干濕循環(huán)條件下重塑膨脹土的裂隙發(fā)育特征及量化研究*

冷 挺 唐朝生 施 斌

LENG Ting TANG Chaosheng SHI Bin

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干濕循環(huán)條件下重塑膨脹土的裂隙發(fā)育特征及量化研究*

冷 挺 唐朝生 施 斌

裂隙性是膨脹土的典型工程地質(zhì)特性之一，對其工程性質(zhì)有重要影響，直接或間接地導(dǎo)致各種工程問題。通過對重塑膨脹土開展室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，對獲得的裂隙數(shù)字圖像采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行一系列預(yù)處理操作，提出了表面裂隙率、裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均寬度和絕對收縮率等量化指標(biāo)，定量描述裂隙的形態(tài)特征，分析干濕循環(huán)過程中壓實膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律。結(jié)果表明：含水率和干濕循環(huán)次數(shù)是影響膨脹土裂隙發(fā)育的重要因素。隨著含水率的減小，重塑膨脹土的裂隙發(fā)育程度總體上有增加的趨勢。表面裂隙率、裂隙條數(shù)和總長度隨含水率的減小逐漸增加，絕對收縮率隨含水率減小而增大，而裂隙寬度與含水率之間沒有明顯的規(guī)律； 隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙進(jìn)一步發(fā)育，裂隙條數(shù)、裂隙總長度、表面裂隙率增加，絕對收縮率總體增大，但裂隙平均寬度存在減小的現(xiàn)象，這與后期發(fā)育的大量微裂隙有關(guān)。

膨脹土 干濕循環(huán)裂隙 數(shù)字圖像處理 定量分析

LENG Ting TANG Chaosheng SHI Bin

0 引 言

膨脹土是一種粒度分散性高，成分以膨脹性黏土礦物(蒙脫石，伊利石/蒙脫石，綠泥石/蒙脫石，高嶺石/蒙脫石等膨脹性混層礦物)為主(曲永新等， 2002)，對干濕氣候變化異常敏感的高塑性黏土。在自然環(huán)境中，膨脹土經(jīng)歷降雨、蒸發(fā)和溫度變化等發(fā)生反復(fù)脹縮，在內(nèi)應(yīng)力作用下原生裂隙擴(kuò)展、新裂隙產(chǎn)生，形成更為復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)(劉祖德等， 1993； 盧再華等， 2002)。裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成和發(fā)展破壞土體的完整性，弱化土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低土體的承載力，增加土體的壓縮性，導(dǎo)致地表建筑和結(jié)構(gòu)因土體不均勻壓縮發(fā)生傾斜甚至開裂； 同時，裂隙的發(fā)展增大土體內(nèi)部的貫通程度，使土體的滲透性能急劇增加，對堤壩、水庫、垃圾填埋場和核廢物處置庫中防滲屏障產(chǎn)生危害(Albrecht et al.， 2001)； 此外，雨水可以通過裂隙快速入滲土體內(nèi)部，加深入滲深度，加速膨脹土邊坡失穩(wěn)，誘發(fā)滑坡等災(zāi)害(姚海林等， 2001)； 裂隙還會增加土體的風(fēng)化深度，加重坡面水土流失，破壞生態(tài)環(huán)境。近年來，受全球氣候變化影響，極端干濕性氣候頻發(fā)，掌握干濕循環(huán)條件下膨脹土裂隙的發(fā)育規(guī)律，對膨脹土工程設(shè)計和安全預(yù)警有重要意義。

膨脹土裂隙發(fā)展過程中相互貫通、連接，形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字化處理，確定裂隙量化指標(biāo)并獲取其量化參數(shù)，是當(dāng)前裂隙研究的重要內(nèi)容(唐朝生等， 2013)。許多學(xué)者圍繞膨脹土裂隙展開了一系列研究，尤其是在膨脹土裂隙網(wǎng)絡(luò)的定量分析方面，取得了豐富的研究成果。裂隙定量研究的早期階段往往對裂隙進(jìn)行現(xiàn)場手工測量，通過制作一些專業(yè)的測量工具獲得裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)參數(shù)。如Zeinel et al.(1971)以及Inoue(1993)通過計算測量標(biāo)尺與裂隙的交點(diǎn)個數(shù)對裂隙的長度進(jìn)行估算； Dasog et al.(1993)利用細(xì)線沿裂隙的發(fā)展方向測量裂隙的長度； Ringrose et al.(1996)在前人的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種更為簡便可靠的裂隙測量工具。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，裂隙網(wǎng)絡(luò)定量分析有了更高效、精確的分析方法。盧再華等(2002)利用CT技術(shù)對重塑膨脹土干濕循環(huán)過程中裂隙的演化進(jìn)行了研究，觀察了裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成過程，分析了基于CT數(shù)據(jù)的裂隙損傷變量隨干縮體變的變化規(guī)律。袁俊平等(2004)通過遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡觀察膨脹土自然風(fēng)干條件下裂隙發(fā)育過程，發(fā)現(xiàn)裂隙圖像的灰度熵能很好地表征裂隙發(fā)育程度，提出將其作為評價膨脹土裂隙發(fā)育程度的量度指標(biāo)。唐朝生等(2007)利用圖像處理技術(shù)，定量分析了裂隙網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(shù)、條數(shù)、總長度、寬度等幾何形態(tài)參數(shù)在干燥過程中的演化規(guī)律。李雄偉等(2009)利用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了膨脹土裂隙的分形維數(shù)與裂隙率的關(guān)系。上述研究成果對更好地認(rèn)識裂隙發(fā)育規(guī)律發(fā)揮了重要作用，但關(guān)于干濕循環(huán)條件下膨脹土裂隙的發(fā)育特征還缺乏系統(tǒng)研究。

本文以重塑膨脹土為研究對象，通過開展室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對干濕循環(huán)過程中一定含水率下獲得的裂隙圖像進(jìn)行處理。根據(jù)多個裂隙量度指標(biāo)對裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。通過對比，分析了干濕循環(huán)次數(shù)對裂隙發(fā)育特征的影響，并探討了裂隙發(fā)育機(jī)理。

1 材料和試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗所用膨脹土取自南京市浦口區(qū)，取土深度為0.1～0.5m，初始含水率約33%，初始干密度為1.3～1.43g·cm-3，根據(jù)室內(nèi)土工試驗得出其基本物理性質(zhì)指標(biāo)(表1)。

表1 膨脹土樣的基本物理和水理性質(zhì)

Table1 Physical and hydrological properties of expansive soil

比重Gs液限WL/%塑限WP/%塑性指數(shù)IP/%粒度≤2mm/%自由膨脹率/%最大干密度ρd/g·cm-3最優(yōu)含水率Wopt/%2.7363.725.338.457.1731.6918.3

1.2 試樣制備及試驗方法

將取回的土樣烘干碾碎，并過1mm的篩。在粉碎的土樣中加入適量的水充分?jǐn)嚢?，控制其初始含水率?5%。將土樣裝入塑料袋密封48h，使土樣中的水分分布均勻。然后稱取適量的土樣，倒入環(huán)刀中，采用千斤頂壓實，試樣的直徑為61.8mm，高20mm，初始干密度為1.3g·cm-3，初始飽和度為48.15%。

本次試驗共設(shè)計了3次干濕循環(huán)，在干燥過程中分別設(shè)定了7個含水率控制點(diǎn)： 25%、23%、21%、19%、17%、15%和13%。設(shè)置好拍照裝置，通過架桿等固定好數(shù)碼相機(jī)，將試樣置于相機(jī)正下方中心位置，確保相機(jī)取景方向垂直于試樣表面。在每個含水率控制點(diǎn)使用該套裝置對膨脹土試樣表面進(jìn)行拍照，獲得高質(zhì)量的裂隙照片。對應(yīng)試驗路徑(圖1)。

圖1 干濕循環(huán)試驗路徑示意圖

首先將壓制好的試樣密封保存，其初始含水率為25%，將其他剩余試樣置于多孔板上，在室溫條件下進(jìn)行干燥(溫度： 22±3℃)，每間隔一定時間對試樣進(jìn)行稱重，根據(jù)重量變化計算含水率，每當(dāng)試樣的含水率達(dá)到上述控制點(diǎn)時，使用數(shù)碼相機(jī)對試樣進(jìn)行拍照。這是第1個干濕循環(huán)。

將試樣重新裝入環(huán)刀，上下分別放置濾紙和透水石，并通過夾具夾緊 (圖2)，然后浸入水中，使試樣在有側(cè)限條件下飽和一個星期。之后再將試樣取出，在室內(nèi)進(jìn)行干燥，同第1次干濕循環(huán)，在含水率到達(dá)控制點(diǎn)時用數(shù)碼相機(jī)對試樣進(jìn)行拍照。此為第2次干濕循環(huán)。重復(fù)上述過程開展第3次干濕循環(huán)。

圖2 試樣飽和裝置示意圖

2 數(shù)字圖像處理與定量分析

2.1 數(shù)字圖像處理

圖3 圖像預(yù)處理過程

2.2 裂隙定量分析

根據(jù)裂隙圖像表現(xiàn)出的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，提出以下裂隙指標(biāo)對裂隙進(jìn)行定量分析(唐朝生等， 2007)：

(1)表面裂隙率：土樣平面上裂隙面積占土樣總面積的比率。表面裂隙率反映出土體整體的開裂程度。

(2)裂隙條數(shù)：裂隙骨架上臨近兩個端點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)之間及節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)之間的骨架線為一條裂隙。裂隙條數(shù)反映出土體裂隙發(fā)育的數(shù)目大小。

(3)裂隙總長度：根據(jù)裂隙骨架計算的所有裂隙長度之和。對于每條裂隙，通過累積相鄰骨架像素間的距離來計算其長度，將所有裂隙的長度相加得到裂隙總長度。

(4)裂隙平均寬度：裂隙總面積與裂隙總長度之比。該指標(biāo)用于衡量裂隙發(fā)育的張開程度。

(5)絕對收縮率：收縮后土樣總面積的減少量與初始土樣總面積之比，用直徑D、D1可表示為：

其中， D為初始土樣直徑，D1為收縮后土樣直徑。

由于試驗第1次干濕循環(huán)未產(chǎn)生明顯裂隙，故取第2、 3次干濕循環(huán)時的裂隙照片進(jìn)行數(shù)字圖像處理和定量分析。

3 裂隙量化結(jié)果與分析

根據(jù)上述提出的裂隙量化指標(biāo)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對第2、3次干濕循環(huán)條件下獲得的裂隙圖像進(jìn)行了定量分析。表2 為兩次干濕循環(huán)各量化指標(biāo)的具體數(shù)值結(jié)果，進(jìn)一步繪制了相同含水率和不同循環(huán)次數(shù)下各量度指標(biāo)曲線(圖4)。

從圖4a可以看出，除第2次干濕循環(huán)含水率25%的數(shù)據(jù)點(diǎn)和第3次干濕循環(huán)中含水率13%的數(shù)據(jù)點(diǎn)存在明顯離散外，壓實膨脹土樣在干燥過程中第3次干濕循環(huán)后的裂隙率普遍較第2次干濕循環(huán)大，說明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土中裂隙進(jìn)一步發(fā)育。此外，發(fā)現(xiàn)隨含水率降低，裂隙率有逐漸增大的趨勢。在此試驗中，干濕循環(huán)次數(shù)和含水率是影響膨脹土開裂過程的兩個主要因素，共同對土體裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生作用。數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)波動，與裂隙率的計算方法有關(guān)，因為在干燥過程中試樣發(fā)生整體性向心收縮，導(dǎo)致裂隙寬度減小。圖4e結(jié)果顯示，試樣在第3次干濕循環(huán)中表現(xiàn)出較好的規(guī)律，土體絕對收縮率隨含水率減小逐漸增大，說明干燥過程中土體進(jìn)一步向中心收縮。第2次干濕循環(huán)過程絕對收縮率浮動較大，但含水率在13%～17%時同樣表現(xiàn)出絕對收縮率隨含水率減小而增大的規(guī)律?？傮w上來說，第3次干濕循環(huán)的絕對收縮率較第2次干濕循環(huán)大，說明土體在第3次干濕循環(huán)時進(jìn)一步收縮。

圖4 第2、3次干濕循環(huán)裂隙定量分析結(jié)果

表2 第2、 3次干濕循環(huán)條件下對應(yīng)裂隙的定量分析結(jié)果

Table2 Quantitative analysis of cracks during second and third W-D circle

含水率/%25232119171513第2次干濕循環(huán)裂隙率/%6.612.732.584.694.824.815.11裂隙條數(shù)16101416252426裂隙總長度/mm279.63186.75193.46327.12325.47320.45296.95裂隙平均寬度/mm1.910.920.901.020.981.111.23絕對收縮率/%7.9512.5311.538.541.953.579.99第3次干濕循環(huán)裂隙率/%2.632.674.905.545.455.604.04裂隙條數(shù)25292935384549裂隙總長度/mm426.12398.34357.72427.81638.35679.14510.92裂隙平均寬度/mm0.450.491.010.850.580.560.49絕對收縮率/%4.355.126.316.8014.9814.8715.60

圖4b、圖4c中也可看出，裂隙條數(shù)和裂隙總長度總體隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在第3次干濕循環(huán)中，裂隙條數(shù)隨含水率減小基本呈線性遞增，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.956(圖5)。增加一次飽和-干燥過程時，膨脹土中裂隙條數(shù)在各個含水率下均有增加，增值為 9～23條，增幅為52%～190%，該過程中土體裂隙進(jìn)一步發(fā)育，微裂隙逐漸增多。盧再華等(2002)已通過CT試驗證實了這一點(diǎn)。該過程中，由于原有裂隙進(jìn)一步延伸和次生微裂隙的逐漸發(fā)育，土樣裂隙的總長度明顯增加。而從圖4d可知，土樣再經(jīng)歷一次干濕變化后，裂隙的平均寬度變小，與唐朝生等(2007)得到的結(jié)果相同，主要是微裂隙數(shù)量增加所致(圖6)。

圖5 第3次循環(huán)裂隙條數(shù)與含水率曲線

圖6 含水率25%兩次干濕循環(huán)土體裂隙發(fā)育情況

非飽和土的土-水特征曲線表征了土吸力和土體水分之間的關(guān)系，土體在經(jīng)歷由干到濕和由濕到干的循環(huán)過程時，土-水特征曲線并不完全吻合，中間存在一個滯回圈(Fredlund， 1997)。不同循環(huán)次數(shù)下的土水特征曲線不同，土體吸力隨干濕循環(huán)發(fā)生變化，土體內(nèi)部應(yīng)力也隨之改變，土顆粒之間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(唐朝生等， 2007)。干濕循環(huán)過程中膨脹土的脹縮變形并不是完全可逆的，存在可恢復(fù)和不可恢復(fù)兩種變形，膨脹土相對體積膨脹率和相對體積收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小(唐朝生等， 2011)。導(dǎo)致裂隙平均寬度第2次循環(huán)大于第3次循環(huán)的原因可能是膨脹土再經(jīng)歷一次干濕變化后，其內(nèi)部的土結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場發(fā)生了變化，土體的濕脹干縮性能減弱，在飽和時會存在一定程度上的閉合，干燥條件下收縮量小于原閉合的部分，體現(xiàn)為裂隙的平均寬度減小。陳亮等(2013)采用高精度卡尺直接量測的方法測量了膨脹土膨脹收縮后的應(yīng)變變化，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的體積存在減小趨勢。土樣總體體積的減小，土結(jié)構(gòu)的調(diào)整，也可能導(dǎo)致裂隙變“窄”。

4 結(jié) 論

本文基于提出的裂隙量化指標(biāo)，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對干濕循環(huán)過程中重塑膨脹土的裂隙發(fā)育進(jìn)行了定量分析，總結(jié)了干濕循環(huán)過程中裂隙發(fā)育規(guī)律，探討了干濕循環(huán)對膨脹土裂隙發(fā)育過程的影響，得到以下結(jié)論：

(1)膨脹土干濕循環(huán)過程中形成相互交織的裂隙網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)其形態(tài)特征提出了表面裂隙率、裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均寬度和絕對收縮率等量度指標(biāo)進(jìn)行量化描述。

(2)在干燥過程中，隨著含水率的減小，重塑膨脹土的裂隙發(fā)育程度總體上有增加的趨勢。具體表現(xiàn)在表面裂隙率、裂隙條數(shù)、總長度和絕對收縮率隨含水率的減小逐漸增加，而裂隙寬度與含水率之間沒有明顯的規(guī)律，主要是因為干燥過程中土塊和試樣整體都發(fā)生了收縮變形，導(dǎo)致裂隙寬度甚至裂隙面積出現(xiàn)波動。

(3)重塑膨脹土裂隙發(fā)育受干濕循環(huán)影響較大。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙發(fā)育程度顯著增加，表面裂隙率、裂隙條數(shù)、裂隙總長度增加，絕對收縮率整體增大，但裂隙平均寬度存在減小的現(xiàn)象，這與后期發(fā)育的大量微裂隙有關(guān)。

(4)數(shù)字圖像處理技術(shù)為土體裂隙定量分析提供了快捷準(zhǔn)確的途徑，能夠獲得良好的裂隙量化結(jié)果。進(jìn)一步開發(fā)適合土體裂隙分析的數(shù)字圖像處理技術(shù)，提高圖像分析效率和準(zhǔn)確性，發(fā)展土體裂隙三維圖像分析技術(shù)，將能更加精確和全面實現(xiàn)對土體裂隙的分析。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報 1004-9665/2016/24(5)- 0863- 08

QUANTIFING DESICCATION CRACK BEHAVIOUR OF REMOLDED EXPANSIVE SOIL DURING WETTING-DRYING CIRCLES

Desiccation cracking is one of the typical engineering geological characteristics of expansive soil and has a major impact on engineering properties of expansive soils. It can lead to many engineering geological problems directly or indirectly. After indoor wetting-drying circle tests on remolded expansive soil， obtained crack digital images are disposed by a series of pre-processing operations with the image processing technique. A series of parameters are propose to describe the morphological structure of the desiccation crack pattern quantitatively. It includes the crack ratio of surface， crack number， total crack length， average crack width and absolute shrinkage ratio. And the impact of wetting-drying circles on characteristics of expansive soil crack development are analyzed. The results show that wetting-drying cycles and moisture content are some significant factors affecting the development of expansive soil desiccation cracks. With decreasing moisture content， there is an increasing trend of the development of remolded expansive soil cracks overall. The surface crack ratio， number of cracks and total length increase with decreasing moisture content and absolute shrinkage ratio grows greater， but there is no obvious regularity between average crack width and water content. Desiccation cracks develop further with increasing wetting-drying circles and the numbers of cracks， total crack length and surface crack ratio increase， and absolute shrinkage ratio increases in the mass. Nevertheless， there is a reduced phenomenon on average crack width， which is related to the development of micro-cracks later．

Expansive soil， Wetting-drying cycle， Desiccation crack digital image processing， Quantitative analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.015

2016-04-12;

2016-08-17.

優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目(41322019)，國家自然學(xué)科基金項目(41572246)，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(41230636)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金，“青藍(lán)工程”資助.

冷挺(1991-)，男，碩士生，主要從事工程地質(zhì)方面研究. Emial: nju_langting16@163.com

簡介： 唐朝生(1980-)，男，博士，教授，主要從事工程地質(zhì)和環(huán)境巖土工程方面的研究工作. Email: tangchaosheng@nju.edu.cn

P642.13+9

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