干濕循環(huán)對合肥地區(qū)膨脹土滲透特性的影響

張 銳， 黃 明

（安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

膨脹土是一種對環(huán)境濕度變化敏感，由強親水性礦物蒙脫石和伊利石等組成，具有多裂隙性，強脹縮性和強度衰減性的高塑性粘土［1］。隨著城市化的迅速發(fā)展，城區(qū)不透水面積的面積不斷升高，導(dǎo)致了徑流系數(shù)和洪峰流量也隨之上升。合肥地區(qū)膨脹土粘粒含量達63～68%，其中又以親水性次生粘土礦物伊利石和高嶺石為主，導(dǎo)致膨脹土具有吸水能力強，膨脹變形大，在長江中下游的氣候特征下，干濕循環(huán)的特性極易使膨脹土脹縮形成裂隙并不斷發(fā)育，最終大孔隙和貫穿的裂隙為水分快速運移提供了通道，降低了城市膨脹土的蓄水能力，對排水管網(wǎng)造成了沖擊，增加了城市內(nèi)澇的發(fā)生幾率。目前的研究多集中于對膨脹土的基本物理化學性質(zhì)，變形特性及治理等方面［2－3］，針對裂隙的發(fā)育也僅僅是對土質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究或只是一次脹縮而已，而美國，新加坡，法國等已經(jīng)通過改良城區(qū)膨脹土性質(zhì)來實現(xiàn)徑流源頭削減，從而減小洪峰流量［4－6］。目前，對膨脹土裂隙與滲透系數(shù)的研究很少，本文通過對試驗區(qū)域的膨脹土滲透性能和膨脹土特性進行現(xiàn)場調(diào)查和采樣，分析在干濕循環(huán)的條件下膨脹土裂隙的發(fā)育規(guī)律，并采用MATLAB軟件計算裂隙度，定量的分析在不同裂隙度下滲透系數(shù)的變化。這為城市裸膨脹土裂隙的周期性變化和控制提供了準確預(yù)測，都具有指導(dǎo)意義，也可為城市用地規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1．1 試驗用土

試驗用土為位于合肥市東南方安徽建筑大學校園膨脹土，其基本性質(zhì)見表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)

從表1看，土質(zhì)為強可塑性，塑性指數(shù)介于7至15，為中等可塑性粘土［7］。

1．2 試驗方法與步驟

（1）將土樣在105℃下烘干6h以上，敲碎，過0．5mm篩；經(jīng)多次試驗確定壓實厚度為2cm，壓實度為75%，稱取土樣300g并加水68ml，控制含水率為18．46%；將含有土樣和水的燒杯密封，過夜（大于12h），使土樣中含水率滲透均勻。

（2）將密封的土樣平鋪到鋼板上，均勻混合，在滿足壓實度的要求下逐層壓入內(nèi)徑61．8mm，高20mm的不銹鋼環(huán)刀內(nèi)，保證土樣表面平整和密度均勻。

（3）本次試驗采用低溫烘干法（105℃）模擬膨脹土土體的脫濕過程，烘干時間控制為6個小時。烘干過程中，分別在試驗10分鐘、20分鐘、30分鐘、1小時、2小時、3小時、4小時、6小時 對土樣進行稱重并且對土樣的頂端進行定點拍照。為保證裂隙圖像拍攝距離、位置及環(huán)境的一致性，不影響圖像二值化后的結(jié)果，制作一個能夠定點拍攝何保證位置相同裝置，拍照時保證周圍環(huán)境不變，僅僅用日光燈照明。

（4）脫濕過程結(jié)束后，將土樣裝進疊式飽和器進行抽氣飽和，抽氣時間為4h，并抽氣結(jié)束后恢復(fù)至大氣壓下浸泡10小時，飽和完成后，重復(fù)步驟3）完成一次循環(huán)。

（5）采用相同含水率和壓實度按步驟1）制樣，逐層壓入內(nèi)徑61．8mm，高40mm的不銹鋼環(huán)刀內(nèi)，重復(fù)步驟3）一次烘干6小時，拍照，真空抽氣，靜置過夜，隔天采用TST－55型滲透儀和變水頭供水裝置測定樣品的穩(wěn)定下滲系數(shù)（KT）。

1．3 圖像處理

圖1（a）為經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后試驗用樣的最終形態(tài)，從圖1（b）上看出，邊界的存在使得膨脹土在吸水時受到束縛，在失水時其黏力影響土的收縮，使得試樣周邊的裂紋有些不規(guī)則，不適宜納為裂隙度的計算，如圖1（c）所示，最后應(yīng)用灰度值表進行定量分析裂隙的發(fā)育狀況。

圖1 試樣終態(tài)

利用MATLAB進行圖像的處理和相應(yīng)比較，通過對初始圖片的讀入，提取，二值化，中值濾波等措施［8－11］，最終轉(zhuǎn)化為如圖2（e）所示，具體實現(xiàn)過程為:

（1）調(diào)用imread函數(shù)，將真彩圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并讀入MATLAB中，如圖2（a）

（2）編程取圓并調(diào)用rgb2gray函數(shù)，將剪切過得的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，如圖2（b）

（3）調(diào)用im2bw函數(shù)，將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像（黑點為裂隙，灰度為0；白點為未開裂部分，灰度為1），如圖2（c）；

（4）調(diào)用imfilter函數(shù)，對圖像進行中值濾波處理，如圖2（d）；

（5）調(diào)用imhist函數(shù)，柱狀圖統(tǒng)計（X軸為頻數(shù)統(tǒng)計的小區(qū)間的中點，Y軸為小區(qū)間的頻數(shù)）如圖2（e）

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 試驗結(jié)果

圖2（e）為試樣圖片最終處理結(jié)果，x軸均分為10份，0為黑，1為白，反應(yīng)了裂隙的發(fā)育程度，本次研究主要統(tǒng)計0．6～1．0間各段頻數(shù)的和。

2．2 結(jié)果分析

2．2．1 試樣的初期含水率隨干濕次數(shù)的變化規(guī)律

圖3中試樣均為真空飽和后靜置相同時間開始測樣，由于第1次為制樣后不經(jīng)過真空飽和直接烘干得到，即起始點縱坐標為試樣原始含水量；隨著干濕次數(shù)的增加，試樣每經(jīng)歷一次循環(huán)，由于裂隙的發(fā)育，內(nèi)部空隙率的增大，致使含水率下降，并且從試樣1和3可以得出，經(jīng)歷過4次干濕循環(huán)，試樣的含水率變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 干濕循環(huán)對試樣含水量的影響

2．2．2 裂隙發(fā)育與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

實驗通過統(tǒng)計頻數(shù)來定量描述試樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙的發(fā)育情況，0表示小區(qū)間內(nèi)都為黑像素點，1表示都為灰像素點，由于一些干擾的，離散的，不規(guī)律的黑像素點，考慮到統(tǒng)計方法的特點和裂隙本省的發(fā)育特性，本次分析只取0．6～1四個區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)的和來評價。由圖4可知，頻數(shù)和整體趨勢是下降的，其中在第2次和第4次出現(xiàn)小幅度回升，但是從其柱狀圖結(jié)果分析，是一些分散的裂隙擴張、貫通，成線型，由點成面，0．6～1區(qū)域內(nèi)頻數(shù)顯著增加；并且在干濕開始階段下降較快，后逐漸緩和，這是由于裂隙在前三次干濕循環(huán)后，裂隙整體形態(tài)變化不大，只是在區(qū)間內(nèi)相互轉(zhuǎn)換。

圖4 干濕循環(huán)對裂隙發(fā)育的影響

2．2．3 膨脹土穩(wěn)滲系數(shù)和裂隙發(fā)育程度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

通過在不同水頭下測定的高度差，運用變水頭滲透系數(shù)計算公式來計算滲透系數(shù):

計算表明，重復(fù)試驗5次基本控制允許差值在10%以內(nèi)。

圖5 干濕循環(huán)對穩(wěn)定下滲系數(shù)和裂隙發(fā)育的影響

由圖5可以看出，樣品A和B穩(wěn)定下滲系數(shù)和頻數(shù)和與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系基本一致（其中橫坐標1對應(yīng)未真空飽和即烘干的第一次試驗），穩(wěn)定下滲系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加整體趨勢是下降的，在3～5次循環(huán)后有所回升，從0．6～1．0頻數(shù)和的變化趨勢來看，主要是由于一些小的貫通裂隙提供了通道，從而增加了膨脹土的通透性，并且大于樣品其他非裂隙部分滲透性能的下降，但是隨著試驗的進行，在沒有形成大的裂隙通道前，膨脹土的滲透系數(shù)進一步下降。

3 結(jié)論

在測定穩(wěn)定滲透系數(shù)的過程中，發(fā)現(xiàn)當裂隙處于初期形態(tài)，寬度窄，未形成有效貫穿時，遇水后由于吸水膨脹可恢復(fù)一定的滲透能力，如若任其發(fā)展，裂隙過度發(fā)展時，水直接通過已形成的大直徑上下貫穿通道通過土柱，致使水擊穿膨脹土的時間大幅下降，膨脹土也失去了其緩沖雨流的作用。

隨著膨脹土干濕的不斷循環(huán)，導(dǎo)致裂隙不斷發(fā)育，原土質(zhì)的含水能力不斷下降，降低了城市在雨期中膨脹土的蓄水能力，不利于消減城市降雨徑流，因此，適當?shù)脑陂L期干旱時期提高城市膨脹土的含水率，可以抑制裂隙的發(fā)育，提高防澇的能力。另外，還可為進一步通過模擬降雨，較為精確的計算膨脹土發(fā)育地區(qū)降雨的下滲量，為該類地區(qū)排水設(shè)計提供參考依據(jù)。

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