昆明呈贡石灰岩上覆红黏土干缩裂隙的温度效应

何岱洵，张家明，陈 茂，龙郧铠，徐则民

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

红黏土是红土的一个亚类（屈儒敏等，1987；Gao，2014），是一种分布于热带、亚热带的区域性特殊土（范闻芳和Clarke，1972；徐则民等，2005；杨社锋等，2006）。红黏土对干旱比较敏感（D’angelo et al.，2014），干缩裂隙普遍发育，在土木、水利和岩土等工程领域引发各种问题（裴银鸽等，2012；何忠明等，2019；王双明等，2022）。例如，湖南郴宁高速公路沿线分布有大量红黏土，用红黏土填筑的路堤产生很多裂隙，大大降低了路堤的强度和稳定性，干缩裂隙还导致红黏土路堑边坡滑坡（陈爱军等，2013）；贵州高速公路红黏土边坡开挖后普遍发生坍塌（张涟英等，2014）；贵州安顺老海子水库用红黏土作防渗衬砌，旱季红黏土干裂，雨季水库蓄水初期发生大量渗漏（彭宏艳，1996）；2010年至2013年，昆明地区连续四年大旱，红黏土失水产生大量干缩裂隙，诱发了多起高压输电线铁塔基础不均匀沉降（吴让新等，2015）。

红黏土干缩裂隙的现有研究主要集中在干湿循环对表面干缩裂隙结构形态的影响（吴胜军等，2011；杨澍，2014；赵雄飞等，2016）。例如，陈开圣（2018）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（2018）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（2019）精细设计边坡模型试验，探索了贵阳花溪红黏土裂隙宽度、深度、裂隙率、条数、长度、块区数随干湿循环的变化规律；熊俊豪等（2020）研究了桂林雁山红黏土干湿循环次数对裂隙率、裂隙长度的影响。

温度是影响土体干裂的主要外部因素（唐朝生等，2012）。唐朝生等（2007a，2012）、施斌等（2009）研究了温度对南京黏性土（下蜀黄土）和巴黎Romainville膨胀土干缩裂隙形成和演化的影响。红黏土与其他黏性土、膨胀土不同（廖义玲等，2000；黄丁俊等，2015；穆坤等，2016），但是关于温度对红黏土干缩裂隙结构和形态影响的研究还未见报导。以往研究红黏土干缩裂隙都是以压实样为对象，但是作为基础研究，泥浆样结构简单，相对均质，易于制备，试验具有较好的重复性，便于结果分析（唐朝生等，2012）。因此，为探究温度对红黏土干缩开裂的影响，本研究以初始饱和的红黏土泥浆样为对象，试验分析了温度对红黏土水分蒸发、干缩裂隙的形成和演化，以及表面干缩裂隙结构形态的影响。研究结果为进一步认识红黏土干缩开裂机理及红黏土地区的工程防灾减灾有重要指导意义（刘庆等，2022）。

1 试验材料和方法

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1.7 m，无植被根系，避免了根系和先期干裂的影响。其基本物理性质如表1所示，黏粒（<5 μm）的XRD测试结果如表2所示。

表1 红黏土的基本物理性质Table 1 Physical behaviors of red clay

表2 红黏土黏粒（<5 μm）的矿物成分Table 2 Mineral components of clay（<5 μm）in red clay

1.2 试验方法

试验步骤如下：（1）将获取的土样在实验室内经过风干和粉碎处理，并通过2 mm筛孔筛选；（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350 mm×350 mm×100 mm的正方形钢化玻璃容器中倒入1814 g泥浆，在木桌子上均匀地手工振动玻璃容器，制备成厚度10 mm的均质泥浆样。按此步骤一共制备9个试样，并先后用保鲜膜、湿抹布密封玻璃容器，静置于暗室24 h；（4）将试样分成3组S1、S2和S3，每组3个平行样，用控温烘箱分别进行30℃、50℃和70℃恒温干燥试验，试验环境条件为恒温常压，测试结果取平均值。干燥过程中定时称重试样和对试样表面进行拍照，土样表面出现裂隙前、后的拍照间隔分别是1 h、0.5 h。图1所示为自制的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。如果试样的质量在两个小时之内无变化，即认为干燥过程完成（唐朝生等，2012）；（5）干燥试验结束后，在试样中间区域选择15～20块土块，用游标卡尺测量土块厚度；（6）最后将整个试样105℃烘干，测量试样的干土质量，并用蜡封法测量若干土块的体积，计算土块的干密度；（7）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。

图1 干缩裂隙试验装置Fig.1 Test device of desiccation cracking

1.3 图像处理

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）（施斌等，2009）进行图像处理。以土样S1-2的末期图像为例，流程如图2所示：（1）裁剪中心区域：由于玻璃容器边界的影响，裂隙在其附近比在中心区域更加杂乱破碎（图2a）。为了抑制边界影响，增强分析结果的准确性，选择了中心的700像素×700像素区域（图2b）作为分析目标，相当于实际的156.5 mm×156.5 mm区域，图像的解析度为4.47像素/mm；（2）灰度转换：将原彩色图像转化为灰度图像（图2c）；（3）图像二值化：通过设定灰度阈值，灰度图像被转化为黑白图像（图2d），黑色区代表裂隙，白色区代表块区；（4）去噪点：由于试样杂质和图像噪声等因素（Liu et al.，2016），二值化处理后，块区中存在一些孤立的小黑点，但并非裂隙（图2e）。裂隙由于其深度穿透了试样的厚度，底部反光导致裂隙中间形成孤立的白色小区域，但这并非块区（图2f）。因此，应用软件的去噪功能，消除块区中的小黑点以及裂隙中的白色小区域；（5）基于修正后的二值化图像，得出裂隙和块区的统计参数（图2g）。

图2 图像处理流程Fig.2 Image processing proceduresa-原始图像；b-裁剪中间区域；c-灰度图像；d-二值化图像；e-去除块区中的小黑点；f-去除裂隙中的白色区域；g-参数汇总表a-original image；b-cropped center area；c-gray level image；d-binary image；e-after removal of small black spots in aggregates；f-after removal of white areas in cracks；g-parameter summary

1.4 测量参数

本研究测量的参数如下：

（1）初始开裂时间tic（试样表面刚出现裂隙的时刻），裂隙条数稳定时间tni，裂隙长度稳定时间tl，表面裂隙率稳定时间trsc，干燥完成时间tf。由于存在图像误差和处理误差，试验末期图像处理所得的表面裂隙率都有微小的变化，因此以最后一刻图像的表面裂隙率为基准，表面裂隙率差值刚好小于0.1%时对应的时刻定义为trsc。

（2）不同时刻试样的含水率w和蒸发速率Re（单位时间内的失水质量，g/h），试样的初始含水率wini，初始临界含水率wic（tic对应的含水率）和最终含水率wf（tf对应的含水率）。

（3）裂隙交点数Nn和裂隙条数Nl，裂隙节点包括端点和交点，其中交点为三条或三条以上裂隙的相交点，两个相邻节点之间为一条裂隙（Liu et al.，2016）。

（4）裂隙总长度L，裂隙平均长度La，裂隙平均宽度W。

（5）土块数Na，土块平均面积Sav，土块最大面积Smax。

（6）表面裂隙率Rsc、平均干缩厚度Hf、土块的干密度ρd，其中表面裂隙率为裂隙面积与试样的初始总面积之比，平均干缩厚度为tf对应时刻多块土块厚度的平均值。

（7）表面裂隙的分形维数D，软件采用盒维法计算所得（唐朝生等，2012；Liu et al.，2016）。

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

蒸发速率Re与干燥时间的关系称为蒸发曲线，含水率w与干燥时间的关系称为干燥曲线（唐朝生等，2012）。如图3 所示，红黏土的蒸发曲线形状与膨胀土（唐朝生等，2012）类似，而且不同温度条件下的蒸发曲线形状相似，可分为3个阶段：Ⅰ常速率阶段、Ⅱ减速率阶段和Ⅲ稳定阶段。在30℃、50℃和70℃干燥试验中，常速率阶段的平均蒸发速率分别为11.27 g/h、24.75 g/h 和43.80 g/h，随后水分蒸发进入减速率阶段，最后是稳定阶段。不同于膨胀土（唐朝生等，2012），无论高温还是低温干燥试验，红黏土的减速率阶段历时最长，常速率阶段历时次之，稳定阶段历时最短。常速率阶段和减速率阶段的历时随温度升高而减短，稳定阶段历时与温度的相关性不明显。此外，根据干燥曲线计算发现，温度升高，常速率阶段的蒸发份额逐渐增大，30℃时占37.01%，50℃时占41.66%，70℃时占60.71%，这与膨胀土（唐朝生等，2012）也不相同。

图3 试样蒸发速率及含水率随干燥时间的变化Fig.3 Changes of evaporation rate and water content of specimens with drying timea-30℃干燥试验；b-50℃干燥试验；c-70℃干燥试验a-30℃desiccation test；b-50℃desiccation test；c-70℃desiccation test

试样静置过程中有不同程度的蒸发，3 组试样的平均初始含水率wini在92.25%～95.59%之间，但差异不大（图3），每组3个平行样的初始含水率几乎相等。红黏土的干燥曲线形状与膨胀土（唐朝生等，2012）类似，而且不同温度的干燥曲线总体相似，在干燥初期（常速率阶段），试样含水率与干燥时间几乎呈直线关系，随后（减速率阶段）干燥曲线趋于平缓，最后（稳定阶段）干燥曲线几乎水平。温度对干燥曲线的影响主要体现在两个方面（表3）：（1）温度升高，干燥完成时间tf减短，最终含水率wf降低（30℃、50℃、70℃时，tf=120.3 h、57.3 h、31.3 h，wf=3.87%、3.04%、1.52%）。（2）温度升高，水分子的运动速度和动能增大，而水的粘滞性、表面张力及土体的持水能力减弱，黏土颗粒的部分吸附结合水转化为自由水，扩散层变薄，黏土颗粒对水分子的有效约束能力降低，空气湿度降低，土-气界面间的相对湿度梯度增大，这些变化都导致土中水更容易逃逸到空气中（唐朝生等，2012），因此红黏土的水分蒸发速率随温度升高而增大。随着干燥的持续，土体含水率降低，可蒸发水源减少，吸力增大，土-气界面间的相对湿度梯度降低，水-气界面埋深增大，气泡干扰水汽分子的迁移，这些变化都将导致水汽分子的逃逸受阻，逃逸路径变长（唐朝生等，2012），因此蒸发速率逐渐降低。影响土体水分蒸发的因素可归纳为两大类：外部环境因素、内部土性因素（欧阳斌强等，2016）。红黏土与膨胀土的土性因素不同，即使外部环境因素一致，蒸发速率也不会相同。就泥浆样室内干燥试验而言，导致蒸发速率不同的主要土性因素可能是成分（粒度成分、矿物成分和化学成分）差异、水的形态差异、水分常数差异和土体结构差异。

表3 出现裂隙和裂隙稳定时的时间及对应含水率Table 3 Time and water content in the beginning and stable state of cracks

2.2 红黏土干缩裂隙的形成和演化过程

根据红黏土干缩裂隙形成和发展的特点，确定4 个时间参数：初始开裂时间tic、裂隙条数稳定时间tni、裂隙长度稳定时间tl、表面裂隙率稳定时间trsc（表3）。以这4 个时间为界，将红黏土的形成和演化分为5 个阶段。无论高温还是低温干燥试验，红黏土的形成和演化过程类似，以试样S1-3的局部图像为例简述各个阶段的特点（图4）。

图4 试样S1-3的干缩裂隙发展过程Fig.4 Formation and development process of surface cracks for the samples S1-3a-失水29 h；b-失水35 h；c-失水39 h；d-失水44 h；e-失水69 h；f-失水85 h；g-失水116 h；h-失水121 ha-drying time of 29 h；b-drying time of 35 h；c-drying time of 39 h；d-drying time of 44 h；e-drying time of 69 h；f-drying time of 85 h；g-drying time of 116 h；h-drying time of 121 h

第1 阶段，裂隙孕育阶段（试验起时～tic）。随着土体水分蒸发，饱和泥浆样的含水率快速降低，土样表面首先转变为非饱和状态，在土颗粒间的张应力与抗拉强度相互作用下，土颗粒非均匀运动，发生相互靠拢或分离。

第2 阶段，裂隙形成阶段（tic～tni），可细分为龟裂形成期和龟裂发展期（施斌等，2009）。随着土颗粒非均匀运动加剧，土体发生非均匀收缩，在土样表面出现若干孤立的主裂隙（图4a），主裂隙继续延伸并近似垂直相交，形成主裂隙网络和初级块区（图4b）。在主裂隙形成的同时或形成后，主裂隙垂直衍生出子裂隙（图4c），子裂隙与其他裂隙垂直相连形成次级块区，子裂隙再衍生出次子裂隙，形成更次级块区（图4d），依次类推，直到最后一条裂隙开始形成。

第3 阶段，裂隙条数稳定阶段（tni～tl），也称为龟裂稳定期（施斌等，2009）。裂隙条数不变，长度不断增长（图4e～4f）。

第4 阶段，裂隙长度稳定阶段（tl～trsc）。裂隙长度不变，裂隙网络结构已经定形，但裂隙宽度不断增大，表面裂隙率继续增长，块区形状基本不变，但面积仍继续缩小（图4f～4g）。

第5 阶段，表面裂隙率稳定阶段（trsc～tf），也称为龟裂固定期（施斌等，2009）。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，蒸发速率最终为零（图4g～4h）。

但是，不同温度条件下，红黏土干缩裂隙的形成和演化过程仍然存在显著差异。如表3所示，温度升高，初始开裂时间、裂隙条数稳定时间、裂隙长度稳定时间、表面裂隙率稳定时间和干燥完成时间减小。图5为干缩裂隙形成和演化5个阶段的时间比例分布图，温度升高，裂隙孕育时段和裂隙条数稳定时段的比例下降，裂隙形成时段和裂隙长度稳定时段的占比变化不大，而表面裂隙率稳定时段的比例增大，说明高温加快红黏土干缩开裂。这是因为温度升高，蒸发速率增大，土体含水率快速降低（图3），基质吸力发展迅速，土颗粒间的张应力快速超过土粒间的抗拉强度，产生裂隙（唐朝生等，2012）。初始临界含水率wic随温度升高而增大（表3），说明高温条件下红黏土更容易干缩开裂。这是因为蒸发从土体表层开始，温度越高，表层土体的含水率快速减小，基质吸力快速增大，而表层以下土体的含水率还维持饱和状态，基质吸力为零，导致土体水分分布和基质吸力分布的非均匀性增大，土-气界面间的相对湿度梯度增大，土体更容易开裂，开裂时的wic更大。此外，有研究表明土体的强度参数随温度升高而降低（Mitchell，1964；Huckel et al.，1990），有利于土体开裂。

图5 干缩裂隙发展时间段比例分布Fig.5 Time period distribution of development of desiccation cracks1-裂隙孕育时段；2-裂隙形成时段；3-裂隙条数稳定时段；4-裂隙长度稳定时段；5-表面裂隙率稳定时段1-gestation stage of desiccation cracking；2-initiation and development stage of desiccation cracking；3-stable stage of crack segment number；4-stable stage of crack length；5-stable stage of surface crack ratio

表面裂隙率Rsc与含水率w的关系称为开裂曲线（唐朝生等，2012）。如图6所示，不同温度的开裂曲线形状相似，在裂隙出现的初始阶段，Rsc随含水率的减小缓慢增加，随后Rsc进入快速线性发展阶段，最后RSC逐渐趋于稳定。这与干缩裂隙的形成和演化过程有关，在初始阶段，仅形成数条孤立的主裂隙，以长度延伸为主，Rsc增加缓慢，随后每条主裂隙同时衍生出数条子裂隙，主裂隙以宽度增加为主，Rsc增加迅速，最后主裂隙不再变化，子裂隙以长度增加为主，宽度变化不大，Rsc逐渐稳定。试验完成后，30℃、50℃和70℃干燥试样的表面裂隙率平均值分别为27.3%、29.4%和30.5%，说明高温促进干缩裂隙的发展。这是因为高温环境下，基质吸力增加速率快，表层土体中吸力的增加会导致土颗粒排列更紧密，为裂隙发展提供更多的空间（唐朝生等，2012）。

图6 干燥过程中试样表面裂隙率与含水率的变化关系Fig.6 Changes of surface crack ratio with decreasing water content during drying

2.3 红黏土表面干缩裂隙结构形态

2.3.1 裂隙网络结构

3 种温度下红黏土试样的典型表面裂隙结构如图7所示，可以看出，温度越低，裂隙宽度越小，间距越密，土块面积越小，表面越破碎，裂隙结构越复杂；温度越高，裂隙宽度越大，间距越疏松，土块面积越大，裂隙结构越简单。裂隙的相交形式有“T”形、“Y”形和“十”形。土块形状有三边形、四边形和五边形，其中以四边形居多。

图7 不同温度下红黏土典型表面裂隙结构Fig.7 Typical surface crack structures of red clay under different temperaturesa-30℃，试样S1-3；b-50℃，试样S2-2；c-70℃，试样S3-3a-30℃，specimen S1-3；b-50℃，specimen S2-2；c-70℃，specimen S3-3

如表4所示，温度升高，裂隙交点数、裂隙条数、裂隙总长度减小，裂隙平均长度和裂隙平均宽度增大，而表面裂隙的分形维数变化不大，这与南京黏性土（唐朝生等，2007a；施斌等，2009）的变化规律是一致的。红黏土的裂隙条数Nl与裂隙交点数Nn之比在2.02～2.10之间，这个比值比南京黏性土（唐朝生等，2007a）高。根据唐朝生等（2007a）的研究成果，可以判断土块以四边形为主。红黏土的表面裂隙率Rsc随温度升高而增大，这与膨胀土（唐朝生等，2012）的变化规律一致，但与南京黏性土（唐朝生等，2007b；施斌等，2009）相反。

表4 干缩裂隙的相关参数Table 4 Parameters of desiccation cracks

2.3.2 土块分布

如表5 所示，温度升高，土块数减少，土块平均面积和土块最大面积增大，这与南京黏性土（唐朝生等，2007a；施斌等，2009）的变化规律一致。土块平均干缩厚度随温度升高而增大，这与膨胀土（唐朝生等，2012）的变化也是一致的。土块的干密度随温度升高而增大，说明温度升高，土体干缩越显著，土体越密实，孔隙越小。

表5 土块的相关参数Table 5 Measured parameters of aggregates

以上定性描述和定量分析表明，温度升高，裂隙宽度增大，裂隙网络结构简单。这是因为温度升高，水分蒸发速率增大，土体表面一旦出现裂隙，水分从裂隙侧壁快速蒸发，表层土体含水率很快降低，土颗粒间作用力增强，出现裂隙的概率减小，因此高温条件下，裂隙条数减少，间距增大，土块面积增大（施斌等，2009），水平方向的收缩量增大，裂隙宽度增大。

3 结论

（1）红黏土的蒸发过程可分为3个阶段：常速率阶段、减速率阶段、稳定阶段。减速率阶段历时最长，常速率阶段历时次之，稳定阶段历时最短。温度升高，常速率阶段的蒸发速率和蒸发量增大，常速率阶段和减速率阶段的历时减短，干燥完成时间tf减小，最终含水率wf降低。

（2）以初始开裂时间tic、裂隙条数稳定时间tni、裂隙长度稳定时间tl、表面裂隙率稳定时间trsc为界，将红黏土干缩裂隙的形成和演化分为5 个阶段：裂隙孕育阶段、裂隙形成阶段、裂隙条数稳定阶段、裂隙长度稳定阶段和表面裂隙率稳定阶段。温度升高，tic、tni、tl、trsc和tf减小，裂隙孕育时段和裂隙条数稳定时段的比例下降，裂隙形成时段和裂隙长度稳定时段的占比变化不大，表面裂隙率稳定时段的比例增大，初始临界含水率增大。随着土体含水率持续减小，表面裂隙率Rsc在裂隙出现的初始阶段缓慢增加，随后Rsc进入快速线性增长阶段，最后Rsc逐渐趋于稳定。

（3）温度升高，裂隙交点数、裂隙条数和裂隙总长度减小，裂隙平均长度、裂隙平均宽度和表面裂隙率增大，干缩裂隙网络结构越简单。温度升高，土块数减少，土块平均面积、土块最大面积、干缩厚度和干密度增大，土块以四边形为主。

（4）温度显著影响红黏土的水分蒸发过程，干缩裂隙的形成和演化，表面裂隙结构和形态。红黏土地区可通过控温措施（如披覆块石等）抑制红黏土干缩裂隙发育，防治干缩裂隙诱发的各种地质灾害。