膨脹土表面裂隙對降雨入滲的影響研究

張英瑩 張 華 朱瀟鈺 黃 亮 張 言

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點試驗室,湖北 宜昌 443002)

膨脹土吸水膨脹、脫濕收縮的特性使土體在干濕循環(huán)的作用下反復(fù)膨脹和收縮,土體內(nèi)部出現(xiàn)大量裂隙.裂隙的產(chǎn)生不僅破壞了土壤的整體性,降低了土壤的強(qiáng)度,而且為雨水的滲入和水分的蒸發(fā)提供了良好的通道[1],因此,在膨脹土地區(qū),進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時應(yīng)該考慮膨脹土裂隙的影響,特別是對降雨入滲的影響.國內(nèi)專家學(xué)者在裂隙滲透特性方面做了眾多研究,柴軍瑞[2]通過相關(guān)滲流試驗研究得出:滲流的立方定律對于裂隙區(qū)域內(nèi)的水流來說不能完全適用,但對寬度不均勻的裂隙可采用與裂隙流量等量的“等效隙寬法計算”,但由于試驗條件的限制使得簡單的平面型裂隙的研究成為裂隙滲流研究的主要方式[3-4].姚海林等[5]將土體開裂后形成的宏觀上的主裂隙進(jìn)行單獨處理,對膨脹土邊坡降雨入滲情況下的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了初步分析探討,得出了一些有益的結(jié)論.Neuman[6]最早將有限元方法應(yīng)用到研究飽和-非飽和土滲流問題中,解決了諸多邊界條件復(fù)雜的滲流問題.袁俊平等[7]采用常規(guī)的試驗方法定量描述了非飽和膨脹土內(nèi)部裂隙在降雨過程中隨著滲透逐漸愈合的特性.鄭少河等[8]數(shù)值模擬了滲流場中的積水深度,結(jié)果表明:不同深度的積水對滲流場的影響可忽略不計.而以往研究多停留在數(shù)值模擬方面,室內(nèi)試驗研究很少,因此,本文研究膨脹土體在干濕循環(huán)作用下,土體開裂對降雨入滲的影響,為研究降雨入滲引起的邊坡失穩(wěn)機(jī)理,預(yù)測和控制滑坡危害提供了理論依據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

取宜昌市某地現(xiàn)場弱膨脹土,自然風(fēng)干后,篩除土中的碎石和有機(jī)物,用橡膠錘擊碎后過2 mm孔徑的篩子,然后取一定量過篩的膨脹土在105℃的烘箱中烘干12 h,而后移入干燥缸中冷卻.精確稱量一定量的膨脹土,一邊噴灑蒸餾水一邊攪拌,同時將結(jié)團(tuán)的土顆粒捏碎,并及時稱重,使土樣的含水率達(dá)到24%.最后將盛土容器密閉24 h以確保均勻的濕度分布.膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗方案

降雨試驗在一個兩相對側(cè)面設(shè)有細(xì)窄插條的透明有機(jī)玻璃箱中進(jìn)行,玻璃箱四周標(biāo)記有刻度線,分5層將土樣填筑入玻璃箱中,每層土用重錘擊實,保證厚度相同且均勻.隨后抽出插條,用直徑6 mm的不銹鋼圓筒插入每一層土的兩側(cè)面中間,取出10 mm長的圓柱形土心,稱重烘干并測其含水率,然后將土心原樣放回之前所取土層的位置,裝上插條.將4個噴嘴均勻分布在玻璃箱頂部,降雨強(qiáng)度設(shè)置為30 mm/h.每隔20 min對每層土體取樣測量含水率,測完將所取土樣歸原位,當(dāng)玻璃箱底部有徑流產(chǎn)生,且底層含水率基本保持不變時,認(rèn)為土樣已經(jīng)基本飽和,降雨試驗結(jié)束.降雨試驗完成后,將土樣轉(zhuǎn)移到65℃的烘箱中脫濕.在脫濕過程中定時稱量整個土樣的重量,當(dāng)土樣的重量降低到第1次降雨前的重量時,停止脫濕.對土體的表面拍照,并重復(fù)上述試驗,對土樣進(jìn)行4次脫濕處理,分析研究膨脹土在濕干循環(huán)后,裂隙對滲流的影響.

1.3 圖像處理

首先對土樣的裂隙進(jìn)行拍照,拍照時應(yīng)注意圖像的清晰度,保證光線充足,避免圖像出現(xiàn)灰暗的區(qū)域以便于對裂隙率[9-10]的提取.然后采用Matlab軟件對原始圖像依次進(jìn)行灰度化與二值化處理.經(jīng)過二值化處理后的圖像只有黑與白兩種顏色,黑色表征裂隙的數(shù)量、軌跡、長度與寬度,白色則代表無裂隙產(chǎn)生的區(qū)域.在像素矩陣中0表示黑色,1表示白色.在完成過濾除噪處理后,最后通過程序統(tǒng)計0、1及土塊的數(shù)量可以計算出裂隙率.裂隙率的表達(dá)式為:

其中,δ表示裂隙率;A表示試樣蒸發(fā)面的表面積;A i則表示單條裂隙在蒸發(fā)面上的表面積;n表示破碎的土塊的個數(shù).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土體表面裂隙的發(fā)展分析

試驗之前給每一層土編號,從上往下依次為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ,土樣共脫濕4次,模擬降雨5次.每次脫濕后,土體的表面都出現(xiàn)了大量的裂隙,由土體裂隙二值圖1可知,試樣在濕干循環(huán)作用下裂隙率逐漸增大.

圖1 土體裂隙二值圖

依據(jù)濕干循環(huán)時裂隙率的增長速度繪制了一幅曲線圖,如圖2所示.

圖2 裂隙率與脫濕次數(shù)的關(guān)系

由圖2可知,第1次脫濕時裂隙增長最快,在第3、4次脫濕后裂隙率增長速率變緩.因此,土壤的裂隙累積主要發(fā)生在第1次脫濕時.對圖2的曲線進(jìn)行公式擬合,如式(2)所示,相關(guān)系數(shù)R2=0.999 5.

其中,δ表示裂隙率;N表示土體脫濕次數(shù).

2.2 各土層降雨入滲與裂隙發(fā)展對比分析

表2為第1、3、5次降雨時含水率隨時間變化的試驗數(shù)據(jù).根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)繪制了降雨條件下含水率與時間的關(guān)系圖,如圖3所示.

由圖3(a)可知,降雨試驗的前20 min第Ⅴ層土即表層土的含水率快速增加,第Ⅳ層土的含水率略有上升,第Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ層的土樣含水率基本保持不變,且在降雨20 min后,雨水剛剛滲透到第Ⅳ層土體,70 min后第Ⅴ層土基本達(dá)到飽和狀態(tài).而第3、5次降雨時,第Ⅴ層土的含水率急劇上升,在60 min時已經(jīng)接近飽和狀態(tài).出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于第1次降雨時,土樣密實,空隙率小,沒有裂隙且第Ⅴ層含水率較大,雨水的入滲速度較慢,飽和時含水量小.第3次與第5次降雨時,土體經(jīng)過了濕干循環(huán)的過程,土樣反復(fù)膨脹收縮,土顆粒之間變得非常疏松且土樣中出現(xiàn)了大量的裂隙,因而飽和含水率高.

表2 第1、3、5次降雨時各層土壤的含水率變化情況表

從圖3(b)和(c)中可知,第3、5次降雨前各層初始含水率由小到大的順序依次是第Ⅴ層、第Ⅳ層、第Ⅲ層、第Ⅱ?qū)雍偷冖駥?這是由于在蒸發(fā)過程中,底層水分運(yùn)移受阻,水分蒸發(fā)較慢,而表層直接與周圍環(huán)境接觸,在高溫下水分蒸發(fā)較快.隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加,底層土體含水率的變化速率越來越快.

圖3 第1、3、5次降雨過程中各層土壤含水率變化曲線

2.3 干濕循環(huán)作用對不同土層入滲與裂隙發(fā)育的對比分析

膨脹土體在濕干循環(huán)的作用下,因收縮不均產(chǎn)生裂隙,而裂隙在很大程度上影響土體的滲流,為了分析土體裂隙對滲流的影響,以第Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ層土體為分析研究對象,3層土的含水率變化曲線如圖4所示.

圖4 第Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ層土壤含水率與時間的關(guān)系

由圖4(a)第Ⅰ層土的含水率曲線可知,相對第3次、第5次降雨,第1次降雨時土樣的初始含水率較小.由于第Ⅰ層土位于玻璃箱底層,土樣在降雨飽和后進(jìn)行脫濕處理時,水分受到上層土體的阻礙,蒸發(fā)速率較慢.在第1、3次降雨過程中,第Ⅰ層土壤的含水率在20～40 min時才開始增加.第5次降雨期間土壤的含水率的增長速度最快.這是由于第1次降雨時,土樣比較完整密實,沒有裂隙,導(dǎo)水率較低,雨水通過上層土所需要的時間較長.第3次降雨前,土樣已經(jīng)經(jīng)過了兩次濕干循環(huán).但脫濕的次數(shù)較少,第Ⅲ-Ⅳ層的土體裂隙較少,滲透系數(shù)不大,導(dǎo)致雨水在20～40 min滲入到第Ⅰ層土.第5次降雨前,土樣已經(jīng)進(jìn)行了4次濕干循環(huán),土體各層的裂隙得到極大發(fā)展,裂隙延伸,形成了裂隙網(wǎng).因此在第5次降雨過程中,雨水沿著裂隙網(wǎng)迅速流向土壤的各個部位,導(dǎo)致土壤整體滲透系數(shù)增加.隨著雨水的入滲,土樣的含水率越來越大,膨脹土遇水后開始膨脹,裂隙變窄變小,最后愈合.在土體裂隙愈合過程中,裂隙的滲透系數(shù)逐漸變小,雨水越來越難滲入土層,因此曲線末端含水率增加趨于緩慢.

由圖4(b)可知,第Ⅲ層土的降雨入滲規(guī)律基本與第Ⅰ層土一致,但亦有不同之處:①第Ⅲ層土的飽和時間較短,含水率變化曲線較先進(jìn)入平緩狀態(tài),這是因為第Ⅲ層土位于第Ⅰ層土的上方,雨水穿過第Ⅱ?qū)油馏w時較為緩慢,產(chǎn)生了時間滯后效應(yīng).②第Ⅲ層土體的飽和含水率遠(yuǎn)小于第Ⅰ層土體,這是因為第Ⅰ層土位于玻璃缸的底部,雨水入滲時會有大部分積水積聚在底部而來不及排出,導(dǎo)致底部的含水率大于上層的含水率.

第Ⅴ層土較前兩層土體特殊,它處于土體的表層,不僅與環(huán)境接觸,還與環(huán)境進(jìn)行水汽交換.由圖4(c)可知,第3、5次降雨的前40 min,土層含水率的變化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1次.這是因為在第3次、第5次降雨前,土體進(jìn)行了脫濕,表層失去了大量水分,且表面裂隙較多,基質(zhì)吸力較大,雨水能夠瞬間被土體吸收,導(dǎo)致土體水分急劇上升.

由圖4可知,同一層土體在不同降雨時的飽和含水率由小至大,順序為第1次,第3次,第5次降雨.這是因為土體在濕干循環(huán)過程中含水率的急劇變化會使土顆粒受到拉、壓應(yīng)力的作用,使土顆粒之間變得松散且孔隙率增加,導(dǎo)致飽和含水率增加.

3 結(jié) 論

1)土體表面裂隙在首次脫濕時增量最大,裂隙率隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加先增大后趨于緩慢,最終達(dá)到一個穩(wěn)定值.

2)降雨入滲時,各層土的含水率變化速率由表層到底層依次降低,脫濕后各層的含水率大小恰恰相反.

3)濕干循環(huán)次數(shù)越多,裂隙率越大,飽和含水率越大;裂隙愈合后,土壤滲透性下降,入滲速度減慢.