王梓

摘 要 土體在干燥氣候環(huán)境下會(huì)失水干縮發(fā)生變形并產(chǎn)生裂隙，裂隙的形成及發(fā)展會(huì)對(duì)土體的工程性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，并由此引發(fā)各種工程地質(zhì)問題及災(zāi)害，因此關(guān)于土體的干縮開裂研究也逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)?；趪?guó)內(nèi)外近些年關(guān)于土體裂隙形成所開展的研究工作，作者就土體裂隙形成機(jī)理方面對(duì)近些年現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納。

關(guān)鍵詞 土體;裂隙;機(jī)理;改良措施

1概述

土體作為載體被廣泛應(yīng)用于人類工程地質(zhì)活動(dòng)中，如工程建筑中的基礎(chǔ)處理、高速公路和鐵路工程路基處理及邊坡穩(wěn)定與加固處理等。然而，在氣候干旱環(huán)境下，土體干燥失水易收縮開裂，這一問題涉及農(nóng)業(yè)土壤科學(xué)領(lǐng)域、工程地質(zhì)、基礎(chǔ)工程建設(shè)、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。裂隙的存在不僅降低了土體的整體性、連續(xù)性，還改變了土體的物理力學(xué)性質(zhì)，繼而引發(fā)一系列的工程地質(zhì)問題。因此，為了防治土體在工程應(yīng)用中形成裂隙，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員對(duì)其開裂機(jī)理展開了研究。本文基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，探討了土體裂隙形成機(jī)理的研究進(jìn)展。

2土體裂隙形成機(jī)理研究

土體失水收縮形成裂隙的發(fā)育過程繁復(fù)龐雜。為在實(shí)際工程中土體的有效應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)，掌握裂隙發(fā)育機(jī)理的規(guī)律十分必要。總體來(lái)看，對(duì)土體開裂的機(jī)理研究可以從宏觀和微觀兩個(gè)角度著手。

從宏觀上看，土中水分蒸發(fā)是土體干縮開裂的先決條件，而含水率和蒸發(fā)速率則是表征水分蒸發(fā)的兩個(gè)重要參數(shù)。唐朝生等[1]提出飽和土體隨其中水分的逐漸蒸發(fā)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡屯馏w，當(dāng)含水率下降到臨界含水率時(shí)土體表面就會(huì)產(chǎn)生裂隙。吳珺華等[2]提出變濕概念，即單位時(shí)間內(nèi)隨深度的增加土體含水率的變化，當(dāng)最大變濕不小于臨界變濕時(shí)，土體即發(fā)生開裂。但結(jié)合已有的研究資料可知，土體的臨界含水率是一個(gè)變值，受溫度、土體狀態(tài)等多重因素的影響，所以有學(xué)者引出一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，即蒸發(fā)速率來(lái)表征土體含水率在土體干縮開裂中產(chǎn)生的影響，并通過試驗(yàn)指出蒸發(fā)速率與臨界含水率間存在一定的作用。

從力學(xué)角度來(lái)看，基質(zhì)吸力和抗拉強(qiáng)度在裂隙發(fā)育過程中起到了重要作用。土體開裂是一種張拉破壞形式，在干燥過程中土體會(huì)產(chǎn)生基質(zhì)吸力，其引起的不均勻張拉應(yīng)力場(chǎng)在土顆粒連接較弱處易發(fā)生應(yīng)力集中，當(dāng)此處張拉應(yīng)力場(chǎng)大于土體自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)裂隙形成[3]。Yesiller等[4]以某一垃圾填埋場(chǎng)的壓實(shí)襯砌土為研究對(duì)象開展室內(nèi)試驗(yàn)，量測(cè)CIF和吸力值，發(fā)現(xiàn)隨著含水量的降低會(huì)導(dǎo)致吸力快速增加，從而引發(fā)土體收縮，使其產(chǎn)生張拉應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)而生成裂隙。李順群等[5]基于彈性理論和增量理論，初步得出了裂隙深度與非飽和土抗拉強(qiáng)度和基質(zhì)吸力間的關(guān)系并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)方程，上述研究成果充分說明了基質(zhì)吸力和抗拉強(qiáng)度這兩個(gè)力學(xué)參數(shù)在土體干燥過程中對(duì)裂隙發(fā)育演化的制約作用。

土體收縮是裂隙產(chǎn)生并開展的必要條件，其微觀本質(zhì)為土體微觀結(jié)構(gòu)的變化。吳珺華等[5]闡明不同的變濕致使土體沿深度發(fā)生不同程度的收縮變形，不均勻的變形到達(dá)一定程度后即使土體產(chǎn)生裂隙。陳建平等[6]用掃描電鏡對(duì)土試樣進(jìn)行掃描，并對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理，得到結(jié)論隨著壓應(yīng)力的增大，大顆粒破碎為小顆粒，大孔隙減少，分形維數(shù)及豐度降低。王清等[7]根據(jù)SEM圖像提出土體結(jié)構(gòu)單元體形狀、定向性、孔隙特性等要素對(duì)土體的變形進(jìn)行剖析。施斌[8]提出概率熵，并基于Videolab圖像分析系統(tǒng)用對(duì)土體在擊實(shí)過程中產(chǎn)生的5種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行量化評(píng)估。李曉軍等[9]從CT數(shù)和CT圖像兩方面分析了土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化情況。袁俊平等[10]應(yīng)用CT圖像揭示了裂隙在立體空間的演化全過程，描述了裂隙發(fā)育的深度。隨著技術(shù)軟件的發(fā)展、更新，對(duì)土體裂隙開展規(guī)律的研究由集中于宏觀和土體表面逐漸向微觀和三維空間發(fā)展，從而使得裂隙開展發(fā)育機(jī)理研究更為系統(tǒng)深刻，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)各種工程建設(shè)活動(dòng)的迅猛發(fā)展，土體的應(yīng)用也愈來(lái)愈普遍廣泛。然而土體在干燥氣候環(huán)境下易失水干縮，產(chǎn)生裂隙，這對(duì)相應(yīng)工程的穩(wěn)定性、安全性、可靠性帶來(lái)了極大的危害，因此研究土體干縮開裂問題對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于土體裂隙形成機(jī)理方面的研究成果，為土體的工程應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

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