两处粘性土龟裂发展规律的实验分析

两处粘性土龟裂发展规律的实验分析

施国栋，孙柏坤，廖振修

(安徽建筑大学土木工程学院，合肥230601)

摘要：通过对两处粘土和粉质粘土的室内龟裂实验，运用裂隙的统计方法和分形理论对不同温度条件下形成粘性土龟裂的表面结构特征进行了定量统计与分析，研究了龟裂发展与温度之间的关系，实验表明：龟裂的发育方式为三种，即极点推进式、平行推进式和环绕推进式；温度对粘性土表面龟裂长度、节点个数、条数、裂隙率和分维值等参数有重要影响，且对粘土和粉质粘土等不同土质的影响具有一定的差异性。

关键词：粘性土；温度；龟裂；裂隙率；分维值

收稿日期：2014-11-08

基金项目：国家自然科学

作者简介：施国栋(1980-)，男，讲师，主要研究方向为工程地质及地质灾害。

中图分类号：TP391.41

Experimental Analysis of the Development Law of

Clayey Soil Cracks from Hefei's Two Areas

SHI Guo-dong,SUN Bai-kun，LIAO Zhen-xiu

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui, Hefei, 230601)

Abstract:By designing interior cracking experiments on clayey soil cracks from Hefei's two areas and silty clay soil, in which the quantitative statistical analysis of crack and fractal theory is applied to the structural characteristics of crack surface of clayey soil in various temperatures. The influence of temperature on crack development was revealed. The results show three ways of such development and a significant impact on the following parameters as length, number of nodes, number of fissure, fissure rate and fractal dimension of clay surface crack. Moreover, the influence differs in terms of clay and silty clay soil.

Key words:clayey soil; temperature; desiccation cracking; fissure rate; fractal dimension

1引言

粘性土体失水时常常会出现龟裂现象，表现为粘性土的泥裂或裂隙。龟裂在自然界中普遍存在，它是影响土体强度、稳定性及渗透性的重要因素[1-4]。对龟裂进行定量化描述是揭示土体龟裂发育机理及其演化规律的前提。龟裂的形成和发展具有极其复杂性，容易受到外界环境温度、湿度等的影响，定量化程度较低。目前国内外对龟裂的研究大多只停留在它表面形态学方面。

粘性土主要由亲水性矿物组成，具有吸水膨胀、失水收缩的特性。在失水收缩时会产生张拉应力使土体产生龟裂，并随着水分的丢失、含水量的降低而进一步发展，因此环境温度的变化是龟裂发生的重要影响因素。

本文即是为了研究温度对粘性土表面龟裂形态及发展演化规律的影响，借助101-2型电热/鼓风恒温干燥箱等仪器设备，设定不同的温度条件，分别对合肥两处粘土和粉质粘土两种类型的土样进行龟裂模拟室内实验。将获得的龟裂结构网络进行定量分析及对比，结合分形理论分析粘性土龟裂的形成过程，得出龟裂网络形态结构的关键指标。

2采样及实验方法

2.1采样

实验中所采用的粘性土一共有两种土样，其中土样1为安徽建筑大学土木楼北侧(31°44'41.2''N，117°13'07.4''E)所取到的粘土，土样2为合肥市肥西工业聚集区合肥骏马机械厂(31°46'26.4''N，117°05'58.5''E)所取的粉质粘土，通过实验测定两种土样的物理性质指标结果如表1所示，可判定两种土样均为膨胀土。

表1　两种土样的物理性质指标

2.2实验方法

将所取土样通过上述恒温干燥箱在105℃条件下烘干碾碎并过0.5mm细筛，放置在干燥箱中备用。称取2000g土样放置在宽30cm长45cm的矩形托盘内，使土体均匀分布在托盘底部，厚度为2.4cm。为了使土颗粒与水充分混合，按90%的含水率配置试样，使其处于流动状态。

每种土样配制了3个试样，分别为试样1、试样2、试样3，用保鲜膜将托盘顶部封住静置12h，之后将三组试样分别呈水平状态放入烘箱中，调节烘箱的温度，分别在40℃，50℃和60℃下恒温干燥，干燥过程中定时称重和拍照，在土样表面出现龟裂后，加大拍照频率。当试样出现第一条龟裂纹时，在裂纹处取少量的土体进行含水量的测定。如果试样的重量在两个小时之内无变化，即可认为干燥过程已经完成，龟裂形态趋于稳定。

3实验结果处理

3.1图片处理

拍摄龟裂相片时保证相机镜头平面与试样呈平行关系，且每次拍摄时的相对位置保持一致，以便与前后相片进行对比分析。为防止边缘效应对实验结果的影响，对所有的图片均进行剪切，除去边缘细小龟裂纹，选择图片中心区域作为研究对象，并对其进行二值化处理。处理后黑色代表龟裂纹，白色代表块区。

3.2龟裂参数

实验中龟裂的量化参数描述包括龟裂的总长度L、条数Nl、节点数量Nn、平均长度La、宽度范围W、试样刚发生龟裂时的含水量ω等，这些量化参数统称为龟裂网络的度量指标。

4实验结果与分析

4.1龟裂的发育方式

实验中对所有试样进行观察，总结得出粘性土龟裂的三种发育方式。

极点推进式：以某一角点或试样一侧某处开始向内部延伸出一条或几条主裂隙，再由这几条主裂隙延伸衍生出许多子裂隙向四周扩散。

平行推进式：龟裂从试样两侧开始，然后逐渐向内部延伸直至将中间部位完全切割。若两侧的龟裂发育时间大致相同，则两侧龟裂宽度也大致相同，若一侧早于另一侧则表现出早开裂一侧龟裂宽度大。

环绕推进式：龟裂开始发育时没有明显的起始位置，始终均匀发展，在整个试样四周均布的生长出细小裂隙，再由这些裂隙衍生出许多更小的裂隙，将试样切割破碎。

4.2温度对龟裂结构形态的影响

由图1可知土样1的龟裂发育情况随温度的升高而密集，龟裂的宽度在不断增大，最大宽度可达到16.1mm，并且龟裂的发育程度越复杂，块区的面积越来越小。土样2龟裂发育情况则不同，在低温情况下龟裂发育越完全，块区面积较小，随温度的升高，龟裂宽度由0.2mm增大到15.7mm。

图1土样1、2在各温度条件下试样表面的龟裂网络

分析结果表明，温度越高，龟裂发育历时越短，龟裂的最终宽度越宽，龟裂刚发生时的含水量均接近于液限，但都比液限值略大一些。而对于两种土样龟裂的条数、节点数量、总长度和宽度等随温度的变化有一定的差异性。

当温度从40℃升高到60℃，土样1龟裂发育历时由37h减小到29h，龟裂最大宽度(Wmax)可达16.3mm，龟裂条数(Nl)从33条增加到49条，节点数量(Nn)从39增大到50，龟裂的总长度(L)从287.1cm增大到409.2cm，平均长度(La)为8.54cm。刚发生龟裂时的含水量(ω)为39.6%略大于其液限值37.7%。相应的，土样2龟裂发育历时由39h减小到16h，龟裂最大宽度为11.9mm，龟裂条数从117条减小到54条，节点数量从183减小到75，龟裂总长度从602.3cm减小到376.8cm，平均长度为6.07cm。刚发生龟裂时的含水量为47.9%略大于其液限值46.6%(表2)。

表2　试样龟裂网络相关参数的测量结果

两种土样的差异性在于粘土龟裂总长度、条数和节点数目随温度升高而增大，粉质粘土却减小；粘土龟裂平均长度随温度增大而减小，粉质粘土却增大。

4.3裂隙率及分维值

分形理论[5]在研究不规则形状的量化分析方面具有重要意义，将其应用于土体龟裂研究中，可以反映出龟裂的不规则程度及复杂程度。为了更好的研究龟裂的发展规律，本文结合分形理论对龟裂网络进行量化分析，采取两个度量龟裂的综合性指标，即裂隙率P和分维值D。

裂隙率P为龟裂的面积与土样总面积之比。本文将图片进行二值化处理后，裂隙率即为黑色部分面积与图片总面积的比值。分维值D则采用“数格子法”确定，具体步骤是：(1)构造边长为ξ1的正方形网格将其覆盖在龟裂开展的图片上；(2)读取与裂隙相交的正方形的个数N(ξ1)；(3)改变正方形网格的边长为ξ2并读取相应的N(ξ2)，依此类推；(4)整理并绘制出lgξi-lg N(ξi)的散点图；然后进行最小二乘法拟合直线，该直线斜率的负值即为分维值[6]。

实验测得结果如下，土样1在40℃、50℃和60℃温度时的裂隙率分别为14.34%、22.38%和25.80%，增长率为56.1%和15.3%；对应的分维值分别为3.32、3.84和4.06，增长率为15.7%和5.7%。相应的，土样2在40℃、50℃和60℃温度时的裂隙率分别为22.89%、24.68%和26.46%，增长率为7.8%和7.6%；对应的分维值分别为3.14、3.80和4.00，增长率为21.0%和5.3%(表2)。温度相同时，土样1的裂隙率小于土样2，而分维值却大于土样2(图2、图3)。

分析结果知，土样龟裂发育稳定时的裂隙率和分维值都有随温度升高而增长的趋势，龟裂表面结构形态趋于复杂，但增长的幅度逐渐减小。且相同温度条件下，粘土的裂隙率小于粉质粘土、分维值却大于粉质粘土，由此可见，温度对两者的促进作用具有一定的差异性。

5结论

本文就温度对粘土和粉质粘土龟裂发展的影响进行了实验分析，对龟裂表面结构形态进行了量化分析，得出以下结论：

(1)土样在失水过程中，龟裂的展开形态具有随机性，但主要的发育方式可总结为三种，即极点推进式、平均推进式和环绕推进式。

(2)温度越高，土样失水越快，龟裂发育历时越短，相应的最终宽度也越宽，而且刚发生龟裂时的含水量都接近于液限，都比液限值略大一些。

(3)粘土和粉质粘土等不同土质龟裂的条数、节点数量、总长度和宽度等随温度的变化关系具有一定的差异性。

(4)土样龟裂发育稳定时的裂隙率和分维值都有随温度升高而增长的趋势，龟裂表面结构形态越复杂，但增长的幅度逐渐减小。且相同温度条件下，粘土的裂隙率小于粉质粘土、分维值却大于粉质粘土。

参考文献

1刘兴，王媛，冯迪．基于形态学理论的土体裂隙边缘分形维数计算[J]．河海大学学报(自然科学版)，2013(7)：331-335．

2唐朝生，施斌，刘春，等．影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析[J]．水利学报，2007，38(10)：1186-1193．

3施斌，唐朝生，王宝军，等．粘性土在不同温度下龟裂的发展及其机理讨论[J]．高校地质学报，2009，15(2)：192-198．

4唐朝生，施斌，刘春，等．黏性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析[J]．岩土工程学报，2007， 29(5)：743-749．

5陈尚星．基于分形理论的土体裂隙网络研究[D]．南京:河海大学岩土工程研究所，2006．

6周东，王利明，欧孝夺，等．环境温湿度对粘土干缩裂缝结构形态影响[J]．广西大学学报(自然科学版)2012，37(2)：204-209．