基底潜山对土体失水收缩开裂动态过程影响的试验研究

基底潜山对土体失水收缩开裂动态过程影响的试验研究

龚绪龙1， 孙强1，2， 张卫强2， 薛雷3

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院)，江苏 南京210049；

2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116；

3.中国科学院工程地质力学重点实验室 中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029)

摘要：利用失水收缩性强的黏土，进行含有基底潜山和无潜山两种情况下土体失水开裂特征试验。研究表明：(1)土体失水开裂过程可划分为开裂前Ⅰ、快速开裂Ⅱ、开裂趋于停滞Ⅲ三个阶段；(2)含有潜山的试验中裂缝发育演化时受到了基底起伏的显著影响；(3)在Ⅲ阶段，尽管表面开裂仍在发生，裂缝发育的整体格局已经不再发生显著变化；从裂缝形态看，后期裂缝与前期裂缝主要呈现为垂直相交，特别是在起伏区范围内。饱和黏土表面开裂主要是由水分丧失引起的土体基质吸力和表面收缩率的变化产生的，边界条件和基底起伏对开裂有着显著控制作用。

关键词：地质环境； 土体裂缝； 地质灾害； 潜山

收稿日期：*2014-08-20

基金项目：国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室开放课题；国家自然科学

作者简介：龚绪龙(1982-)，男，湖北枝江人，工程师，主要从事环境地质领域研究.E-mail：xulonggong@126.com

通讯作者：孙强(1981-)，男，河北衡水人，副教授，主要是从事工程地质与地质灾害教学与研究工作.E-mail：Sunqiang04@126.com

中图分类号:P642.11文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0011

The Influence of a Buried Hill in Basement on the Dynamic

Process of Cracking Due to Soil Desiccation

GONG Xu-long1， SUN Qiang1，2， ZHANG Wei-qiang2， XUE Lei3

(1.KeylaboratoryforEarthFissuresGeologicalDisaster，MinistryofLandandResources，Nanjing，Jiangsu210049，China；

2.SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221116，China；

3.KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics，InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademy

ofSciences，Beijing100029，China)

Abstract：The cracking of soil has resulted in significant geological engineering and environmental problems.Indoor experiments on water loss ratio and the desiccation cracking of clay were carried out at room temperature.The research results indicate that：(1) the cracking progress can be divided into pre-cracking， rapid cracking， and cracking stagnation stages， (2) the cracking process is influenced by the buried hill of basement， and (3) though the surface cracking persists， the pattern of cracking has not significantly changed.The later cracks were approximately perpendicular to the early cracks，especially in the basement zone.The change in metric suction and surface shrinkage through water loss leads to the desiccation and cracking of the clay and the cracking process is controlled primarily by the boundary and geomorphologic form of the basement.

Key words： geological environment； soil crack； geological hazard； buried hill

0引言

土体开裂是地表土层发生变形的一种现象[1-3]。随着人类工程活动和资源开发的影响日益扩大，地裂缝的发育和扩展带来了大量的危害[4-20]。例如，导致土体强度降低[4-5]，诱发土质边坡失稳[6-8]；地基承载力下降，引起上部建筑物变形破坏[9-11]；诱发堤坝溃决[12]；导致土壤水分快速蒸发，致使土壤肥力下降[14-20]等。因此，土体开裂成为众多研究人员关注的问题。

土体裂缝成因大致可划分为构造和非构造两种。构造裂缝有规律可循，几何形态一般较为简单，多呈现为一组或多组主控裂隙(如平行、共轭或垂直等)，在底部岩层中亦相应裂缝发育；裂缝发育规模和区域较大，延伸较长，分支较少，纵向切深较大，剪切裂隙；基底构造简单平缓的地带一般不发育。对区域工程活动起到制约性影响。非构造裂缝发育多呈现为较为杂乱形态，一般无固定的组(系)；裂缝发育规模小，一般多集中在局部地带或区域，与基底岩层裂缝无对应关系；裂缝发育地带内其规模和形态变化很大，一般延伸和纵向切深较小。目前对考虑构造效应和非构造效应共同作用下土体裂缝研究还很少。

事实上土体开裂现象在近地表环境十分普遍，但其发生需要具备一定的条件。一般说来土体开裂主要受物质基础、受力状态、边界环境三方面因素的影响。物质基础包括土体的矿物组成、含水量等，是开裂现象所依附的载体和承受体；受力状态控制着土体变形规律和临界开裂条件；边界环境因素决定着土体与周围介质之间的物质和能量交换。上述三个因素可以表示为图1(a)所示的封闭三角形。土体开裂三角形基本上对影响土体开裂因素进行了高度概括，可以对土体开裂现象的发生和发展进行解释。但是，为了更好地对土体开裂发生和发展的时空演化特征和临界条件进行研究，将开裂三角形扩大到包括土体结构(影响着开裂的孕育和演化过程)在内的附加维，从而形成了图1(b)所示的土体开裂四面体。

图1　土体开裂主控因素 Fig.1　The main control factors of soil cracking

本文利用失水收缩性强的黏土，进行含有基底潜山和没有潜山两种情况下的土体失水开裂特征试验，在此基础上分析探讨土体干缩开裂发育的动态过程特征与基底起伏对裂缝发育的影响。

1试验设计

试验模型箱用50 cm×50 cm×30 cm的玻璃制成。试验分为无潜山和底部含有潜山两种情况进行。试验对黏土处于自然风干状态下失水产生裂缝进行研究。所取黏土属风化残积物，其物理力学性质如表1。试验时将土和水充分搅拌，使黏土处于流动状态(图2)，然后对试验过程进行了连续观测，对其失水收缩与开裂过程进行了详细记录。

图2　试验初始状态 Fig.2　The initial state of test model

内容数值塑限ωp/%28液限ωL/%37塑性指数ⅠP/%9比重2.69小于某粒径/mm的百分含量/%<0.0020.41<0.0061.85<0.014.39<0.02516.7<0.03829.5<0.05343.1<0.07562.8

无潜山的试验是箱底直接平坦的情况，饱水黏土初始厚度5 cm，放置于通风较好位置。底部含有潜山的试验设计为：底部预置4 cm高混凝土，在中部预设了由硬化的水泥构成的7 cm高的潜山(图3)，潜山顶点到图中上、下、左、右侧容器壁的垂直距离分别为25、25、23、27 cm；潜山底部半径约为13.2 cm；图3(b)中显示的A、B点为设计的潜山陡面处(红色线所圈区域)的曲率近似最大位置；试验时饱和黏土覆盖厚度约为12 cm(超过潜山顶面3 cm)。

图3　模型装置 Fig.3　Test model

2开裂过程裂缝发育特征动态分析

2.1无潜山试验裂缝发育特征

由图4可知，在静置8天(190 h，图4(a))左右时土体已经出现了较为明显的裂缝发育迹象；10天(240 h，图4(b))时裂缝已经发育至整个试样表部范围内，通过与图4 (c)、(d)对比分析可知，此时试样的最终裂缝发育形态已经有所显现；在之后随着土体水分的进一步失去，土体裂缝的宽度和深度迅速增加，并且在已经被切割的土体小块上发育了新的次一级裂缝，造成土块进一步被切割。从裂缝发育和演化的过程来看，裂缝一般首先在容器的边缘出现，初始裂缝和次一级裂缝之间多呈现为垂直关系。

图4　 裂缝演化过程(无潜山) Fig.4　Development process of cracks (without buried hill)

2.2含基底潜山试验裂缝发育特征

按裂缝出现时间顺序对主要裂缝进行了编号：F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11。随着失水增加，土体裂缝开始出现在位于边界范围的区域(图5)，开裂的起点位于右侧器壁，F1的发育演化显著受边界条件的影响，而与潜山基本无关联。随着土体失水增加，已形成的裂缝F1的长度、宽度和深度快速生长；另外容器边缘部位也有长度较短的裂缝发育(图5(b)～(d))。

图5　土体开始开裂 Fig.5　The beginning of soil cracking

图6显示出其后发育的主要裂缝F2、F3、F4、F5、F6、F7都在潜山范围内发育；F2、F3、F4三条裂缝的开裂点近似与图3(b)中的A点对应，三条裂缝呈现为放射状发育；F5的开裂点与图3(b)中的B点对应，且与F4垂直相交；F6、F7两条裂缝近似平行发育，且与F3、F5垂直；F2、F3、F4、F5、F6、F7将潜山顶部切割为孤立的块体。

由图6可以明显地看出， 裂缝的发育演化径迹和过程受到了基底起伏的显著影响，体现为裂缝发育长度超长，且裂缝整体开裂方向围绕潜山发育。这个阶段的开裂与基底起伏造成的沉降差有关，潜山周围所在位置更加有利于水分的蒸发。从开裂的空间形态来看，裂缝发育整体格局都明显受到了潜山的控制，主要裂缝F2、F3、F4、F5、F6、F7的开裂点均在潜山范围内；且由图6(a)～(d)可知，在439～901 h的时间段内的裂缝发育规律主要为：(1)F1～F7裂缝的长度、宽度和深度有了很大发展，成为控制了后续裂缝的发育；(2)潜山范围外的区域裂缝多发育在容器边缘位置，且规律相对不明显，如F8、F10的开裂点位于土体与容器交界部位，且三条裂缝均发育在前期控制性裂缝切割形成的土块上；(3)潜山顶部范围土体开裂程度最为严重，近似呈放射状开裂，且可以从顶部看到模型预先设计起伏所用的硬化水泥。需要指出的是，若含水量进一步降低，图6中较大的块体仍有可能开裂，但这个过程需要更长时间。

图6　裂缝演化过程 Fig.6　Development process of the cracks

图7中圈出了基底起伏涵盖的范围，并给出了568 h后的土体表面高度的等值线(568 h之后等高线几乎不变)。根据图7可知，潜山范围内的主要裂缝F2、F3、F4、F5、F7发育基本都在等值线较为密集的部位，即主要裂缝的开裂点近似对应着潜山的山腰位置(如图3(b)中A、B点所对应部位)，该部位开裂点的形成明显受到了土体收缩过程中局部应力场和变形场控制。

图7　土体裂缝发育与地形等值线 Fig.7　Developement of soil cracks and terrain contour

试验时土样初始含水量较高，在试验的前410 h，土样表面未观测到发生明显开裂现象，但在玻璃与土样交界部位可以发现较为明显的收缩痕迹。根据试样开裂过程中表面开裂率(试样表面裂缝面积总和与试样初始表面面积的百分比)和裂缝发育条数，可以将裂缝发育演化的动态特征过程划分为开裂前Ⅰ(0～410 h)、快速开裂Ⅱ(410～640 h)、开裂趋于停滞Ⅲ(>640 h)三个阶段(图8)。这里，需要说明的是，尽管在第Ⅲ阶段裂缝的条数和开裂面积率仍然会有较大增长，但从开裂后土体裂缝的空间分布格局来看，已经不会产生大的改变。

图8　裂缝面积率、裂缝条数与时间的关系曲线 Fig.8　Relationship between crack area ratios，crack numbers and time

3结论与建议

通过室内试验对有无基底潜山的土体失水开裂的全动态过程进行了研究，得到了以下结论。

(1) 土体失水开裂过程可划分为开裂前Ⅰ、快速开裂Ⅱ、开裂趋于停滞Ⅲ三个阶段。

(2) 裂缝动态演化过程中受到了模型边界和潜山起伏的显著影响；在潜山起伏区，裂缝开裂点一般位于潜山山腰拐点处，山顶裂缝近似呈放射状发育；潜山区的主要裂缝是整个区域发育的控制性裂缝。

(3) 从裂缝形态看，后期裂缝与前期裂缝主要呈现为垂直相交，特别是在潜山范围内和土体与容器交接的边缘部位。

对于土体开裂的过程中不同期次发育的物理力学-几何形态的动力学过程和机理需进一步深入分析。需要指出的是，由于土体失水开裂过程的复杂性，特别是土体本身物理性质、基底起伏形态、容器几何-物理特征和环境因素等，需进一步深入研究。

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