干濕循環(huán)作用下溫度效應(yīng)對(duì)膨脹土收縮規(guī)律研究

李志國，劉 興

(1.湘西自治州交通規(guī)劃辦公室，湖南 吉首 416000；2.湘西自治州交通建設(shè)工程造價(jià)管理站,湖南 吉首 416000)

干濕循環(huán)作用下溫度效應(yīng)對(duì)膨脹土收縮規(guī)律研究

李志國1，劉 興2

(1.湘西自治州交通規(guī)劃辦公室，湖南 吉首 416000；2.湘西自治州交通建設(shè)工程造價(jià)管理站,湖南 吉首 416000)

在不同設(shè)定溫度下，對(duì)膨脹土進(jìn)行一系列干濕循環(huán)試驗(yàn)，基于圖像處理軟件PCAS的應(yīng)用，對(duì)膨脹土試樣裂隙圖片進(jìn)行定量采集研究，獲取試件表面的裂隙參數(shù)，探討溫度對(duì)干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙收縮開裂規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：①膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，最后漸趨穩(wěn)定；②在前3次干濕循環(huán)作用下，膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)變化幅度最大；溫度高的變化幅度比溫度低的大；③在相同的循環(huán)次數(shù)下，溫度較高的膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)比溫度低的大;④經(jīng)過6次干濕循環(huán)作用后，膨脹土的裂隙變化漸趨穩(wěn)定。

道路工程；膨脹土；干濕循環(huán)；溫度效應(yīng)；收縮規(guī)律

0 引言

膨脹土性質(zhì)不同于一般黏性土，它是一種典型的裂隙性土，在干燥環(huán)境條件下很容易因失水收縮而導(dǎo)致在試件表面形成縱橫交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙的形成對(duì)土體實(shí)際工程造成巨大的影響，各種工程問題也隨之產(chǎn)生。如裂隙會(huì)降低土體的承載力，土體的壓縮性增強(qiáng)，地基產(chǎn)生不均勻沉降變形，使建筑坍塌破壞；裂隙的存在為土體水分的流動(dòng)形成通道，土體的滲透性也因此成倍的增大，水工結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和功能性大大降低；除此之外，裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性具有重大的約束作用，它導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)快速減小，誘使滑坡等各種工程災(zāi)害的發(fā)生。綜上所述，膨脹土的裂隙問題涉及的范圍大、領(lǐng)域廣。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)有關(guān)膨脹土收縮開裂的研究頗多，主要集中在兩個(gè)方面：裂隙圖像參數(shù)的定量化探討和裂隙對(duì)土體工程性質(zhì)造成的影響。唐朝生等[1,2]通過開展一系列干燥試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的含水率變化及表面裂隙的演化過程，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)裂隙圖像進(jìn)行二值化處理后分析，獲取了表面裂隙率和分形維數(shù)等裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)參數(shù)，進(jìn)而反映膨脹土收縮開裂過程及其溫度效應(yīng)；周東等[3]以南寧市河流沖擊相粘土為研究對(duì)象，觀察分析土樣干縮裂縫的結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律，探討了環(huán)境溫濕度對(duì)粘土干縮裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響；易順民等[4]對(duì)膨脹土裂隙圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行定量采集，得到了綜合指標(biāo)裂隙度，它反映了裂隙的總體幾何分布，認(rèn)為裂隙圖像的灰度熵可以準(zhǔn)確地分析膨脹土裂隙的發(fā)育情況；盧再華等[5]應(yīng)用MATLAB軟件中的圖像處理功能定量統(tǒng)計(jì)了膨脹土開裂圖像的表面裂隙率，并分析了裂隙率與含水率的關(guān)系，為膨脹土裂隙規(guī)律的研究提供了一個(gè)有效的借鑒；馬佳等[6]基于室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)，運(yùn)用二值化的數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，在裂隙率實(shí)質(zhì)概念的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地提出膨脹性巖土裂隙率的定量表達(dá)方法，同時(shí)進(jìn)一步探討了裂隙發(fā)育程度與土體強(qiáng)度之間的變化關(guān)系?，F(xiàn)階段研究的一些方法難以完全地反映裂縫網(wǎng)絡(luò)的特質(zhì)，測(cè)量結(jié)果一般與真實(shí)值相差較大，關(guān)于干濕循環(huán)作用下溫度效應(yīng)對(duì)膨脹土體干縮裂縫結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響鮮有報(bào)導(dǎo)。

針對(duì)相關(guān)研究的不足，本文為了研究干濕循環(huán)作用下溫度效應(yīng)對(duì)對(duì)膨脹土收縮規(guī)律的影響，在控制試驗(yàn)溫度條件下，開展一系列的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，定量化探討膨脹土在干濕循環(huán)過程中表面裂隙網(wǎng)絡(luò)等參數(shù)的形態(tài)學(xué)特征，進(jìn)而分析溫度效應(yīng)對(duì)膨脹土收縮開裂的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)研究所取得的成果對(duì)加強(qiáng)認(rèn)識(shí)膨脹土的開裂機(jī)理及指導(dǎo)膨脹土地區(qū)的土體工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自海南澄邁膨脹土，取土深度為地表以下1.5～2.0 m(當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃燃s1.5 m)，呈灰白色。土樣取回經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后粉碎，其基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土樣的物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案及過程

為了分析干濕循環(huán)作用溫度效應(yīng)對(duì)膨脹土干縮裂縫表面結(jié)構(gòu)的影響，作為基礎(chǔ)研究，本文以初始飽和狀態(tài)的膨脹土泥漿試樣為研究對(duì)象，究其原因是泥漿試樣結(jié)構(gòu)框架較為簡(jiǎn)單，易于制備采樣，試驗(yàn)結(jié)果具有較好的重復(fù)規(guī)律性，便于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析。試驗(yàn)中共配制6個(gè)樣品，每個(gè)樣品有3個(gè)平行試件，稱取一定量風(fēng)干后的膨脹土，并碾碎通過2 mm篩，之后稱取一定量的篩下膨脹土粉末，放置于200 mm×200 mm×20 mm的玻璃器皿中，然后在里面加入適量的蒸餾水，進(jìn)而充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟛⒂妹芊獯鼘?duì)器皿密封，靜置24 h后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥脫水過程。最后將3組試樣分別水平放入20、30、40、50、60、70 ℃的烘箱中恒溫脫水，土樣失水過程中定期用實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)土樣進(jìn)行稱重和拍照，當(dāng)土樣開始出現(xiàn)干縮裂縫后，加快拍照的頻率，如果膨脹土泥漿土樣質(zhì)量在2 h 之內(nèi)沒有發(fā)生改變，則認(rèn)為土樣失水工作已完成，干縮裂縫的形態(tài)也趨于恒定。

2 圖片處理和測(cè)量參數(shù)

2.1 圖片處理技術(shù)

拍攝圖片時(shí)相機(jī)位置應(yīng)架設(shè)在圖樣的正上方，并且需時(shí)刻確保相機(jī)與土樣的相對(duì)距離關(guān)系保持不變，以便于前后圖片的對(duì)比分析工作處理起來較為簡(jiǎn)潔。采集完裂隙圖像之后，利用由南京大學(xué)自主開發(fā)的顆粒及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(PCAS)對(duì)圖1a進(jìn)行二值化和去雜點(diǎn)操作，得到圖1b，圖中黑色的部分為裂隙，白色的為被裂隙“切割”而成的塊區(qū)。

a)裂縫穩(wěn)定后最終形態(tài) b)二值化和去雜后的裂隙 圖1 裂縫穩(wěn)定后最終形態(tài)及二值化和去雜后的裂隙

2.2 干縮裂縫參數(shù)

2.2.1 裂隙率

在膨脹土工程實(shí)踐中，在采集實(shí)體工程現(xiàn)場(chǎng)裂縫時(shí)，干縮裂縫的定量化描述通常包括裂縫的深度、長度、寬度、間距等，統(tǒng)稱為干縮裂縫的度量指標(biāo)。但這些定量化描述指標(biāo)在實(shí)際操作過程中獲取較為復(fù)雜，為總體分析裂縫的分布規(guī)律，本文采用裂隙率這個(gè)基本指標(biāo)，其定義為裂縫的面積與土樣總面積的比值。基于上述圖片處理技術(shù)的運(yùn)用，裂隙率即是處理過后黑白圖片中黑色部分的像素?cái)?shù)目與圖片總像素?cái)?shù)目的比值。

2.2.2 分形維數(shù)

分形理論是建立在統(tǒng)計(jì)區(qū)域分布規(guī)律上的一種基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方法，一般廣泛應(yīng)用于巖土體裂隙的孔隙分布情況、滲流特質(zhì)屬性、結(jié)構(gòu)變化特征等方面分析，確保能真實(shí)反映膨脹土干縮裂縫的不規(guī)則發(fā)育情況和裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特性。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

表2是不同溫度影響下膨脹土樣失水穩(wěn)定后干縮裂縫的相關(guān)量測(cè)數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的增加，土樣失水至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間明顯減少，這就代表溫度越高的同時(shí)土樣水分蒸發(fā)的速率也明顯加快。同時(shí)，土樣失水開裂的初始含水量隨溫度的升高而逐漸增大，而土樣失水開裂至穩(wěn)定時(shí)的含水量則隨著溫度升高而逐步降低，環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致土樣逐漸失去水分，土樣的持水能力與環(huán)境溫度有關(guān)聯(lián)。隨著試驗(yàn)溫度的升高，土樣失去水分達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的裂縫率和分維數(shù)都有增大的趨勢(shì)。

表2 不同溫度下干縮裂縫穩(wěn)定時(shí)相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

在不同的試驗(yàn)溫度條件下，通過對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行一系列干濕循環(huán)試驗(yàn)，每次干濕循環(huán)后采集到到的裂隙圖像進(jìn)行二值化處理，得到的不同溫度下分形維數(shù)和裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2、圖3。從兩圖可以看出，膨脹土的裂縫隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不管在何種溫度條件下，膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)會(huì)隨著增加，最后漸趨穩(wěn)定。膨脹土裂隙的演化基本可以分為4個(gè)階段：

圖2 不同溫度下分形維數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖3 不同溫度下裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

第1階段，稱為裂縫形成期：隨著土中水分的蒸發(fā)，首先在試樣表面含水量相對(duì)小的部位出現(xiàn)數(shù)條互不相連的短裂縫，然后這些短裂縫不斷延伸發(fā)展并相交，形成第1階段的裂縫網(wǎng)絡(luò)，將這一階段的裂縫稱為主裂縫，形成的網(wǎng)絡(luò)稱為主裂縫網(wǎng)絡(luò)，它構(gòu)成了試樣最終裂縫圖像的骨架，并將試樣分割成若干較大的初級(jí)區(qū)塊，主要發(fā)生在第1次干濕循環(huán)脫濕完成后。

第2階段，稱為裂縫發(fā)展期：在主裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的同時(shí)或者形成后期，主裂縫上開始出現(xiàn)分叉，形成次一級(jí)的裂縫。隨著試樣干縮試驗(yàn)過程的持續(xù)進(jìn)行，在次一級(jí)的裂縫上會(huì)產(chǎn)生更次一級(jí)的干縮裂縫，重復(fù)上述過程，同時(shí)將試樣表面劃分為面積更小的次一級(jí)區(qū)塊，在理想狀態(tài)下，這些區(qū)塊的最終面積大小應(yīng)近似相等。這個(gè)階段主要發(fā)生在第2次、第3次干濕循環(huán)完成后。

第3階段，稱為裂縫穩(wěn)定期：裂縫的條數(shù)不再發(fā)展，裂縫網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)已定形，但裂縫的寬度仍不斷增大；被分割的塊區(qū)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，形狀基本不變，但面積仍不斷縮小。主要發(fā)生在第4次～第6次干濕循環(huán)完成后。

第4階段，稱為裂縫固定期：雖然土中的含水量還在不斷減少，但裂縫的寬度已不發(fā)生變化，每一條裂縫和裂縫網(wǎng)絡(luò)已完全固定。經(jīng)過6次干濕循環(huán)后，裂縫就開始固定，不再繼續(xù)發(fā)展、或者裂縫的發(fā)展難以察覺基本可以忽略。

同時(shí)，從圖2、圖3中可以看出膨脹土的分形維數(shù)、裂隙率在第1次干濕循環(huán)后變化幅度最大，第2次、第3次干濕循環(huán)，變化幅度慢慢變小，在經(jīng)過4次干濕循環(huán)之后，基本不再變化。不管在何種溫度條件，總體的干濕循環(huán)裂隙變化規(guī)律都基本相同。在相同的溫度下，膨脹土在溫度較高的條件下，裂隙發(fā)育的更加充分，裂隙率、分形維數(shù)也就越大。當(dāng)試件在高溫環(huán)境下，上層失水率比較低溫度下要快，這樣形成的含水率梯度就要大，因此高溫環(huán)境下產(chǎn)生的裂縫比低溫的要大，裂隙發(fā)展的更加充分，從而無論經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)，高溫環(huán)境下的裂隙率和分形維數(shù)要比低溫環(huán)境下的大。

4 結(jié)論

膨脹土裂隙的產(chǎn)生對(duì)土體工程性質(zhì)有重要影響，并導(dǎo)致各種工程問題。本文綜合考慮溫度效應(yīng)和干濕循環(huán)兩個(gè)因素研究膨脹土干縮開裂的影響，得到主要結(jié)論如下：

1)土樣失水穩(wěn)定后的干縮裂縫開展形態(tài)具有不確定性，不受環(huán)境溫度影響，隨著試驗(yàn)環(huán)境溫度升高，膨脹土主要裂隙參數(shù)裂隙率以及分形維數(shù)逐漸減少。

2)膨脹土的裂縫隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不管在何種溫度條件下，膨脹土的裂隙率、分形形維數(shù)會(huì)隨著增加，最后漸趨穩(wěn)定。

3)本研究課題還可以深入研究，有關(guān)裂縫發(fā)生和發(fā)展的溫度效應(yīng)還有許多課題需要進(jìn)一步開展，如在溫度更高或更低或極端溫度下的裂縫發(fā)展機(jī)理，不均勻溫度場(chǎng)中土的裂縫發(fā)展過程等。

4)本文研究成果對(duì)更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)膨脹土的開裂機(jī)理以及指導(dǎo)膨脹土地區(qū)的土體工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 唐朝生，施斌，劉春，等.粘性土在不同溫度下干縮裂縫的發(fā)展規(guī)律及形態(tài)學(xué)定量分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007,29(5):743-749.

[2] 唐朝生，施斌，劉春，等． 影響?zhàn)ば酝帘砻娓煽s裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)的因素及定量分析[J]． 水利學(xué)報(bào)，2007，38( 10).

[3] 周東，孫義剛，樂觀永，等.環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡溫度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)[J]． 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2011，36( 4) : 654-657．

[4] 易順民，黎志恒，張延中.膨脹土裂隙結(jié)構(gòu)的分形特征及其意義[J]． 巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21( 3) : 294-298．

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[6] 馬佳，陳善雄，余飛，等.裂土裂隙演化過程試驗(yàn)研究[J]． 巖土力學(xué)，2007，28( 10) : 2203-2208.

[7] 施斌，唐朝生，王寶軍，等.粘性土在不同溫度下龜裂的發(fā)展及其機(jī)理討論[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009,15(2)：192-198.

2016-11- 18

李志國(1979- )，男，工程師，一直從事公路橋梁建設(shè)相關(guān)工作。

1008-844X(2017)02-0056-03

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