砂质黏土（或砾质黏土）大多由坡积或者洪积形成，在山地区域分布较为广泛。由于砂质黏土特殊的粒径组成，其塑性指数和保水性都比一般黏土小，渗透系数相对较大，在降雨作用下砂质黏土边坡更容易入渗，加之其中砂粒的比热较小，在日晒作用下水分更易蒸发，从而导致干缩裂隙的迅速发展。发生大量干缩裂隙的砂质黏土再次遇到降水时，深层土体会在较短时间内饱和，极易发生滑坡等地质灾害^[1-6]。

国内外诸多学者对生态纤维改良黏土的工程力学特性及干缩裂隙进行了研究。刘继鹏等^[7]将价格低廉且性能优良的天然黄麻纤维按照一定质量掺比加入到黄土中，发现黄麻纤维可以有效提高黄土的动力特性；高浩东等^[8]通过显微CT扫描，利用三维重构技术获得裂隙的三维数值模型来研究失水条件下膨胀土的裂隙演化特征，表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联；章君政等^[9]为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态，提出了一套基于高密度电阻层析成像技术（electrical resistance tomography，ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法；陆韬等^[10]采用在黏土中添加黄原胶和黄麻纤维的方法，探究了二者加筋率及养护龄期对上海黏土无侧限抗压强度特性的影响；Ma 等^[11]发现使用部分替代碱激发偏高岭土（alkali-activated metakaolin‌，AAMK）的水泥及添加聚丙烯纤维的砂质黏土，其动态抗压强度和能量吸收密度明显提高；王翔等^[12]研究了生物炭掺量下土体干缩裂隙的发育变化，并从微观结构观察了生物炭颗粒和土颗粒的接触密集程度。

从以往研究可以看出，生态纤维对黏土的干缩裂隙具有较好的改良作用，对砂质黏土的工程力学性质也有明显改善。然而，在陕南山地，砂质黏土填筑的边坡工程和路基工程较为普遍，长期降水-日照-降水作用下，因干缩裂隙引发的边坡失稳和路基沉降等病害屡见不鲜。如何就地取材，以生态方式解决此问题就十分迫切。鉴于此，本文以陕西省勉县的砂质黏土为研究对象，采用物理改良方法，在其中加入黄麻纤维、稻杆纤维进行室内试验，研究不同纤维掺量对砂质黏土的干缩裂隙影响规律^[13]，以期为砂质黏土区域的干缩裂隙、地质灾害等防治提供支撑。

1.   试验介绍

1.1   试验材料

试验中采用的砂质黏土取自陕西省勉县，属于陕南山地，具有一定的区域代表性。土体颜色大体上呈黄褐色，砂粒含量较高，颗粒粗，土中裂隙较发育，透气性能良好。将取回的砂质黏土进行自然风干、碾碎，过2 mm筛，测量砂质黏土的最优含水率为16.8%、干密度为1.67g/cm³、最大干密度为1.75g/cm³、液限33.76%、塑限18.48%。砂质黏土的颗粒级配曲线见图1。

图  1  砂质黏土的颗粒级配曲线

Figure  1.  Particle size distribution curve of sandy clay

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试验采用黄麻纤维、稻杆纤维两种材料（图2）。黄麻纤维的表面呈浅褐色，有光泽，吸湿性能好，散水快，主要用于制作麻袋、麻布^[14]。稻杆纤维的表面呈浅黄色，柔软性好，耐拉力强，吸水性高，可用作绿化、矿山修复、山体护坡^[15]。本试验所用的两种纤维长度均约17 mm，平均直径0.3 mm。。

图  2  两种加固材料

Figure  2.  Two types of reinforcement materials

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1.2   试样制备

将备用的砂质黏土分为A、B、C三组，其中A为素黏土试样；B、C为不同掺量下的黄麻纤维及稻杆纤维改良试样共6组。试样参数见表1。

表  1  砂质黏土试样参数

Table  1.  Parameters of sandy clay specimens

土样种类	试样编号	纤维掺量/%	初始含水率/%		土样种类	试样编号	纤维掺量/%	初始含水率/%
素黏土(A)	AM0	0	70		添加稻杆纤维试样(C)	CM1	0.1	70
添加黄麻纤维试样(B)	BM1	0.1	70			CM2	0.2
	BM2	0.2				CM3	0.3
	BM3	0.3				CM4	0.4
	BM4	0.4				CM5	0.5
	BM5	0.5				CM6	0.6
	BM6	0.6

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依据前人的研究结果^[7]，并进一步考虑了黄麻纤维及稻杆纤维后续的实际应用，将生态纤维掺量确定为 0.1%~0.6%（质量百分比），分别记为M₁~M₆，无纤维掺量记为M₀，共13个砂质黏土试样，每个试样净重100 g；将每组砂质黏土100 g 试样和70 g水用搅拌器充分拌匀，制成70%初始含水率（不考虑风干含水率）的砂质黏土泥浆；随后将每组砂质黏土泥浆分别均匀倒入玻璃培养皿（直径10 cm，厚度2 cm）中，将其震荡整平（排出多余气泡），并进行标号和称重。需要说明的是，掺加纤维的砂质黏土泥浆采用分层添加法：先将部分素砂质黏土泥浆均匀铺在玻璃培养皿底部，再均匀添加一层纤维，共添加3层纤维，确保纤维全部均匀添加到砂质黏土泥浆。

1.3   试验方法

提前预热烘箱至50 ℃，将所有试样放入烘箱内中；每间隔3 h称重1次，使用电子天平记录质量数值（研究蒸发过程中砂质黏土土样含水率变化），待出现裂隙时使用数码相机记录裂隙变化形态，直到每个试样表面完全干燥、重量和表面裂隙不再变化时停止烘箱内蒸发；分析不同试样的蒸发情况并绘出含水率变化图；处理砂质黏土干缩裂隙图像，并对比各掺量下生态纤维对干缩裂隙发育的影响情况。

2.   裂隙图像分析

2.1   二值化图像处理

本文采用基于Matlab的二值化图像处理技术对裂隙图像进行定量分析。为了避免边界效应对土体干缩裂隙网络定量分析的影响，在分析图像之前去除边界，使用d=8 cm的圆形区域进行研究。由于原始图像色彩不均，在使用二值化图像处理后噪点较多，故使用Procreat绘图软件将裂隙形状1∶1还原进行去噪，这样进行图像处理可保证砂质黏土干缩裂隙情况完全展现出来。如图3所示，以试样BM₃为例，将裂隙图像进行二值化、骨架化、裂隙识别等步骤后，获得裂隙率（定义为土样表面裂隙面积与总表面积的比值）、裂隙条数、最大裂隙宽度、平均裂隙宽度等相关参数。

图  3  图像处理示意

Figure  3.  Image processing illustration

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2.2   裂隙形态分析

以试验温度为50 ℃的情况为例，在蒸发48 h后分析不同生态纤维的掺入对其裂隙形态所产生的影响，二值化图像（d=8 cm）裂隙形态如图4所示。由前人研究^[16]可知，土体干缩裂隙的形成是由于上界面蒸发失水与下界面摩擦两种边界效应作用的结果，由于制作土样容器一致，故不考虑下界面摩擦因素。由图4可以看出，在相同的温度条件下，水分不断蒸发造成土体开裂，砂质黏土干缩裂隙主次纵横现象明显（主裂隙宽度较大）。平滑连续的裂隙曲线相互交织，形成了“T”形、“U”形、“Y”形及“＋”形裂隙曲线，将土样分为多个不规则多边形。黄麻纤维改良土样裂隙表面分布更加均匀，分割程度愈加明显^[17]；稻杆纤维土样裂隙表面分布稍有不均，但分隔程度呈现愈加明显趋势，土块依然被裂隙切割为四边形或五边形。随着黄麻纤维和稻杆纤维掺量的不断增大，砂质黏土土样裂隙发育整体呈现先增后减的趋势，裂隙宽度越来越细长狭窄，说明黄麻纤维和稻杆纤维对砂质黏土具有较好的改良效果。

图  4  二值化裂隙形态

Figure  4.  Binary morphological representation of cracks

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在实际工程中，土体裂隙宽度越大，遇到强降水时越容易造成滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害，这对施工安全和工程质量造成极大隐患。掺加生态纤维后，纤维与土颗粒之间作用力可在一定程度上抵消土颗粒间水分散失引起的干缩应力，从而抑制裂隙的发育，这有利于人工填筑边坡的稳定。

需要指出的是，本文采用了恒温蒸发的条件，在实际的边坡工程中，环境条件也是影响干缩裂隙的重要因素。本文只研究生态纤维对干缩裂隙发育的抑制能力，可为边坡治理工作提供一定理论参考。

3.   裂隙数据分析

3.1   裂隙条数、裂隙率与裂隙宽度

图5为不同试样干缩裂隙网络的裂隙条数、裂隙率与平均裂隙宽度参数^[18]的定量统计。可见不同纤维种类对砂质黏土的改良效果差异明显，但相较于素黏土，随着纤维掺量的增加，两者裂隙率与平均裂隙宽度均呈下降趋势。这充分说明两种生态纤维对砂质黏土干缩裂隙均有显著的抑制作用。

图  5  稳定后裂隙参数

Figure  5.  Crack parameters after stabilization

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素黏土表面裂隙长而宽，且形成贯通。由图5（a）可看出，掺加纤维后，裂隙数目显著增多，0.6%纤维掺量时黄麻纤维与稻杆纤维裂隙最高分别达到162和154条。这说明纤维掺量越高，土体被分隔块数越多，表面裂隙纵横交错明显。平均裂隙宽度与裂隙率明显下降，说明黄麻纤维与稻杆纤维的掺加均有效抑制了干缩裂隙的发育。

还可以看出，在0.1%纤维掺量时黄麻纤维与稻杆纤维裂隙数目分别增加了28和21条，裂隙率分别下降了13.2%和9.35%，平均裂隙宽度分别下降了8.12%和33.08%。在0.6%纤维掺量时黄麻纤维与稻杆纤维裂隙数目分别增加了132和123条，裂隙率分别下降了30.6%和23.8%，平均裂隙宽度分别下降了66.64%和70.86%。这说明两种纤维对砂质黏土的干缩裂隙改良作用十分明显。

3.2   裂隙发育过程分析

土体会因蒸发失水而发生干缩裂隙。裂隙的产生会导致土体的力学性能降低，也会大幅增加土体的渗透性^[19]。依据试验所得数据，计算不同时刻的含水率。两种生态纤维（以0.6%掺量为例）干缩裂隙时间-含水率关系曲线及原始裂隙形态见图6。可见含水率下降的同时土体表面水分不断蒸发^[20]，相较于素黏土，纤维的掺入明显提高了土样含水率，并且素黏土含水率最先变为0%。这说明两种纤维与土体颗粒黏结能力较强，土体裂隙宽度变小，保水性能更强。

图  6  不同土样时间-含水率曲线及裂隙发育变化

Figure  6.  Time-moisture content curves and crack development for different specimens

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图7为生态纤维改良砂质黏土可收缩空间变化的示意图。可以看出，素土颗粒间孔隙率较大（图7（a）），形成大大小小的团聚体，结合含水率图像可以看出土样失水速度较快；生态纤维的掺加抑制土体开裂现象明显，与土颗粒黏结在一起且紧密性较高（图7（b）），使得土体塑性指数增大，孔隙不断减小。由于纤维具有吸水性，同时也增加了土样保水性，土体裂隙发育速度开始变缓。待裂隙发育完全后，裂隙宽度降低，砂质黏土的干缩裂隙得到有效抑制。

图  7  生态纤维改良土可收缩空间变化示意

Figure  7.  Illustration of shrinkage space variation in eco-fiber-improved soil

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在相同纤维掺量、相同温度条件下，18 h时3种土样均开始产生裂隙（图8），此时裂隙宽度较窄，主裂隙轮廓开始显现。随着裂隙进一步发育，30 h可以看出土样裂隙宽度逐渐变大，其中AM₀最为明显，BM₆与CM₆在主裂隙轮廓基础上向四周扩散出多而窄的次裂隙。48 h时裂隙发育完全，从图像可以看出BM₆表面裂隙更加均匀，土样分割程度较大；AM₀裂隙宽且分割程度小，说明砂质黏土颗粒间存在的空隙比较多；CM₆表面裂隙分布不均，主裂隙和细小裂隙共存。

图  8  裂隙参数及形态

Figure  8.  Crack parameters and morphological changes

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对裂隙率、裂隙条数、平均裂隙宽度进行定量分析，可以看出：AM₀试样随着时间的增长，3种指标都呈增大趋势；而BM₆、CM₆的裂隙条数及裂隙率均不断增大，平均裂隙宽度呈减小趋势（二者稳定后裂隙率均小于AM₀）。对比3种试样裂隙参数可以看出，BM₆、CM₆裂隙率及平均裂隙宽度普遍低于AM₀，裂隙条数普遍多于AM₀，这与前文分析结果一致。

4.   结　语

本文在相同蒸发温度（50 ℃）下，对各生态纤维掺量的砂质黏土试样产生的干缩裂隙进行了试验分析，得到了如下结论：

（1）生态纤维的掺入显著改善了砂质黏土的干缩裂隙特性。黄麻纤维和稻杆纤维都是天然纤维且均具有一定吸水性，与土颗粒黏结可有效减缓裂缝的发展速度，降低裂隙率和平均裂隙宽度。

（2）稻杆纤维和黄麻纤维在改良土体裂隙发育上均有较好效果，主要表现为随着纤维掺量的增加，砂质黏土的大裂隙数量明显减少，小裂隙增多，裂隙分布更均匀，裂隙率和平均裂隙宽度都明显降低。

生态纤维改良方法为汉中地区砂质黏土干缩裂隙治理提供了新思路，在提高人工填筑砂质黏土的稳定性方面具有潜在的应用价值。下一步的研究将关注不同环境条件下生态纤维改良砂质黏土的长期性能（如生态纤维遇水耐久性、填筑边坡稳定性），不同类型生态纤维对砂质黏土渗透、力学等性能的影响，以及生态纤维加筋砂质黏土的填筑施工标准等，以便更好地优化改良方案并推广应用于实际工程。