干湿循环作用下泥浆状态粘土层的干燥与开裂特性外文翻译资料

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干湿循环作用下泥浆状态粘土层的干燥与开裂特性

Chao-Sheng Tang ^a,* , Yu-Jun Cui^b, Bin Shi^a, Anh-Minh Tang^b , Chun Liu^a

^a南京大学地球科学与工程学院，中国南京市汉口路22号，210093

^bEcole des PontsParisTech, UR Navier/CERMES, 6 et , avenue Blaise Pascal, Citeacute; Descartes, Champs-sur-Marne, 77455 Marne-la-Valleacute;e CEDEX 2, France

摘要：为了研究干湿（W-D）循环对粘土层裂缝的产生和发展的影响，我们在实验室进行了实验。制备四个相同的泥浆样品，随后对其进行了五次干湿循环。并对干湿循环期间的水分蒸发，表面裂纹演化和结构演化进行监测。通过图像处理的方法来分析干湿循环对裂纹几何特征的影响。结果表明干燥和开裂行为显著地受到所进行的干湿循环的影响：测得的粘土开裂含水量theta;_c、表面开裂率R_sc和样本的最终厚度h_f在开始的三个干湿循环中会显著的增加，然后会趋向于达到平衡。第二个干湿循环形成后的裂纹图案比第一个干湿循环后形成的图案更不规律。在干燥过程中，表面裂纹随着孔体积收缩率的降低而增加。此外，实验进行的干湿循环会明显地导致样本结构重置：在第二次干湿循环后，开始的均匀非聚合结构会转变成带有明显的团聚体内空隙的聚合结构；在第二个干湿循环后，由于聚合体的存在和增长的孔隙率，样本的体积通常会随着干湿循环次数的增加而增加。图像分析结果表明：裂纹形态的几何特征受干湿循环的影响明显，但是在第三个循环之后，这个影响就降低了。这与实验观察结果一致，并且表明了图像处理可用于定量分析粘土干裂特性对干湿循环的依赖性。

1.引言

由于水分的损失导致的粘土表面的干燥裂纹的形成是一个常见的自然现象，并且可以显著影响各种岩土工程、农业和环境应用中的土的性能。例如：破裂的土壤在相同含水量下比完整的土壤更容易压缩，并且由于裂缝的存在总体力学强度被削弱(Morris et al., 1992)。裂缝的尺寸（宽度，长度和深度），曲折度，空间分布和连通性控制土壤中溶质和微生物扩散的速率和速度，从而控制土壤中物质的扩散(Horgan and Young, 2000)。最重要的是，土壤水力特性是由干燥裂缝网络直接控制的(Chertkov, 2000； Chertkov and Ravina, 1999)。以前的许多研究表明，破裂土壤的水力传导性比完整土壤的水力传导性要好几个数量级(Albrecht and Benson, 2001； Boynton and Daniel, 1985)。因此，这个问题是设计和建造低渗透性结构如粘土缓冲层和核废料隔离屏障，衬垫和覆盖物等的主要问题。

在过去几十年中，已经进行了一些领域的研究和实验室的实验以探究土壤干燥裂缝的产生和发展 (Corte and Higashi, 1960；Kleppe and Olson, 1985； Konrad and Ayad, 1997； Miller et al., 1998；Morris et al., 1992； Nahlawi and Kodikara, 2006； Tang et al., 2008,2010； Velde, 1999)。然而，这些调查在很大程度上是定性的，并且在干燥开裂现象的描述中大部分是有限的。最近，用于量化裂纹模式的主要特征的技术已经从直接的现场测量演变成通过图像处理进行更复杂的分析测量(Miller et al., 1998； Velde, 1999； Vogel et al., 2005a,b)。图像分析被证明是一种强大的工具，可以有效地确定裂纹宽度，长度，面积，角度及其分布特征等几何参数和形态参数。另外还进行了一些关于干燥开裂的建模和理论研究（Abu-Hejleh, A.N., Znidarčić, D., 1995； Ayad et al., 1997； Chertkov, 2000, 2002； Chertkov and Ravina, 1998；Deng and Shen, 2006； Konrad and Ayad, 1997； Peacute;ron, 2008； Peacute;ronet al., 2009a)。然而，土壤是一种高度复杂的材料，干燥开裂行为受到矿物组成、黏粒含量、相对湿度、温度、层厚度、边界条件等诸多因素的影响(Albrecht andBenson, 2001； Fang, 1997； Nahlawi and Kodikara, 2006； Rodriacute;guez et al., 2007； Tang et al., 2007, 2008, 2010)。因此，很难提出用合理数量的参数的一个合理模型来描述这种复杂现象。干燥开裂的基本机制目前尚未得到很好的解释，预测裂缝的产生和相关的裂纹网络的延伸也面临着一些挑战。

人们发现原位土壤受到昼夜变化和季节性阴雨天气的影响，经常进行干湿循环。已经进行了几项研究来研究润湿和干燥对土壤物理性质的影响(Alonso et al., 2005； Nowamooz et al., 2009； Rao et al., 2001； Tang et al., 2011)。然而，土壤的干湿循环与干燥开裂之间的关系尚不清楚。在本研究中，通过对一组初始饱和的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。监测循环中样品表面裂纹的发生和演化。通过图像处理描述和量化表面裂纹图案的几何特征，并讨论所涉及的机制。

2.材料与方法

2.1材料

在本项研究中使用了Romainville clay。它的物理性质如表1所示。这种粘土是一种泻湖海洋沉积物，是巴黎第三纪（渐新世）地层的一部分。它广泛分布在巴黎东部地区，由于其膨胀收缩和开裂现象，被认为会对建筑物造成大量的损坏。已经进行了各种研究来分析在诸如干湿循环之类的天气影响下粘土的水力-力学特性(Audiguier et al., 2007； Geremew et al., 2009； Laribi et al., 2008； Tang et al., 2009a,b)。然而，干湿循环对干燥开裂特性的影响几乎没有引起注意。

表1：Romainville clay的物理性质

2.2.实验方法

风干的Romainville clay被粉碎并筛分为2mm。以约170％（gg^-1）的含水率将粉碎土粒与蒸馏水混合从而制备饱和的泥浆样品（注意：除非有说明，否则后面的测试样品的所有给定水含量都是“重量”含水量）。然后将所需量的泥浆倒入玻璃杯（直径117mm）中。为了除去泥浆中的空气气泡，将这些杯子放置在振动装置上振动5分钟。最后，将杯子用塑料膜密封并放置至少3天。最终的稳定厚度约为10mm。

制备四个平行的样本并在恒定的室温（25plusmn;1℃，相对湿度的50plusmn;5％）下干燥，直到试样的重量稳定，即第一个干湿循环完成。通过将蒸馏水直接倒入玻璃杯中进行浸湿工作。在这种浸湿过程中，提供足够的水以确保样品被完全浸没，并且不进行混合。玻璃杯再次用塑料膜密封，以防止水分蒸发。三天后，将样品暴露于室温条件下再次干燥。重复此过程，最终进行了五个干湿循环。

本研究中使用的主要装置如图1所示。1.为了测量干燥过程中含水量的变化，将样品置于天平上（精度为0.01 g）以监测重量。数字照相机固定在样品上方用来捕捉干湿循环中不同时间样本表面图像。图2显示了在第一次干燥过程中典型裂纹模式。随着图像处理的应用，表面裂纹率（Rsc）或称为裂纹强度因子CIF（Miller et al.,1998）被定义为裂纹面积与测定样品的总初始面积之比，以量化干燥过程中的开裂程度。在每个干湿循环结束时，其他几何参数例如每单位面积的交点数N_int，每单位面积的裂纹段数N_seg，平均裂纹长度L_av，平均裂纹宽度W_av和平均泥块面积A_av在最后的裂纹图案中被确定下来。注意，裂纹长度通过计算两个交点之间的裂纹段的中轴的长度来确定。为此，通过反复从裂纹边界去除像素，直到将其缩小为单像素范围的骨架来执行刨削操作(Gonzalez and Woods, 2002)。裂缝宽度以正交方向取样，计算出裂纹边界之间的最短距离。土块被裂缝包围，它们的区域被定义为区域的像素数。所有这些参数均通过应用我们研究组开发的软件CIAS获得。更多细节见Liu et al. (2008) and Tang et al. (2008)。在每个干燥期结束时从每个样品中选出8个土块，使用千分尺测定其厚度，并将平均值视为样品层的最终厚度。

为了研究样品在干燥过程中的体积收缩特性，按照上述一样的程序制备了四个相同的样品。在第一干燥过程中，从不同时间段的样品中取出小块，以确定其含水量theta;和密度rho;。用于密度测定的粘土的体积通过将其浸入非润湿烃液中来测量。然后可以使用以下等式确定样品的孔隙率e和相应的饱和度S_r：

（（1）

（2）其中rho;_s是Romainville clay固相的密度，等于2.79 （表格1）.

3实验结果

3.1蒸发、收缩和开裂过程

在四个独立的试样的第一个干燥期间，在不同时间t测得的含水量theta;如图3（干燥曲线）所示。两个不同的蒸发阶段可以被定义为：水含量随时间线性减小的恒定蒸发阶段；以及随后速率下降的蒸发阶段，其中水分损失逐渐减慢，直到达到约4.3的残留水分含量。

确定的收缩曲线（e与theta;）如图4所示。可以确定线性和指数之间的两个转变点：空气进入点（AE）和收缩极限点（SL）(Boivin et al., 2004； Chertkov, 2007； Cornelis et al., 2006； Groenevelt and Grant, 2004； Stirk, 1954)。水在AE和SL点的含量分别约为18和12。在样品表面出现干燥裂纹后，通过图像处理确定不同含水量的表面裂纹率R_sc，结果也绘制在图4中作为裂纹曲线（R_sc与theta;）。这表明土中的含水量在开裂产生时的范围为38~43，远高于AE值。因此，当发生龟裂时，样品仍然完全饱和。在初始阶段，随着水分含量的减少和孔隙体积的减小，R_sc迅速增加。然而，随着进一步干燥，一旦水含量接近AE点（theta; = 18），R_sc的增量就会减慢。在达到SL点（theta;= 12）之后，对于四个独立的样本，R_sc接近于14.6~15.8的相对稳定值。

3.2 开裂含水量、最终表面裂纹率和层厚度

在干燥过程中，当在样品表面上观察到第一个裂纹时，相应的含水量此时被定义为开裂水含量theta;_c。图5展示了在每个干燥过程期间四个样品的确定的theta;_c值。这表明theta;_c在开始的三个干燥过程中迅速增加，并且在随后的第四和第五个干燥过程中不会显着变化。例如，第一干燥过程中四个样品的theta;_c平均值为40.5；；在第三干燥过程中增加到76.1，而第五干燥过程中的theta;c平均值为80.2，仅比第四干燥过程高1.2。

在每个干湿循环之后，也确定了最终的表面裂纹率R_sc和平均的最终厚度h_f，并在图6和图7中给出。与theta;c类似，四个样本的R_sc和h_f

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