1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0368-11常留成，王红雨，薛凯喜 2023 不同干燥温度条件下非饱和红黏土裂隙演化及抗剪强度变化规律研究J 工程地质学报，31(2):368378doi:1013544/jcnkijeg2020603Chang Liucheng，Wang Hongyu，Xue Kaixi 2023 Change rules of cracks and shear strength in unsaturated red clay under different dryingtemperatu
2、resJ Journal of Engineering Geology，31(2):368378 doi:1013544/jcnkijeg2020603不同干燥温度条件下非饱和红黏土裂隙演化及抗剪强度变化规律研究*常留成王红雨薛凯喜(宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021，中国)(东华理工大学建筑工程学院，南昌 330105，中国)摘要温度作为重要外界因素，对红黏土的强度特性和裂隙性具有重要影响。为研究干燥温度、含水率和干密度对非饱和红黏土强度特性和裂隙发育的影响，对不同蒸发温度条件下不同初始状态的非饱和红黏土进行直剪试验和干燥试验。分析了不同温度下红黏土的强度特性，结合图像处理技术对
3、裂隙的发育规律进行了阐述，并对抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)和裂隙形态参数(裂隙率)的关系进行了探讨。试验结果表明:裂隙几何参数(裂隙总长度、节点数和裂隙率)随着温度升高而增大。干密度越低，含水率越大，裂隙指标随温度的变化幅度越大，裂隙也越发育。张拉应力的存在是裂隙产生的主要力学原因。黏聚力随温度升高先增大后减小，衰减的幅度和干密度有关。随着温度升高，内摩擦角先缓慢增长，而后增速加快，含水率越低，变化越明显。随着裂隙率的增加，黏聚力先增多后减小，内摩擦角则不断增长。关键词干燥温度;非饱和红黏土;裂隙;裂隙指标;抗剪强度指标中图分类号:TU447文献标识码:Adoi:1013544/jcnki
4、jeg2020603*收稿日期:20201116;修回日期:20210125基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:41462011，41462016)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos 41462011，41462016)第一作者简介:常留成(1990)，男，博士生，主要从事水工结构及岩土工程的研究工作 E-mail:1466617297qqcom通讯作者简介:王红雨(1961)，男，教授，博士生导师，主要从事水工及岩土的教学与科研工作 E-mail:
5、whynxts163comCHANGE ULES OF CACKS AND SHEA STENGTH IN UNSATUATEDED CLAY UNDE DIFFEENT DYING TEMPEATUESCHANG LiuchengWANG HongyuXUE Kaixi(School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)(School of Civil and Architecture Engineering，East China University of Technolog
6、y，Nanchang 330105，China)AbstractAs an important external factor，temperature has an important influence on the strength and fractureproperties of red clay Direct shear test and desiccation tests were conducted under different drying temperatures onunsaturated red clay with different initial state to
7、investigate the effects of drying temperature，dry density and watercontent on strength and cracking characteristics The evolutionary rules of the strength and fracture under differenttemperatures are analyzed The relationship between shear strength index(cohesion and internal friction angle)andfract
8、ure geometry parameter(joint rate)are discussed in this paper The results show that total joint length，nodesand joint rate increase with the increase of temperature The amplitudes have significant increases when the watercontent is the maximum moisture content and the dry density is the minimum dry
9、density Tensile stress field in soilsis the main mechanical cause of cracking Cohesion increases firstly and then decreases with increasing temperatureand the attenuation amplitude is related to dry density Internal friction angle becomes lower firstly and then higherwhen the temperature is rising T
10、he lower the water content，the more obvious the increase As the joint rate increa-ses，the cohesion becomes larger firstly，and then smaller，and then internal friction angle continuously increasesKey wordsDry temperature;Unsaturated red clay;Crack;Fracture geometry parameter;Shear strength index0引言红黏土
11、是碳酸盐岩经过复杂漫长的红土化过程而形成的高塑性黏土(张宏等，2019)。作为特殊土，广泛分布于广西、贵州、湖北、湖南、江西等南方省份(姜洪涛，2000)。红黏土具有高含水率、高压缩性和强胀缩性等不良工程特性，同时又由于富含铁质、钙质等胶结物质表现出高强度等良好特性。近年来，随着我国城市化进程的加快，很多城市掀起了修路热潮，在旧路网升级改造、新路网扩展中，红黏土分布区不可避免地使用红黏土作为高路堤的填料。干旱季节，随着水分蒸发，土体会发育大小不一、纵横交错的裂隙，一方面破坏土体的完整性，引起强度衰减，另一方面为降雨入渗提供通道，雨水渗入土体中，扩大土颗粒间距，使其黏聚力降低，导致路堤高边坡失稳
12、等地质灾害的发生。近年来，我国极端天气时有发生，极端干旱和频繁强降雨的交替出现，使土体裂隙更加发育，引起更多地质灾害的发生(刘昌黎等，2018;龚学鹏等，2019)。孔令伟等(2007)通过对广西南宁市缓、陡和植物防护等 3 种不同边坡监测数据分析认为降雨是边坡发生滑塌的最直接原因，而蒸发则是重要前提。针对近年来红黏土地区边坡失稳机理已有大量研究。在蒸发条件下，土体会产生自外向内的裂隙，破坏土体原有结构性和完整性，同时裂隙为外界水分渗入提供通道，使土体自重增大，黏聚力降低，引起边坡失稳(刘华强等，2010;程展林等，2011;殷宗泽等，2011)。可见强度衰减是导致边坡失稳的内因，而裂隙则是诱
13、发强度衰减的重要因素，蒸发则是裂隙发育的前提。因此开展不同蒸发条件下强度和裂隙演变规律的研究就显得尤为重要。随着 PS、Matlab、IPP、PCAS 等图像分析软件的开发，X 扫描、CT 扫描、激光扫描等技术的应用，为学者 进 行 裂 隙 量 化 分 析 提 供 了 便 利。张 宏 等(2020)基于图像处理技术对不同蒸发温度下压实红黏土的裂隙进行定量研究，发现温度对试样裂隙发育影响很大。陈开圣(2019)研究了干湿循环对红黏土边坡裂隙的影响，他利用图像处理技术提取裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度等量化指标。唐朝生等(2007)对 CIAS 软件和裂隙量化指标进行了详细介绍，并对黏土在不同温度下
14、裂隙的发育规律进行了研究。唐朝生等(2018)对土体干缩开裂的发育过程和机理进行了详细描述，他指出土体的龟裂过程具有很强的时序性，张拉应力场的存在是土体裂隙产生的主要力学原因。褚卫军(2015)和龚琰(2015)研究了不同干湿循环条件下红黏土变形特性和裂隙扩展规律。强度一直是学术界关注的重点。孔令伟等(1995)、马琳等(2007)重点对游离氧化铁进行了研究。穆 坤 等(2016)、陈 允 等(2017)、慕 焕 东 等(2018)研究了红黏土剪切强度的干湿循环效应。欧孝夺等(2005)对红黏土的热力学特性进行了研究，并对红黏土剪切强度指标和温度的关系进行了探讨，发现红黏土的抗剪强度指标随着温
15、度变化出现不同程度的差异，这种差异性主要和红黏土成因和胶结特性有关。傅鑫辉等(2013)利用直剪仪研究了非饱和红黏土的抗剪强度和丙三醇浓度的关系。孙德安等(2015)研究了平衡吸力对红黏土强度指标的影响，发现黏聚力和抗剪强度随着平衡吸力的增加先增大后减少，高吸力阶段抗剪强度的增长主要由黏聚力变化引起的。综上所述，对红黏土裂隙发育和强度的研究取得了丰硕成果。但这两方面工作都是单独进行的，关于裂隙发育对强度衰减影响的研究成果还比较少，查阅的大量文献中，仅发现陈开圣(2019)、杨忠平等(2019)将裂隙和强度放在一起研究，他们也只是考虑干湿循环的影响。因此，开展不同蒸发温度条件下红黏土抗剪强度和裂
16、隙发育规律的研究，探讨裂隙发育机理及对强度衰减的影响具有重要的现实意义。1试验材料和方法1.1试验材料试验用土取自南昌市英雄大道升级改造工程路堤高填方现场。土质呈红褐色，主要黏土矿物以高96331(2)常留成等:不同干燥温度条件下非饱和红黏土裂隙演化及抗剪强度变化规律研究岭石、伊利石为主，并含有少量石英、针铁矿、绿泥石，细粒含量为 80.3%。红黏土的物理指标见表 1，颗粒级配如 图 1 所示。先将红黏土自然风干，过2 mm 筛，分别制备含水率为 16%、20%、24%的土样，用密封膜密封存放在室内阴凉处 24 h，让水分充分渗入，使土体各处含水量均匀。表 1红黏土物理指标Table 1Physical parameters of red clay天然含水率/%最优含水率/%最大干密度/gcm3土粒比重液限/%塑限/%205318351642495501217图 1红黏土颗粒级配Fig 1Particle size distribution of red clay表 2试验方案Table 2Test scheme初始含水率/%初始干密度/gcm3干燥温度/试验组数161527、50、6