不同壓實度下膨脹土表面裂隙演化規律機理研究

2019-04-28 12:26:28黃亮

價值工程 2019年2期

黃亮

摘要：膨脹土裂隙的發生發展對不少工程造成惡劣影響，為探究壓實度在膨脹土裂隙演化過程中的作用機理，通過室內試驗來研究不同壓實度下膨脹土表面裂隙演化規律。利用稱重拍照裝置和Matlab編寫圖像處理程序[1]，進行了1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3三種干密度試樣下的濕干循環試驗，脫濕溫度均為75℃。結果顯示，不同干密度試樣其對應的水分蒸發速度不同，蒸發速度的不同又影響著裂隙的發展[2]；壓實度越低，蒸發速度越快，裂隙發育就越快，面積就越大，同時試樣被裂隙切割地也就越支離破碎；隨著濕干循環次數的增加，裂隙率也會隨著增加[3]，但第二次增加的幅度最大。研究結果為膨脹土等相關問題的研究提供理論參考。

Abstract： The occurrence and development of expansive soil fissures have adverse effects on many projects. In order to explore the mechanism of compaction in the evolution process of expansive soil fissures， laboratory experiments were carried out to study the evolution of cracks on the surface of expansive soil under different compaction degrees. Using the weighing camera and Matlab to write the image processing program， the wet-drying test under 1.5g/cm3， 1.6g/cm3， 1.7g/cm3 three dry density samples was carried out， and the dehumidification temperature was 75 °C. The results show that the corresponding water evaporation rates of different dry density samples are different， and the difference of evaporation speed affects the development of cracks； The lower the degree of compaction， the faster the evaporation rate， the faster the crack develops， the larger the area， and the more the sample is cut by the crack； As the number of wet-dry cycles increases， the fracture rate increases， but the second increase is greatest. The research results provide a theoretical reference for the study of related problems such as expansive soil.

關鍵詞：壓實度；裂隙；圖像處理；蒸發速率；濕干循環

Key words： compaction degree；fissures；image processing；evaporation rate；wet-drying cycles

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0152-04

0 引言

膨脹土因含有蒙脫石等親水礦物呈現出吸水膨脹和失水收縮的特性[1]。吸水和失水的反復循環會引起土體的開裂變形，逐漸產生裂隙。裂隙的產生、發展和相互連通破壞了土體的整體結構，使土體變得松散破碎[2]。同時，裂隙又反過來為水分的入滲、運移、蒸發等作用提供了便捷通道，加速裂隙的發育及擴展，如此在反復循環過程中裂隙逐漸惡性積累。濕干循環作用下裂隙的產生及發展降低了土體的抗剪強度[3]，這也就是膨脹土邊坡在雨季頻繁發生滑塌等失穩破壞的原因，因對工程安全構成較大威脅，被形象稱之為“工程癌癥”。目前已有不少學者對膨脹土裂隙演化規律作出研究，袁俊平[4]通過工程實踐和算例有力說明了裂隙對膨脹土邊坡穩定性影響極大。黎偉等[5]研究了裂隙的數量、寬度、長度、裂隙率等指標在膨脹土裂隙濕干循環過程中的變化規律。曹玲等[6]在室內模擬降雨-蒸發條件，采用灌蠟法研究了干濕循環作用下裂隙的各個發育階段的特征并測量了裂隙最終的體積。因影響膨脹土裂隙發展因素較多，以往研究難以概括全面，且不同區域土體性質一般不同。本文以宜昌某地膨脹土為例，探究壓實度在膨脹土裂隙演化過程中的作用機理，為膨脹土等相關問題的研究提供理論參考。

1 試驗設計方案

1.1 試驗材料

膨脹土的物理性質指標如表1所示，按膨脹土分類屬于弱膨脹土。根據試驗需要制備三種不同干密度試樣，分別為1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3。取適量的該風干膨脹土塊用橡膠錘碾壓捶碎，過2mm篩。然后取一定量過篩的土體置于110℃烘箱中進行烘干，時長為24h，將烘干后的膨脹土放置于干燥缸中進行冷卻。精準稱取定量的干燥膨脹土，噴灑蒸餾水，含水率均控制為19%，均勻攪拌。并且攪拌過程中碾碎較大結團顆粒，盡量讓土顆粒大小均勻、分散，最后用保鮮膜悶料48小時，以確保土體中水分分布均勻。用直徑61.8mm、高20mm的環刀，利用錘擊制樣法制備上述三個試樣。最后將制好的試樣進行真空抽氣飽和，抽氣4h，負壓飽和12h[5]。

1.2 試驗方案

三個試樣均放置在75℃的烘箱中，分別進行濕干循壞四次。在每次脫濕過程中，定時對試樣拍照、稱重，以前后兩次裂隙率不在發生變化時為基準，停止脫濕，然后重新進行抽氣飽和，進入下一次濕干循環。考慮到在每次拍攝過程中要保持試樣照片和拍攝時的光線穩定不變，排除外部環境干擾，設計了一種自動拍照稱重裝置，利用鐵架臺，梅特勒電子天平放置在鐵架臺下方的托盤上，數碼相機則固定在鐵架臺的支架上，數碼相機處于電子天平正上方一定距離且保持不動。調節焦距盡量使所拍到的圖像最清晰，保持光線充足穩定。電子天平連接電腦，利用Labview軟件編程實現電腦自動采集天平讀數。

1.3 圖像處理及裂隙度量

二值圖的像素點只有黑白兩種顏色，黑色為0，白色為1[1]。因此，利用程序只要統計出0、1像素點個數結合（1）式就可計算出試樣的裂隙率。根據式（2），統計碎土塊個數即可計算出土塊的平均面積，進而顯示出兩者分別與裂隙率的對于關系。

2 試驗結果與分析

2.1不同壓實度下裂隙率與脫濕時間的變化關系

圖2為不同壓實度試樣在75℃的情況下水分蒸發量與脫濕時間的關系曲線。由該圖易知，三種干密度下的蒸發速率由大到小依次為1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。這主要是因為壓實度越高，土體顆粒間擠壓越緊密[8]，土體強度就越高，因水分蒸發、脫濕收縮時局部產生的拉應力克服土體抗拉強度就愈發困難，越不容易產生裂縫，進而限制水分的蒸發。從孔隙率角度講，密度越大，土顆粒之間就被壓的越緊，土與土顆粒之間的間隙越小，水分運移和擴散的速率較為緩慢，反之，壓實度越低，土顆粒間孔隙就越大，土體愈發疏松，水分的運移阻力較小，擴散速率快。利用程序將處理后的二值圖統計計算每組試樣的裂隙率，做出了三種干密度下試樣裂隙率與脫濕時間的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知：

①在四次脫濕中，三種干密度膨脹土的裂隙率發展曲線都遵循著先急速上升達到峰值后緩慢下降，最終趨于穩定。其主要原因是試樣開始脫濕時，含水量大，表面的水分容易散失，在蒸發過程中試樣會產生收縮，局部收縮不均勻就會產生拉應力，一旦拉應力超過土體的抗拉強度時，土體會被拉裂[8]，從而產生裂隙，且脫水速度越快，裂隙發育程度就越劇烈。當表層水分充分散失后，表面裂隙發育也就趨于停止，即裂隙率基本達到峰值。在這一過程中，水分的蒸發大部分發生在表層土體[9]，表層土體收縮較明顯，下部土體的水分因裂隙發育規模較小難以通過裂隙散發出去，導致下部土體在一定程度上限制了試樣整體的收縮[10]，表現為試樣的整體收縮率增加緩慢。而之后，由于表層土體裂隙發育基本停止，底部土體水分通過裂隙通道往表層運移蒸發，土體收縮面積增大，底部土體的收縮也將促進表層土體的收縮。因收縮產生的壓應力作用，一些細小的裂隙受壓后開始閉合，較大裂隙的長度、寬度、條數在一定程度上減小，裂隙率逐漸降低。最后土樣脫濕基本趨于停止，整體含水率趨于穩定[5]，收縮也逐漸停止，裂隙率最終趨于一穩定值。

②在同一時刻，干密度小的膨脹土裂隙率基本上要高于干密度大的膨脹土。這是因為不同的壓實度其蒸發速度也不同，蒸發速度快的試樣其裂隙發展也較快，因而造成壓實度越低，裂隙發展越走在前面，壓實度大的試樣裂隙發展相對落后。

③大約在前20分鐘內，三種干密度試樣的裂隙率曲線分布較緊密，差異較小，而在之后的脫濕過程中三種曲線相對分散，差異較明顯。這主要是因為初始脫濕時三種干密度試樣均是飽和狀態，含水量大，土體表面失水極為容易，由圖2知三者脫濕速度十分接近，干密度小的試樣脫濕速度并未占明顯優勢。隨著試樣逐漸脫水，表層自由水大量散失，蒸發速率有所緩降，三種試樣的水分蒸發曲線開始出現差異。干密度為小的土樣水分蒸發速度開始高于干密度大的土樣，導致其裂隙的發展程度也高于干密度大的試樣。故而前期三者裂隙率曲線差異較小，后來較大。

2.2 不同壓實度下裂隙率與循環次數的關系

圖4為不同壓實度下膨脹土裂隙率與濕干循環次數的對應關系。從圖4中易看出，裂隙率隨著濕干循環次數的增加而增加。在每次循環中，干密度小的裂隙率都大于干密度大的裂隙率，即裂隙率由大到小依次為1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。且在第二次濕干循環中裂隙率的增長幅度最大，后面增長幅度變小。

在第一次的濕干循環中，試樣雖處在同一溫度環境中進行脫濕，但由于各自的干密度不同，導致其最終的裂隙率也不同。第一次循環后，土體產生的裂隙破壞了其整體結構，使得土樣變得支離破碎[11]。試樣在第二次飽和過程中，土體吸水膨脹，導致所有裂隙全部愈合，由破碎結構重新變成完整結構。但這只是假性的愈合，在第二次脫濕地過程中，試樣在較大程度上會記憶性地沿著原來的裂隙路線重新開裂、擴張，同時伴有新的裂隙生成。在第三次地濕干循環中又沿著第二次裂隙發展路線繼續發展新的裂隙。如此反復的濕干循環會讓裂隙記憶路線不斷積累，不斷惡化，造成膨脹土裂隙率在不斷的濕干循環后就不斷的增長，但增長幅度會逐漸變緩。土體在首次濕干循環后產生的裂隙是首次開裂[9]，此前并無任何裂隙產生。在第一次裂隙發展已鋪好“道路”，第二次的裂隙在這條道路上行走順暢，發展及其容易，因此其增長幅度較大。裂隙地產生是因為土體失水收縮不均勻，局部產生了強于自身抗剪強度的收縮應力（即拉應力）。收縮應力將一個完整膨脹土試驗拉裂成多個破碎的小土塊的同時也是在壓縮這些小土塊，即對土體進行壓縮拉裂作用。土體自身具有一定的彈塑性，越被壓縮其硬度越高，就越難被壓縮，即表現為裂隙雖然繼續發展，但越來越困難，增長幅度越來越小，自然不再像第二次循環發展那么容易。

2.3 不同壓實度下碎土塊的平均面積與循環次數的關系

圖5為不同壓實度下碎土塊的平均面積與循環次數的對應關系。由圖5可知，每次濕干循環過程中，干密度小的土塊平均面積低于干密度大的土塊平均面積。這是因為壓實度越低，土顆粒之間間隙就越大，排列就越疏松，強度也就越低，土體越容易被裂隙撕裂。在低密度下，試樣的孔隙率大，脫濕的初始階段時其蒸發速率快，造成試樣收縮大，產生的拉應力也大，在蒸發面上產生拉裂點的機會也就越多（因土體是非均質的，土體中每點的抗拉強度不盡相同，拉應力越大，拉裂破壞的點也就越多），一些細微的裂隙點隨著其他大裂隙的發展帶動而相互貫通，從而將原本只有少數破碎的試樣切割成數量更多規模更細小的碎土塊，試樣逐漸變得愈加支離破碎。結合式（2），破碎土塊數量越多，其平均面積也就越小。而高壓實度的土體因自身強度較高，抵抗破壞變形能力要強些，產生拉裂點數量少，越難被拉裂。故高壓實度下試樣破碎土塊的平均面積大。

3 結論

①在每次脫濕過程中，不同壓實度膨脹土的裂隙率發展都遵循著先急速上升達到峰值后緩慢下降，最終趨于穩定。在同一時刻，壓實度小的膨脹土裂隙率基本上要高于壓實度大的試樣。低壓實度膨脹土試樣的蒸發速率快于高壓實度試樣[12]，產生的裂隙率差異先期較小，后期較大。

②裂隙率隨著濕干循環次數的增加而增加。在每次循環中，壓實度小的試樣裂隙率都大于壓實度大的裂隙率，且在第二次濕干循環中裂隙率的增長幅度最大，后面增長幅度變小。

③壓實度越低，土體抗拉強度就偏弱，收縮應力克服抗拉強度就越容易，土體表面產生的拉裂點的也就越多，試樣最終被裂隙切割的也就越破碎。

參考文獻：

[1]李生林，施斌，杜延軍.中國膨脹土工程地質研究[J].自然雜志，1997（02）：82-86.

[2]黎偉，劉觀仕，姚婷.膨脹土裂隙特征研究進展[J].水利水電科技進展，2012（04）：78-82.

[3]韋秉旭，黃震，高兵，等.干濕循環作用下膨脹土裂隙演化規律及其對抗剪強度影響[J].公路工程，2015（04）：127-130，140.

[4]袁俊平.非飽和膨脹土的裂隙概化模型與邊坡穩定研究[D].河海大學，2003.

[5]黎偉，劉觀仕，汪為巍，等.濕干循環下壓實膨脹土裂隙擴展規律研究[J].巖土工程學報，2014（07）：1302-1308.

[6]曹玲，王志儉，張振華.降雨-蒸發條件下膨脹土裂隙演化特征試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2016（02）：413-421.

[7]張家俊，龔壁衛，胡波，等.干濕循環作用下膨脹土裂隙演化規律試驗研究[J].巖土力學，2011（09）：2729-2734.