原狀膨脹土干濕循環下裂隙發展規律試驗研究

趙東生，楊軍生，朱 磊，趙夢怡

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610031；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308；3.成都地鐵運營有限公司，四川成都 610000)

膨脹土強度不僅受含水率、干密度的影響，還受裂隙的影響，這一現象最初被國外學者TerzaghiK[1]發現，開啟了國內外學者對膨脹土裂隙研究的大門。研究膨脹土內部裂隙的發育，對研究因降雨形成的膨脹土淺層滑坡災害具有十分重要的意義[2]。

國內外學者對膨脹土裂隙進行了較為深入的研究。張家俊[3]對膨脹土干濕循環過程形成的裂隙進行研究，研究結果表明形成裂隙的關鍵因素并非含水率，而是含水率梯度。袁俊平[4]通過CT掃描研究了新鄉弱膨脹土重塑樣的裂隙發展，實現了對膨脹土重塑樣內部裂隙的定量描述。馬佳[5]使用一套控制濕度儀器，對膨脹土裂隙形成的過程進行了深入研究。盧再華[6]通過對重塑膨脹土裂隙進行CT掃描，來探討膨脹土在雨水入滲和大氣蒸發條件下膨脹土裂隙的演化規律。唐朝生[7]用ImageProPlus軟件對黏土裂隙定量測量進行了研究。朱磊[8]用Matlab等軟件對土壤表面干縮裂圖像隙進行處理。已有研究多集中在重塑試樣的研究，本文在既有研究的基礎上，嘗試對原狀膨脹土表面裂隙和體裂隙隨干濕循環變化規律進行研究。

1 試驗過程簡介

1.1 試樣制備和基本參數

原狀膨脹土試樣取自成都龍泉某工地，土樣呈褐黃色夾灰白色條帶，為弱膨脹土，可塑，測試其基本參數(表1)。

表1 膨脹土試樣基本參數 %

試驗前，將從現場取得的原狀膨脹土試塊用削土刀削成尺寸為20cm×20cm×20cm的試驗樣，將其放入定制的PVC模具中，表面削平后用保鮮膜覆蓋裹緊待測試。另外，由于取樣時為夏天，蒸發明顯，干濕循環試驗前取樣品一角少量膨脹土測試含水率，得其初始含水率為16.8 %。

1.2 試樣的干濕循環和表面裂隙攝影

由于干濕循環對裂隙的發展影響顯著，采用烘干和對表面噴水的方式對膨脹土原狀樣進行干濕循環。為了更好地模擬膨脹土在自然條件下的干濕循環作用，烘干時烘箱溫度控制在40 ℃左右，每次干循環為24h，濕循環為24h。試樣一共經歷7次干濕循環，在第二次干濕循環過程產生明顯裂隙。每次干濕循環結束后，對試樣表面進行拍照。為盡量減小攝影誤差，拍照時保證光源均勻，使鏡頭與試樣表面平行，將試樣放置在固定位置，將相機架設在固定位置的支架上進行拍照(圖1)。

圖1 原狀土樣表面裂隙攝影

1.3 試樣CT掃描

7次干濕循環后對試樣進行CT掃描(圖2)。掃描前對試樣各個角進行標記，以分辨掃描方向。掃描層厚1cm，間距2cm。如圖3所示，在x、y、z三個方向上分別對試樣進行CT掃描，其中z方向為深度方向，沿著z方向掃描，得到一系列xoy截面圖。通過三個方向的裂隙圖像相互驗證以確定試樣內部裂隙的發育情況，研究膨脹土裂隙隨深度的發展規律。

圖2 原狀土試樣CT掃描試驗

圖3 試驗樣xyz方向示意

2 試樣表面裂隙圖像處理

圖4(a)～圖4(d)分別為第1次、第3次、第4次和第7次干濕循環后的表面裂隙照片。由圖4可以看出，試樣表面在干濕循環過程中產生很多微裂隙，需大批量處理，因此聯合使用Matlab和MoticImagePlus等軟件進行處理。

以第7干濕循環后的裂隙照片圖5(a)為例，介紹表面裂隙處理方法。首先用Matlab對圖片進行灰度處理，再選定合適閾值進行二值化，如圖5(b)所示，黑色像素為裂隙部分，二值化后的裂隙更直觀可見。接著對圖片進行降噪處理，降噪半徑為3個像素，降噪后的圖像見圖4(c)。降噪后由MoticImagePlus自動分割，分段，自動提取裂隙像素，并計算裂隙像素占圖片總像素的比值，即裂隙度。MoticImagePlus處理后的裂隙圖片如圖5(d)所示，試樣的表面裂隙度為5.11 %。按照上述方法，處理7次干濕循環后的表面裂隙照片，即可得出干濕循環過程中試樣表面裂隙度的變化，結果見表2和圖6。可以看出，第3～5次干濕循環裂隙逐漸增多，第6～7次干濕循環裂隙幾乎沒有明顯變化。

(a)第1次干濕循環

(b)第3次干濕循環

(c)第4次干濕循環

(d)第7次干濕循環

(a)試樣裂隙

(b)二值化

(c)降噪處理

(d)計算裂隙度

表2 裂隙度隨干濕循環次數的變化

表2和圖6表明，膨脹土試樣表面裂隙度在第一次干濕循環遞增較小，在第2～6次干濕循環裂隙度急劇增加，在第6次干濕循環后，裂隙度逐漸趨于穩定。裂隙的產生受基質吸力、熱應力和不均勻變形等因素主導，當由于吸力產生的水平應力值大于其抗拉強度時，裂隙便產生了。試樣經歷過1次干濕循環后產生不可恢復的收縮裂隙，隨著干濕循環次數增加，產生不可恢復的收縮裂隙變多，裂隙度隨之變大，在第6次干濕循環以后裂隙變化不顯著，裂隙度也逐漸趨于穩定。

圖6 裂隙率隨干濕循環次數的變化

3 試樣CT掃描圖像處理

3.1 CT掃描圖片處理方法的確定

由于CT掃描圖像反映的是層厚范圍內土體結構的總體情況，當裂隙方向與掃描面夾角較小時，可能造成裂隙變寬的現象。如圖7所示，假設一寬度為10mm裂隙在設置層厚為10mm的CT儀上掃描，裂隙與掃描面的夾角為30 °，則裂隙在掃描圖片上的寬度應為20mm，而掃描圖像顯示的裂隙寬度為37.32mm。由此可見，CT圖像將厚度為10mm的薄層體積范圍內總的裂隙情況反映在一張二維圖像中，與第2節中表面圖隙度的概念不同，不能簡單的將灰度較高的部分視為二維截面上的裂隙，因此二值化的閾值不易確定。為了與第2節的概念統一，便于后續裂隙的分析和處理，需根據裂隙部分的灰度和裂隙產狀人為甄別掃描截面方向上的二維裂隙寬度。

圖7 裂隙與掃描面夾角較小掃描面示意(單位：mm)

為了減小掃描面與裂隙夾角問題及偽影的影響，利用AutoCAD軟件來描述裂隙，處理結果如圖8所示，圖8(a)～圖8(d)為試樣3cm、9cm、15cm、19cm不同深度方向上xoy截面的CT圖，圖8(e)～圖8(h)為相應的CAD描述圖。圖8(d)明顯出現了裂隙夾角和層厚的影響問題，圖像中下部的裂隙很寬，但仔細觀察發現，雖然裂隙部分相較背景的灰度高，但是其中間部位灰度更高，邊緣灰度較低，似有填充物。觀測側面裂隙CT圖表明，該條裂隙并不如圖8(d)所顯示的寬，CT圖像顯示的投影裂隙寬度比實際掃面界面上的寬度大很多。這是由于裂隙與掃描界面小角度相交造成的，故CT圖像需要人為對裂隙進行甄別處理。雖然CAD描述裂隙時對裂隙邊界描述效果不如軟件處理效果好，但是對裂隙度計算影響不大。

(a)3cm處截面

(b)9cm處截面

(c)15cm處截面

(d)19cm處截面

(e)3cm處截面裂隙

(f)9cm處截面裂隙

(g)15cm處截面裂隙

(h)19 cm處截面裂隙

3.2 CT掃描xoy截面圖片處理及數據分析

采用CAD描述法對CT掃描圖像進行處理，共從三個方向對試樣進行了掃描，現對沿深度z方向的xoy截面圖像(圖8僅給出了3cm、9cm、15cm、19cm深度處的圖像)進行分析，其余兩方向的掃描圖像作為輔助驗證。對裂隙進行CAD描述后，計算CAD描述圖的裂隙度和主裂隙條數(表3)。繪制裂隙度隨深度的變化曲線如圖9、圖10所示。

表3 深度方向上各截面CT掃描圖的裂隙度

圖9 膨脹土試樣在深度方向上裂隙度變化趨勢

圖10 膨脹土試樣在深度方向上主裂隙數量的變化

表3和圖9、圖10表明，在深度方向0～7cm段裂隙度減小，主裂隙條數也在減少，7～14cm段裂隙度增加，主裂隙條數也是穩中有增，14～20cm段裂隙度又開始降低，主裂隙條數也在減少。且此現象與汪為巍[9]在研究膨脹土裂隙三維分布特征所得到實驗結果相近，Z.B.Zhang[10]也在用CT和滲透曲線分析水稻土優先流的過程中提及此現象。這可能是由于前幾次濕循環過程水流最多下滲至10cm左右，所以這個位置經歷了全部次數的干濕循環后裂隙比較發育。在0～7cm段經歷前幾次干濕循環后，水分開始從裂隙滲流，雖然加劇了裂隙寬度，但是對裂隙數量的影響很小，而14～20cm段只有后幾次濕循環水分才能達到這個深度，故裂隙不是很發育。

3.3 CT掃描yoz截面圖裂隙分析

為了直觀的研究裂隙在深度上的發展規律，選取x方向yoz截面CT圖像進行研究。圖11(a)～圖11(d)分別為沿x方向7cm、9cm、11cm、13cm的CT掃描圖像。根據圖11(a)～圖11(d)將裂隙在深度方向yoz截面上的發育情況進行總結，見表4。通過圖11(a)～圖11(d)可知試樣表面微裂隙發育深度有限，且根據在深度z方向上裂隙的發育程度可將其分為0～7cm、7～14cm、14～20cm三部分。從圖10(a)～圖10(d)可以看出，0～7cm段裂隙條數和面積從上到下呈減小的趨勢，深入7～14cm段裂隙開始增多，至14～20cm段裂隙又開始減少，與圖9、圖10反映的實驗結果相吻合。

(a)7cm處截面

(b)9cm處截面

(c)11cm處截面

(d)13cm處截面

表4 深度方向裂隙發育特征

4 裂隙的三維建模和體裂隙度的計算

4.1 裂隙三維模型的建立

根據CAD描述圖在CAD軟件中重建膨脹土原狀樣裂隙三維模型(圖12)。圖12(a)為三維樣品灰度圖像，它能更直觀反映試樣的裂隙發育情況。圖12(b)為三維試樣的二維線框圖片，它能夠更清楚反映裂隙輪廓。圖12(c)為試樣三維模型的X射線模式，它能更好反映裂隙在試樣里的分布概況和特征。由圖12可知，裂隙主要分布于試樣上部1/3范圍內，且在表面裂隙最為發育，隨深度增加裂隙逐漸減少；進入中部1/3范圍內裂隙條數又開始增加，裂隙發育較好，但相對于表面裂隙發育程度較差；下部1/3范圍內裂隙不發育。

4.2 試樣體裂隙度的確定和計算

前文中的裂隙度為試樣二維圖像中的裂隙面積與總面積的比值，可稱為面裂隙度。根據面裂隙度的概念定義體裂隙度，即土體中裂隙的體積與土體總體積之比。體裂隙度能更直觀地反映三維裂隙的發育程度，并適用于三維土體滲流等方面的研究。賦予深度方向上各裂隙平面一定厚度，計算各個層面裂隙的體積，累加后即為整個試樣裂隙的總體積。根據圖9中試樣在深度方向上的面裂隙度，計算得體裂隙度為3.47 %。為了驗證此體裂隙度的準確性，通過側面yoz面CT掃描圖像裂隙，計算體裂隙度，其結果為3.61 %，與3.47 %相差0.14 %，證明了體裂隙度計算結果的準確性，及體裂隙度計算方法的可行性。

(a)灰度

(b)線框

(c)x射線

5 實驗結果的討論與分析

5.1 體裂隙度和面裂隙度關系

由干濕循環表面裂隙發育情況可知，表面裂隙度隨著干濕循環逐漸變大，在七次干濕循環后逐漸趨于穩定，約為5.11 %。

利用第7次干濕循環后的CT實驗圖像，重構膨脹土三維數字模型，計算試樣體裂隙度約為3.47 %。通過比較可以得到，膨脹土試樣的面裂隙度大于體裂隙度，體裂隙度約為面裂隙度的0.68。5.2CT掃描方法對大塊土樣的適用性。

通過實驗可知對于膨脹土表面裂隙直接采用圖像分析軟件進行處理，處理方法精度高，計算結果更接近實際裂隙的尺寸，并且可以處理表面微小裂隙。在CT掃描結果處理用CAD描述并結合人為甄別，其優點是能較為準確識別CT掃描照片中裂隙，避免由于偽影及裂隙和掃描面夾角較小的影響而造成的誤差，而且CT掃描結果應予以校準，取另外兩方向的掃描結果來相互驗證。

5.3 xoy截面裂隙度和裂隙條數隨深度的變化分析

通過實驗結果可知，膨脹土裂隙發展看似雜亂沒有規律，但是在深度方向上裂隙度整體在衰減，在深度0～7cm這個深度衰減速率最快，在7～14m處裂隙度反而相對增大，在14～20cm段裂隙度又開始衰減，并且衰減到一定程度后趨于穩定。其中裂隙條數整體也是呈衰減趨勢，表面微裂隙發育，但是在深度發展有限，在試樣較深處以主裂隙為主，主裂隙條數發展趨勢是穩中有減。

5.4 yoz面裂隙在深度方向的變化

通過CT掃描可以看出裂隙在yoz截面即裂隙在深度方向上0～7cm段裂隙條數是逐漸減小的，但在7～14cm處裂隙條數反而相對增加，在14～20cm裂隙條數又是逐漸減小。并且在yoz截面上主裂隙發育方向主要為135 °方向，小裂隙發育方向主要為近水平至45 °方向。

6 結論

(1)通過試驗初步探索了膨脹土體裂隙度和面裂隙度的關系，為通過膨脹土表面裂隙來評估膨脹土內部裂隙發展提供了路徑。

(2)試驗結果表明：醫用CT機可以獲得20cm×20cm×20cm土樣的CT圖像，通過對數字圖像的適當修正，可以滿足裂隙研究的需要。

(3)實驗結果表明：原狀膨脹土試樣裂隙隨著深度的增加逐漸減小；面裂隙度隨干濕循環次數的增加，逐漸增大，并趨于穩定。

(4)實驗結果表明：通過7次干濕循環，試樣體裂隙度約為3.47 %，面裂隙度為5.11 %。膨脹土試樣的面裂隙度大于體裂隙度，體裂隙度約為面裂隙度的0.68。但本文僅對一個原狀土樣進行了測試，所得到的體裂隙度和面裂隙度的關系具有一定局限性，還有待后續進一步研究。

致謝：在CT掃描實驗過程中，感謝中國人民解放軍后勤工程學院陳正漢教授為實驗提供CT掃描實驗室并臨試驗室進行技術指導。