙机理，采用离散元模拟裂隙的形成和演化，预测红黏土干缩裂隙的形成演化过程．

4 结 论

1) 现有研究主要分析了初始含水率、初始干密度、压实度、温度和干湿循环对红黏土干缩变形的影响：初始含水率越大，初始干密度和压实度越小，收缩性越强；温度越高，收缩越快，收缩率越大；收缩曲线、收缩时程曲线均分为3个阶段，收缩变形主要发生在第1阶段；干湿循环产生的干缩变形是不可逆的，干湿循环路径不同，干缩变形过程不同；收缩率随干湿循环次数增加而增加，增加的幅度逐渐减小，最终趋于稳定值；干缩变形表现出各向异性．

2) 主要探讨了干湿循环对红黏土表面裂隙结构形态的影响：干湿循环次数增加，裂隙更加发育，裂隙网络更加复杂；干湿循环对土体开裂的影响具有平衡状态特征．

3) 主要采用MIP研究了红黏土干缩进程中孔径及孔径分布的变化规律．

4) 目前红黏土干缩裂隙的研究方法主要是基于压实样的室内试验，针对原状样和泥浆样的试验研究和理论研究很少，现场试验和数值模拟未见报道．

5) 室内干缩裂隙试验存在明显的边界效应，试验模具应采用隔热材料制作，未来应开展大尺度的室内模型试验，形成操作性强的试验标准．

6) 红黏土干缩裂隙几何形态研究主要集中在二维表面上，三维激光扫描技术、CT技术、ERT技术、分布式光纤传感技术和DIC技术还未见应用，CT是未来土体微观结构研究的重要手段．

7) 整合室内干缩裂隙试验与CT技术，现场干缩裂隙试验、三维激光扫描技术与高密度电阻率成像技术，开展室内、现场综合试验研究．

8) 今后的研究方向：红黏土干缩变形、干缩裂隙、微观结构变化三者耦合的干缩裂隙宏微观综合研究；红黏土蒸发特性与干缩裂隙性的耦合研究；红黏土与普通黏性土、膨胀土的干缩裂隙性对比研究；红黏土干缩裂隙的形成理论研究和数值模拟．