土体干缩裂缝形成机理探讨.pdf

土体干缩裂缝形成机理探讨孟明1，2，3*，冯丹1（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），郑州450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，郑州450003）摘要：土体在缺水环境下，随着土体内的水分完全蒸发散失，会产生收缩、裂缝，这是一种常见的自然现象。但这种现象对于河湖边坡工程安全和生态环境治理有着重大不利影响，深入开展对土体干缩裂缝的研究将对生态环境和工程建设有较高的实用价值。本文从土体干燥收缩及裂缝产生相关影响因素及力学机理方面对土体干缩、裂缝发展过程进行探讨。关键词：土体；干缩裂缝；力学机理；形态特征；影响因素中图分类号：X43文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）03-0107-06收稿日期：2022-09-05作者简介：孟明，工程师，硕士，主要从事河湖生态综合治理的设计与研究。E-mail:引用格式：孟明，冯丹.土体干缩裂缝形成机理探讨J.三峡生态环境监测，2023，8（3）：107-112.Citation format:MENG M,FENG D.Formation mechanism of soil shrinkage cracksJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（3）：107-112.Formation Mechanism of Soil Shrinkage CracksMENG Ming1,2,3*,FENG Dan1（1.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.,Zhengzhou 450003,China;2.Key Laboratory of Water Management and Water Security for Yellow River Basin,Ministry of Water Resources(under construction),Zhengzhou 450003,China;3.Henan Engineering Research Center of Urban water Resources and Environment,Zhengzhou 450003,China）Abstract:In a water deficient environment,soil will shrink and crack as the water inside the soil evaporates completely,which is acommon natural phenomenon.However,this phenomenon leads to significant adverse effects on the safety of river and lake slopeengineering and ecological environment governance.Further research on soil shrinkage cracks can provide great practical value forecological environment and engineering construction.This article explores the development process of soil drying shrinkage andcracks from the perspectives of the relevant influencing factors and mechanical mechanisms of soil drying shrinkage and cracks.Key words:soil body;shrinkage crack;mechanics mechanism;morphological characteristic;influencing factor土体由于失水干缩而产生裂缝是一种十分常见的自然现象，裂缝产生的实质是土壤失水所引起的吸力超过了土体的抗拉强度，从而造成土体的开裂破坏，而吸力在不同含水率下是不同的，吸力分布的不均匀性则是裂缝发展的原动力。土体产生裂缝将大大减弱地基承载力，加上入渗所引起的地基失稳，造成的工程事故屡见不鲜。如2007年川渝地区所发生的百年一遇的大旱导致1 200多座水库大坝出现裂缝，造成了巨大的损失 1，美国Stockton和Wister大坝因龟裂诱发管涌而最终垮塌 2。另外，土壤裂缝对河道边坡的安全稳定会产生不利影响，裂缝的加剧会进一步加速土体失水，大大降低了边坡的稳定性。因此，不断提高的工程安全标准和生态环境要求都迫使重视土体裂缝的发生、发展规律和控制方法等方面的研究。为了更系统地了解土体干缩裂缝形成和发展过程，本文将从影响因素和力学机理两方面对土体干缩裂缝形成机理和过程进行分析及探讨。DOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.03.13三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年9月Sep.2023第8卷第3期Vol.8No.3土壤研究三峡生态环境监测http:/ 3 和Inoue等 4 通过计算一个横截面与裂缝交点的个数来估测裂缝的长度；Horgan等 5 从裂隙发育的二维几何特征出发构建了模拟土壤失水收缩模型；Dasog 等 6 将单位面积内土体裂缝的体积作为衡量土体开裂程度的参考标准；施斌等 7、唐朝生等 8-9 和刘春等 10 通过室内实验，对裂缝发展及其形态的影响因素进行定量分析。以上研究在裂缝形态学方面取得了相应的研究成果，但研究中对实验测量的精度要求较高，容易产生较大误差。在干缩裂缝形成和发展机理方面相关学者有一定的研究成果。Prson等 11-12、Hu等 13 认为土体收缩是由于土体在干燥过程中水分蒸发散失而产生的张应力大于土体的抗拉强度而造成的；Yesiller等 14 提出土体的基质吸力致使土体发生收缩，首次将基质吸力纳入土体干缩研究中，为该方面的进一步拓展奠定了基础；施斌 7 从水胶联结力方面研究认为，黏性土体当其含水率低于液限时，主要由于黏土矿物中水胶联结力不均匀增大而造成了干缩裂缝的形成，并不是毛细水表面张力所致。以上研究仅是从理论层面提出毛细水压力和基质吸力对土体干缩裂缝形成机理的研究，缺少具体实验支撑。唐朝生等 9 认为运用非饱和土力学的相关理论来解释干缩裂缝机理是必要的，随着土体失水，孔隙中弯液面对土颗粒的作用力越来越大，当这种张应力的大小超过土颗粒之间的黏结强度，土体表面便会出现裂缝；唐朝生等 15 也提出对于初始饱和的土体，在干燥初期，收缩实际上是由于孔隙水表面张力和毛细水压力增加导致孔径减小和土颗粒靠拢的过程，而在干燥后期，收缩可能主要受土颗粒间水膜联结力和吸附结合水膜厚度的控制，唐朝生等结合裂缝发展过程对土体收缩的机理进行了解释，并考虑到影响土体干缩的因素在不同阶段是不同的。以上研究是从非饱和土力学方面所做的简单探讨，对干缩裂缝机理的实际理论并没有实质性推进。迄今为止，关于土体干燥收缩机理及裂缝产生机理方面仍未能形成统一认识，有待进一步深入研究。本文从土体干缩裂缝形成影响因素和干缩裂缝形成机理两方面，对土体干缩裂缝形成机理进行探讨。2土体干缩裂缝形成影响因素2.1土体结构当前国内学者的研究对象基本上为重塑土，相关的研究成果对自然原状饱和土体而言有着明显的区别。国外许多学者认为，相比重塑土，原状饱和土中具有较多的团聚体，由于尺寸较大，干燥时，团聚体之间空洞中的自由水首先被蒸发而逐渐被空气所取代，无毛细水压力的作用，从而不会导致明显的收缩变形。对于普遍认为土体干燥收缩的阶段划分，国内外一些学者提出，在正常收缩之前，还存在结构收缩阶段，原状土的土体结构在研究过程中影响较大，不能忽略。2.2土体孔隙比土体的孔隙比即土体结构的密实度对土体的水分蒸发速度及裂缝发育有较大影响，土体在干燥收缩过程中，土颗粒会发生重排，土体的孔隙比也会随之而发生变化，河湖边坡的土体在历经雨水多次渗透后，其土体密实度、土体结构也发生了变化，这方面的研究对河湖边坡防护中可变因素分析有重要意义。通过同一种土的多次干湿循环实验研究发现，每次干湿循环过程中龟裂形成时对应的临界吸力、龟裂网络的几何形态、龟裂的扩展和闭合过程均有显著差异。2.3特定条件下土的密度土体的干密度通常作为工程、土体压实质量控制的标准，对于工程中不同土体的干密度，其土体开裂情况也不相同。党进谦等 16 的研究结果表明抗拉强度随干密度的增大而增大，也就是说干密度越大土体越难以开裂。2.4其他影响因素对于当前的土体裂缝研究，由于实验条件的不同，相应的结果也具有差异，可比性也较低，尤其在温度、土厚度、干湿循环次数、土样尺寸第8卷第3期109大小及边界条件方面。施斌等 7、唐朝生等 1 在室内实验的基础上，采用计算机图片处理技术，对不同条件下获得的干缩裂缝网络进行定量分析和对比，发现土层厚度、干湿循环次数和土质成分等因素对黏性土干缩裂缝结构形态均有一定的影响，但是对这方面的研究目前还没有形成统一的实验标准。3干缩裂缝形成机理土体中的孔隙是相互连通的，在充满水的孔隙中，水能传递水压力，这种由孔隙水传递的应力称为孔隙水压力 17。在非饱和土中，土中气体承受的压力为孔隙气压力，由于表面张力使水受张拉作用，使得孔隙气压力大于孔隙水压力。毛细水压力是对孔隙介质吸引湿润流体或排斥非湿润流体的一种度量，非饱和土中常取孔隙水压力与孔隙气压力的差值等于毛细水压力，其大小取决于水分子与孔隙壁接触角度、固体及流体的性质以及流体的饱和度。基质吸力主要是指土中毛细作用，一般基质吸力占总吸力的主要部分，在非饱和土体中土颗粒孔隙气水液面形成收缩膜，孔隙气压力与孔隙水压力不等且孔隙气压力大于孔隙水压力，收缩膜承受着大于水压力的气压力，则非饱和土体中基质吸力孔隙气压力减去孔隙水压力，当孔隙气体与大气连通时，孔隙气压力等于大气压力 18。对等于气液两相流体的气-液界面，由于固体相的存在，会产生一个曲面附加压力，这种曲面附加压力在大容器中忽略，但在毛管中比重较大，该附加压力应予以重视。自由水位以下为压力，自由水位以上，毛细区域为拉力，自由水位上下的水压力分布如图1所示，颗粒骨架承受水的反作用力，自由水面以下，土骨架受孔隙水的压力作用，则土颗粒间压力减小，自由水面以上，毛细区域内，土骨架受孔隙水的拉力作用。毛细水压力呈倒三角形分布，弯液面处最大，自由水面处为零。同时对饱和土体，在干燥过程中，由于水分将从土体的上表面蒸发散失，土体内的含水量将是分层的，每层土体的含水量并不相同，并且由下而上土体的含水率将是逐渐减小的。对处于超饱和状态下的土体，土颗粒间距较大，且颗粒间充满着水，随着上表面水分的蒸发散失，表层土颗粒由结合水膜相互联结，同时颗粒孔隙间充满着水，此时为饱和状态。但表层以下土颗粒仍处于超饱和状态，此时表层土颗粒间将形成凹液面，在表面张力作用下而形成毛管，产生毛细水压力，如图2所示。图2土体中水的分布情况及毛细水上升高度Fig.2Distribution of water in soil mass and capillary waterrising height从基质吸力和毛管水压力方面对土体干缩及裂缝形成与发展机理进行探讨。（1）初始裂缝开始产生：在水分散失的过程图1毛细水中的张力分布图Fig.1Tension distribution in capillary water自由水面hchcuc=rwhc毛细管中的负静水压力自由水面hc孟明，等：土体干缩裂缝形成机理探讨三峡生态环境监测http:/ 40%50%或者更低时，毛细水不再存在，毛管水压力消失，此时，裂缝在深度上的发展基本完成。（3）次裂缝基本完成：在初始裂缝（此处称主裂缝）形成时，其两侧土体自表层开始仍有毛管存在，且在一些土颗粒抗拉强度较小部位也会产生裂缝，此处可称为次裂缝。同时，对于次裂缝的产生，在靠近主裂缝边壁处的位置，在毛管水压力和凝聚力作用下，由力学角度分析，当土体所受拉力足够大时才会达到抗拉强度，开始产生裂缝。因此，当次裂缝垂直于主裂缝时便满足于这一条件，即次裂缝一般会垂直于主裂缝而产生并持续生长，随着次裂缝的形成完毕，裂缝的网络轮廓已基本形成。（4）土体处于固结状态，进入零收缩阶段，整个土体的干缩裂缝基本完成：在次裂缝发展到一定阶段时，空气会由已产生的裂缝纵面进入土体，并阻断一些毛管形成孤立水，这些孤立水或大或小，在毛细水高度hc以上的土体中，土体并不是完全干燥的，由于降水和蒸发作用，在颗粒交接处存在孤立水，它们的存在必然引起基质吸力。随着干燥时间的进一步延长，土体中可供蒸发的水分越来越少，孔隙水连通性降低，毛细水作用逐渐削弱，水分主要分布在一些相对微小的孔隙中。此时，对于毛管水头以上部分的土体，其土颗粒孔隙间充满着空气和水，即处于非饱和状态。随着水分的蒸发散失，孤立水（自由水）必将引起基质吸力，以及在土颗粒结合水膜间的分子引力形成的凝聚力作用下，土颗粒间距会进一步减小，土体会发生小部分的收缩，此时，土颗粒基本已靠近，部分失水的体积将以空气来填充，在土体干缩残余阶段，失水体积大于收缩体积，收缩曲线呈下凹形。并且这一收缩现象在宏观上表现为裂缝在宽度上进一步增大，直至土颗粒自由水和弱结合水基本耗散完全，土颗粒间以强结合水或土颗粒分子引力胶结在一起。此时，该层土体基本处于固态，土体也不会发生收缩，该阶段为零收缩阶段。至此，土体收缩及裂缝产生已基本完成，裂缝的具体形成模拟图见图3所示土体的干缩模拟。图3土体干缩模型Fig.3Simulation diagram of soil shrinkage土体在干燥收缩过程中，含水量的变化是自上而下不同的，当下层能提供毛管水的自由液面消失时，土体绝大部分处于饱和状态，毛管力消失，裂缝形态基本确定。随着表层土体失水，裂缝进一步拓宽，裂缝基本发育完成，同样对于整个土体试样而言，土体的饱和度依然较高。在干燥收缩过程中，当饱和度在减少到0.90的过程中，试样的孔隙比迅速减少，并且收缩变形在此阶段完成，当饱和度减少到0.7时，孔隙比基本不变。水体表面处已处于半固态或固态（土颗粒紧密靠近，颗粒间几乎无水存在）水体处于非饱和状态（土颗粒孔隙间存在空气和水）毛细水管道土体处于饱和状态（土颗粒弱结合水膜相互靠近，孔隙间充满水）土体处于超饱和状态（土颗粒间距较大，孔隙间充满水）第8卷第3期111在干燥过程中，对土样孔隙比、饱和度、含水率等进行分析实验时，应该考虑到土体的含水量自上而下是不同的，这样得到的分析结果会较为严谨，可利用价值高。同时若进行实验的试样较小，整个土体试样每层含水量差别不大，则也可忽略由于土体含水量的分层而带来的对实验结果的影响。同时，土体干燥收缩和裂缝产生是相互交织在一起的两个过程，起初饱和土体体积收缩先于裂缝产生，随后裂缝产生和体积收缩是两个相辅相成的发展过程，并且两者最终完成阶段也基本相似，因此，在讨论一般的土体干缩时，不宜将两者分开论证，大部分的裂隙在正常收缩阶段完成发育，剩余裂隙主要在残余阶段完成发育，在干缩阶段也伴随着裂缝的产生。4结语近年来，国际上有关土壤裂缝的研究报道呈持续增长的趋势，关于土体干缩裂缝形成的机理越来越受到人们的重视，对工程建设和生态环境治理均有显著影响。笔者在本文中将土体干缩及裂缝形成发展的机理从力学机理方面进行了系统的探讨。目前国内外有许多学者对土体干燥收缩及裂缝产生机理方面进行了研究，取得了一些成果，普遍认同与毛管水压力或基质吸力有关。当前在基质吸力、毛管水压力方面的研究已较为成熟。但是能在这些研究基础上与土体干缩、裂缝产生结合起来来解释其力学机理的研究较少，大部分学者对这方面仅仅是简单的探讨，笔者认为若能将两个方面研究很好地结合在一起，建立起相关的理论模型，这将是未来领域研究的重点。参考文献1 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 C S,SHI B,LIU 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