改良膨脹土干縮裂隙發(fā)育規(guī)律的研究

劉清清，陳 鋮

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭 411100）

膨脹土對邊坡及路堤的滑塌往往是由于干濕循環(huán)作用下脹縮變形導(dǎo)致裂隙發(fā)育而引起土體裂隙強(qiáng)度降低產(chǎn)生的。一方面，裂隙的萌生、延展和貫通破壞了土體的整體性；另一方面，裂隙為水分的入滲和蒸發(fā)提供了良好的通道。那么，研究干濕循環(huán)作用下膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律及探討膨脹土常用的改良方法來限制膨脹土的裂隙發(fā)育，對于揭示膨脹土邊坡破壞機(jī)制和采取合理的工程處治措施具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者對膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律開展了大量的研究工作。盧再華［1］等人借助CT技術(shù)得到了CT數(shù)和方差數(shù)，通過這2個參數(shù)定量地分析了干濕循環(huán)過程中膨脹土試樣的內(nèi)部裂隙演化規(guī)律。袁俊平［2］等人運用光學(xué)顯微鏡對自然干濕循環(huán)下的重塑膨脹土進(jìn)行了動態(tài)和定量的觀察，其結(jié)果表明：灰度熵能反映裂隙的發(fā)育規(guī)律。張家?。?］等人利用矢量圖技術(shù)對膨脹土的裂隙發(fā)育圖片進(jìn)行了矢量化處理，提取了裂隙平均長度、裂隙平均間距及裂隙總條數(shù)等裂隙幾何參數(shù)，揭示了裂隙演化的本質(zhì)規(guī)律。唐朝生［4］等人運用數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了干燥過程中膨脹土泥漿的收縮開裂特征，詳細(xì)地解釋了膨脹土龜裂現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律。包惠明［5］等人對三軸和直剪試驗過程中的膨脹土試樣開展了裂隙特征的分形研究，認(rèn)為裂隙隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，總體呈增加趨勢。楊和平［6］等人通過室內(nèi)試驗?zāi)M了壓實膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)第一次干濕循環(huán)作用下膨脹土的裂隙發(fā)育幅度最大。黃震［7］等人利用南京大學(xué)研究開發(fā)的顆粒及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)（PCAS）提取了干濕循環(huán)后不同壓實度下膨脹土表面裂隙發(fā)育參數(shù)，并分析了裂隙之間的相互關(guān)系，其結(jié)果對于促進(jìn)裂隙的定量化和數(shù)值模擬有重要的意義。這些研究集中于重塑膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律和裂隙發(fā)育影響，而對于改良膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律研究涉及較少。

目前，工程上關(guān)于膨脹土的改良技術(shù)種類繁多，如：物理改良、化學(xué)改良及生物改良等（其中：物理改良和化學(xué)改良運用較為廣泛）。物理改良包括：加筋、壓實、摻砂及隔水等技術(shù)。化學(xué)改良包括石灰、二灰土及陽離子添加劑等方法。依據(jù)膨脹土改良技術(shù)在工程中的運用情況，作者擬通過室內(nèi)試驗，模擬干濕循環(huán)過程中加筋、壓實、摻砂及摻石灰條件下的膨脹土裂隙發(fā)育狀況，并結(jié)合Matlab軟件圖像處理功能，對干濕循環(huán)作用后的改良膨脹土表面裂隙進(jìn)行處理，得到裂隙率。通過裂隙指標(biāo)來描述裂隙的發(fā)育程度，最終探討壓實程度、加筋位置、風(fēng)化砂及石灰摻量對膨脹土開裂的影響機(jī)制。以期對預(yù)防膨脹土工程災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

從廣西百色地區(qū)取回膨脹土樣，其基本物理性質(zhì)為：密度2.108g／cm3，液限54%，塑性指數(shù)29，最佳含水率17.0%，最大干密度2.12g／cm3，自由膨脹率68%。粒徑＞0.075mm的顆粒占0.18%，粒徑處于0.075～0.005mm之間的顆粒占54.64%，粒徑＜0.005mm的顆粒占45.18%。經(jīng)自然風(fēng)干、鐵錘搗碎后，過2mm篩。根據(jù)要求，配制成最佳含水率為17.0%的土樣，密封，用濕布覆蓋悶料24h，確保土樣的含水率均勻。采用靜壓擊實方法，對土樣進(jìn)行壓實成形。

1.2 室內(nèi)試驗過程

本次試驗考慮了4種不同的改良方法。為了減少試驗量和提高合理性，本次試驗過程分為2個階段。

第一階段，不同壓實度裂隙發(fā)育規(guī)律。在最佳含水率的條件下，采用靜壓法對土樣進(jìn)行不同程度的壓實，控制壓實度分別為80%，85%和90%，試驗的內(nèi)徑尺寸為20cm×20cm×5cm的玻璃容器，試樣的厚度為20mm。為了更加明顯地反映裂隙發(fā)育和加速脫濕的過程，試樣脫濕采用70℃的恒溫烘箱控制。將試樣烘干至質(zhì)量變化在0.2g范圍內(nèi)，則認(rèn)為本次脫濕完成。每次試樣完全脫濕后，采用高清防抖動數(shù)碼相機(jī)在固定高度的三腳架上對典型的試樣進(jìn)行拍照。為了消除日光對拍照效果的影響，在不透光的房間內(nèi)，用多盞臺燈置于三腳架四周。試樣的增濕過程中，用噴霧器距離試樣1m左右位置對試樣進(jìn)行灑水，以防止灑水對試樣表面進(jìn)行沖刷。灑水應(yīng)均勻進(jìn)行，分3～4次完成，直至試樣達(dá)到飽和狀態(tài)為止。試樣置于恒溫保濕箱中24h，以確保土體內(nèi)部含水率分布均勻。同一壓實度試樣進(jìn)行6次相同條件的干濕循環(huán)操作。

第二階段，選定一個壓實度，在此壓實度條件下，分別在試樣中的不同位置加入加筋材料、加入不同摻量的風(fēng)化砂和不同摻量的石灰。然后，進(jìn)行與第一階段相同的循環(huán)條件，拍照觀察3種不同試樣的表面裂隙發(fā)育情況。

在進(jìn)行加筋試驗時，利用窗紗來模擬加筋材料，分別加在距土體表面5，10和15mm，共3組。以窗紗距土體表面10mm位置為例，在已知含水率和壓實度的條件下，計算出體積為20cm×20cm×10mm的土量，將土倒入玻璃缸中攤勻。為確保土樣填壓的均勻性，分層填壓的過程中，在倒入玻璃缸的土樣表面覆蓋一塊尺寸為20cm×20cm×1.5cm的光滑木板，用土錘輕擊木板壓實至10mm刻度線。然后，放置窗紗，將剩余的10mm厚的土覆蓋在窗紗上，采用相同的方法擊實。

在摻風(fēng)化砂和石灰時，先將已風(fēng)干、鐵錘搗碎及過篩后的膨脹土分別摻入不同比例的風(fēng)化砂和石灰。其中：風(fēng)化砂的摻量分別為5%，10%和15%；石灰的摻量分別為3%，6%和9%。將摻入風(fēng)化砂和石灰的膨脹土混合均勻，根據(jù)控制含水率和壓實度，制成內(nèi)徑尺寸為20cm×20cm×5cm、厚度為20mm的試樣。

1.3 裂隙參數(shù)提取過程

隨著計算機(jī)軟件的開發(fā)應(yīng)用，研究者逐漸對裂隙進(jìn)行定量化測定，且均應(yīng)用了圖像處理手段。本研究運用Matlab軟件的圖像處理功能，對膨脹土開裂試樣的圖片進(jìn)行二值化處理。然后，進(jìn)行矢量化計算，得到膨脹土表面裂隙參數(shù)。二值化處理結(jié)果如圖1所示。

圖1 裂隙圖像二值化處理Fig.1 Binarization processing of cracks

為了對試樣表面的裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)育進(jìn)行定量分析和描述，本試驗對試樣的參數(shù)進(jìn)行了測量和計算，其過程如圖2所示。

圖2 裂隙率計算過程Fig.2 The calculation process of crack ratio

裂隙率P為裂隙的面積與初始試件的總面積之比。其表達(dá)式為：

式中：A1為裂隙的總面積，A為試樣的總面積。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 壓實膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加和壓實度的變化，試樣表面裂隙參數(shù)會發(fā)生變化。裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)和壓實度的變化曲線分別如圖3，4所示。

圖3 裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.3 The change of crack ratio with the cycle numbers

從圖3中可以看出，裂隙率隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而增加，最終都將趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙發(fā)育大多沿原有裂隙擴(kuò)展，原裂隙則以變寬、變深為主，新的裂隙發(fā)育較少。Yong［8］等人認(rèn)為，土體在脫濕過程中的收縮變形是不可逆的，土顆粒之間的聯(lián)接將發(fā)生斷裂破壞。在高含水率條件下，土顆粒周圍由于電荷作用而形成一層較厚的水膜，顆粒之間的距離較大。脫濕過程中，隨著水分的流失，水膜逐漸變薄，在基質(zhì)吸力的作用下，土顆粒將重新排列，并逐漸靠緊。這樣，土顆粒之間會產(chǎn)生一種拉應(yīng)力。而含水率的蒸發(fā)速率不同，使得收縮應(yīng)力分布不均勻，一旦這種拉應(yīng)力大于土顆粒之間最薄弱部位的粘結(jié)力時，土體裂隙便開始形成。飽和過程中，試樣遇水膨脹愈合，而裂隙不會完全恢復(fù)到原有的初始狀態(tài)。再次脫濕后，裂隙將沿原有的裂隙張開。此時，原有裂隙的末端很脆弱，裂隙將沿著裂隙末端薄弱處繼續(xù)向前延伸。隨著干、濕反復(fù)進(jìn)行，試樣的裂隙因收縮變形將變寬、變長，且繼續(xù)向下擴(kuò)展，直至裂隙完全貫穿斷裂。

圖4 裂隙率隨壓實度變化曲線Fig.4 The change of crack ratio with the degree of compaction

從圖4中可以看出，同一循環(huán)次數(shù)條件下，裂隙率隨著壓實度的增大而減小。這表明提高壓實度，可有效地減小土體的開裂。究其原因，增大壓實度，土體的孔隙率減小，在飽和過程中水分較難滲入到土體內(nèi)部。因而，在脫濕過程中，壓實度越大的土體，其下層含水率蒸發(fā)速率越小，由此而形成的含水率梯度所產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越小，使土體的開裂變得困難。此外，壓實度越大，土體的粘聚力也越大，而抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度中粘聚力部分相當(dāng)，因此，土體的抗拉強(qiáng)度也越大，土體越不易開裂。根據(jù)路基規(guī)范設(shè)計要求，三、四級公路下路堤填筑要求壓實度≥90%，二級公路下路堤填筑要求壓實度≥92%，高速、一級公路下路堤填筑要求壓實度≥93%。膨脹土屬于特殊土路基，現(xiàn)場施工時，未經(jīng)處理的膨脹土路基很難壓實到90%以上的壓實度，因此，后續(xù)改良試驗統(tǒng)一選取90%的壓實度。

2.2 加筋膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律

不同加筋位置的膨脹土隨循環(huán)次數(shù)增加裂隙率變化曲線如圖5所示。將圖3和圖5進(jìn)行比較可知，筋體材料能夠抑制土體的開裂，延緩裂隙的發(fā)育。不同加筋位置的土體，其裂隙的發(fā)育程度不同。從圖5中可以看出，加筋位置越靠近土體表面，對膨脹土表面裂隙的抑制效果越好，主要表現(xiàn)為裂隙率越小。其原因是：脫濕過程中土體的內(nèi)部形成張拉應(yīng)力時，筋體材料本身和筋體材料與土體顆粒之間的摩擦力能夠承擔(dān)土體中的部分張拉應(yīng)力：一方面，對新裂隙的萌生有一定的阻礙作用；另一方面，對已形成裂隙的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生抑制作用。土體的裂隙發(fā)育是從最表層開始的。將筋體材料加入土體上層，能夠從裂隙發(fā)育初始階段對土體的開裂進(jìn)行抑制，這樣就可以將土體開裂降低到最小的程度，從而避免大量的雨水入滲到土體的內(nèi)部。隨著窗紗加入位置的下移，對開裂的抑制作用越來越小。

2.3 摻砂膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律

圖5 不同加筋位置的膨脹土裂隙率變化曲線Fig.5 The change of crack ratio of expansion soil with different reinforcement positions

圖6 不同摻砂量的膨脹土裂隙率變化曲線Fig.6 The change of crack ratio of expansion soil with different sand contents

摻砂后膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律如圖6所示。相對于未摻砂膨脹土的裂隙試驗結(jié)果，風(fēng)化砂能抑制膨脹土的裂隙發(fā)育，其原因是風(fēng)化砂的主要成分為二氧化硅和氧化鋁，膨脹土的活性成分為蒙脫石和伊利石，富含鈣質(zhì)元素，這使得二者之間的元素容易發(fā)生離子交換作用，生成膠凝性物質(zhì)。如：硅酸鈣和鋁酸鈣會產(chǎn)生膠結(jié)作用，使膨脹土的活性降低，其脹縮力有效地減小。

從圖6中可以看出，隨著摻砂比例的增加，裂隙率變化趨勢減小。這是由于離子交換作用生成的膠凝性物質(zhì)使得膨脹土的粘結(jié)能力越來越強(qiáng)。當(dāng)摻砂量超過臨界比例時，繼續(xù)增大摻砂量，將不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對膨脹土的裂隙發(fā)育沒有影響。因此，當(dāng)摻砂量超過一定的比例時，將失去研究價值。

2.4 摻灰膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律

圖7 不同摻灰量的膨脹土裂隙率變化曲線Fig.7 The change of crack ratio of expansion soil with different lime contents

從圖7中可以看出，隨著石灰摻量的增加，膨脹土土體表面的裂隙率越來越小。裂隙率由3個因素產(chǎn)生：①石灰為一種膠凝材料，在膨脹土脫濕過程中，膨脹土內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這種膠凝作用可以抵消部分收縮應(yīng)力，抑制了裂隙發(fā)育。②經(jīng)石灰改良的膨脹土早期會發(fā)生離子交換和團(tuán)?；磻?yīng)，減少了土粒吸附水膜的厚度，使土粒之間的引力增加，并反作用于裂隙，產(chǎn)生拉應(yīng)力，促使土團(tuán)粒存在進(jìn)一步聯(lián)合的趨勢。③石灰中的活性成分與膨脹土中的硅膠和鋁膠將進(jìn)一步反應(yīng)，生成含水CaSiO3和CaO·Al2O3，這2種凝膠物質(zhì)能夠使水硬化，在膨脹土的粘粒內(nèi)部形成網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)，降低了因干濕循環(huán)作用產(chǎn)生的脹縮性。但是，從經(jīng)濟(jì)和工程意義的角度來看，應(yīng)該考慮合適的石灰摻量，具體摻量多少還需要開展相關(guān)強(qiáng)度試驗、穩(wěn)定性試驗及自有膨脹率試驗等。

3 結(jié)論

1）改良膨脹土的裂隙隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而增加，最終趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙發(fā)育大多沿原有裂隙擴(kuò)展。原裂隙則以變寬、變深為主，新的裂隙發(fā)育較少。

2）提高壓實度、加筋、摻砂及摻石灰都能有效地抑制膨脹土土體的裂隙發(fā)育程度。但是，在實際工程應(yīng)用中，需要注意的是：提高了壓實度，將增大了膨脹土的潛在膨脹勢。應(yīng)該對壓實后的土體采取包蓋隔水措施。土工格柵作為加筋材料，需要確定其最佳位置，使格柵能夠發(fā)揮最佳的作用。從經(jīng)濟(jì)和工程意義的角度來看，應(yīng)該結(jié)合其他試驗結(jié)果采用合理的摻砂量和摻灰量，避免盲目施工。

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