引江濟淮工程河道邊坡膨脹土開裂規(guī)律及影響因素

李國維，李亞帥，袁俊平※，吳建濤，曹雪山，吳少甫

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京210098；2.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所，南京210098；3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098；4.中鐵二十局集團，西安710016）

0 引 言

膨脹土是一種富含親水性礦物，隨環(huán)境濕度變化體積發(fā)生顯著脹縮變形的高塑性黏土[1]。在蒸發(fā)作用下膨脹土失水產(chǎn)生裂隙，對膨脹土強度和水理滲透特性有重要影響[2-17]。目前針對膨脹土裂隙發(fā)展演化的研究，多為室內(nèi)實驗[18-24]，制取環(huán)刀或者模型試樣，實驗室模擬降雨—蒸發(fā)條件，開展膨脹土在干濕循環(huán)作用下的裂隙發(fā)展試驗。利用數(shù)碼技術(shù)等記錄膨脹土失水開裂和濕化愈合的過程，結(jié)合圖像處理技術(shù)研究裂隙特征[25]，探討裂隙形成機理和初步量化裂隙二維指標的方法[21]，及脫濕過程中膨脹土裂隙演化規(guī)律[26]。

膨脹土裂隙的開展對邊坡的穩(wěn)定性有著重要影響[27]。裂隙開展具有時效性，以往對于現(xiàn)場裂隙深度的給出，通常采用估計的極限值或依據(jù)規(guī)范給出計算值[28]，缺少現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。本文試驗結(jié)合引江濟淮工程，進行膨脹土河道邊坡現(xiàn)場裂隙觀測，研究大氣作用下，膨脹土裂隙在平面和剖面上的演化規(guī)律，以加深對現(xiàn)場膨脹土邊坡裂隙開展演化過程的認識。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗場地

該試驗依托引江濟淮試驗工程開展，場地位于安徽省合肥市蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)竇小郢（31.83°N， 116.98°E），緊鄰G312國道（江淮溝通段K40+700-K42+200）。該地區(qū)地處中緯度地帶，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中。年均氣溫15.7℃，年均降水量約1000 mm，年日照時間約2000 h，年均無霜期228 d，平均相對濕度為77%。

該場地地面高程32～37 m，河道挖深20～24 m左右，邊坡上部為膨脹土，下部為泥質(zhì)粉、細砂巖～泥巖。本次試驗所用土料基本物理特性和礦物成分的分析結(jié)果見表1。

1.2 觀測方法

現(xiàn)場安裝小型氣象站，實時監(jiān)測現(xiàn)場的氣候條件。其中大氣溫度、濕度監(jiān)測采用溫濕度一體傳感器進行采集、記錄，傳感器型號為：NH121WS-R。采用“觀察井法”和“油漆法”對膨脹土裂隙的發(fā)展進行平行觀測，并將2種方法得到的結(jié)果相互校驗，得出裂隙發(fā)展的情況。

表1 觀測土樣基本物理特性Table 1 Basic physical properties of soil samples

1）“觀察井法”觀測

在試驗段河道右岸裸坡區(qū)開挖“觀察井”，將“觀察井”的直立剖面作為裂隙觀測面，進行人工觀測。為防止因觀測面的開放式暴露而導(dǎo)致土體內(nèi)部水汽蒸發(fā)過快產(chǎn)生裂隙，在“觀察井”上覆蓋隔熱板，隔熱板四周澆筑混凝土筑臺，用隔熱棉進行筑臺和板間細微處封閉，采用木方穿過固定鋼筋使隔熱板與筑臺緊密結(jié)合，如圖1所示。

圖1 “觀察井”實物圖Fig.1 “Observation well”picture

凈輻射和大氣溫濕度對蒸發(fā)量的影響尤為顯著[3]。采用隔熱板覆蓋與隔熱棉封閉主要為了防止陽光對觀測面產(chǎn)生輻射，同時隔絕“觀察井”內(nèi)與外部環(huán)境的開放式熱量交換。事實證明這樣的布置可以起到防止輻射與熱量直接交換的效果。

2）“油漆法”觀測

油漆為非浸潤性液體，在重力作用下會沿裂隙向下流動。油漆灌入一定時間后，在觀測點處開挖探坑，根據(jù)裂隙處土體著色情況，可以獲取裂隙發(fā)展深度，此為采用“油漆法”進行裂隙發(fā)展觀測的原理，每個觀測點會進行多組取均值，過程如圖2所示。

圖2 “油漆法”過程Fig.2 Process of painting

采用“油漆法”觀測裂隙發(fā)展深度時，可按照以下方法實施：選擇紅、綠等明亮鮮艷顏色的油漆，按250 mL松香水（化學(xué)試劑）加30 g油漆的比例，在松香水內(nèi)分次添加油漆，持續(xù)攪拌使其均勻；在觀測點處選擇寬度較大的裂隙，用漏斗緩慢灌入油漆，使觀測點處裂隙被油漆充盈；經(jīng)過至少24 h后，在觀測點開挖探坑，開挖深度超過油漆著色土層埋深；采用拍照、素描等方式，利用水準尺和卷尺量測油漆著色的土層最大深度。

1.3 試驗方案

試驗方案的設(shè)計以引江濟淮試驗工程為背景，研究新開挖暴露的膨脹土在氣候作用下的表面裂隙發(fā)展和裂隙深度發(fā)展以及其與開挖坡度、膨脹特性、暴露時間等因素的關(guān)系。在初始觀測期和快速發(fā)展期每隔15 d進行一次觀測；在緩慢發(fā)展期每隔30 d進行一次觀測。試驗方案見下表2所示。

表2 裂隙觀測試驗方案Table 2 Fracture observation experiment scheme

具體觀測試驗布置如下所示：

1）“觀察井法”觀測試驗。為了分析新開挖暴露的膨脹土裂隙發(fā)展的總體規(guī)律，和分析膨脹特性對裂隙開展的影響，采取“觀察井法”對裂隙發(fā)展情況進行觀測?！坝^察井”的布置如圖3所示。東區(qū)、西區(qū)和中區(qū)的“觀察井”分別位于K40+700、K41+620和K42+200三級坡，主要觀測非膨脹土和中膨脹土的裂隙發(fā)展，觀測頻率為1～2 次/月。

2）“油漆法”觀測試驗。為了分析新開挖邊坡的卸載程度、膨脹特性和暴露時間對裂隙發(fā)展的影響，選擇K41+500-K41+600斷面的三級坡中膨脹土和四級坡的弱膨脹土分別開挖成坡比為1:1.5、1:2.5、1:3的邊坡進行裂隙觀測，同時選擇K41+300斷面四級坡的弱膨脹土和K41+800斷面的中膨脹土進行較長期的裂隙發(fā)展觀測，觀測頻率為1～2次/月，試驗段中區(qū)試驗位置布置如圖3所示。

圖3 中區(qū)“觀察井”布置圖Fig.3 Location of"observation well"in central area

以K41+800斷面附近的中膨脹土為例:

觀測場地：選定引江濟淮工程右岸裸坡區(qū)黑色中膨脹土作為觀測對象，觀測場地為K41+790-K41+810斷面的三級坡，坡比為1:3。場地范圍為：延坡面長12 m，沿河道走向?qū)挒?0 m，如圖4所示。與1 500 m長的試驗段相比較，20 m的寬度范圍可以認為土體性質(zhì)近似一致。

圖4 觀測場地Fig.4 Location of"observation well"in central area

觀測過程：自2017年2月20日現(xiàn)場施工開挖揭露之日起進行觀測，在初次開挖揭露第5天和每次降雨后蒸發(fā)干燥的第5天進行坡體表面裂隙拍攝（若蒸發(fā)干燥天氣超過10 d，則在降雨后第10天也進行一次觀測），人為選定邊坡表面的非沖溝區(qū)進行裂隙拍攝，除去降雨形成的沖溝對裂隙觀測結(jié)果的影響。

觀測方法：對邊坡表面裂隙的觀測主要采用拍照的形式進行，利用數(shù)碼相機的全自動曝光模式，對表面30cm×30cm范圍內(nèi)的表面裂隙進行拍照記錄。將選定的觀測場地沿坡面從上至下劃分為3個區(qū)域，每一次拍攝分別在各個區(qū)域中選擇2個點（共6個觀測點）進行觀測，以保證結(jié)果的合理性。其中，3個區(qū)域?qū)φ毡ＷC結(jié)果不受土體成層的影響，每個區(qū)域設(shè)置2個點為同位對照。拍攝點距離前次觀測點的水平距離為1m，具體見圖4所示。

圖像處理：采用MATLAB軟件編制裂隙圖像處理程序，進行圖像統(tǒng)一處理計算。取3個點的圖像裂隙率計算結(jié)果的平均值為該時間的表面裂隙率數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.4 裂隙描述方法

利用佳能700D相機的全自動模式，在外界光線發(fā)生變化時，自動進行曝光補償。裂隙觀測過程中，對不同時間的坡面膨脹土裂隙發(fā)展進行現(xiàn)場定點實時拍照，記錄平面裂隙開展狀態(tài)，并用卷尺測量裂隙開展深度，同時取坡面土帶回室內(nèi)量測坡面土體的初次脫濕過程中的質(zhì)量含水率，初次脫濕過程指從土體開挖暴露開始至下次降雨期間的蒸發(fā)失水開裂過程。將采集到的彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，進而采用“Ostu法”[22]進行灰度圖像二值化處理，統(tǒng)計裂隙像素點和總像素點個數(shù)，計算表面裂隙率。處理效果如圖5所示。

圖5 裂隙圖像Fig.5 Crack image

二值圖像的像素值只有“1”和“0”兩種，裂隙點的值為“1”，非裂隙點的值為“0”。二值圖像中像素值為“1”的像素點個數(shù)除以圖像總的像素點個數(shù)，即可得到圖像的裂隙率。裂隙率的定義如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 表面裂隙分布

2.1.1 含水率對表面裂隙分布的影響

依據(jù)（1）式，采用MATLAB軟件編寫圖像處理程序，計算開挖暴露后脫濕過程中邊坡表土圖像裂隙率的變化。觀測面開挖之初未見裂隙開展，觀測平面大小為30 cm×30 cm，1d內(nèi)不同含水率下膨脹土的表面裂隙率計算結(jié)果見表3。

表3 不同含水率的膨脹土裂隙率Table 3 Fracture rate of expansive soil with different water content

圖6a為邊坡表土1d內(nèi)（2017年7月27日）含水率與裂隙率隨時間的變化過程。中、弱膨脹土的含水率變化梯度近似一致，高于非膨脹土，3種土失水后的含水率近似，為6%～8%；而裂隙率的變化過程則顯示不同的分化，中膨脹土裂隙率變化梯度凸出明顯，弱膨脹土和非膨脹土表現(xiàn)為近似一致的裂隙率變化過程。圖6b為邊坡表土1 d內(nèi)裂隙率與含水率的對應(yīng)關(guān)系。觀測過程中無降雨情況。表面裂隙率觀測結(jié)果不受降雨的影響。相同含水率下，膨脹性越高，裂隙率越大；裂隙率與含水率負相關(guān)，含水率越高裂隙率越小，呈良好的線性關(guān)系，中膨脹土裂隙率隨含水率衰減最快，弱膨脹土與非膨脹土表現(xiàn)為近似一致的衰減趨勢。圖6c為邊坡表土長期曝露過程的裂隙率、降雨量變化過程。邊坡表土裂隙率隨時間增長，總體趨于穩(wěn)定值。降雨過程僅短暫影響變化趨勢，表土裂隙率穩(wěn)定值和膨脹性正相關(guān)，中膨脹土為11.47%，弱膨脹土為5.27%，非膨脹土為2.53%。表土裂隙開展到穩(wěn)定值需要的時間和膨脹性正相關(guān)，中膨脹土為59 d，弱膨脹土為47 d，非膨脹土為35 d。

圖6 表面裂隙率與含水率、時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between surface fracture rate and moisture content and time

2.1.2坡比對表面裂隙分布的影響

圖7為K41+500～K41+600斷面三級坡表面的裂隙率開展過程，觀測時間為2017年3月，持續(xù)4周，平均氣溫為10.7℃。圖7顯示，邊坡坡比分別為1:3、1:2.5、1:1.5，表土裂隙率隨時間增長，不同坡比的表土裂隙率近似相同，坡比影響不顯著。邊坡斜面上土單元前后兩側(cè)的側(cè)向壓力不對稱，坡比與土體單元的側(cè)向壓力有關(guān)，因此，在理論上存在坡比和表面裂隙率之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場試驗結(jié)果沒有明顯顯示出坡比對表面裂隙率的影響，說明表面裂隙開展主要由土體的含水率控制。

圖7 不同坡比坡面裂隙率隨時間的變化Fig.7 Fracture rate varies with time

2.2 裂隙的剖面分布

2.2.1環(huán)境溫度、濕度對裂隙深度開展的影響

“觀測井”位于K41+600斷面3級坡黑色中膨脹土層中，性狀見表1中B土樣?！坝^測井”沿坡面長度約4.5 m，寬度約0.6m，最大深度約2.6m。井壁裂隙暴露觀測從2016年5月1日至2017年4月25日結(jié)束，歷時360 d。圖8a為中膨脹土360 d內(nèi)裂隙深度及豎向剖面裂隙率情況。圖8a顯示裂隙深度和裂隙率隨暴露時間的增加而增加，裂隙開展最大深度為150 cm。裂隙在－10月份間增長最快，剖面裂隙率為坡面以下1.0 m范圍內(nèi)的平均裂隙率，裂隙數(shù)據(jù)見表4。裂隙開展經(jīng)歷3個階段：緩慢開展期I、快速開展期和緩慢開展期II，快速開展期的裂隙開展深度約96 cm，占整個觀測期開展深度的64%，裂隙深度開展速率約為緩慢期的4～5倍。圖8b為“觀測井”側(cè)壁土體裂隙深度發(fā)展速率與大氣溫度、濕度的對應(yīng)關(guān)系。裂隙深度發(fā)展速率與大氣溫度正相關(guān)，與大氣濕度負相關(guān)，裂隙開展速率滯后于環(huán)境溫度、濕度變化。

表4 不同時期的裂隙深度開展情況Table 4 Development of fractures in different periods

緩慢發(fā)展期大氣平均溫度低于20℃，空氣平均相對濕度為80%～90%，土體蒸發(fā)強度（或蒸發(fā)量）相對小，裂隙開展的數(shù)量少，深度淺?？焖侔l(fā)展期，大氣平均溫度均高于25℃，最高值超過42℃，大氣平均相對濕度減小至75%～80%，最小值達到50%，水分蒸發(fā)強度大，裂隙多深度大。由此，對于同一處膨脹土，裂隙深度快速開展期對應(yīng)氣溫高和濕度低的外部環(huán)境，環(huán)境溫度和濕度條件決定了裂隙開展的狀態(tài)。

圖8 中膨脹土裂隙發(fā)展速率與大氣溫濕度Fig.8 Development rate and atmospheric temperature and humidity of medium expansion soil fracture

2.2.2 坡比對裂隙深度開展的影響

圖9a為K41+500～K41+600斷面三級坡表面的裂隙開展深度與時間的關(guān)系，采用“油漆法”測到，膨脹土開挖坡度分別為1:3、1:2.5、1:1.5，裂隙深度隨時間發(fā)展，觀測時間為2017年3月，平均氣溫為10.7oС。圖9a顯示，裂隙開展深度和坡面坡比具有相關(guān)性，坡比越大裂隙越深，深度隨時間增長。不同坡比坡面下相同深度的單元土體，水平向應(yīng)力是非對稱的，坡比越大單元體臨坡面?zhèn)人綉?yīng)力越小。膨脹土具有超固結(jié)性，天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)緊密，開挖使土體結(jié)構(gòu)卸荷回彈，在土顆粒間孔隙基礎(chǔ)上產(chǎn)生“微裂隙”。圖11顯示，開挖坡度越陡，卸荷作用越明顯，回彈應(yīng)力場的影響深度越大，相同深度內(nèi)陡坡土體結(jié)構(gòu)也較緩坡“松散”。由此，相同收縮應(yīng)力條件下，坡比越大的邊坡，裂隙開展深度越大。

圖9 不同坡比下裂隙深度隨時間的發(fā)展Fig.9 Crack depth in different gradient with time

圖9b為坡比1:1.5和1:2.5的邊坡裂隙開展深度與坡比1:3的裂隙開展深度的比值，裂隙深度差異隨時間延續(xù)而減小。卸荷引起的回彈影響隨深度減小，另外，隨深度增加，不同坡比坡面下土體單元水平向應(yīng)力的差異占比降低，對裂隙開展深度影響減小。由此推論，坡比對裂隙深度的影響，主要發(fā)生在裂隙開展初期，長時間暴露后的裂隙開展深度和坡比的對應(yīng)性漸無。

2.2.3 土體膨脹性對裂隙深度開展的影響

圖10為坡比1:3膨脹性不同的土體中裂隙開展深度與時間的關(guān)系，為采用“油漆法”現(xiàn)場測試的結(jié)果。中膨脹土測試點位于K41+800三級坡，弱膨脹土測試點位于K41+300四級坡，非膨脹土測試點位于K40+700三級坡。圖10顯示，膨脹性越強的土，其中的裂隙開展深度越大，裂隙開展的速率越大。觀測期120 d內(nèi)，中膨脹土裂隙開展深度38 cm，非膨脹土18 cm。膨脹土所含活性黏性顆粒較多（如蒙脫石），比表面積較非膨脹土大，以面連接的疊聚體是其普遍結(jié)構(gòu)形式，比團粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸水膨脹和失水收縮的能力。脹縮等級越高，土顆粒所帶電荷數(shù)越多，黏土顆粒周圍的結(jié)合水膜越厚，給膨脹土產(chǎn)生更多的失水收縮空間。由此，相同失水條件下，膨脹等級高的土體產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力越大，土體裂隙開展越明顯，開展深度越大。

圖10 裂隙深度隨時間的發(fā)展Fig.10Variationof fracture depth with time

2.2.4 剖面裂隙形態(tài)

圖11a為“觀測井”側(cè)壁的裂隙分布情況。“觀測井”側(cè)壁土體中裂隙分布，自地表向下約0～40 cm范圍裂隙密集，呈折線交叉形式，無明顯規(guī)則，40 cm以下裂隙多呈豎向。圖11b為裂隙在剖面上的形態(tài)照片，裂隙上寬下窄，呈“V”型。淺部裂隙間有水平向連同裂隙，深部橫向裂隙少，多數(shù)僅存豎向裂隙。靜力平衡狀態(tài)下，在裂隙深度范圍內(nèi)，單元體水平向應(yīng)變受土體自重應(yīng)力和基質(zhì)吸力分布形式控制。一般情況下，假定基質(zhì)吸力隨深度線性減小，若忽略孔隙氣壓力隨深度的變化[29-30]，則單元體水平向應(yīng)變隨深度近似線性減小，由此，裂縫在剖面上呈“V”型。

圖11 剖面裂隙Fig.11 Vertical crack

3 結(jié)論

1）膨脹土邊坡表面裂隙率主要受含水率控制。表面裂隙率與含水率之間具有良好的線性關(guān)系，隨含水率降低表土裂隙率增加，表土膨脹性越高裂隙率增加的幅度越大，邊坡比對表面裂隙率的影響不顯著。

2）膨脹土邊坡表面裂隙率增長趨于穩(wěn)定值。膨脹性越大裂隙率越大，隨暴露時間延續(xù)表面裂隙率趨于穩(wěn)定。裂隙的開展緣于土體含水率的非均勻分布，脹縮性越大的土含水率分布均勻化對應(yīng)的碎塊尺寸越小，表面裂隙率增長到穩(wěn)定值需要的時間越長。

3）剖面上裂隙開展深度與外部環(huán)境密切相關(guān)。本試驗中膨脹土地層曝露360d，裂隙開展深度最大值150cm。膨脹土裂隙開展深度和大氣溫度正相關(guān)，與大氣濕度負相關(guān)。邊坡比對裂隙開展深度有明顯影響，主要存在于裂隙開展早期。

4）受土體自重應(yīng)力和基質(zhì)吸力分布形式控制，裂隙在剖面上呈上寬下窄“V”型。相同失水條件下，膨脹性高的土體裂隙開展深度大。坡面下40 cm為裂隙發(fā)育密集區(qū)，裂隙交錯發(fā)育，密集區(qū)以下裂隙多呈豎向分布。

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