王佳妮，張曉明，丁樹文，王云琦，段曉陽，楊清杰

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070)

自然環(huán)境中在降雨—蒸發(fā)的交替變化下，崩崗?fù)馏w產(chǎn)生膨脹收縮現(xiàn)象并衍生大量的裂隙，降低土體的抗剪強(qiáng)度，破壞土體的穩(wěn)定性，加速崩塌的發(fā)生。為抑制崩崗侵蝕的發(fā)生，國內(nèi)學(xué)者們針對(duì)崩崗?fù)馏w的力學(xué)特性，如抗剪強(qiáng)度、滲透特性、固結(jié)特性、抗拉特性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等方面做過大量的研究。對(duì)崩崗?fù)馏w裂隙性以及脹縮性的研究方面，張曉明等研究表明，在干濕循環(huán)效應(yīng)下，崩崗?fù)馏w內(nèi)會(huì)衍生大量的裂隙，引起土體不均勻沉降；劉昌鑫等研究表明，崩崗?fù)馏w裂隙比的增加主要發(fā)生在第2次干濕循環(huán)；魏玉杰等對(duì)崩崗不同土層進(jìn)行收縮試驗(yàn)表明，紅土層與過渡層收縮變化明顯，砂土層較為緩和，且土壤黏粒含量與軸向收縮率呈正相關(guān)。對(duì)崩崗?fù)馏w的裂隙性與脹縮性研究較少，且對(duì)裂隙發(fā)育與收縮變形分別單獨(dú)進(jìn)行研究，自然環(huán)境中兩者是同時(shí)發(fā)生且相互影響的，因此需要進(jìn)一步同時(shí)研究崩崗?fù)馏w的裂隙發(fā)育與收縮變形，并探討兩者之間的關(guān)系。

國內(nèi)外針對(duì)脹縮性與裂隙性的研究多集中于膨脹土，總結(jié)脹縮變形與裂隙產(chǎn)生的原因在于：一是其主要礦物成分為蒙脫石與伊利石，具有極強(qiáng)的親水特性；二是土體中的黏粒通過膠結(jié)作用形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體內(nèi)存在孔隙，當(dāng)水分子進(jìn)入孔隙時(shí)土體膨脹，當(dāng)干燥失水時(shí)孔隙縮小造成土體收縮；三是脫濕過程中黏粒之間形成水化膜，產(chǎn)生張拉力，當(dāng)張拉力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙產(chǎn)生。易順民等、唐朝生等研究表明，自然條件下裂隙看起來分布雜亂無章且發(fā)育隨機(jī)，但經(jīng)過野外統(tǒng)計(jì)和室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具有較好的分形特性，且存在較強(qiáng)的時(shí)序性。對(duì)于脹縮變形、裂隙發(fā)育的影響因素，學(xué)者們從土體結(jié)構(gòu)(初始干密度、含水率等)、土質(zhì)因素(黏粒含量、礦物含量等)、外界環(huán)境因素(溫度、濕度、界面粗糙度、邊界約束等)、土體尺寸(厚度、表面積等)等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，初步揭示了膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律。自然條件下降雨—蒸發(fā)的反復(fù)交替是土體膨脹收縮與裂隙發(fā)育的促使因素，因此有必要對(duì)干濕效應(yīng)進(jìn)行研究。

學(xué)者們對(duì)于收縮變形與裂隙發(fā)育規(guī)律的研究多集中于膨脹土，對(duì)崩崗?fù)馏w的研究較少。因此本文以湖北省通城縣的典型崩崗?fù)馏w為研究對(duì)象，對(duì)4層土進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過工業(yè)相機(jī)記錄脫濕過程中裂隙發(fā)育、土體收縮的動(dòng)態(tài)過程，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)裂隙參數(shù)、收縮參數(shù)定量化分析，研究干濕效應(yīng)下崩崗不同土層的裂隙發(fā)育與收縮變形規(guī)律，以及兩者之間的相互影響關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步研究崩崗失穩(wěn)機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自湖北省咸寧市通城縣五里鎮(zhèn)的瓢型崩崗(113°46′26′′E，29°12′39′′N)，該崩崗發(fā)育完整，崩壁邊高約3.38 m，面積達(dá)126 m，植被覆蓋度約為35%。在野外進(jìn)行采樣時(shí)依據(jù)崩壁剖面土壤顏色、土壤深度對(duì)土層進(jìn)行劃分。表土層，取樣深度0.05—0.17 m，土體呈現(xiàn)暗紅色，根系肉眼可見，表層有稀疏的植被，土粒質(zhì)感細(xì)膩，具有較好的結(jié)構(gòu)性；紅土層，取樣深度0.17—0.49 m，土體為紅色，根系分布較少，土粒質(zhì)感細(xì)膩，結(jié)構(gòu)緊實(shí)；過渡層，取樣深度0.49—2.10 m，土壤顏色呈現(xiàn)淡紅色至灰白色，沒有植物根系，有輕微的砂質(zhì)干，結(jié)構(gòu)比較松散；砂土層，取樣深度2.10—3.10 m，土體顏色呈現(xiàn)灰白色，無植物根系，顆粒不均一，砂質(zhì)感較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)松散。

采取原狀土?xí)r，提前在環(huán)刀內(nèi)壁薄涂一層凡士林，環(huán)刀采用規(guī)格為50.46 mm×50 mm，在每層中部各取3個(gè)原狀土，并迅速用保鮮膜包裹，做好密封措施。原狀土主要用于測(cè)量土壤的自然含水率、干密度和毛管孔隙度。在每層中部用鐵鍬采集大量的土壤放入麻袋中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，包括有機(jī)質(zhì)含量測(cè)量、液塑限測(cè)量、礦物含量組成、顆粒組成、干濕循環(huán)試驗(yàn)等。4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成見表1和表2。

表1 崩崗4層土的基本物理性質(zhì)

表2 崩崗4層土的顆粒組成 單位：%

1.2 試樣制備

將采回的土風(fēng)干碾碎過2 mm篩后混合均勻，將土樣均勻加水為過飽泥漿狀態(tài)，密封在容器內(nèi)靜置24 h后，抽去表面清液，將泥漿試樣緩緩倒入培養(yǎng)皿(=15 cm，=1.6 cm)中，輕輕晃動(dòng)培養(yǎng)皿使試樣平整，共設(shè)計(jì)12個(gè)試樣(4層土×3組重復(fù))。并從剩余泥漿中取3個(gè)土樣采用烘干法測(cè)量含水率，其平均值即為土樣的初始含水率，以此方法測(cè)量4層土的初始含水率分別為38.03%，40.97%，42.88%，33.11%。

1.3 試驗(yàn)方法

在溫度和濕度都相對(duì)恒定的室內(nèi)(溫度(24±0.5)℃，相對(duì)濕度(65±2)%)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，脫濕過程采用同一風(fēng)速的低風(fēng)速風(fēng)扇置于試樣同一側(cè)加速水分的蒸發(fā)，并保證每個(gè)試樣間距為10 cm，保證其不受其他風(fēng)扇的影響。在脫濕初始階段，每隔4 h進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)稱重拍照；當(dāng)開始產(chǎn)生收縮或者裂隙時(shí)，時(shí)間間隔縮短至2 h；當(dāng)裂隙發(fā)育穩(wěn)定后，時(shí)間間隔增加至6 h至脫濕結(jié)束。稱重是用于記錄水分蒸發(fā)過程，計(jì)算土體含水率的變化情況。拍照裝置見圖1。相機(jī)采用500萬像素的工業(yè)相機(jī)，將試樣放置在圖像校正板上保證每次拍攝位置和角度相同，上方相機(jī)用于記錄裂隙發(fā)育及徑向收縮，側(cè)方相機(jī)用于記錄軸向收縮，使用黑布進(jìn)行遮蔽避免其他光源的影響。

圖1 試驗(yàn)拍照裝置示意

數(shù)字圖像處理：先使用Photoshop軟件對(duì)圖片進(jìn)行裁剪，修正由于光源影響造成的顏色不均問題，使用ImageJ-Fiji軟件對(duì)圖片進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化、去噪、骨架化等處理，進(jìn)行裂隙參數(shù)提取分析。裂隙參數(shù)包括表面裂隙率、裂隙總長度、平均寬度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)和土塊個(gè)數(shù)。通過ImageJ-Fiji的比例尺設(shè)置功能將像素值轉(zhuǎn)化為實(shí)際值，進(jìn)行徑向收縮面積、開裂面積、裂隙總長度、裂隙平均寬度、徑向收縮率和軸向收縮率的測(cè)量。在脫濕過程中同時(shí)使用游標(biāo)卡尺對(duì)同一試樣的3個(gè)不同方向進(jìn)行高度測(cè)量，取其平均值，用于與軸向收縮率的圖像處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比修正。

裂隙參數(shù)：以往的研究中，定義表面裂隙率為裁剪掉邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的徑向收縮，僅計(jì)算裂隙面積與土樣初始表面積的占比，這樣計(jì)算的缺點(diǎn)在于忽略了脫濕初期裂隙的醞釀過程。因此，本文定義裂隙范疇包含徑向收縮區(qū)域，表面裂隙率為徑向收縮面積與開裂面積之和與土樣初始表面積之比。參數(shù)表達(dá)式為：

(1)

式中：為表面裂隙率(%)；為徑向收縮面積與開裂面積之和(cm)；為土樣初始表面積(cm)；為徑向收縮面積(cm)；為開裂面積(cm)。

收縮參數(shù)中軸向收縮率、徑向收縮率的表達(dá)式：

(2)

(3)

式中：為土樣初始直徑(cm)；為收縮后的土樣直徑(cm)；為土樣初始高度(cm)；為收縮后的土樣高度(cm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單次脫濕下土體的裂隙發(fā)育

對(duì)4層土(3組重復(fù))第1次脫濕結(jié)束的裂隙參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3)發(fā)現(xiàn)，各土層3組重復(fù)試驗(yàn)的裂隙參數(shù)幾乎沒有產(chǎn)生較大差異。以表土層為例，統(tǒng)計(jì)3個(gè)重復(fù)試樣的干縮開裂終止圖(圖2)發(fā)現(xiàn)，其裂隙形態(tài)相似，均具備環(huán)形裂隙，不同之處在于裂隙產(chǎn)生部位不一致。在定量分析裂隙參數(shù)中S、S、S的表面裂隙率分別為12.99%，12.85%，13.20%，變異系數(shù)為1.11%；裂隙總長度分別為94.52，92.71，93.43 cm，變異系數(shù)為0.80%；裂隙平均寬度分別為0.24，0.24，0.24 cm，變異系數(shù)為0；裂隙條數(shù)分別為15，14，14，變異系數(shù)為3.29%；裂隙交點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為10，9，9，變異系數(shù)為5.05%；被分割的土塊個(gè)數(shù)分別為6，5，6，變異系數(shù)為8.32%。所以對(duì)于相同配置的土樣，雖然裂隙的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，但僅僅體現(xiàn)在裂隙產(chǎn)生部位上，其他裂隙參數(shù)仍具備相似性。

圖2 表土層的干縮開裂終止圖

表3 第1次脫濕結(jié)束后4層土的裂隙參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4層土的表面裂隙率與裂隙平均寬度的關(guān)系一致，表現(xiàn)為過渡層>紅土層>表土層>砂土層，與土體中黏粒含量的關(guān)系相同；而其裂隙總長度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、被分割的土塊個(gè)數(shù)中，過渡層、紅土層、表土層相差不大，砂土層最小，表明過渡層表面裂隙率大于其他土層，主要貢獻(xiàn)來源于裂隙寬度。而過渡層與砂土層在崩崗垂直剖面上屬于相鄰?fù)翆樱瑑烧吡严缎缘妮^大差異性破壞土體穩(wěn)定性，造成崩塌的發(fā)生。

由于前面分析重復(fù)試樣的裂隙參數(shù)具有相似性，因此4層土分別選取1個(gè)代表試樣S、S、S、S，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)表面裂隙率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成進(jìn)行相關(guān)分析(表4)，表明液限、塑性指數(shù)、黏粒含量與表面裂隙率均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，砂粒含量與表面裂隙率存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。塑性指數(shù)越大，土壤顆粒越細(xì)，黏粒的親水礦物含量越高。而在脫濕過程中，表層土體與風(fēng)、空氣等外界因素直接接觸，水分蒸發(fā)快，而下部土體由于水分蒸發(fā)遷移路徑長以及吸力的產(chǎn)生，水分蒸發(fā)慢，致使土體形成上低下高的含水率梯度。而黏粒之間的黏結(jié)作用，以及黏粒之間的間隙較小，均會(huì)阻礙下部土體的水分蒸發(fā)，進(jìn)一步加大上下含水率梯度，形成受力不均的拉張應(yīng)力場，當(dāng)某一處的拉張力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙產(chǎn)生。因此，黏粒含量的增加進(jìn)一步加大表面裂隙率，砂粒的作用則與之相反。液限與表面裂隙率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，可能是因?yàn)橐合拊酱?，土體由液態(tài)轉(zhuǎn)化為可塑狀態(tài)所需含水率越大，同時(shí)說明在脫濕過程中土體更易由過飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可塑狀態(tài)，產(chǎn)生拉張力也越容易。

參考Wang等[11]的方法：將一定量的去質(zhì)子化丁香酚溶液(10%，v/v)加入到100 mL酪蛋白酸鈉溶液(2% w/v)中，磁力攪拌(600 r·min-1)30 min，得到丁香酚濃度為1%的混合溶液。在磁力攪拌(600 r·min-1)作用下，用3 mol·L-1的檸檬酸溶液將混合溶液pH調(diào)至7.0，得到丁香酚微乳。

表4 表面裂隙率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)

2.2 單次脫濕下土體的收縮特性

在二維條件下，對(duì)4層土(3組重復(fù))第1次脫濕結(jié)束的收縮參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表5)發(fā)現(xiàn)，各土層3組重復(fù)試驗(yàn)的收縮參數(shù)幾乎沒有產(chǎn)生較大差異。以表土層為例，其S、S、S的軸向收縮率分別為19.50%，19.98%，19.46%，變異系數(shù)為1.20%；徑向收縮率分別為4.13%，3.95%，4.35%，變異系數(shù)為3.94%。所以對(duì)于相同配置的土樣，其收縮特性具有相似性。

表5 第1次脫濕結(jié)束后4層土的收縮參數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位：%

由于重復(fù)試樣的收縮參數(shù)具有相似性，因此4層土分別選取1個(gè)代表試樣S、S、S、S，將脫濕過程中其徑向收縮率()、軸向收縮率()進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。隨脫濕的進(jìn)行，徑向收縮率呈“S”形增大，軸向收縮率隨“廠”形增大，與范本賢等的研究結(jié)果一致。4層土的軸向收縮約在含水率30%時(shí)，急速增長階段結(jié)束，此時(shí)徑向收縮才開始產(chǎn)生。4層土的開裂含水率分別為24.96%，26.15%，29.47%，22.36%，此時(shí)徑向收縮急速階段結(jié)束，表明脫濕過程中土體形態(tài)變化順序?yàn)檩S向收縮、徑向收縮、裂隙發(fā)育。脫濕結(jié)束時(shí)4層土的徑向收縮率分別為4.13%，5.51%，5.68%，2.39%，軸向收縮率分別為19.50%，30.63%，18.13%，10.00%，軸向收縮率大于其徑向收縮率，表明脫濕過程中土體在垂直面上的收縮變形大于其水平面上的收縮變形，且4層土之間徑向收縮率為過渡層>紅土層>表土層>砂土層，軸向收縮率為紅土層>表土層>過渡層>砂土層。

圖3 徑向收縮率、軸向收縮率隨含水率變化

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)4層土(S、S、S、S)的基本物理性質(zhì)、顆粒組成與土體徑向收縮率、軸向收縮率進(jìn)行相關(guān)分析(表6、表7)，液限、黏粒含量與土體徑向收縮率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，砂粒含量與徑向收縮率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土體干密度與軸向收縮率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表6 徑向收縮率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)

表7 軸向收縮率與4層土的基本物理性質(zhì)、顆粒組成相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)

黏粒含量、砂粒含量、液限對(duì)徑向收縮的作用機(jī)理與對(duì)收縮開裂一致，而干密度越大，土體越緊實(shí)，脫濕過程中土壤顆粒在軸向上的位移受到限制，致使軸向收縮率越小。

2.3 干濕效應(yīng)下土體的裂隙發(fā)育

選取4層土代表試樣S、S、S、S進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)干濕循環(huán)過程中每次脫濕結(jié)束的干縮開裂圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖4)，可以看出，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，表土層、砂土層的裂隙骨架、裂隙形態(tài)基本未改變，而紅土層、過渡層的裂隙形態(tài)趨于復(fù)雜化，在前3次循環(huán)中主裂隙骨架未改變，同時(shí)產(chǎn)生許多新生裂隙，在后3次干濕循環(huán)中，基本沒有存在主裂隙，裂隙形態(tài)改變較嚴(yán)重，且4層土的裂隙寬度、徑向收縮明顯減小。

注：T為干濕循環(huán)次數(shù)。

對(duì)4層土的開裂含水率()進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表8)。第1次脫濕中，4層土的開裂含水率分別為24.96%，26.15%，29.47%，22.36%。根據(jù)馮延云等的研究，4層土的抗拉強(qiáng)度為過渡層>紅土層>表土層>砂土層，隨著脫濕的進(jìn)行，抗拉強(qiáng)度先逐漸增大后逐漸減小再趨于穩(wěn)定，且表土層、紅土層、過渡層在含水率為24.40%左右達(dá)到峰值，砂土層在25.80%左右達(dá)到峰值。將拉張力與抗拉強(qiáng)度結(jié)合分析，以過渡層為例，可分為5個(gè)階段：(1)含水率在42.88%～29.47%，隨著脫濕的進(jìn)行，土體產(chǎn)生拉張力，抗拉強(qiáng)度也逐漸增大，但此時(shí)拉張力小于抗拉強(qiáng)度；(2)在含水率為29.47%時(shí)，拉張力大于抗拉強(qiáng)度，裂隙產(chǎn)生；(3)含水率在29.47%～24.40%，拉張力與抗拉強(qiáng)度仍在增加，拉張力大于抗拉強(qiáng)度，裂隙延伸、拓寬；(4)含水率在24.40%～15.50%，拉張力增大，抗拉強(qiáng)度減小，裂隙拓寬、延伸；(5)含水率在15.50%～2.26%，拉張力與抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，裂隙發(fā)育穩(wěn)定。4層土之間，表土層、紅土層、過渡層均在抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值之前裂隙就已產(chǎn)生，砂土層在抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值之后裂隙才產(chǎn)生，表明脫濕過程中表土層、紅土層、過渡層拉張力的增大速度遠(yuǎn)大于砂土層。而表土層、紅土層、過渡層中，抗拉強(qiáng)度、開裂含水率均為過渡層>紅土層>表土層，過渡層抗拉強(qiáng)度最大，說明它需要產(chǎn)生更大的拉張力土體才能開裂，而過渡層的開裂含水率也最大，說明它的拉張力最早大于抗拉強(qiáng)度，也表明過渡層的拉張力增大速度最快。

表8 干濕循環(huán)效應(yīng)下4層土的開裂含水率(wc) 單位：%

隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，逐漸減小在=3后逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榈?次脫濕過程中裂隙周圍土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，而增濕過程只是土體吸水膨脹，裂隙寬度逐漸縮小，當(dāng)其減小至裂隙兩邊土體貼近時(shí)，造成肉眼所見的裂隙愈合，但其并不能恢復(fù)土壤顆粒之間的黏結(jié)作用。所以再次進(jìn)行脫濕時(shí)，下部土體水分沿著裂隙部分蒸發(fā)，使上下含水率梯度減小，開裂含水率也逐漸減小。但由于干濕循環(huán)作用的有限性，開裂含水率趨于穩(wěn)定。4層土之間由=1至=3開裂含水率的減少值分別為1.30%，1.70%，2.01%，0.40%，這與其裂隙開裂面積有關(guān)，過渡層收縮開裂面積最大，因此增濕后再進(jìn)行脫濕時(shí)，其下部土體水分蒸發(fā)的途徑更多一些，土體上下含水率更難形成大梯度差值，則其再次脫濕時(shí)所需的開裂含水率值相對(duì)更小，造成4層土中過渡層的開裂含水率減小值更大。

2.4 干濕效應(yīng)下的裂隙參數(shù)定量化分析

圖5(a)～圖5(f)為表面裂隙率、裂隙總長度、裂隙平均寬度、裂隙總條數(shù)、裂隙交點(diǎn)個(gè)數(shù)、被分割的土塊個(gè)數(shù)隨干濕循環(huán)的變化。表面裂隙率與裂隙平均寬度的變化趨勢(shì)基本一致。隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行逐漸減小，表土層在=4后趨于穩(wěn)定，紅土層、過渡層、砂土層在=3后趨于穩(wěn)定，其中4層土由=1至=2表面裂隙率分別減小4.60%，8.75%，9.35%，1.01%，平均寬度分別減小0.1，0.2，0.2，0.02 cm，各土層之間變化幅度均為過渡層>紅土層>表土層>砂土層；由=2至=3表面裂隙率分別減小2.42%，2.51%，2.20%，1.42%，平均寬度分別減小0.04，0.03，0.02，0.04 cm，各土層之間減小幅度差別不明顯。表明第2次干濕循環(huán)對(duì)土體的干縮開裂影響最大，且4層土之間受干濕循環(huán)的影響最大的是過渡層，砂土層最小。

圖5 4層土的裂隙參數(shù)隨干濕循環(huán)的變化

每層土的裂隙總長度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、土塊個(gè)數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。表土層隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，各裂隙參數(shù)先緩慢增加，在=3時(shí)達(dá)到最大值，后有輕微減小，并在=4后趨于穩(wěn)定，表明表土層在前3次干濕循環(huán)的作用下，裂隙逐漸延伸、相交，并衍生新裂隙，在第4次干濕循環(huán)時(shí)某些部位裂隙愈合致使各參數(shù)減小。紅土層與過渡層的變化一致，各裂隙參數(shù)先緩慢增加，在=2時(shí)達(dá)到最大值，后大幅度減小，在=3后趨于穩(wěn)定。砂土層的各裂隙參數(shù)基本未發(fā)生改變，處于無波動(dòng)狀態(tài)?？偨Y(jié)各土層均在=3后趨于穩(wěn)定，在=3之前均有漲幅。根據(jù)馮延云等的研究，因?yàn)殡S著干濕循環(huán)地進(jìn)行，各土層抗拉強(qiáng)度逐漸衰減在=3后趨于穩(wěn)定，使脫濕過程中拉張力大于抗拉強(qiáng)度，裂隙更容易產(chǎn)生，裂隙總長度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、土塊個(gè)數(shù)均有漲幅。

2.5 干濕效應(yīng)下的收縮參數(shù)定量化分析

由圖2可以看出，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，其徑向收縮現(xiàn)象已經(jīng)不存在，土體邊緣以由徑向收縮轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘壛严丁＿@可能是因?yàn)樵鰸襁^程中土塊邊緣土體在水的作用下崩解、堆積在徑向收縮區(qū)域內(nèi)，與土塊分離，屬于邊緣閑散土壤顆粒，因此不對(duì)徑向收縮率進(jìn)行研究。在二維條件下，對(duì)土體表面裂隙率(圖5(a))與軸向收縮率(圖6)進(jìn)行對(duì)比分析。水平面上，表面裂隙率隨干濕循環(huán)逐漸減小，在=3時(shí)趨于穩(wěn)定；垂直面上，軸向收縮率隨干濕循環(huán)逐漸減小，在=4時(shí)趨于穩(wěn)定。由=1進(jìn)行到=6，4層土的表面裂隙率減小量分別為8.76%，12.46%，11.98%，2.63%，軸向收縮率減小量分別為3.50%，9.71%，7.51%，3.01%，4層土的表面裂隙率的變化量均大于其軸向收縮率的變化量，干濕循環(huán)對(duì)表面裂隙率的影響大于其軸向收縮。在4層土中，表面裂隙率的變化量為過渡層～紅土層>表土層>砂土層，軸向收縮率的變化量為紅土層>過渡層>表土層>砂土層，這是因?yàn)楸砻媪严堵手饕绊懸蛩貫轲ち：浚S向收縮率的主要影響因素為土體的干密度。

圖6 4層土的軸向收縮率隨干濕循環(huán)的變化

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于相同配置的土樣，裂隙發(fā)育的隨機(jī)性僅體現(xiàn)在發(fā)育部位上，其他裂隙參數(shù)、收縮參數(shù)仍具備相似性。單次脫濕條件下，4層土裂隙發(fā)育程度為過渡層>紅土層>表土層>砂土層，且過渡層表面裂隙率最大的主要貢獻(xiàn)來源于裂隙平均寬度。

(2)隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，表土層、砂土層裂隙形態(tài)基本未改變，紅土層、過渡層整體趨于復(fù)雜化。各土層的表面裂隙率、裂隙平均寬度逐漸減小，裂隙總長度、裂隙條數(shù)、交點(diǎn)個(gè)數(shù)、土塊個(gè)數(shù)先增大后減小，各參數(shù)均在第3次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

(3)土體的收縮特性在干濕循環(huán)作用下是不可逆的。隨干濕循環(huán)的進(jìn)行，徑向收縮現(xiàn)象逐漸消失，軸向收縮率逐漸減小，在第4次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。其中干濕循環(huán)對(duì)水平面上表面裂隙率的影響大于其垂直面上的軸向收縮率。

(4)過渡層的徑向收縮率為最大值5.68%，紅土層的軸向收縮率為最大值30.63%，徑向收縮率與液限、黏粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，軸向收縮率與土體干密度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。