薄土层的干燥开裂室内试验外文翻译资料

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薄土层的干燥开裂室内试验

H·NAHLAWI和J.K.KODIKARA

澳大利亚维多利亚州3800号莫纳什大学土木工程系60楼

（2004年5月6日收到; 2005年11月1日接受）

摘要:本文介绍了薄层粘土干燥开裂试验的一些实验结果。观察裂纹模式的演变阐明了粘土土壤裂缝形成的瞬态机制。实验室干燥开裂试验，是用来验证土壤裂缝特征与一般约束条件之间的定量关系。在能够控制相对湿度和温度的湿度室中，利用收缩模具，对泥浆状态粘土进行了5次干燥开裂试验。实验研究中使用的土壤是残留的玄武岩粘土，为高反应性土壤。为了提供简单的理论模型，测试用有机玻璃和矩形断面的金属模具进行，部分模具的长度比其宽度大得多，以便在薄层中产生平行裂纹。在每次开裂试验中，几个矩形模具制备不同的厚度和宽度的土。其中一些测试用于观察裂缝开始和发展，以及干燥过程中水分含量的测量。测试结果包括裂纹的演变，干燥速率的影响，土样典型裂缝间距深度比。

关键词：粘土，开裂，深度，干燥，演变，形成，图案，间距，薄土层。

1.引言

粘土在干燥过程中倾向于收缩。这是由于在细粒土壤的孔隙结构中的基质吸力的发展。如果吸力在土壤介质中均匀发育，土壤充分收缩，即为“自由收缩”，适用于普遍的吸力变化。然而，通常即将发生的自由收缩可能不完全由于内部或外部限制作用于土壤而发展。内部限制可能来自干燥不均匀，外部约束可能由界面粗糙产生，如边界摩擦和（或）粘附。如果抑制收缩，土可能在干燥期间由于土体内拉伸应力超过土体抗拉强度而开裂。在各种地质学、农业和环境应用中，粘土的干燥开裂可能对其本身性能有重要的影响。例如，干燥开裂有使粘土产生低电导率屏障的潜力。尽管如此，我们对干燥开裂基本机制的理解并不深入，可靠的预测工具还不能使用。

一些研究人员（包括Lau，1987; Khera和Thilliyar，1990; Montgomery和Parsons，1990; Corser and Cranston，1991; Morris 等，1992; Benson， 1997；Benson和Khire，1997; Philip等，2001; Kodikara等，2002）汇报了干燥开裂的现场情况。以前的干燥开裂研究涉及到几个学科，可追溯到二十世纪早期。这些研究主要是定性的和大自然内的表现。现场数据报告应用范围广，但细节不完整，有时是矛盾的。例如，已经报道了裂缝间距变化从约75mm到76m，干燥裂缝深度从几厘米到十多米。裂纹深度与间距的关系也不是很清楚，虽然一种间距越大裂缝较越深的总体趋势似乎存在。一些研究人员，包括Lau（1987），Morris等（1992）和Kodikara 等（2000）提供了干燥开裂领域的详细总结。

干燥开裂的过程只能通过采用系统的研究方法来分析和实验，从而清楚地了解其本质。本文提出了在薄粘土土层上进行开裂试验的一些实验室实验结果。根本理解薄土层的干燥是初步的，但却是有用的。具体指被用作路面表面和各种材料层的土壤垫层的表现。

2.实验室实验

2.1 设备

干燥开裂实验在能控制温度和相对湿度的湿度箱中进行。澳大利亚细粒土壤线性收缩试验标准（AS 1289.3.4.1,1995）使用由黄铜制成的半圆柱形收缩模具，中心长250毫米，宽25毫米，深12.5毫米。但是，测试是在有机玻璃和具有矩形横截面的金属模具中进行的。为了在土壤干燥期间产生平行裂纹，模具的长度设置得比其宽度大得多。长宽比在10-24之间。模具的尺寸如表1和表2所示。

表1.干燥开裂试验（泥浆粘土）

a.实验0-3均在18℃温度下进行，试验4和5在20℃温度下进行。

b.在测试开始时已计算了干密度。 “ - ”表示没有记录干密度，但由于使用相同的测试程序，其干密度认为与其他测试类似。

表2.干燥开裂试验总结（压实粘土）

a.所有测试均在23℃温度下进行。

b.在测试的开始计算干密度。

2.2 材料，样品制备和设置

2.2.1 土壤材料

用于实验室测试的粘土是从澳大利亚维多利亚州Werribee的天然沉积物中获得的。这种天然粘土沉积物是一种高反应残余物，由覆盖西澳大利亚州墨尔本和维多利亚大部分地区的玄武岩组成。本研究在岩土研究所的粘土矿物学实验室进行（瑞士联邦理工学院苏黎世），对Werribee粘土进行了X射线衍射分析和扫描显示了矿物质的几种相位。主要成分是Ca-Visectite。除了Ca-Visectite矿物（42%），其他重要矿物质是：石英（30%），长石（钠长石）（8%），伊利石（10%）和高岭石（10%）（Nahlawi，2004）。西维多利亚（Mulholland，1994）的基岩的深度（玄武岩粘土的厚度）可以在2到11米之间。土壤是在位于Werribee的水上中心采集的，距离地面以下1.5至2米的深度。

2.2.2标本制备和设置

在测试中使用的两种类型土壤样品是高含水量土壤和压实的土壤。为制备扰动的土壤样品，材料需通过425微米筛，制备高含水量土壤样品，同时符合在AS 1289.1（1991）中所阐述的土壤测试程序。标本的含水量接近液限（127%）。为使其均匀地重新分配水分，土壤需在测试前静置12小时。通过手动将土壤放入模具中，并使用抹刀填平来制备土壤样品。在土壤放置之前，模具壁上需涂抹润滑油，以防土壤粘附到侧壁上。然而，在底部不进行润滑，从而土壤和模具底部可以完全粘附。在土壤放置期间，需轻轻敲打模具以清除内部气泡。在每次开裂试验中，使用不同厚度和宽度的矩形模具。其中一些模具用于观察裂纹发生和发展，其他的用于干燥过程中的含水量测量。通过从模具中取出小块土壤并在烤箱中干燥来测量含水量。为了简洁起见，测试涉及的高含水量土壤实验，以下代称为“泥浆粘土”试验。

在含水量高于OMC（即32.5%）的5%时，使用未加工的土壤制备压实土壤样品。在矩形测试模具中使用特殊微型锤压实土壤，以达到预定的干密度，便得到了压实样品干重及其含水量。

2.3 测试条件和程序

泥浆状态下的六种泥土干燥开裂试验均在可控制温度和相对湿度的湿度箱中进行。在恒温恒湿（23°C和约50%RH相对湿度）房间内进行了五次压实粘土。泥浆粘土标本初始干密度在540—620kg/m³之间，而压实粘土样品，初始干密度在1340— 1390 kg/m³之间。干密度是在测试开始时利用重量法计算得到，并且在表1和表2中分别给出了浆料和压实样品的一些细节数据。

3.结果介绍

3. 1 观察

在土壤干燥测试中，泥浆土和压实土壤两者均主要产生平行裂缝; 图1显示了典型的泥浆粘土裂纹图案。使用长度大于宽度的矩形模具有助于产生平行裂纹。为表明观察结果一致，产生的裂缝分为一级裂缝，二级裂缝和三级裂缝。主要裂纹是一级裂缝，并排除发生在任何两个裂缝之间产生的裂缝。二级裂缝发生在两个主要裂缝之间，三级裂缝（如果有）则在一级和二级之间，或二级裂纹之间。在某些情况下，产生了三级裂纹，但并不总是可以将后续裂缝分类为二级或三级，因为它们的发生时间并不完全了解。很多情况下，裂缝没有横跨宽度充分发展，而是被限制在边缘。这些裂纹被认为不是完全裂缝，没有包括在分析中。

图1 在试验3结束时（干燥时间：147.75h），泥浆Werribee粘土的开裂状态。

图2显示试验4中泥浆土干燥裂缝随时间的裂纹发展。形成两个主要裂缝之后，两个二级裂纹在两个主裂纹之间发生。其中一个二级裂缝可能是三级裂缝，因为他们的开始时间无法记录。在测试结束时，另一个三级裂纹发生六个分支。在最后阶段，大部分的干燥都是土壤已经达到环境湿度平衡含水量。一旦开裂从一点开始（垂直于模具长边），它向下和（或）向后线性地传播，裂纹扩展到全土层。但是，与脆性固体材料的断裂相比，传播相对较慢（Corte和Higashi，1960; George，1970）。这是因为土壤延展

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