摘 要

土体开裂是一种常见的自然现象，并且可以显著影响各种工程中土的性能。为了研究试样的截面尺寸、试样厚度以及干燥速率对粘土干燥开裂行为的影响，进行了实验室研究，利用现有的设备制备出具有不同的截面尺寸和厚度的试样，将试样分别置于不同的温度条件下进行实验，并对干燥过程中的试样表面几何特征进行监测，通过现场测量和图像处理的方法对实验结果进行处理，从而分析试样的截面尺寸、试样厚度以及干燥速率对粘土干燥开裂行为的影响。

实验结果表明：试样截面尺寸越大，试样的表面裂隙率越大，第一条裂缝出现时间也越快；试样厚度越大，试样开裂的表面裂隙率越大，出现第一条裂缝的时间越长；干燥速率越快，试样的表面裂隙率越小，第一条裂缝出现的时间越快。

在参阅的文献中，基本都是涉及试样干燥速率、干湿循环、试样厚度等变量，极少有涉及到试样截面尺寸的研究，因此，针对武汉本地土展开本研究很有必要。

关键词：粘土；开裂；裂缝；试样截面尺寸；试样厚度；干燥速率

Abstract

Soil cracking is a common natural phenomenon, and can significantly affect the performance of soil in various projects. In order to study the effect of cross-sectional dimensions, sample thickness and drying rate on the dry cracking behavior of the clay, a laboratory study was carried out. The samples with different cross-sectional dimensions and thickness were prepared by using the existing equipment, and were placed under different temperature conditions for experiments. The geometrical features of the samples in the drying process were monitored. The effect of the cross-section of the sample, the thickness of the sample and the drying rate on the dry and cracking behavior of the clay were analyzed by field measurement and image processing.

Experimental results show: the larger the cross-sectional size of the specimen, the greater the surface fissure of the specimen, and the faster the first crack occurs; the larger the thickness of the sample, the greater the surface fissure of the sample cracking, the longer the first fissure occurs; the faster the drying rate, the smaller the surface fissure of the sample, the faster the first crack occurs 。

In the literature, there are basically some variables related to the sample drying rate, dry and wet cycle, sample thickness and so on. There is little research on the cross-sectional size of the sample. Therefore, it is necessary to study the local soil in Wuhan.

Key Words：clay；cracking；cross-sectional dimensions；thickness；drying rate

目录

第1章绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 4

1.4预期目标 4

第2章实验材料和实验方法 5

2.1实验材料 5

2.1.1碎土 5

2.1.2液塑限的测量 5

2.1.3实验用土的物理性质 6

2.2实验方案 6

第3章实验步骤 8

3.1预实验 8

3.2正式实验 9

3.2.1蜡模制作 9

3.2.2试样制作 9

3.2.3试样振捣 9

3.2.4进行干燥实验 10

3.3实验出现的问题 10

3.3.1液限测量出错 10

3.3.2试样整平 11

3.3.3失败试样 11

3.4解决方案 12

3.4.1液塑限测量解决方案 12

3.4.2整平方案的确定 12

3.4.3模具内蜡融化解决方法 12

第4章实验结果处理 13

4.1人工测量 13

4.2图像处理技术 13

4.3量度指标 13

第5章实验结果分析 15

5.1开裂行为分析 15

5.2试样截面尺寸对试样开裂行为的影响 18

5.3试样厚度对试样开裂行为的影响 19

5.4干燥速率对试样开裂的影响 20

结论 21

致谢 21

第1章绪论

1.1研究背景及意义

由于土体内部水分的流失导致的土体表面干燥裂缝的产生是一个常见的自然现象，土的干燥开裂行为会破坏土的整体性，改变土的性质，由此会引发一系列的工程地质问题。如：在岩土工程领域中，由于土体失水产生干缩裂缝会导致土质边坡失稳，从而导致边坡滑动，引发工程事故的发生；水坝，防洪提等水利设施中产生的干缩裂缝会导致结构渗漏甚至会导致水利设施的整体性的破坏；此外，土体表面开裂会大大增加土的可压缩性，使土体的力学强度大大降低，引发地基的不均匀沉降；在环境工程领域中，因为干缩裂缝的存在，会导致垃圾填埋场的粘土屏障层和核废料隔离屏障等屏障体系的渗透性大大增加，使得屏障体系的作用降低甚至消失；在文物保护工程领域中，降雨会使土建筑表面土体崩解形成泥浆，从而在土建筑遗址表面形成结皮层，结皮层最后会失水干燥，产生干燥裂缝，损坏土建筑遗址，导致土建筑遗址损坏；在农业工程中，裂缝的存在会影响土壤中溶质和微生物的扩散的速度和速率，从而影响作物的灌溉等。

近年来，武汉地区的城市建设发展很快，大量的建筑物、道路工程、地铁等项目正在建设当中。武汉市地处江汉平原，境内大小的湖泊近百，其土质大多为软土。在人们建设城市的工程活动中，土体裂缝的发展会带来大量危害，如：引起上部建筑物变性破坏；地铁施工时，发生土体塌陷等工程事故。因此，考虑武汉地区土质条件，针对本地土样开展研究十分必要。

1.2国内外研究现状

在过去的数十年中，有许多学者围绕土的干燥开裂进行了一系列的研究。

在考虑温度对土开裂行为的影响方面：唐朝生等^[2]制备三组样本，分别放在30℃，40℃和 50℃的烘箱中进行干燥，并且定时对实验中的样本进行拍照、称重，利用图像处理和编程技术对拍取的照片进行处理，从而对黏土表面的裂缝开裂机制进行定性、定量分析，得出相关结论：黏土失水开裂时，土样的失水率增加。裂缝产生时，单条的主裂缝会随机产生，与邻近的主裂缝接近正交，主裂缝会将完整土样分块，随后产生子裂缝对初级块区继续分块直到所有块区都处在合理的大小稳定状态。随着温度的升高，土样表面的裂缝条数、裂缝节点个数、裂缝总长度、裂缝率和块区个数减少，但是裂缝的平均长度、平均宽度、平均块区面积和最大的稳定的块区面积会增加；温度越高，土样表面的干缩裂缝的形态越复杂越不规则，并且分形维数越大；Costa S等^[7]分别研究了不同的材料（粘土，土豆淀粉和磨碎的石英砂）、土样厚度和干燥速率对于试样干燥开裂的影响。研究表明：当材料被限制收缩时，拉伸应力和应变能量会在材料内积累。这些约束可能来自边界应力或非均匀干燥的影响。拉伸应力的分布将取决于边界条件和材料刚度，并且将决定裂纹可能起源于何处。然而，裂纹发生的确切位置将取决于材料内的缺陷或孔隙位置，其中较大的裂纹或孔隙可以在比材料内产生的比最大应力低的应力下被传播。对于如粘土这样具有非常细的颗粒的材料，开裂机制由缺陷决定，因为细孔的非饱和将造成非常高的应力，并且因此导致顺序裂化和正交裂纹图案。如果具有均匀孔径和高收缩能量的材料在开裂之前经历了显著的水分含量变化而没有显著的非饱和，则由断裂能量平衡，可以得出会同时产生具有120°裂缝的近六边形图案的裂纹图案。故粘土主要以连续方式破裂，产生正交裂纹模式，而马铃薯淀粉同时产生接近六边形的多边形裂纹，研磨的石英不产生任何裂纹。此外，干燥速率越大，土样的裂隙率越小；周东等^[8]将制成的泥浆样品分别置于不同的温度和湿度的环境中，让泥浆样品失水、干缩、开裂，观察样品在干缩开裂时候的几何特征和行为特征。实验表明：土样失水产生的裂缝开展形态具有随机性，不受温度、湿度变化的影响，裂缝之间的夹角多为90表，裂缝分割的块状多为五边形，随着土样干燥时温度的升高，土样最终的裂缝率、分块个数和分维数会增加，而最大的块区面积、平均分块面积减小；随着湿度的增加，土块的最终裂隙率、分维数、平均块区面积减小，而最大的块区面积和分块个数会增大；唐朝生等^[9]采用将饱和泥浆放置于不同的温度环境下的实验方法，利用图像处理系统CIAS将得到的图像进行二值化、去杂点和骨架化处理，获取了土样的裂纹网络的几何参数，通过分析这些参数，研究了温度对巴黎地区某膨胀土的干缩开裂特性的影响，并得出温度越高，膨胀土出现裂缝所需时间越短，对应的初始临界含水率越高，表面裂缝发育程度越高的结论；施国栋等^[18]借助恒温干燥箱等设备，将温度箱设置为不同的温度，对某粘土和粉质粘土进行龟裂模拟室内实验，并将实验结果进行定量分析，结合分型理论分析，最终得出结论：土样的裂缝展开形态具有差异性，但主要的发育方式可总结为极点推进式、平均推进式和环绕推进式；不同土样开裂产生的裂缝数、节点数、裂缝宽度及总长度与温度变化之间的关系具有差异性，且温度越高，图样干燥越快，最终的裂缝宽度越大。

在考虑干湿循环对土开裂行为的影响方面：沈珠江等^[1]在非饱和土固结理论在实际应用中具有和大难度的基础上，对其进行了简化和改进，并在本研究中用该理论对拟饱和土经历干湿循环的全过程进行了拟合，经过严密的计算，数值分析的结果表明：采用的非饱和土简化固结理论能够在本研究中得到合理、全面的结果，而计算和分析的难度与饱和土固结问题相近，说明该方法是非常实用的；Tang C等^[4]通过对一组初始饱和粘土层进行五次干湿循环来研究干湿循环对裂纹行为的影响，并采用图像处理系统对实验结果进行分析，他们的研究表明：在第一次的干燥过程中，水分的蒸发过程由恒定速率区和随后的速率降低区两个阶段组成，在第二次润湿过程中，倒入的水会导致土块迅速地塌陷，并且在之前的干燥过程中产生的裂缝会迅速闭合；同时，出现了大量由于润湿而产生的新的微裂纹，经历过第二次干燥过程后，由于样品的均匀性下降，导致了块体的形状更加不规则，裂纹段比第一次干燥过程后的裂纹段更加的呈现出锯齿状；块体表现出清晰的聚合结构，具有大量的团聚体内孔隙；形成的聚合体之间的联系在第三次润湿过程中快速破裂，并且没有引起新的微裂纹。此外，在经历一定的干湿循环后，土样会达到平衡状态，在此之前, 主要的开裂含水量θ_c，最终表面裂纹比R_sc和土样层厚度h_f会随着干湿循环周期的增加而显著增加，但是在此之后，干湿循环对开裂行为和裂纹图案的影响就会变得不明显了；冷挺等^[20]通过对某膨胀土进行干湿循环实验，并对实验获得的图像采用图像处理技术进行处理，得到裂缝条数、表面裂隙率、裂缝平均宽度、裂缝总长度等参数，并利用这些参数分析干湿循环对实验中膨胀土的开裂行为的影响。他们的研究表明：干湿循环和含水率是影响膨胀土开裂行为的两个重要因素，在干湿循环的干燥过程中，随着土样含水率的降低，土样的裂隙条数、裂缝总长度、绝对收缩率和表面裂隙率会逐渐的增加，而土样的裂缝宽度则与含水率的变化无明显关系。随着干湿循环次数的增加，土样的裂隙条数、裂缝总长度、绝对收缩率和表面裂隙率会增加，但是土样的平均裂缝宽度会由于后期产生的大量微裂缝的原因而减小。

在考虑表面约束对土开裂行为的影响方面：龚绪龙等^[16]通过实验对有无基地潜山的土样失水开裂的全过程进行了研究，得到了以下结论：土体失水开裂过程可划分为：开裂前、快速开裂、开裂趋于停止三个阶段，潜山区的存在会对土样的开裂行为有着显著地影响，在潜山起伏区，裂缝节点主要处在潜山山腰处的拐点处，潜山区的主要裂缝控制整个土样的开裂裂缝发展，并且开裂后期产生的裂缝与开裂前期产生的裂缝呈正交状，尤其是位于潜山区的裂缝和土体与容器边缘相接的部分的裂缝。龚绪龙^[17]等在80cm，尤其是位于潜山区的的玻璃模型箱底部预制混凝土，然后在模型中部沿着模型轴向用水泥预设了12.5cm高的起伏形态，随后将配置好的泥浆放入该模型进行实验。实验结果表明：在刚开始开裂时，裂缝主要产生在模型的角部；在开裂中期，裂缝主要在基底起伏的区域发育和扩展；在开裂末期，虽然表面还会继续开裂，但是裂缝的整体格局不会再发生显著地变化。

1.3课题研究内容

本研究利用控制变量的方法，分别控制土样的截面尺寸、土样厚度和土样干燥速率进行实验，在此基础上，研究试样截面尺寸、试样厚度及干燥速率对武汉某工程粘土干燥开裂行为的影响。本研究中控制干燥速率的方法是通过控制电暖炉与试样之间的距离来达到的。

1.4预期目标

本研究针对武汉本地土样，重点研究试样截面尺寸、厚度及干燥速率对于膨胀性黏土的干缩开裂的影响，通过对比最终各实验样本的开裂参数与截面尺寸及厚度和干燥速率的变化之间的关系，发现这三种变量对于黏土开裂的影响，并讨论其潜在规律与内部机理。同时验证与探究黏性膨胀土开裂的基本规律：包括裂缝的产生、发展、最终形态等，和裂缝产生的基本原因。并与参考文献作对比，归纳出相同的地方，针对不同的地方进行解释。

第2章实验材料和实验方法

2.1实验材料

本实验用土取自武汉某项目基坑8米左右深度，属于粘性土。在将拿到土样之后，我们对该土样的液限、塑限、指数等物理性质进行了测量。

2.1.1碎土

使用铁锤将取得的大块土样在实验室中进行初步粉碎，将大块土样砸成细碎的小颗粒土，然后将粉碎后的小颗粒土收集起来，使用土壤粉碎机将人工粉碎的小颗粒土进行进一步的粉碎，并将进一步粉碎之后的土过0.5mm的筛，筛选出我们实验所需的土样，将筛选后的土收集起来，贴上标签，备用。

2.1.2液塑限的测量

取适量筛过的土，放入盛土的碗中，加入不同重量的水混合，使混合后的土分别处于接近液限、接近塑限和处于液限和塑限之间的状态。将土搅拌均匀后密实地填入试样杯中。高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随后将试样杯放在仪器上。

在仪器的圆锥体上涂上少许凡士林，接通电源，调节测锥入深度的仪器，使仪器显示器的初读数为零，将试样杯放在仪器上。缓慢调节升降座，使圆锥接触试样上表面，指示灯亮时方可开始测量。灯亮后，按下测量按钮，圆锥沉入试样内，经五秒后读取圆锥下沉深度。