陳書(shū)翔，韋 杰,?，羅華進(jìn)，甘鳳玲,

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，401331，重慶；2.三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，401331，重慶)

埂坎通過(guò)分割坡長(zhǎng)和減緩坡度等方式調(diào)控坡面徑流改變水動(dòng)力特性，起到理水減沙作用[1]。坡耕地埂坎有土坎、石坎和土石復(fù)合坎等多種類(lèi)型，其中土坎具有修筑維護(hù)成本低及生態(tài)適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)被農(nóng)民廣泛采用，占比超過(guò)65%[2]。相較于無(wú)植被覆蓋的土坎，有植被生長(zhǎng)的土坎減蝕量可達(dá)79%～94%[3]，但土坎相比于耕作面其植被蓋度仍然較小，對(duì)干濕季周期變化更為敏感[4]。土體經(jīng)干濕循環(huán)后,因其具有膨脹收縮特性而產(chǎn)生埂坎裂隙[5]，埂坎發(fā)生淺層變形破壞并引起埂坎土體受力不均、強(qiáng)度降低[6]等問(wèn)題，導(dǎo)致埂坎穩(wěn)定性下降甚至失穩(wěn)垮塌。此外，干濕循環(huán)作用下裂隙演化引起的埂坎失穩(wěn)屬于“漸進(jìn)失穩(wěn)”[7]，這與荷載超重和暴雨沖刷所引起的埂坎快速失穩(wěn)情況存在較大區(qū)別。

干濕循環(huán)下土體產(chǎn)生的裂隙是土坎穩(wěn)定性劣化的因素之一，以往研究多采用裂隙長(zhǎng)度、寬度、面密度和面積-周長(zhǎng)比等指標(biāo)表征裂隙開(kāi)裂程度[8]；裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度采用分形維數(shù)[9]、裂隙節(jié)點(diǎn)數(shù)和區(qū)塊數(shù)[10]等指標(biāo)表征。裂隙開(kāi)裂程度和網(wǎng)絡(luò)形態(tài)復(fù)雜度與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系密切，均隨干濕循環(huán)次數(shù)增多而增大，但增幅呈逐次減小變化，其中第2次干濕循環(huán)后增幅最為明顯，后期趨于平穩(wěn)[11]。因含親水礦物的土壤在干濕循環(huán)作用后其微觀(guān)結(jié)構(gòu)重新排列，造成不可逆損傷，引起吸濕能力下降，導(dǎo)致裂隙開(kāi)裂程度和復(fù)雜度隨作用次數(shù)增加呈先增大后趨于穩(wěn)定變化[12]。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)埂坎紫色土在干濕循環(huán)下裂隙開(kāi)閉演化規(guī)律研究較少。為揭示埂坎裂隙開(kāi)閉演化規(guī)律，筆者以紫色土坡耕地土坎為研究對(duì)象，采用室內(nèi)重塑土坎進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比脫濕和增濕過(guò)程中裂隙強(qiáng)度(面密度和面積-周長(zhǎng)比)與復(fù)雜度(形狀指數(shù)和分形維數(shù))的變化特征來(lái)揭示埂坎裂隙開(kāi)閉規(guī)律，研究結(jié)果可為紫色土區(qū)埂坎建設(shè)與維護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)用土采于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)(E 106°18′02″～106°40′57″，N 29°27′08″～30°05′08″)，區(qū)域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫18.3 ℃，年均降水量1 105.4 mm。自然植被為中亞熱帶常綠闊葉林，地貌以淺丘為主，土壤類(lèi)型為沙溪廟組紫色土，呈中性，質(zhì)地為中壤或輕壤，富含鉀、鈣、錳、鐵等礦質(zhì)元素。研究區(qū)內(nèi)坡耕地集中連片，是農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要載體，主要種植作物有玉米(Zeamays)、黃豆(Glycinemax)和柑橘(Citrusreticulata)等。埂坎是研究區(qū)坡耕地重要的水土保持措施，類(lèi)型以土坎為主，有少量石坎和土石混合坎。埂坎上長(zhǎng)有節(jié)節(jié)草(Equisetumramosissimum)，狗牙根(Cynodondactylon)和馬唐草(Digitariasanguinalis)等雜草。土坎坡度范圍一般為40°～90°，埂寬25～40 cm，高度26～111 cm。

2 材料與方法

2.1 土樣采集及試樣制備

2019年7月采樣，選擇規(guī)格為30×50 cm(埂寬×坎高)，坡度為85°的土坎上截取60 cm長(zhǎng)的土坎長(zhǎng)度，即土樣的整體規(guī)格為60 cm×30 cm×50 cm(長(zhǎng)×寬×高)，采樣前去除土坎上雜草露出新鮮土壤面。然后分層(0～10、10～30和30～50 cm)采集土樣并標(biāo)記裝袋，同時(shí)在采樣點(diǎn)附近采集1 kg散土用于測(cè)定土壤基本物理性質(zhì)(表1)，并在采樣完成后對(duì)土坎進(jìn)行修護(hù)。

表1 試驗(yàn)用土基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of test soil

考慮野外自然環(huán)境下埂坎實(shí)際情況同時(shí)為方便室內(nèi)試驗(yàn)，采用埂坎原狀紫色土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，并對(duì)土坎結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。將采集的土樣自然風(fēng)干后使用分層輕壓法依次回填至規(guī)格為60 cm×30 cm×50 cm(長(zhǎng)×寬×高)的裝置中，該裝置由3個(gè)側(cè)面(左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面)和1個(gè)設(shè)有排水孔的底面組成，材質(zhì)為玻璃，頂面(地埂面)和正面(坎坡面)為空(圖1)。筆者同時(shí)設(shè)計(jì)3個(gè)試驗(yàn)埂坎作為重復(fù)，與野外采樣土坎一致，3個(gè)重塑土坎坡度均設(shè)置為85°。采用3個(gè)埂坎的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值計(jì)算各指標(biāo)數(shù)值?；靥钔戤吅笥脷鈮簢妷叵蛲量裁婢鶆驀娝鰸瘢S后使用塑料薄膜覆蓋土坎面靜置48 h，以便埂坎土體內(nèi)外達(dá)到水分平衡狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)土槽規(guī)格與干濕循環(huán)示意圖Fig.1 Specification of test soil bin and drying and wetting alternation diagram

2.2 試驗(yàn)方法

脫濕試驗(yàn)：采用自然風(fēng)干法，每隔1 d對(duì)埂坎表面拍照直至裂隙形態(tài)基本穩(wěn)定，共15 d。

增濕試驗(yàn)：采用人工噴水法，在脫濕試驗(yàn)后隨即使用容量為1 000 mL的氣壓噴壺均勻噴水至土坎面上，噴壺位置固定在距離地埂面上方和地坎面前方1 m處，以保證噴水強(qiáng)度一致。為確保土壤充分膨脹，每次噴水100 mL后間隔30 min再拍攝，噴水至土坎表面形成徑流時(shí)停止噴水和拍攝。

試驗(yàn)粉煤灰混凝土的細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.4的中細(xì)河沙，其表觀(guān)密度為2 600 kg/m3；粗骨料為最大粒徑20 mm的礫石，其表觀(guān)密度為2 700 kg/m3；水泥為P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥；混凝土所用的拌合水以及養(yǎng)護(hù)水均采用杭州當(dāng)?shù)刈詠?lái)水，密度取為1 000 kg/m3；粉煤灰(FA)和水泥的化學(xué)組分如表1所示。

1次脫濕和增濕過(guò)程為1個(gè)干濕循環(huán)周期，每個(gè)周期間隔15 d，試驗(yàn)進(jìn)行第5次增濕試驗(yàn)時(shí)3個(gè)重復(fù)均出現(xiàn)土塊剝落現(xiàn)象，試驗(yàn)未再繼續(xù)進(jìn)行，共獲取4個(gè)有效干濕循環(huán)周期。干濕循環(huán)路徑如圖1b所示，每個(gè)箭頭代表脫濕時(shí)間為3 d。脫濕和增濕試驗(yàn)拍照時(shí)，相機(jī)固定位置與增濕試驗(yàn)時(shí)噴壺位置一致，拍攝所用相機(jī)型號(hào)為索尼DSC-200(像素1 800萬(wàn))。

2.3 圖像處理

鑒于地坎和地埂裂隙開(kāi)閉演化過(guò)程具有相似性，僅對(duì)地埂面上的裂隙開(kāi)閉演化過(guò)程進(jìn)行分析。使用Adobe Photoshop截取地埂面上20 cm×20 cm(長(zhǎng)×寬)的裂隙典型分布區(qū)進(jìn)行分析。將照片轉(zhuǎn)化為灰度圖像，通過(guò)調(diào)整閾值轉(zhuǎn)化為黑白圖片，最后使用畫(huà)筆工具去除雜點(diǎn)，保留完整裂隙區(qū)(圖2)。將處理好的圖片導(dǎo)入lmage軟件，提取裂隙面積和周長(zhǎng)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，保存至Excel并根據(jù)公式計(jì)算裂隙強(qiáng)度(面密度和面積-周長(zhǎng)比)[8]與復(fù)雜度(形狀指數(shù)和分形維數(shù))[13]等裂隙幾何特征指標(biāo)。其中，強(qiáng)度指標(biāo)表征裂隙開(kāi)展與閉合程度，復(fù)雜度指標(biāo)表征裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。

圖2 試驗(yàn)圖像處理過(guò)程Fig.2 Processing process of test images

1)面密度指典型裂隙面積與研究區(qū)面積之比。

(1)

式中：SA為裂隙面密度，%；Ai為第i條裂隙面積，cm2；A0為研究區(qū)總面積，cm2。

2)裂隙在各延伸部分的寬度差異較大，平均寬度難以準(zhǔn)確表示裂隙形態(tài)特征，采用面積-周長(zhǎng)比來(lái)代替平均寬度。

(2)

式中：PA為面積-周長(zhǎng)比，cm；P0為裂隙網(wǎng)絡(luò)總輪廓周長(zhǎng)，cm。

(3)

式中：FA為裂隙形狀指數(shù)，量綱為1；Pi為各裂隙周長(zhǎng)，cm；Si為各裂隙面積，cm2；S0為裂隙總面積，cm2。

4)分形維數(shù)是量度物體狀態(tài)復(fù)雜度的工具，其值介于0～2之間，形態(tài)越復(fù)雜，分形維數(shù)越大。

(4)

式中：CA為分形維數(shù)，量綱為1；N為裂隙數(shù)量，條。

3 結(jié)果與分析

3.1 脫濕條件下埂坎裂隙開(kāi)裂發(fā)育

隨脫濕時(shí)間增加，埂坎表面土壤在土質(zhì)疏松處首先開(kāi)裂并擴(kuò)展延伸形成主裂隙，主裂隙演化構(gòu)成埂坎裂隙的基本骨架(圖3)。同時(shí)次裂隙在裂隙任意方向上形成并逐漸連通主裂隙，導(dǎo)致裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)變化大(圖3a～e)。隨脫濕時(shí)間進(jìn)一步增加，土壤含水率小，裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)變化減小(圖3f～h)。

圖3 脫濕下裂隙演化形態(tài)Fig.3 Image of cracks evolution under drying process

整體而言，裂隙強(qiáng)度(面密度和面積-周長(zhǎng)比)與復(fù)雜度(分形維數(shù)和形狀指數(shù))均隨脫濕時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后趨于平緩變化(圖4)。其中，1～9 d內(nèi)裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度增加較快，平均增率分別為面密度14%、面積-周長(zhǎng)比14%、分形維數(shù)2%和形狀指數(shù)25%；9～15 d內(nèi)變化相對(duì)平穩(wěn)，增率變幅僅為2%～8%。圖4表明，裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度隨脫濕時(shí)間的擬合方程決定系數(shù)均>0.95，達(dá)到顯著水平。此外相關(guān)性分析結(jié)果表明，隨脫濕時(shí)間變化裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(面密度與分形維數(shù)和形狀指數(shù)Pearson系數(shù)分別為0.973和0.997；面積-周長(zhǎng)比與分形維數(shù)和形狀指數(shù)Pearson系數(shù)分別為0.928和0.973，P值均<0.01)，說(shuō)明在脫濕過(guò)程中裂隙在長(zhǎng)寬增大的同時(shí)，裂隙條數(shù)也在不斷增多并相互交織形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 脫濕下裂隙各指標(biāo)隨時(shí)間變化擬合曲線(xiàn)Fig.4 Fitting curve of crack indexes changing with time under drying process

3.2 增濕條件下埂坎裂隙閉合過(guò)程

增濕條件下裂隙閉合過(guò)程可分為3個(gè)階段(圖5)：第Ⅰ階段(圖5a～d)，長(zhǎng)寬較小的次裂隙隨噴水次數(shù)增多土壤含水率增加首先閉合，而主裂隙變化不明顯；第Ⅱ階段(圖5d～h)，主裂隙長(zhǎng)寬逐漸減小，次裂隙閉合導(dǎo)致裂隙交叉點(diǎn)斷開(kāi)，裂隙網(wǎng)絡(luò)逐漸簡(jiǎn)單化；第Ⅲ階段(圖5h～j)，次裂隙完全閉合，主裂隙長(zhǎng)寬進(jìn)一步減小，但在試驗(yàn)結(jié)束后仍閉合不完全。

圖5 0～9次增濕下裂隙閉合過(guò)程圖像Fig.5 Image of cracks closure process under 0-9 wettings

裂隙強(qiáng)度(面密度和面積-周長(zhǎng)比)與復(fù)雜度(分形維數(shù)和形狀指數(shù))在3個(gè)階段依次呈遞減趨勢(shì)(圖6)，其中，裂隙強(qiáng)度平均降幅表現(xiàn)為：Ⅰ 階段(62%)>Ⅱ 階段(47%)>Ⅲ 階段(33%)，復(fù)雜度平均降幅表現(xiàn)為Ⅰ 階段(52%)>Ⅱ 階段(18%)>Ⅲ 階段(17%)，Ⅰ 和 Ⅱ 階段裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度差值(15%和34%)均高于 Ⅱ 和 Ⅲ 階段差值(14%和1%)，表明埂坎土壤在增濕前期(前3次增濕)裂隙快速閉合而后期(后6次增濕)閉合速度減緩。這是因?yàn)樽仙辆哂锌s脹特性，增濕前期土體膨脹力較大，裂隙閉合迅速引起裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度顯著減小，后期因水分入滲土體飽和度達(dá)到較高水平，膨脹力大幅下降，此過(guò)程中水分入滲僅引起主裂隙長(zhǎng)寬緩慢減小，故強(qiáng)度和復(fù)雜度降幅減小。整體而言，裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度平均降幅分別為87%和61%，均未達(dá)到100%，說(shuō)明增濕試驗(yàn)結(jié)束后裂隙閉合并不完全。

圖6 增濕下裂隙閉合過(guò)程階段劃分Fig.6 Stage division of crack closure process under wetting process

3.3 干濕循環(huán)下埂坎裂隙演化

干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)埂坎裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)變化存在影響(圖7)，第1次干濕循環(huán)后，裂隙網(wǎng)絡(luò)未形成(圖7a)；第2次干濕循環(huán)后，主裂隙演化初步形成裂隙網(wǎng)絡(luò)(圖7b)；第3，4次循環(huán)過(guò)程中裂隙沿第2次干濕循環(huán)時(shí)土體開(kāi)裂處再次演化主裂隙并有次裂隙形成，主次裂隙相互交織形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(圖7c、d)。

圖7 各干濕循環(huán)后裂隙形態(tài)圖片F(xiàn)ig.7 Cracks morphology images after each drying and wetting alternation

裂隙強(qiáng)度(面密度和面積-周長(zhǎng)比)與復(fù)雜度(分形維數(shù)和形狀指數(shù))均值整體上隨干濕循環(huán)次數(shù)增多而增大(圖8)。第4次干濕循環(huán)后的面密度、面積-周長(zhǎng)比、分形維數(shù)和形狀指數(shù)均值分別為第1次的3.6、2.9、1.3和5.6倍。脫濕條件下9～15 d內(nèi)裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度變幅較小，此過(guò)程中裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度的變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，整體上裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度變異系數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，其中前2次作用之間差異最大，隨后差異逐次減小，說(shuō)明隨干濕循環(huán)對(duì)裂隙演化的影響存在累加效應(yīng)，但影響逐次減少。由表3可知，前3次干濕循環(huán)強(qiáng)度與復(fù)雜度均存在顯著差異(P<0.05)，第3、4次干濕循環(huán)除形狀指數(shù)外，面密度、面積-周長(zhǎng)比和分形維數(shù)均差異不顯著(P>0.05)。此外，本試驗(yàn)研究在進(jìn)行第5次增濕試驗(yàn)時(shí)，地坎淺層被裂隙分割的土塊發(fā)生剝落現(xiàn)象，因此干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束。綜上，裂隙的開(kāi)展程度和網(wǎng)絡(luò)形態(tài)復(fù)雜度與干濕循環(huán)次數(shù)呈正比關(guān)系，第2次干濕循環(huán)影響最大，隨后影響逐次減小，說(shuō)明每次的干濕循環(huán)對(duì)裂隙開(kāi)閉演化的影響并不相互獨(dú)立，即除首次干濕循環(huán)外，每一次干濕循環(huán)對(duì)裂隙演化的影響都是在前一次循環(huán)影響的基礎(chǔ)上繼續(xù)施加，但施加影響的程度逐次減小，當(dāng)影響累積到一定程度時(shí)，筆者在第5次增濕過(guò)程中水分通過(guò)裂隙入滲進(jìn)一步軟化土體，最終導(dǎo)致埂坎土塊出現(xiàn)局部剝落。

圖8 干濕循環(huán)下裂隙演化形態(tài)特征Fig.8 Evolution morphological characteristics of cracks under drying and wetting alternation

表2 裂隙穩(wěn)定指標(biāo)變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of variation coefficient of crack stability indexes

表3 不同干濕循環(huán)裂隙穩(wěn)定指標(biāo)差異顯著性分析Tab.3 Significance analysis of the difference in cracks stability indexes during drying and wetting alternation

4 討論

4.1 脫濕與增濕下埂坎裂隙的開(kāi)閉演化比較

埂坎土壤在脫濕前期(1～9 d)，埂坎淺層土體較深層土體對(duì)外部環(huán)境的干濕變化響應(yīng)更為劇烈，其水分耗散率高于深層土體，導(dǎo)致基質(zhì)吸力增大后引起土表受拉而土體內(nèi)部受壓，當(dāng)拉應(yīng)力大于土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，在土顆粒連接薄弱處首先開(kāi)裂。裂隙開(kāi)展又為水分耗散提供通道，水分通過(guò)裂隙耗散后引起土體收縮量進(jìn)一步增大，主裂隙在長(zhǎng)寬增大的同時(shí)次裂隙演化，主次裂隙相互連通形成裂隙網(wǎng)絡(luò)分割淺層土體，最終導(dǎo)致裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度的快速增長(zhǎng)。脫濕后期(>9～15 d)，裂隙將淺層土體分割成許多小土塊，埂坎表面破碎化程度高，此時(shí)土體含水量較低，基質(zhì)吸力增大也不再引起土體進(jìn)一步收縮開(kāi)裂，裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度增長(zhǎng)均趨于穩(wěn)定。駱趙剛等[14]對(duì)膨脹土干濕循環(huán)研究結(jié)果表明，脫濕下裂隙先快速演化后演化減緩趨穩(wěn)，與本研究結(jié)果一致。此外，本研究中脫濕條件下裂隙演化形態(tài)特征整體呈現(xiàn)先快速增大后趨于穩(wěn)定變化，無(wú)峰值。而葉萬(wàn)軍等[15]認(rèn)為，隨含水率降低，裂隙演化形態(tài)特征呈先迅速增加后逐漸下降并趨穩(wěn)變化，存在一個(gè)明顯峰值。原因可能是本研究試驗(yàn)所用的埂坎紫色土為未經(jīng)過(guò)篩處理的原狀土，土體中含有的植物根系及其分泌物等對(duì)土體強(qiáng)度起到一定增強(qiáng)作用，從而增加了土體抗拉強(qiáng)度[16]，且原狀紫色土中蒙脫石和伊利石親水性黏土礦物含量分別為13%和12%[5]，說(shuō)明其濕脹干縮能力較強(qiáng)，裂隙在快速開(kāi)展后將趨于穩(wěn)定。

筆者發(fā)現(xiàn)增濕過(guò)程中裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度在短時(shí)間內(nèi)迅速降低，表明裂隙閉合是一個(gè)短暫而劇烈的過(guò)程。這可能因?yàn)樵囼?yàn)前期土壤較強(qiáng)的吸濕力使土體快速膨脹土塊面積增大，與土塊共邊界的裂隙隨之迅速閉合，導(dǎo)致裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度顯著減小。增濕后期土壤含水率增加吸濕能力下降，此過(guò)程中次裂隙已完全閉合，水分入滲僅引起主裂隙長(zhǎng)寬減小，從而裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度變化幅度減小。

4.2 脫濕與增濕下埂坎裂隙開(kāi)閉的可逆性

筆者設(shè)置單次干濕循環(huán)試驗(yàn)中脫濕時(shí)間為15 d，然后隨即進(jìn)行增濕試驗(yàn)，裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度在試驗(yàn)完成后的平均降幅分別為87%和61%。這是因?yàn)槊摑裨囼?yàn)之前土顆粒以邊-面形式排列，顆粒之間距離與夾角均較大。在進(jìn)行脫濕時(shí)，土顆粒夾角隨水分耗散逐漸減小，排列向面-面接觸形式逐漸過(guò)渡，宏觀(guān)上表現(xiàn)為土體收縮開(kāi)裂，裂隙長(zhǎng)寬不斷增加并相互連通形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度增長(zhǎng)，脫濕后的埂坎再次進(jìn)行增濕時(shí)，長(zhǎng)寬較小的次裂隙完全閉合，而主裂隙因土體膨脹力下降而閉合不完全。以上研究表明，存在各向異性的土壤在脫濕過(guò)程中土顆粒間排列方式發(fā)生變化，此種結(jié)構(gòu)變化在一定程度上是不可逆的，無(wú)法通過(guò)增濕完全復(fù)原，導(dǎo)致裂隙開(kāi)閉演化具有不可逆的性質(zhì)。

4.3 干濕循環(huán)對(duì)埂坎裂隙演化的影響

筆者試驗(yàn)表明，裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)在第2次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定?？烧J(rèn)為在多次干濕循環(huán)后土體內(nèi)部出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的累積損傷，土顆粒重新排列分布引起土體強(qiáng)度下降，在第2次干濕循環(huán)時(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)基本成形，雖然增濕后大部分裂隙閉合但開(kāi)裂處強(qiáng)度依然較低。隨后幾次交替時(shí)裂隙主要沿上次開(kāi)裂方向繼續(xù)發(fā)育并有次裂隙發(fā)育，整體上網(wǎng)絡(luò)形態(tài)相似性較大[11]。

筆者發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)裂隙發(fā)育強(qiáng)度和復(fù)雜度存在影響，第2次干濕循環(huán)影響最大，隨后影響逐次減小。原因可能是裂隙演化與土壤基質(zhì)吸力存在相關(guān)性，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多基質(zhì)吸力逐漸減小，首次干濕循環(huán)時(shí)由于土體結(jié)構(gòu)完整，基質(zhì)吸力對(duì)脫濕和增濕過(guò)程響應(yīng)劇烈，裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度指標(biāo)變幅較大，之后循環(huán)土體出現(xiàn)累積損傷基質(zhì)吸力下降，變幅減小。

此外，干濕循環(huán)引起的裂隙發(fā)育不僅表現(xiàn)在裂隙長(zhǎng)度和寬度上的增減，還有深度方向上的演化，即裂隙發(fā)育具有三維空間性。本研究由于試驗(yàn)條件限制，僅在二維層面上通過(guò)對(duì)裂隙長(zhǎng)度和寬度的統(tǒng)計(jì)并計(jì)算裂隙幾何特征指標(biāo)進(jìn)行探討分析，今后需進(jìn)一步開(kāi)展干濕循環(huán)下紫色土埂坎裂隙發(fā)育長(zhǎng)度、寬度和深度的綜合研究。

5 結(jié)論

1)脫濕條件下裂隙強(qiáng)度與復(fù)雜度隨脫濕時(shí)間呈先增加后穩(wěn)定趨勢(shì)，裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。增濕條件下裂隙形態(tài)變化可分為次裂隙閉合(Ⅰ)、交叉點(diǎn)斷開(kāi)(Ⅱ)和主裂隙變窄(Ⅲ)3個(gè)階段。

2)干濕循環(huán)作用下裂隙的開(kāi)閉是2個(gè)不可逆的過(guò)程。脫濕過(guò)程中，裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度分別與脫濕時(shí)間的擬合方程決定系數(shù)均>0.95，達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

3)裂隙強(qiáng)度和復(fù)雜度均值隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增加，但每次干濕循環(huán)對(duì)裂隙開(kāi)閉演化的影響程度不同。其中，前2次干濕循環(huán)時(shí)裂隙開(kāi)裂程度和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度變化比較劇烈，隨后逐次減小。