張家銘，羅易，周峙，CHIKHOTKIN Victor，袁超，王少鋒

(1. 中國地質大學工程學院，湖北武漢，430074；2. 安徽省交通控股集團有限公司，安徽合肥，230088)

隨著長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的實施，沿江地區(qū)高速公路建設日益增多。在安徽沿江地區(qū)高速公路建設中，灰白色裂土邊坡頻繁出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，并帶來了巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失?，F(xiàn)場調查及監(jiān)測結果表明，裂隙是導致區(qū)內邊坡失穩(wěn)破壞的根本原因，查明裂隙在邊坡失穩(wěn)破壞過程中的演化律，對于減輕該類特殊性巖土邊坡災害有較強的科學意義和工程價值。研究土體裂隙的試驗方法主要有單元試驗與現(xiàn)場試驗。如SHORLIN等[1-16]，開展的單元試驗大多利用數(shù)碼照相技術等記錄小尺寸重塑土樣(土柱、土塊或泥漿)失水開裂和濕化愈合過程，結合圖像處理方法提取裂隙幾何參數(shù)，研究土體裂隙發(fā)展演化規(guī)律，探討裂隙的形成機理及影響因素。WELLS 等[17]認為現(xiàn)場土體受粗顆粒質量分數(shù)、結構及大氣環(huán)境影響，小尺寸室內土體單元試驗不能完全代表現(xiàn)場實際情況。據(jù)此，有學者開展了大氣環(huán)境下原位土體裂隙監(jiān)測試驗[18-21]，在平面上采用圖像處理技術提取裂隙幾何參數(shù)，在剖面上開挖探槽測量裂隙深度，研究大氣營力作用下土體裂隙發(fā)展演化規(guī)律。上述研究成果在一定程度上揭示了土體裂隙的發(fā)展演化規(guī)律，但單元試驗中土樣呈水平狀態(tài)，且允許裂隙發(fā)育深度較小，難以反映存在臨空面的裂土邊坡在降雨-蒸發(fā)條件下坡體不同位置的裂隙在平面及深度方向的發(fā)展演化規(guī)律；現(xiàn)場試驗雖然能反映大氣營力對土體裂隙的影響，但由于外部環(huán)境及土層條件不可控，導致裂隙發(fā)展演化規(guī)律變異性較大。邊坡模型試驗能有效解決上述問題，同時可預先埋設傳感器監(jiān)測裂隙演化過程中土體內部物理參數(shù)，是研究裂隙發(fā)展演化規(guī)律的理想手段。目前，有關干濕循環(huán)作用下土質邊坡模型試驗逐漸增多。如王國利等[22-27]開展干濕循環(huán)作用下膨脹土邊坡離心或縮尺模型試驗，探究了膨脹土邊坡破壞機理，試驗研究成果對于揭示干濕循環(huán)條件下邊坡變形破壞機理具有重要價值，但存在以下問題：1)未將裂隙作為關鍵因素考慮，沒有系統(tǒng)研究模型邊坡在干濕循環(huán)下裂隙平面及深度方向發(fā)展演化規(guī)律；2)研究僅局限于坡頂裂隙的平面發(fā)展演化特征；3)土體物理量(如基質吸力)對裂隙發(fā)展深度的影響不明；4)試驗大多為小比尺模型試驗，尺寸效應顯著，且限制了裂隙在深度方向的充分發(fā)展；5)離心模型試驗難以開展精確的人工模擬降雨，大多數(shù)研究采用人工噴壺灑水或直接浸水，無法模擬天然狀態(tài)下雨水對邊坡的打擊、沖刷作用。為此，本文以現(xiàn)場裂土路塹邊坡為原型，開展降雨-蒸發(fā)作用下足尺模型試驗，測量土體表層質量含水率、基質吸力及裂隙深度，采用圖像矢量化技術提取邊坡不同位置土體裂隙幾何參數(shù)，研究平面及深度方向裂隙發(fā)展演化規(guī)律，基于斷裂力學分析裂隙類型，深化裂土邊坡裂隙發(fā)展演化的認識。

1 試驗設計

1.1 原型邊坡

試驗以安徽省沿江高速公路某灰白色裂土路塹邊坡為原型，邊坡高為3.2 m，坡率為1.0:1.0。邊坡開挖暴露于大氣環(huán)境一段時間后，坡面產(chǎn)生大量裂隙，如圖1所示，降雨后雨水沿裂隙快速滲入邊坡，導致坡體沿裂隙產(chǎn)生淺層破壞。

圖1 現(xiàn)場原型邊坡與坡面裂隙Fig.1 Field prototype slope and cracks in slope surface

1.2 足尺模型邊坡填筑

依據(jù)原型邊坡，設計模型邊坡長×寬×高為6.0 m×3.0 m×2.8 m，坡率為1.0:1.0。試驗所用土料取自原型邊坡，土樣基本物理性質如表1所示。模型邊坡填土高2.8 cm，分14層填筑，每層厚20 cm，為盡可能與原型邊坡土體物理力學性質保持一致，依據(jù)原型邊坡天然密度(平均為1.81 g/cm3)計算每層所需填土質量，對土樣翻曬、碾壓打散、噴淋，按天然干密度為1.59 g/cm3，含水率為13.8%進行填筑。分層采用電動平板夯夯實，玻璃側壁附近采用橡皮錘補夯，每層壓實后采用環(huán)刀取樣測試密度，若與設計值相差較大，則需翻松重新壓實，同時利用溫濕度探頭(TDR-6A)快速檢測土體體積含水率。筑坡完成后按設計坡率1.0:1.0 修坡，后靜置72 h，圖2所示為模型邊坡。

表1 土樣基本物理性質Table 1 Basic physical properties of soil samples

圖2 模型邊坡Fig.2 Model slope

1.3 降雨模式

模型試驗的移動式降雨系統(tǒng)可控雨強范圍為10.4～256.8 mm/h，降雨均勻系數(shù)能保持在80%以上，雨滴粒徑為0.1～4.8 mm，雨滴終點速度可達2.0～2.9 m/s，降雨裝置的設計及率定過程見文獻[28]。

從2018-07-28T8:00—2018-08-8T19:18，試驗共歷時274.3 h，其中降雨10 次，降雨過程中雨強恒為15.2 mm/h。推開雨棚日曬7 次，平均日照強度為2.30～2.66 kW·h/m2，其余時間為無降雨無日曬階段。將某次降雨經(jīng)過日曬階段后至下1次降雨開始前看作1 次降雨-蒸發(fā)過程。試驗共經(jīng)歷5次降雨-蒸發(fā)過程。受天氣影響，5次降雨-蒸發(fā)過程的降雨及日曬時間并不完全相等。降雨-日曬歷程如圖3所示。

1.4 觀測方法及傳感器布設

依托足尺模型邊坡，選擇坡體不同位置(坡腳、坡肩和坡頂)裂隙作為研究對象，通過定時拍照，測量裂隙深度、表層土體含水率和基質吸力等，研究模型邊坡的裂隙發(fā)展演化規(guī)律。

1) 坡頂采用索尼IMX179 型USB 攝像頭對指定裂隙區(qū)域按10 min 間隔進行定時拍照，攝像頭經(jīng)鋼結構支架固定在坡頂面以上1 m；坡腳、坡肩部位采用索尼ICLE-6000L 型數(shù)碼相機進行拍照，相機固定在坡腳前2 m，距地面1.5 m，為減小畸變對裂隙幾何參數(shù)的影響，鏡向與坡面垂直，并利用RM-VPRI 型定時器設置10 min 拍照間隔；通過圖片坐標準確截取坡體不同部位面積S為3 721 cm2的裂隙觀測區(qū)域，利用AutoCAD 將裂隙圖像矢量化，(如圖4 所示)，提取裂隙總長度L和總面積S0，按式(1)和式(2)分別計算裂隙率I和平均寬度d0。此外，圖像處理過程中，對監(jiān)測區(qū)域最后時刻(破壞前)的裂隙圖像按5 cm間距進行劃分，如圖4(c)所示，在每個網(wǎng)格內裂隙與邊界線交點的連線代表裂隙在該段的生長方向，統(tǒng)計裂隙生長角度的變化趨勢。

圖3 降雨-蒸發(fā)歷程圖Fig.3 Time-history diagram of rainfall-evaporation cycles

圖4 坡頂裂隙圖像、矢量圖及生長角度測量Fig.4 Crack photo,vector picture and measurement of cracks growth angle at slope crest

2)每次降雨-蒸發(fā)階段的降雨過程結束后，采用環(huán)刀在裂隙監(jiān)測區(qū)域附近切取土樣，將環(huán)刀置于不銹鋼圓盒內，稱取總初始質量后將其置于裂隙監(jiān)測區(qū)域附近，放置前在圓盒底部用塑料薄膜與土體相隔，以避免底部沾染土體，試驗過程中，每隔20 min稱取1次總質量，前后質量差即為水分蒸發(fā)質量，用于換算蒸發(fā)量。

3)為跟蹤監(jiān)測裂隙發(fā)展演化過程中表層土體質量含水率變化規(guī)律，無降雨階段在不同時刻鉆取監(jiān)測區(qū)域附近表層2～5 cm 深度土樣，采用烘干法測量含水率；此外，選用2個MPS-2型土壤水勢傳感器(量程0～-500 kPa)分別埋設于坡頂裂隙監(jiān)測區(qū)域表層以下10 cm 和20 cm 處，并在監(jiān)測區(qū)域附近采用TEN 系列土壤水分張力計(量程0～100 kPa)監(jiān)測30 cm 和40 cm 深度處土體的基質吸力。傳感器布設位置如圖5所示。

4)采用專用柔性軟尺測量裂隙深度，單條裂隙深度取其長度方向上6個測點平均值，某一監(jiān)測區(qū)域內裂隙深度取該區(qū)內主裂隙深度。

2 試驗結果

試驗共經(jīng)歷5 次降雨-蒸發(fā)過程，邊坡不同位置裂隙率在試驗過程中的變化曲線如圖6所示，由圖6可知：在整個試驗過程中坡頂監(jiān)測區(qū)域未發(fā)生破壞，具有完整的裂隙率曲線，坡腳、坡肩監(jiān)測區(qū)域分別在第2 次和第4 次降雨-蒸發(fā)過程中發(fā)生破壞，裂隙監(jiān)測結果終止于破壞前。

2.1 裂隙平面發(fā)展演化規(guī)律及影響因素

2.1.1 含水率與裂隙率

圖5 圖像采集設備及傳感器布設示意圖Fig.5 Layout of image acquisition device and sensor

圖6 邊坡不同部位的裂隙率變化曲線Fig.6 Variation curves of crack rate in different positions of the model slope

圖7所示為不同部位表層土首次雨后干燥期間2018-07-28T16:00—2018-07-30T9:00含水率與裂隙率的變化曲線。由圖7可知：坡腳、坡肩及坡頂?shù)暮首兓厔葺^一致，但坡腳含水率比坡肩和坡頂?shù)拇?，這與坡腳密度大、蒸發(fā)率低及降雨期間徑流積水有關；裂隙率曲線表明干燥過程中坡肩裂隙最發(fā)育，坡頂次之，坡腳最少，其中坡頂和坡腳變化趨勢一致，坡頂與坡肩的含水率曲線較接近，但二者變化趨勢明顯不同。這是由于坡肩在雨后開裂過程中，不僅受蒸發(fā)收縮產(chǎn)生的張拉應力控制，而且還受下方土體單元容重增加后施加的拖曳力控制。因此，在降雨后4～18 h，在拖曳力與蒸發(fā)干縮共同作用下，坡肩裂隙率明顯高于坡腳和坡頂裂隙率；隨后進入日曬階段，蒸發(fā)強度大幅增加，裂隙率陡增。日曬階段結束后，坡肩裂隙發(fā)展重新回到受拖曳力控制的狀態(tài)，由于下方土體單元容重減小，該階段的斜率比最初受拖曳力控制時的斜率低，但仍大于僅受蒸發(fā)干縮作用控制的坡腳和坡頂裂隙的斜率。

圖7 裂隙率與含水率時程變化曲線Fig.7 Time history curve of crack rate and water content

圖8所示為裂隙率與含水率的變化規(guī)律。由圖8可見：相同含水率條件下，坡肩裂隙率最大，其次為坡頂、坡腳；裂隙率與含水率呈負相關，坡腳、坡頂呈良好的線性關系，且坡頂裂隙率隨含水率衰減速度快于坡腳；坡肩受下方土單元拖曳力影響，其整體裂隙率與含水率的線性擬合度較低，但當蒸發(fā)強度較大時，含水率與裂隙率仍具有良好的線性關系。

2.1.2 降雨蒸發(fā)次數(shù)與裂隙平面幾何參數(shù)

圖8 裂隙率隨含水率的變化規(guī)律Fig.8 Variation law of crack rate with water content

裂隙平面幾何參數(shù)隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)的變化規(guī)律如圖9 所示。由圖9 可見：前3 次裂隙總長度與裂隙率變化趨勢一致，起伏較大，裂隙平均寬度波動較小，在整個降雨-蒸發(fā)過程中基本呈增加趨勢。后2 次降雨-蒸發(fā)階段裂隙總長度趨于穩(wěn)定，裂隙率隨平均寬度增大而增加。上述結果表明在降雨-蒸發(fā)次數(shù)較少時，裂隙發(fā)育主要體現(xiàn)在裂隙長度上，隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)增加，切割土塊的裂隙平面結構已基本成型，蒸發(fā)時水分主要從已發(fā)育的裂隙域中散失，被切割土塊(土體基質域)結構致密，水分散失緩慢，難以產(chǎn)生新生裂隙，因此，該階段裂隙發(fā)育主要表現(xiàn)在裂隙寬度上。前3次裂隙長度波動較大可能主要與平面裂隙結構未完全發(fā)育成型、受蒸降比(蒸發(fā)量/降雨量)影響較大有關。

在坡肩監(jiān)測區(qū)域未發(fā)生滑塌之前，裂隙率坡肩最大，坡腳最?。涣严犊傞L度坡頂最大，坡肩次之；裂隙平均寬度坡肩最大，坡腳最小。試驗結果表明：土體裂隙發(fā)育受含水率影響，而含水率受降雨-蒸發(fā)控制。

圖10所示為降雨-蒸發(fā)過程中蒸降比變化直方圖，圖11所示為表層含水率隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)變化曲線。由圖10和圖11可知：坡腳在試驗過程中蒸降比最小，含水率最高，因而裂隙發(fā)育程度低。坡肩部位裂隙受下方土體單元拖曳力影響，其寬度較僅受蒸發(fā)干縮作用的坡頂裂隙的寬度偏大。因此，即使坡肩蒸降比小于坡頂，含水率大于坡頂，其裂隙率及平均寬度變化曲線仍在坡頂之上。

2.1.3 裂隙平面幾何演化特征

按圖4(c)所示的方法對坡腳、坡肩及坡頂多處區(qū)域的裂隙最終發(fā)育狀態(tài)進行處理，得到圖12 所示的裂隙生長角度統(tǒng)計直方圖。圖12(b)中近平行走向(邊坡走向，下同)表示生長角度為0°～45°及135°～180°裂隙，近垂直走向表示生長角度為45～135°裂隙。

由圖12 可見：坡腳以發(fā)育近垂直走向裂隙為主，坡肩以發(fā)育近平行走向裂隙為主，坡頂2種方向裂隙發(fā)育程度基本均等而表現(xiàn)出網(wǎng)狀形態(tài)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是坡面裂隙在降雨-蒸發(fā)過程中會受到土單元拖曳力與推力的影響，處于坡面中部、坡肩及坡頂前緣位置的土體更容易發(fā)育與邊坡走向平行的裂隙，而坡腳受上方土體單元推力難以發(fā)育平行邊坡走向裂隙，土體儲備的拉應力勢能傾向于垂直于推力方向釋放，因此，易發(fā)育與走向大角度相交的裂隙，坡頂中后緣受臨空面影響較小裂隙呈網(wǎng)狀發(fā)育，如圖13所示。

2.2 裂隙深度發(fā)展演化規(guī)律及影響因素

2.2.1 基質吸力與裂隙深度

圖9 裂隙平面幾何參數(shù)隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)變化規(guī)律Fig.9 Variation law of plane geometric parameters of cracks with rainfall-evaporation cycles

圖10 降雨-蒸發(fā)過程中蒸降比變化直方圖Fig.10 Histogram of evaporation/rainfall ratio versus rainfall-evaporation cycles

圖11 表層含水率隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)變化曲線Fig.11 Variation curves of surface soil water content with rainfall-evaporation cycles

第4 次降雨-蒸發(fā)過程結束后，柔性尺可測得的裂隙平均深度為30.1 cm，經(jīng)過第5次降雨-蒸發(fā)過程后深度發(fā)展至43.2 cm。圖14所示為33.05 h內2018-07-28T10:15—2018-08-8T19:24不同深度基質吸力與裂隙深度的時程變化曲線。由圖14可見：降雨開始前各測點處基質吸力由上至下分別為50.4，43.2，38.1 及20.3 kPa。降雨后，10，20 和30 cm 測點處基質吸力在1.5 h 內依次迅速降低至0，40 cm 測點由于裂隙尚未發(fā)展至此，其基質吸力在雨后4 h才降至0 kPa。降雨完成后，測區(qū)大量裂隙閉合，可測深度減小至0 cm；日曬蒸發(fā)過程前期，原裂隙迅速張開，陡增至降雨前深度，各測點處基質吸力增速較緩，在日照強度最大階段2018-08-8T8:00—2018-08-8T16:30，10，20 和30 cm測點處因裂隙導致蒸發(fā)面增加，蒸發(fā)速率增大，基質吸力依次進入陡增階段，40 cm測點處并未出現(xiàn)明顯增長，該階段裂隙向深處發(fā)展需要進一步撕裂完整土體，因此，其增長速率明顯降低。日曬蒸發(fā)過程末期，40 cm測點處出現(xiàn)陡增，裂隙平均深度測量值表明此時裂隙已擴展至40 cm測點處附近，裂隙加速該區(qū)土體水分蒸發(fā)，由此引起測點處基質吸力快速增加。

圖12 裂隙生長角度統(tǒng)計直方圖Fig.12 Statistical histogram of cracks growth angle

圖13 坡肩及坡頂裂隙平面幾何特征Fig.13 Plane geometry characteristic of cracks in slope shoulder and crest

圖14 基質吸力與裂隙深度時程變化曲線Fig.14 Curve of matrix suction and crack depth with time

2.2.2 降雨蒸發(fā)次數(shù)與裂隙深度

降雨-蒸發(fā)作用形成的裂隙在后一次降雨過程中，底部接受雨水下蝕作用深度增大，裂隙兩側土單元一方面遇水膨脹，另一方面在雨水沖刷作用下崩解堆積在裂隙內，形成松散堆積物導致裂隙閉合，如圖15 所示。松散堆積物的抗拉強度遠小于裂隙附近土塊抗拉強度[11]，在蒸發(fā)過程中，原裂隙會迅速張開至降雨前深度，隨后繼續(xù)往縱深方向發(fā)展。

圖16所示為主裂隙深度和寬度隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)的變化曲線。由圖16可見：隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)增加，裂隙深度呈增加趨勢，坡肩裂隙在發(fā)展過程中受下方土體單元拖曳力作用，其裂隙深度在第2～3 次降雨-蒸發(fā)過程中急劇增加。坡頂裂隙深度在前期無明顯增長趨勢。第2 次降雨-蒸發(fā)過程結束后，測量數(shù)據(jù)及模型箱側壁顯示裂隙深度進入加速發(fā)展階段，如圖17所示。此外，由圖16還可知，主裂隙寬度與深度具有明顯正相關性，這與文獻[17]中結果相符。

2.2.3 裂隙豎向演化特征

圖15 坡頂裂隙濕化愈合過程圖Fig.15 Humidification healing process of cracks at slope crest

圖16 主裂隙深度和寬度隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)的變化曲線Fig.16 Variation curves of depth and width of preferential crack with rainfall-evaporation cycles

圖17 側壁觀察到的坡頂裂隙深度變化Fig.17 Depth variation of cracks on slope crest observed through glass side wall

當土體表層開裂時，土顆粒自重應力影響不明顯；當裂隙向縱深方向發(fā)展時，自重應力影響增大。由土體蒸發(fā)干縮產(chǎn)生的張拉應力需要克服側面上存在的2種抗拉應力，即土顆粒間的抗拉強度σa和土體自重引起的側向應力σh，當裂隙尖端土體再次蒸發(fā)時收縮所產(chǎn)生的張拉應力大于σa+σh時，裂隙即可繼續(xù)向深處發(fā)展。由于裂土具有低滲透性，上層土體蒸發(fā)收縮時下層土體并不緊跟其后，導致上下層土體不均勻收縮，加之裂隙越往深處發(fā)展，需要克服的抗拉應力越大，也越難開裂，因此，裂隙在縱剖面上往往呈“V”字型。水平土層中，當土體較為均勻時，裂隙往往豎直發(fā)育，豎向上不會有明顯“轉向”現(xiàn)象。對于坡面土體而言，側向臨空面導致σh減小，坡越緩，σh減小幅度越大，裂隙則越容易朝豎直方向發(fā)展。

圖18 所示為坡體不同部位裂隙深度演化發(fā)展機理。由圖18(a)可見：坡腳、坡面中部及坡肩在第1 次降雨-蒸發(fā)過程結束后均近豎直方向發(fā)育。由圖18(b)可見：隨降雨-蒸發(fā)作用，坡面裂隙發(fā)展不再只受土體干縮產(chǎn)生的張拉應力控制，裂隙兩側土體單元容重增大后，附加的拖曳力與推力開始控制裂隙向下生長，坡肩裂隙主要受下方土體單元的拖曳力，其裂隙逐漸向平行于坡面的方向發(fā)展，坡中裂隙同時受到上方土單元推力與下方土單元拖曳力作用，其裂隙尖端轉向與坡面垂直的方向演化。坡腳處裂隙主要受上方土單元推力作用，在演化過程中裂縫深度及寬度越來越小，向下發(fā)展的方向也無明顯變化。

圖18 坡體不同部位裂隙深度演化發(fā)展機理Fig.18 Evolution mechanism of crack depth in different positions of slope

3 裂土邊坡裂隙類型劃分

由試驗分析結果可知：裂隙在平面及深度方向的演化特征與坡體位置密切相關，即裂隙的發(fā)展演化與土體所處的應力環(huán)境密切相關。斷裂力學中，裂隙分為單型裂隙和復合型裂隙，單型裂隙可分為I 型張開斷裂、Ⅱ型滑移斷裂和Ⅲ型撕開斷裂，如圖19 所示。復合裂隙由上述3 種斷裂復合而成。

圖19 單一應力環(huán)境下3種斷裂類型(引自文獻[29])Fig.19 Three modes of cracks under single stress condition(cited from Ref.[29])

IRWIN[30]認為裂紋擴展與裂紋尖端附近應力場有關，并提出了I 型、Ⅱ型和Ⅲ型斷裂的應力強度因子分別為KI，KⅡ和KⅢ。從應力角度看，當裂隙尖端附近應力強度因子滿足下式時，裂隙則繼續(xù)擴展：

式中：KΙC，KⅡC和KⅢC分別為3種斷裂的斷裂韌度，表征土體抵抗開裂的能力。

能量角度上，能量釋放率H是分析土體開裂的重要參數(shù)，指裂隙擴展單位面積時所釋放的能量。在平面應變條件下，裂隙尖端能量釋放率與斷裂韌度有如下關系：

式中：HI，HⅡ和HⅢ分別為3 種斷裂的能量釋放率；E為彈性模量；v為泊松比。當裂隙尖端附近能量釋放率滿足下式時，裂隙則繼續(xù)擴展：

式中：HIC，HⅡC和HⅢC分別為3種土體開裂時的能量釋放率臨界值，與土體自身性質有關。對于復合型裂隙，H的表達式為

對應的斷裂判據(jù)為

由蒸發(fā)干縮引起土體初次開裂并形成的裂隙均屬I型張開斷裂。張開斷裂形成后在平面及深度方向即存在裂紋尖端，在降雨-蒸發(fā)過程中，隨坡體不同位置應力狀態(tài)變化，斷裂類型及判據(jù)隨之改變。

坡頂中后緣及坡腳張開斷裂的進一步發(fā)展主要由水分蒸發(fā)產(chǎn)生的拉應力控制，其斷裂類型仍屬于I型張開斷裂。當裂紋尖端有KΙ≥KΙC時，新的完整土體裂開，宏觀上表現(xiàn)為裂隙深度及裂縫長度增加；裂隙初始開裂一般沿最大能量釋放率Hmax方向，對于干縮裂隙指最大收縮能釋放率。平面上，一條裂隙形成后，裂隙附近平行于裂隙長度方向有HI＜Hmax，垂直于裂隙方向存在HI≥Hmax，因此，新生裂隙往往垂直于已發(fā)育裂隙演化，同時，裂隙尖端向另一條已發(fā)育裂隙垂直生長，數(shù)次降雨-蒸發(fā)過程后，坡頂中后緣即形成網(wǎng)狀結構裂隙。

如圖18 所示，坡頂前緣、坡肩和坡面中上部張開斷裂的進一步發(fā)展受T，τ和Gt控制，其斷裂類型逐步演化為I-Ⅱ復合型斷裂。在降雨期間及降雨后的一段時間內，復合斷裂的H主要取決于Gt及HⅡ，其中HⅡmax方向平行于τ的方向，HImax方向垂直于T和Gt方向，因此，坡肩裂隙深度方向轉向平行坡面發(fā)展，平面上近平行于邊坡走向發(fā)展。

基于現(xiàn)場調研、模型試驗和理論分析結果，提出如表2所示的裂土路塹邊坡裂隙發(fā)展階段及類型劃分。

表2 邊坡裂隙發(fā)展演化階段及裂隙類型劃分Table 2 Classification of development stage and fracture modes of slope cracks

4 結論

1)首次雨后干燥時，坡腳、坡頂處裂隙率與含水率呈高度線性負相關，坡肩處二者線性關系較差；裂隙總長度表現(xiàn)為前期波動變化，后期趨于穩(wěn)定；而平均寬度逐漸增加，其中坡肩裂隙率和平均寬度最大；坡肩裂隙總長度小于坡頂裂隙總長度；坡面中部、坡肩及坡頂前緣土體易發(fā)育平行邊坡走向裂隙，對邊坡穩(wěn)定性影響最大。

2) 裂隙導致相應深度基質吸力降雨時陡降、干燥時陡增；裂隙深度與寬度隨降雨-蒸發(fā)次數(shù)增加同趨勢增加；在降雨蒸發(fā)過程中，坡頂后緣裂隙近垂直向發(fā)展，坡肩裂隙往平行于坡面方向發(fā)展，坡中裂隙尖端轉向與坡面垂直方向演化，坡腳裂隙深度逐漸減小。

3)裂隙類型隨坡體位置及降雨-蒸發(fā)過程變化而變化。坡體首次蒸發(fā)收縮開裂時，所有裂隙均屬I 型張開斷裂；隨降雨-蒸發(fā)過程進行，坡面中上部及坡肩附近裂隙演化為I-Ⅱ復合型斷裂，坡頂中后緣仍屬于I型張開斷裂。

4)裂土路塹邊坡中I-Ⅱ復合型裂隙的發(fā)育程度是導致邊坡失穩(wěn)的關鍵因素，施工階段應重視對該類裂隙的追蹤監(jiān)測，尤其應注意坡肩附近裂隙的發(fā)展演化。