界面粗糙度对土体龟裂影响的试验研究

界面粗糙度对土体龟裂影响的试验研究内容摘要：

Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎａ ｌｏ ｆＥｎｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＧｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 　　工程地质学报　　１００４－９６６５／ ２０１７／ ２ ５（５） １ ３１４ ０ ８ ＤＯＩ ：１ ０． １３５ ４４／ ｊ ． ｃ ｎ ｋｉ ． ｊ ｅ ｇ ． ２０１７． ０ ５． ０ １８ 界面粗糙度对土体龟裂影响的试验研究  刘昌黎　唐朝生　李昊达　孙凯强　施　斌 （南京大学地球科学与工程学院　南京　２ １ ０ ０ ２ ３） 摘　要　土体在蒸发干燥的过程中会产生龟裂现象，从而极大地改变其工程性质，引发各种工程地质灾害。为了研究界面粗 糙度对土体龟裂的影响，设计了两组龟裂试验，分别在试样容器底部涂抹凡士林（Ｓ １）和粘贴砂纸（Ｓ ２）来改变试样与容器界面 的粗糙度。试验过程中，定期对土体裂隙发育情况进行拍照记录，并采用数字图像技术对裂隙几何形态特征进行定量分析， 得到不同界面粗糙度条件下土体龟裂的动态发展过程及相关参数，结果表明：（１）土体蒸发过程可分为 ３个典型阶段：常速率 阶段、减速率阶段和残余阶段；（２）龟裂发育过程也可分为 ３个典型阶段：主干裂隙生成阶段、次级裂隙生成阶段和裂隙扩展 稳定阶段；（３）界面粗糙度对龟裂发育过程有重要影响。对于基底相对光滑的界面，土样呈整体向中心收缩趋势，表面几乎不 产生裂隙。对于粗糙的界面，受基底摩擦作用，土样表面发育纵横交错的裂隙网络。在不同的裂隙发育阶段，界面粗糙度对 裂隙率增长速度影响不同。界面粗糙度越高，最终稳定时的表面裂隙率越低。 关键词　龟裂　界面粗糙度　力学机理　收缩　定量分析　图像处理 中图分类号：ＴＵ４ １ １　　文献标识码：Ａ ＥＸＰＥＲＩ ＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹ ＯＮ ＥＦＥＣＴＯＦＩ ＮＴＥＲＦＡＣＩ ＡＬＲＯＵＧＨＮＥＳＳＯＮ ＤＥＳＩ ＣＣＡＴＩ ＯＮＣＲＡＣＫＩ ＮＧ ＢＥＨＡＶＩ ＯＲＯＦＳＯＩ Ｌ ＬＩ ＵＣｈａ ｎ ｇ ｌ ｉ 　ＴＡＮＧＣｈａ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎｇ 　ＬＩＨａ ｏ ｄ ａ 　Ｓ ＵＮＫａ ｉ ｑｉ ａ ｎｇ 　ＳＨＩＢｉ ｎ （Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌｏ ｆＥａ ｒ ｔ ｈＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓａ ｎ ｄＥｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇＵｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ　２ １ ０ ０ ２ ３） Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ 　Ｉ ｎｔ ｈ ｅｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓｏ ｆｅ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎｄｄ ｒ ｙ ｉ ｎ ｇ ，ｓ ｏ ｉ ｌｗｉ ｌ ｌｃ ｒ ａ ｃ ｋｓ ，ｗｈｉ ｃ ｈｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｙｃ ｈａ ｎ ｇ ｅｔ ｈｅｎａ ｔ ｕｒ ｅｏ ｆｉ ｔ ｓ ｅ ｎｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ ，ｔ ｒ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇａｖ ａ ｒ ｉ ｅ ｔ ｙｏ ｆｅ ｎｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌｄｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ．Ｉ ｎｏ ｒ ｄｅ ｒｔ ｏｓ ｔ ｕｄｙｔ ｈｅｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｆｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｉ ａ ｌ ｒ ｏ ｕｇ ｈｎｅ ｓ ｓｏ ｎｓ ｏ ｉ ｌｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ，ｔ ｗｏｋ ｉ ｎｄｓｏ ｆｃ ｒ ａ ｃ ｋｉ ｎ ｇｔ ｅ ｓ ｔ ｓａ ｒ ｅｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄｏ ｕｔ ，ｂｙａ ｐｐｌ ｙ ｉ ｎｇＶａ ｓ ｅ ｌ ｉ ｎｅａ ｔｔ ｈｅｂｏ ｔ ｔ ｏ ｍｏ ｆｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎｔ ａ ｉ ｎｅ ｒ （Ｓ１）ａ ｎ ｄｐ ｏ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇｓ ａ ｎｄｐａ ｐｅ ｒ （Ｓ ２）ｔ ｏｃ ｈａ ｎ ｇ ｅｔ ｈｅｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｒ ｏ ｕｇ ｈｎ ｅ ｓ ｓ ．Ｄｕｒ ｉ ｎｇｔ ｈｅｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ，ｔ ｈｅｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐｍｅ ｎｔｏ ｆｔ ｈ ｅｓ ｏ ｉ ｌｉ ｓｒ ｅ ｃ ｏ ｒ ｄｅ ｄｏ ｎ ａｒ ｅ ｇ ｕｌ ａ ｒｂ ａ ｓ ｉ ｓ ．Ｔｈｅ ｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓｏ ｆｔ ｈｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ｓａ ｒ ｅ ｑ ｕ ａ ｎｔ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙａ ｎａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄｂ ｙｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌｉ ｍａ ｇ ｅｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ．Ｔｈ ｅｄ ｙ ｎａ ｍｉ ｃｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐｍｅ ｎｔｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓａ ｎｄｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓｏ ｆｓ ｏ ｉ ｌ ｃ ｒ ａ ｃ ｋｕｎ ｄｅ ｒｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｔｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｒ ｏ ｕｇ ｈｎ ｅ ｓ ｓａ ｒ ｅｏ ｂｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ．Ｔｈｅｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓｓ ｈｏ ｗｔ ｈｅｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗｉ ｎ ｇａ ｓ ｐｅ ｃ ｔ ｓ ．（１）Ｓｏ ｉ ｌｅ ｖ ａ ｐｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓｃ ａ ｎｂ ｅｄｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄｉ ｎｔ ｏｔ ｈｒ ｅ ｅｔ ｙ ｐｉ ｃ ａ ｌｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ：ｃ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｎｔｒ ａ ｔ ｅｓ ｔ ａ ｇ ｅ ，ｄｅ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ａ ｔ ｅｓ ｔ ａ ｇ ｅａ ｎ ｄｒ ｅ ｓ ｉ ｄｕａ ｌｓ ｔ ａ ｇ ｅ ．（２） Ｃｒ ａ ｃ ｋｓａ ｒ ｅｇ ｅ ｎｅ ｒ ａ ｌ ｌ ｙｄ ｉ ｖ ｉ ｄｅ ｄｉ ｎｔ ｏｔ ｈｒ ｅ ｅｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ：ｔ ｈｅｍａ ｉ ｎｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｇ ｅ ，ｔ ｈｅｓ ｅ ｃ ｏ ｎｄａ ｒ ｙｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ｇ ｅ ｎｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ａ ｇ ｅａ ｎｄｔ ｈｅｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｇ ｒ ｏ ｗｔ ｈｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｐｈ ａ ｓ ｅ ．（３）Ｔｈｅｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｒ ｏ ｕ ｇ ｈｎ ｅ ｓ ｓｈａ ｓａ ｎｉ ｍｐｏ ｒ ｔ ａ ｎｔｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔｏ ｎ 　 收稿日期：２０１ ７－０ ５－３０；收到修改稿日期：２ ０１ ７－０ ７－１５． 基金项目：优秀青年科学基金项目（４１ ３２ ２０ １９），国家自然学科基金项目（４ １５ ７２２ ４ ６， ４ １ ７ ７２ ２ ８０），国家自然科学基金重点项目（４１ ２ ３ ０６ ３６）， 中央高校基本科研业务费专项资金（２０ １ ７）资助． 第一作者简介：刘昌黎（１ ９ ９３－），男，硕士生，主要从事工程地质和环境岩土工程方面的研究工作．Ｅｍａ ｉ ｌ ：ｌ ｉ ｕｃ ｌ ＠ｓ ｍａ ｉ ｌ ． ｎ ｊ ｕ． ｅ ｄｕ． ｃ ｎ 通讯作者简介：唐朝生（１ ９ ８０－），男，博士，教授，主要从事工程地质和环境岩土工程方面的研究工作．Ｅｍａ ｉ ｌ ：ｔ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ＠ｎ ｊ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ２ ５（５）　刘昌黎等：界面粗糙度对土体龟裂影响的试验研究 １３１５ ｔ ｈｅｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔｏ ｆｔ ｈ ｅｆ ｉ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ．Ｆｏ ｒｔ ｈ ｅｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙｓ ｍｏ ｏ ｔ ｈｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｏ ｆｔ ｈｅｂａ ｓ ｅ ，ｔ ｈｅｓ ｏ ｉ ｌｓ ａ ｍｐｌ ｅｔ ｅ ｎｄ ｓｔ ｏｓ ｈｒ ｉ ｎｋｔ ｏｔ ｈｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒａ ｓａｗｈｏ ｌ ｅ ，ａ ｎ ｄｔ ｈｅｓ ｕｒ ｆ ａ ｃ ｅｈａ ｒ ｄｌ ｙｐ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｅ ｓｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｓ ．Ｆｏ ｒｔ ｈｅｒ ｏ ｕ ｇ ｈｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ，ｂｙｔ ｈｅｒ ｏ ｌ ｅｏ ｆｔ ｈｅｂａ ｓ ｅｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｓ ｏ ｉ ｌｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐｅ ｄｃ ｒ ｉ ｓ ｓ  ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｉ ｎｇｔ ｈｅｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ．Ｔｈ ｅｉ ｎｆ ｌ ｕｅ ｎｃ ｅｏ ｆｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｒ ｏ ｕ ｇ ｈｎｅ ｓ ｓｏ ｎｔ ｈｅｇ ｒ ｏ ｗｔ ｈｒ ａ ｔ ｅｏ ｆ ，ｔ ｈｅｌ ｏ ｗｅ ｒｔ ｈｅｓ ｕｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅｉ ｓｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｉ ｎｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｔｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎｔｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ．Ｔｈ ｅｈｉ ｇ ｈ ｅ ｒｔ ｈｅｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｒ ｏ ｕ ｇ ｈｎｅ ｓ ｓ ｆ ｉ ｓ ｓ ｕｒ ｅｉ ｎｔ ｈｅｆ ｉ ｎａ ｌｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ． Ｋｅ ｙｗｏｒ ｄｓ　 Ｃｒ ａ ｃ ｋｉ ｎ ｇ ，Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｉ ａ ｌｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｎｅ ｓ ｓ ，Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｃ ｓｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｓ ｍ，Ｓｈｒ ｉ ｎｋａ ｇ ｅ ，Ｑｕ ａ ｎｔ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ，Ｉ ｍａ ｇ ｅ ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｇ （２００ ８）探究了土体龟裂过程中的尺寸效应，发现 ａ ｌ ． ０　引　言 试样的表面积和厚度对裂隙形态有重要影响；袁权 等（２０１６）从理论出发，推导了边界约束对膨胀土收 　　龟裂是土体在蒸发干燥过程中所出现的一种自 缩开裂的影响，分别从土体两端有无位移约束出发， ｒ ｒ ｉ ｓｅ ｔａ ｌ ． ，１９ ９２）。龟裂的产生极大破坏 然现象（Ｍｏ 讨论 了 边 界 条 件 对 土 体 开 裂 的 影 响；Ｔａ ｎｇｅ ｔａ ｌ ． 了土体结构的整体性，导致压缩性和渗透性显著增 （２００ ８，２０１０，２ ０１１）研究了温度、干湿循环次数和 ｗｉ ｔ ｔｅ ｔａ ｌ ． ，１９ ９９；Ｒａ ｙ ｈａ ｎｉｅ ｔａ ｌ ． ，２００ ７），承载力 加（Ｈｅ 土层厚度等因素对土体龟裂发育过程的影响，并运 和强度则显著降低（Ｓｔ ａ ｐｌ ｅ ｔ ｏ ｎ，１９ ８５；Ｓｉ ｌ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉｅ ｔａ ｌ ． ， 用自主研发的图像处理系统对龟裂网络几何形态参 １９９ ２；Ａｙ ａ ｄｅ ｔａ ｌ ． ， １ ９９ ７；Ｌｏ ｚ ａ ｄａｅ ｔａ ｌ ． ， ２０ １５），进而引 数进行了定量分析，构建了龟裂网络定量评价指标 发各种工程地质问题，如边坡失稳、堤坝渗漏、地面 体系。Ｗ