膨胀土是一种高水敏性的特殊黏土，在干湿循环作用下，会发生反复湿胀干缩，导致裂隙网络发育[1-3]。裂隙的发育为水分的迁移提供了通道，增加了土体的渗透，加速了侵蚀作用[4-5]，同时，裂隙的存在还破坏了土体的完整性，增加了土体的可压缩性，降低了土体的强度，进一步增加了灾害性[6-8]。
近年来，众多学者从不同角度对膨胀土的干缩开裂进行了深入研究，发现膨胀土的干缩开裂是一个受多因素制约的复杂过程，其中主要因素有温度、湿度、层厚、界面粗糙度、干湿循环等。骆赵刚等[9]开展了不同厚度条件下的膨胀土泥浆开裂试验，发现小厚度试样比大厚度试样裂隙发育更充分；ZENG等[10]发现高相对湿度环境下会使起裂含水率更高；刘昌黎等[11]开展了界面粗糙度对土体龟裂影响试验，发现基底越粗糙，裂隙越发育；刘俊东等[12]探究了不同干湿循环条件下黏性土裂隙演化特征，结果表明干湿循环作用会诱发更多细小裂隙的产生。TANG等[13]对不同温度条件下的黏土进行了开裂试验，发现温度与起裂含水率呈正比。同时，计算机科学和图像处理技术的发展使得裂隙描述实现了从定性到定量描述的转变，裂隙面积、长度、平均宽度以及节点等被作为度量裂隙发育程度的重要指标[14-15]。
现有关于膨胀土干缩开裂的研究大多关注单个因素在单向蒸发过程中的裂隙发育程度的特征以及不同干湿循环条件下最终干燥裂隙发育的特征，而对同时考虑干湿循环条件和厚度因素对裂隙网络动态演化特征的影响的研究较少，难以完全反映裂缝网络的发育与演化特点。基于此，本文在恒温恒湿环境下对厚度分别为5 mm和10 mm的饱和膨胀土泥浆进行5次干湿循环试验，借助图像拍摄和图像数字处理技术对土体在蒸发过程中和干湿循环过程中裂隙发育与演化过程进行定性和定量描述，探讨干湿循环作用下土体裂隙发育与演化机制。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
本研究试验材料为棕黄色膨胀土，取自安徽省合肥市某边坡，取土深度为0~0.5 m。根据GB/T 50123—2019《土工试验标准》测试试验土样基本物理及化学性质，结果如表1所示。颗粒分析试验测得膨胀土主要由细粒土组成，其中，粉粒质量分数为58.62%，黏粒质量分数为41.13%，砂粒质量分数为0.25%。XRD试验测得试验土样主要矿物成分为石英、伊/蒙混层、伊利石、高岭石、钠长石，其中，黏土矿物质量分数为21.4%。
| 土粒相对密度 | 液限/% | 塑限/% | 最优含水率/% | 最大干密度/ (g·cm-3) | 自由膨胀率/% | 阳离子交换容量/(mol·kg-1) | 标准吸湿率/% | 膨胀潜势 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.74 | 63.8 | 30.2 | 17% | 1.76 | 47.8 | 27.3 | 5.89 | 中 |
1.2 试验方法
将土样风干后借助破碎机粉碎，过孔径为0.5 mm的筛，加去离子水配成初始含水率W0为94%(约1.5倍的液限)的泥浆。将泥浆充分搅拌后置于直径为120 mm、高为30 mm的亚克力器皿中，使用振动台连续振动5 min，排出样品内气泡。为了使泥浆试样达到稳定状态，将盛有泥浆的亚克力器皿用保鲜膜封存密封，静置24 h。将制备的试样置于温度为20 ℃、湿度为(40±5)%的环境中进行试验。为模拟不同厚度土体在蒸发过程和干湿循环过程中裂隙形态的变化，将初始厚度分别控制为5 mm和10 mm。
在蒸发试验开始前，将试样放置在天平上，将数码相机放置在土样正上方。在蒸发过程中，用数码相机连续拍照记录天平读数和土样形态的变化，当天平读数变化趋于稳定时停止蒸发试验，此为第一次脱湿过程，记为D1。增湿试验时，使用喷壶在距离土样10 cm处的正上方连续均匀喷洒去离子水至试样表面，直到水面没过土样表面；然后，将土样封存静置24 h，以便土样充分均匀吸收水分。待试样静置完毕后，使用吸水纸将土样表面的可流动水分吸走；称量土样的质量，并根据试样质量计算土样的湿态含水率，此为第一次增湿过程，记为W1。从脱湿过程到增湿过程为一次干湿循环。依此类推，重复上述过程，共经历4次增湿，5次脱湿。实验过程示意图如图1所示。
1.3 图像数值化处理
借助Photoshop、ImageJ图像处理软件，对原始裂隙图像依次进行裁剪、尺寸标定、灰度处理、二值化、骨架化处理、裂隙网络识别等处理，见图2。考虑裂隙图像的基本要素，采用裂隙面积、总长度、平均宽度和节点数量等裂隙图像关键度量指标进行定量分析，其中，裂隙面积是指裂隙图像二值化后黑色像素总面积，反映土体裂隙发育程度；裂隙总长度是指裂隙图像中每条裂隙长度的总和，反映裂隙发育规模；裂隙平均宽度是指裂隙总面积与裂隙总长度之比，反映裂隙发育程度；裂隙节点数量是指裂隙间交叉点和每条裂隙的端点，反映土裂隙发育程度及土体的破碎程度。
2 试验结果
2.1 蒸发作用下裂隙形态演化特征
第1次蒸发过程中试样含水率随蒸发时间变化曲线如图3所示。由图3可见，5 mm和10 mm厚度试样的蒸发曲线均呈先线性下降后趋于稳定的规律，但不同厚度对蒸发过程响应不同。根据蒸发曲线特征，可以将蒸发过程划分为常速率蒸发阶段和减速率蒸发阶段[16]。在常速率蒸发阶段，试样含水率与蒸发时间呈线性负相关。在减速率蒸发阶段，试样含水率的减小速度随蒸发时间的推移而逐渐降低，直至达到稳定不变。对常速率蒸发阶段试样蒸发时间与试样含水率进行线性拟合，得到的线性回归方程斜率的绝对值即为蒸发速率[17]。当试样厚度为5 mm时，蒸发速率为2.38%·h-1；当试样厚度为10 mm时，蒸发速率为1.26%·h-1，表明试样厚度越大，蒸发速率越小。此外，试样厚度越大，常速率蒸发阶段历时更长，当试样厚度为5 mm时，常速率蒸发阶段历时30 h，试样含水率从94%降低至19.8%；当试样厚度为10 mm时，常速率蒸发阶段历时60 h，试样含水率从94%降低至14.29%。进入减速率蒸发阶段后，不同厚度试样含水率随蒸发时间的增加呈非线性下降趋势，当达到残余含水率后，试样含水率不再减小，意味着蒸发过程结束。
在蒸发过程中，土体从饱和状态向非饱和状态转变，其物理力学性质也随之改变。随着含水率降低，土体收缩开裂呈现出动态变化的特征。不同厚度试样表面裂隙随时间演变规律如图4所示，裂隙的发育经历3个阶段。
1) 土体竖向收缩阶段。试样直径未有变化、试样表面也未有明显裂隙，土体收缩变形主要局限于竖向。5 mm和10 mm厚度试样的竖向收缩阶段分别为0~26.5 h和0~23.0 h。结合图3可知，试样厚度越大，起裂时间越早，起裂含水率也越高。这是由于厚度较大的土体，含水率梯度相对较大，土体表层和内部收缩差异越大，从而有更早开裂的可能。这与NAHLAWI等[14]的研究结果相似。结合图3可知，此阶段也是蒸发过程中常速率蒸发阶段的初期。
2) 裂隙萌生与拓展阶段。表面裂隙渐渐从较小的、分散的、局部的裂隙逐渐发育成较长的、较宽的、连通性较好的裂隙网络。土体脱离容器壁，土体的侧向收缩渐渐发挥主导作用。当土体侧向收缩受到约束或诱发的表面拉应力超过颗粒的结合强度时，就会产生干燥裂隙。裂隙通常会发生在土体薄弱处(凹坑、未完全分散的团粒等)，随着含水率继续降低，裂隙逐渐拓展相交成裂隙网络[18]。蒸发过程中土体裂隙发育与演化规律如图4所示。由图4可以看出：裂隙的发育均是从“点”到“线”再到“面”依次拓展发育；5 mm和10 mm厚度试样的裂隙萌生与拓展阶段分别为26.5~35.0 h和23.0~64.5 h。可见，厚度越大，该阶段的时间越长。结合图3可以看出，此阶段也是蒸发过程中常速率蒸发阶段的中后期阶段。
3) 裂隙稳定阶段。裂隙的几何形态已经基本稳定，伴随着含水率降低，裂隙宽度略有扩展。 5 mm和10 mm厚度试样的裂隙萌生与拓展阶段分别为35.0~100.0 h和64.5~100.0 h。这表明厚度越大，进入裂隙发育稳定阶段的时间越长。结合图3可知，该阶段包括了蒸发过程中减速率蒸发阶段的整个过程。
2.2 蒸发作用下裂隙参数演化特征
借助图像数值化处理技术，对蒸发过程中不同厚度试样裂隙发育状况进行定量分析，结果如图5所示。由图5可知，随着蒸发时间延长，不同厚度试样的裂隙面积、裂隙总长度、裂隙平均宽度以及裂隙节点数量等逐渐增大，随后趋于稳定，但不同厚度试样达到稳定状态的时间存在差异， 5 mm和10 mm厚度试样达到稳定状态时间分别为40 h和74 h左右。这表明厚度越大，裂隙发育越缓慢，裂隙发育到稳定状态的时间越长。达到稳定状态后，5 mm和10 mm厚度试样的最终裂隙面积分别为1 115 mm2和2 689 mm2。这表明厚度越大，裂隙发育面积越大，这与唐朝生等[19-20]的研究结果一致。由图5(b)可以看出，5 mm厚度试样最终裂隙总长度为675 mm，10 mm厚度试样最终裂隙总长度为594 mm，这2种厚度试样的最终裂隙长度差异不大。由图5(c)可知：5 mm厚度试样最终裂隙平均宽度为1.65 mm，10 mm厚度试样最终裂隙平均宽度为4.52 mm，厚度增加对裂隙宽度发育表现出促进作用，这与吕建航等[21]的研究结果一致。另外，裂隙的平均宽度和裂隙总长度均随着蒸发时间的增加而同步增加，但当裂隙长度发育趋于稳定后，裂隙宽度仍具有拓宽趋势。由图5(d)可知：5 mm和10 mm厚度试样的最终节点数量分别为5个和12个，裂隙节点可以反映裂隙发育的破碎程度，厚度越大，破碎程度越高。值得注意的是，随着蒸发时间的增加，裂隙节点数量和裂隙平均宽度呈现出相似的变化曲线。
2.3 干湿循环作用下裂隙形态演化特征
图6所示为试样经历1~5次干燥后的裂隙演化特征。由图6可见，第1次干燥(D1)后，土块均有较清晰边界，且裂隙宽度较大，多呈T形或Y形相交。与5 mm厚度试样相比，10 mm厚度试样的裂隙更加发育，宽度越大；第2次干燥(D2)后，土体整体性减弱，土块边界变得不规则。裂隙宽度减小，裂隙条数增加，且主裂隙位于第1次干燥裂隙相同的位置；第3次干燥(D3)后，第1次干燥裂隙的位置已不明显，土块边界更加不规则，裂隙更加发育，裂隙网格更加复杂。此外，与10 mm厚度试样相比，5 mm厚度试样土块面积被分割得更小、更破碎，甚至识别不出首次干燥后的裂隙痕迹；第4、5次干燥(D4、D5)后，裂隙形态特征与第3次干燥后的裂隙形态相似，表明裂隙发育逐渐稳定。
2.4 干湿循环作用下裂隙参数演化特征
为了进一步探究干湿循环过程中裂隙演化规律，对5 mm厚度试样和10 mm厚度试样的5次干燥后裂隙图像分别进行定量分析，结果如图7所示。由图7可知：随着干湿循环次数的增加，裂隙面积、裂隙总长度、裂隙平均宽度、节点个数呈规律性变化，但不同厚度试样裂隙参数演化趋势存在差异。由图7(a)可见：5 mm厚度试样的裂隙面积随着干湿循环次数的增加呈递增趋势，至4次干燥后逐渐稳定；而10 mm厚度试样则随干湿循环次数的增加呈递减趋势，至3次干燥后逐渐稳定。由7(b)可知：随着干湿循环次数的增加，10 mm厚度试样的裂隙长度呈现先增大后稳定的趋势，而 5 mm厚度试样的裂隙长度逐渐增大，在经过4次干燥后稍有下降。由图7(c)所见：随着干湿循环次数的增加，10 mm厚度试样的裂隙平均宽度呈现先减小至3次干燥后趋于稳定的规律，而5 mm厚度试样的裂隙平均宽度逐渐增大，经过4次干燥后仍略有增加，这个结果与裂隙长度及裂隙面积的结果相对应。可见，5 mm厚度试样的裂隙面积的变化与裂隙长度变化具有一致性，而10 mm厚度试样的裂隙面积变化则与裂隙宽度变化具有一致性，厚度因素对干湿循环条件下裂隙发育与演化具有显著影响。此外，由图7(b)和(d)可知：随着干湿循环次数的增加，不同厚度试样的节点个数均呈先增加后稳定的状态，节点的数量变化与裂隙长度变化具有很好的相关性。
3 讨论
3.1 裂隙发育机制
膨胀土裂隙的形成是蒸发作用的结果。随着水分的蒸发，土体由饱和状态逐渐转变为非饱和状态，经历了土体竖向收缩阶段、裂隙萌生与拓展阶段和裂隙稳定阶段。在蒸发过程中，土体中自由水逐渐蒸发，导致土颗粒之间形成弯液面，产生基质吸力，增加了土颗粒之间的有效应力，使得土颗粒相互吸引，进而导致土体竖向固结、厚度减小[22]。随着蒸发作用的继续，基质吸力不断增大，土颗粒间间距逐渐减小，从而在土体中形成一个张拉应力场。由于土体的多相非均质特性，张拉应力场在土体内部分布不均，使得土体结构薄弱处承受应力集中。当该处张拉应力超过土体抗拉强度时，就会产生裂隙[23]。裂隙的产生为蒸发作用提供了新的通道，使得土体中形成湿度梯度，从而使得张拉应力场重新排布。随着蒸发作用的继续，基质吸力持续增大，新的裂隙在土体其他结构薄弱处扩展，逐渐将土体切割成网状结构。随着土体含水率逐渐降低，基质吸力持续增大，土体抗拉强度增高。此时，张拉应力不足以进一步分割土体，标志着土体裂隙长度发育基本稳定，裂隙的基本形态已经形成。随着基质吸力进一步降低，土体裂隙发育主要表现为裂隙宽度增加。不同厚度的试样裂隙发育过程大致相似，但厚度对土体的开裂模式产生一定影响。一方面，厚土层增加了土中水的蒸发路径[9]，使得蒸发速率降低，土体湿度梯度增加，表面与内部的收缩差异性增加，从而缩短了开裂时间；另一方面，土体在起裂后，裂隙尖端应力集中，裂隙长度继续拓展，释放了表面张拉应力，收缩差异性减小。土样厚度越大，土的法向应力和土颗粒间的有效应力也越大[24]，进而使得土体的抗拉强度越大。因此，起裂后，厚土层相对于薄土层而言更难发生收缩和断裂，土体更易被分割成较大的土块。
值得注意的是，在第1次蒸发试验结束后，在厚土样的裂隙面上观测到了对称的“羽状结构”(图8)。这是由于在首次蒸发过程中，试样的水分蒸发会导致试样内部的应力发生变化。由于试样的湿度不均匀，不同部分的水分蒸发速率会有差异，进而导致试样内部产生应力梯度。在土样薄弱处导致应力集中，进而产生裂隙，并沿着应力的方向延伸。如果试样内部的应力分布是对称且均匀的，那么裂隙面会呈现出对称的“羽状结构”。这种结构的形成可视为应力沿裂隙方向的传导结果。由此可见，裂隙的萌生不都从表面开始，也可以从土体内部向表面发育，这与TOLLENAAR等[25-26]的研究结果相似。此外，虽然首次干燥后在裂隙面能够清楚地观察到这种“羽状结构”，但在其他干湿循环中少见，这是因为膨胀土在干湿循环作用下，土体中应力被释放，土的结构发生不可逆的变化，土体完整性减弱，收缩差异性变小，在后续干湿循环中便不易观测到“羽状结构”。
3.2 裂隙的记忆性与自愈性
在干湿循环过程中，膨胀土不断地经历湿胀干缩，从而导致土体裂隙的进一步发展和演化。由图6可知，第二次干燥裂隙在一定程度上保留了第一次干燥裂隙的开裂痕迹，并在此基础上继续扩展。这是因为第一次干燥后土体发生了不可逆的结构变化，到第二次干燥时，先前开裂的区域仍然作为结构破坏区域存在，还会继续发生开裂。然而，随着干湿循环次数的增加，土样对初始裂隙的记忆效应逐渐变弱。同时，膨胀土在裂隙发育过程中表现出一定程度的自愈性特征。裂缝愈合过程示意图见图9。由图6和图9可知，首次干燥产生的裂隙会在第二次干燥后逐渐变小、变窄，甚至无法看出原先的裂隙痕迹。这是因为在增湿的过程中，膨胀土吸水膨胀，导致裂隙面发生坍塌[12]，部分裂隙空间被填充；另外，在水的作用下，部分细小的黏土颗粒被带到裂隙凹面处沉积，进一步填充了裂隙空间。随着干湿循环的进行，裂隙凹面逐渐变平缓，再次干燥时，不容易在此处发生大的开裂。
然而，反复的干湿循环会导致土体发生累积疲劳和结构损伤[27]。由于土体疲劳和结构损伤的累积，土体团聚体的凝聚力逐渐降低，土体的胀缩性也逐渐趋于稳定。同时，裂隙发育模式也会逐渐稳定。因此，裂隙的自愈性只是相对的，初始裂隙在较短的循环次数内会表现出较明显的自愈现象，但随着循环次数的增加，裂隙的自愈效果逐渐减弱。总体而言，膨胀土在干湿循环作用下会促进裂隙网络的发展和演化。
土体的收缩开裂不仅与层厚和干湿循环因素有关，而且与黏土矿物成分与组成、土颗粒粒度等因素均有一定关系。黏土矿物的类型及颗粒粒度显著影响了黏土颗粒间的距离，进而影响了土体收缩开裂。黏土矿物主要有蒙脱石、伊利石、高岭石，其中以蒙脱石矿物的体积收缩率最大。蒙脱石矿物具有强的吸水性，颗粒表面水化膜厚度较大，在收缩过程中具有较大的收缩空间[28]。当土中矿物类型相似时，黏土矿物的含量决定了土体收缩开裂的程度，黏土含量越高，收缩变形越大，土的收缩开裂越严重[15]。土体干燥收缩实际上是一个耦合了水分蒸发、体积收缩、裂隙发育和裂隙演化的复杂物理过程。土中水的蒸发增大了土的基质吸力，从而增加了土体内部的有效应力，进而导致体积收缩。裂隙的发育位置与土体自身缺陷引起的应力集中有关，而裂隙的演化是在收缩差异的基础上产生的应力被释放。总之，基质吸力和抗拉强度是影响裂隙发育的关键参数，而应力集中和释放是引起土体裂隙发育和演化模式不同的主要原因。
4 结论
1) 裂隙发育一般经历3个阶段：土体竖向收缩阶段、裂隙萌生与拓展阶段、裂隙稳定阶段。土体蒸发可分为常速率蒸发阶段和减速率蒸发阶段，其中，常速率蒸发阶段包括了土体竖向收缩阶段和裂隙萌生与拓展阶段，减速率蒸发阶段则包括裂隙稳定阶段。
2) 在蒸发过程中，裂隙的相关参数如裂隙面积、裂隙总长度、裂隙平均宽度以及节点数量等通常呈现先增大后稳定的趋势。此外，裂隙节点数量和裂隙平均宽度之间存在较好的相关性。
3) 随着干湿循环次数的增加，裂隙宽度呈降低趋势，而裂隙的总长度和交点数量则逐渐增加。值得注意的是，裂隙节点数量和裂隙总长度之间存在良好的相关性。经3~4次干湿循环后，土样的裂隙演化基本趋于稳定。
4) 土体裂隙发育和演化与土层厚度密切相关。土层较厚，蒸发速率较慢，裂隙从初次形成到稳定所需时间较长。此外，厚土层通常具有较大的裂隙面积和宽度，裂隙的长度则相对较小。随着干湿循环次数增加，厚土样的裂隙面积逐渐减小，而薄土样则呈现出增大的趋势。值得注意的是，薄土样通常具有较长的裂隙总长度和较多的裂隙节点数量。
5) 裂隙的萌生不都从表面开始，也可以从土体内部开始发育。膨胀土裂隙的发育和演化是裂隙的“记忆性”和“自愈性”共同作用的结果。基质吸力和抗拉强度是影响裂隙发育的关键参数，而应力集中和释放是影响土体裂隙发育和演化模式的主要原因。
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