利用棕絲改良紅黏土的裂隙特性分析

楊俊芳,陳愛軍,鄭偉澤,韋學英,枊佑銘,楊 淦,陸玉佳

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院,廣西 桂林 541004)

0 前 言

紅黏土廣泛存在于中國南方地區，是在熱帶亞熱帶濕熱環境下，碳酸鹽巖經過物理、化學以及生物風化和紅土化作用而形成的一類特殊土。紅黏土對環境濕度變化非常敏感，在干燥環境中極易開裂，遇水強度快速衰減，紅黏土地基和紅黏土邊坡工程普遍存在收縮開裂引發的工程地質災害[1-3]。

目前國內外針對紅黏土裂隙性質的研究成果主要為摻加纖維、膠凝材料、離子固化劑等物質處治紅黏土，如劉宇翼[4]等研究將電石渣與稻殼灰復合形成一種新型的膠凝材料，并將其用來固化膨脹土從而減少裂隙。李凱[5]等在膨脹土中摻入磷尾礦進行改良并對其脫濕過程進行研究，發現隨著磷尾礦摻量的增加，土體的裂隙不斷減少，且隨溫度的增加而呈現增大后減小的趨勢。韓琳琳等[6]通過在膨脹土中添加ISS進行脫濕實驗，結果表明黏土礦物經ISS改性后, 能夠有效地整體收縮并黏結在一起, 減少了裂隙的寬度和條數。韓春鵬等[7]通過室內試驗,分析干濕循環條件下纖維加筋對裂隙發展的影響，結果表明, 土體表面裂隙率、裂隙總長度隨循環次數的增加而逐漸增大, 裂隙平均寬度卻存在遞減趨勢。Miller[8]等主要研究了摻加纖維對壓實黏土干燥裂縫發育的影響，研究結果表明，在保持可接受的導水率的前提下，與未改性土樣相比，纖維能夠有效抑制土體裂隙的發展。Viswanadham[9]等通過改變纖維的長徑比和摻量，進行了一系列的離心機試驗，得出長徑比和纖維含量對加筋土的裂縫有明顯抑制作用的結論。

上述研究表明，在黏土中摻加纖維能有效改善土體的裂隙性。棕絲作為一種廉價環保的天然纖維，既具有較高的強度，又具有一定的耐腐蝕性；在紅黏土中摻加棕絲，棕絲之間相互彎曲、彼此交錯，進而搭接形成空間網絡結構，不僅加強了松散土體的結構強度，還使土顆粒之間的連接能力得以提高，從而達到抑制紅黏土裂隙發展的目的。為降低工程造價和保護環境，本文采用天然棕絲改良紅黏土,通過開展模擬自然濕熱環境條件下的室內干縮開裂試驗，觀察試驗過程中試樣裂隙的開展及發育情況，對土體表面的裂隙進行定量分析，探究棕絲對紅黏土裂隙發育的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用土樣為湖南邵陽地區地表下2.5～4.0 m深度的紅黏土，呈棕黃色(見圖1)，其基本物理性質：比重2.72，縮限18.8%，液限67.7%，塑限28.3%，塑性指數39.4%，最優含水率18.5%，最大干密度1.86 g/cm3，黏粒含量62.8%。根據顆粒組成及塑性指標判斷其屬于高液限黏土。

試驗中所采用的棕絲是一種天然纖維，具有良好的抗拉性能，不易腐化且具有較強的穩定性(見圖2)，其基本物理性質：密度1.32 g/cm3，平均直徑0.3 mm，斷裂強度155.5 MPa，楊氏模量0.77 GPa，斷裂伸長率19.07%。

1.2 試樣制備及方法

試驗選擇規格為250 mm×250 mm×50 mm(長×寬×高)的方形盒作為盛放土樣的容器，并于盒底粘貼一層砂紙以增加試樣底部的摩擦效果。試樣制備時，首先粉碎風干土，過2 mm篩得到試驗所需要的土樣，稱取少量風干土測其含水率，計算公式如下：

Iw=(M1-MS)/MS

(1)

公式(1)中：Iw為風干土的初始含水率，%；M1為稱取的風干土的質量，g；MS為烘干后土的質量，g。

然后根據土樣的最大干密度及靜壓成型后試樣的厚度15mm計算試樣所需要風干土的質量，計算公式如下：

M2=ρV(1+Iw)/(1+Ia)

(2)

公式(2)中：M2為所需風干土的質量，g，一般取值比計算值稍大些；ρ為土的最大干密度，g/cm3；Ia為目標含水率，%。

再根據試樣的目標含水率(20%、24%、28%)以及棕絲摻量(0.15%、0.3%、0.45%)分別計算出所需水的質量、棕絲的質量，計算公式如下：

Mw=M2×(1+Ia)/(1+Iw)

(3)

公式(3)中：Mw為所需水的質量,g;M2為所需風干土的質量,g;Ia為目標含水率,%。

Mz=M2×Ib

(4)

公式(4)中：Mz為所需棕絲的質量,g;Ib為棕絲摻量,%。

之后將水、紅黏土和棕絲混合物翻拌均勻后放入密閉塑料袋中悶料72 h，最后通過壓力機靜壓成型，試樣厚度1 5 mm。為了便于裂隙的識別，試樣表面均勻撒上一層薄石灰粉以覆蓋原土的顏色及紋理。在工程實際中，拌和法的用法為先把土體風干，然后將土進行粉碎，最后將一定長度的棕絲摻入土中進行充分拌和。

室內干縮開裂試驗裝置如圖3所示。把試樣放在電子天平上，打開太陽燈模擬日光對土樣進行干燥處理，每隔半小時對土樣進行稱重和拍照。當電子天平兩次讀數之差小于0.01 g時，試驗結束。

圖1 紅黏土 圖2 棕絲 圖3 試驗方案布置

2 土樣裂隙特征提取及形態分析

2.1 圖像處理

本文通過MATLAB編程對土樣裂隙圖片進行處理，提取土樣的裂隙特征，具體過程如下：如圖4分別為圖像裁剪(見圖4(a))、圖像二值化(見圖4(b))、圖像膨脹腐蝕(見圖4(c))、圖像中值濾波處理(見圖4(d))、提取骨架(見圖4(e))和去除毛刺(見圖4(f))。

圖4 裂隙特征處理

其中圖像二值化是利用im2bw函數將圖像進行二值化處理，減少圖像中的數據量，使裂隙的邊緣特征更加顯著。圖像膨脹腐蝕是利用strel、imdilate函數對圖像進行形態學處理，去掉二值圖像中的一些小的閉合區域。圖像中值濾波處理(見圖是利用medfilt2函數對圖像進行中值濾波處理，將一些較小的噪點進行濾除。提取骨架和去除毛刺是利用bwmorph函數對二值圖像進行骨架提取和毛刺去除。

最后根據公式計算裂隙面積、長度與寬度等數據并導出。其中裂隙率需要根據導出的數據進行計算，計算公式如下：

Ic=A1/A2

(5)

公式(5)中：Ic為裂隙率，%；A1為導出的裂隙面積，m2；A2為土樣的面積，m2。

2.2 不同棕絲摻量的土樣裂隙形態

含水率為24%，不同棕絲摻量下土樣的裂隙形態如圖5所示。其中圖5(a)～5(d)的棕絲摻量依次是0、0.15%、0.30%、0.45%。

圖5 含水率24%的土樣裂隙分布

由圖5可知，隨著棕絲摻量的增大，土樣的裂隙分布由明顯的縱橫向發展逐漸向四周發散，裂隙數量明顯增加，寬大裂隙不斷減少，而細小裂隙增加較多。裂隙寬度逐漸變小，裂隙深度也相應變淺，單條裂隙長度也變短。由此可見，雖然摻加棕絲增加了土體裂隙的數量，但對土體的“破壞”程度反而有所減輕，即裂隙對土體的影響僅局限在土樣的淺表層。

3 試驗結果及分析

通過室內干縮開裂試驗，得到試驗結果如表1～3所示。

表1 含水率20%棕絲改良紅黏土的裂隙特征

表2 含水率24%棕絲改良紅黏土的裂隙特征

表3 含水率28%棕絲改良紅黏土的裂隙特征

3.1 棕絲摻量對紅黏土裂隙的影響

棕絲摻量對土樣裂隙特征指標的影響如圖6～8所示。

由圖6可知，隨著棕絲摻量的增加，裂隙率總體呈下降趨勢,且當棕絲摻量達到0.30%后，棕絲摻量的增加對裂隙率的影響不明顯。如含水量20%時，當棕絲摻量分別為0、0.15%、0.30%和0.45%，相應的裂隙率是9.1%、5.2%、4.3%和4.2%,4.2%與4.3%之間僅相差0.1%。含水量為24%和為28%時，裂隙率的變化規律類似。

圖6 棕絲改良紅黏土的裂隙率變化 圖7 棕絲改良紅黏土的裂隙長度變化 圖8 棕絲改良紅黏土的裂隙平均寬度變化

圖7表明，裂隙長度隨著棕絲摻量的增加，呈先降低后上升趨勢，且當棕絲摻量為0.30%時，土樣的裂隙長度最小。當含水量為20%時，棕絲摻量0、0.15%、0.30%和0.45%對應裂隙長度分別為2 295.1、1 818、1 609.2、1 762.4 mm，最小裂隙長度1 609.2 mm對應的棕絲摻量為0.30%；含水量為24%和為28%時，土樣的裂隙長度也是呈現同樣的變化規律。

圖8表明，隨著棕絲摻量的增加，裂隙的平均寬度剛開始不斷減小，后期漸趨穩定。如含水量20%時，棕絲摻量0、0.15%、0.30%和0.45%的裂隙率分別為2.4、1.8、1.6、1.5 mm，棕絲摻量0.3%和0.45%的裂隙寬度只相差0.1 mm。由此可見，隨著棕絲摻量的增大，紅黏土裂隙率和裂隙平均寬度呈降低趨勢，裂隙長度呈先降低后上升趨勢，且棕絲摻量為0.30%時，裂隙長度最小。 棕絲摻量對紅黏土裂隙發展有顯著影響，這是由于當紅黏土因為失去水分而產生干縮開裂的情況時，存在于土體內部的棕絲便類似混凝土中的鋼筋般起到“橋接”的作用，棕絲與土體顆粒之間產生的摩擦力，在一定程度上抵消了部分因土顆粒間水分散失而產生的拉應力，從而銜接了土體開裂產生的斷口，并使裂隙的縱向發育得以削弱，以達到抑制裂隙持續延伸的目的[10]。在一定范圍內，棕絲摻量越高，其“橋接”作用越明顯，極大程度上抑制了紅黏土裂隙的縱向及橫向發展，從而達到抑制其裂隙發展的目的。而當棕絲摻量增大到一定值時，由于效力最大化，裂隙的變化將不再明顯。

3.2 初始含水率對棕絲改良紅黏土裂隙的影響

含水率對不同棕絲摻量改良紅黏土裂隙的影響如圖9～11所示。

由圖9可知，裂隙率隨著含水率的增加，總體呈上升趨勢。如棕絲摻量為0.30%時，當含水量分別為20%、24%和28%時，裂隙率相應是4.3%、6.8%和11.6%；棕絲摻量為0、0.15%和0.45%時，土樣裂隙率也是呈現同樣的變化規律。

圖9 棕絲改良紅黏土的裂隙率變化 圖10 棕絲改良紅黏土的裂隙長度變化 圖11 棕絲改良紅黏土的裂隙平均寬度變化

結合圖10和圖11分析，隨著含水率的增加，土樣裂隙長度和裂隙平均寬度總體均呈上升趨勢。如棕絲摻量為0.30%時，當含水量分別為20%、24%和28%時，裂隙長度相應是1 609.2、1 922.5、2 412.4 mm；裂隙平均寬度相應是1.6、2.1和2.8；棕絲摻量為0、0.15%和0.45%時，裂隙長度和裂隙平均寬度的變化規律類似。上述分析表明，隨著含水率的增大，素土及棕絲改良土的裂隙率、裂隙長度和裂隙寬度均呈增長趨勢。諸多學者[11-16]認為土體裂隙的擴展為水分在土體中的運動提供了通道，且由于含水率梯度的不同使得土體上下部基質吸力存在較大的差異性,從而導致土體由于收縮不均勻而產生裂隙。初始含水率決定了紅黏土裂隙性的嚴重程度,初始含水率越大，則裂隙發育越顯著；初始含水率越小，則土體開裂程度越小。試驗結果表明，隨著含水率的增大，紅黏土的裂隙長度與裂隙平均寬度均呈增長趨勢。這是由于在土體體積和土體的干密度不變的情況下，含水率越高，孔隙水所占據的體積就越大，土體顆粒間的間距就會增大，孔隙比也增大;同時在干燥過程中土體收縮變形量也相對增大，從而為裂隙發育提供更大空間，且由于棕絲的存在，棕絲貫穿于土體內部，在一定程度上“破壞”了試樣的致密性，即產生了大量的細小裂隙，使得最終裂隙長度增大。

4 結 論

(1) 棕絲是一種天然纖維，具有強度高、耐久性好、造價低和環保的優點，利用棕絲改良紅黏土可以有效抑制其裂隙性。

(2) 隨著棕絲摻量的增大，改良土的裂隙率和裂隙寬度呈降低趨勢，裂隙長度呈先降低后增大趨勢，且棕絲摻量為0.3%時裂隙長度最小。

(3) 隨著含水率的增大，素土與棕絲改良土的裂隙率、裂隙長度及裂隙寬度均呈增長趨勢。