不同壓實(shí)度下膨脹土表面裂隙演化規(guī)律機(jī)理研究

黃亮

摘要：膨脹土裂隙的發(fā)生發(fā)展對(duì)不少工程造成惡劣影響，為探究壓實(shí)度在膨脹土裂隙演化過(guò)程中的作用機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)研究不同壓實(shí)度下膨脹土表面裂隙演化規(guī)律。利用稱重拍照裝置和Matlab編寫(xiě)圖像處理程序[1]，進(jìn)行了1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3三種干密度試樣下的濕干循環(huán)試驗(yàn)，脫濕溫度均為75℃。結(jié)果顯示，不同干密度試樣其 對(duì)應(yīng)的水分蒸 發(fā)速度不同，蒸發(fā)速 度的不同又影響著裂隙的發(fā)展[2]；壓實(shí)度越低，蒸發(fā)速度越快，裂隙發(fā)育就越快，面積就越大，同時(shí)試樣被裂隙切割地也就越支離破碎；隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙率也會(huì)隨著增加[3]，但第二次增加的幅度最大。研究結(jié)果為膨脹土等相關(guān)問(wèn)題的研究提供理論參考。

Abstract： The occurrence and development of expansive soil fissures have adverse effects on many projects. In order to explore the mechanism of compaction in the evolution process of expansive soil fissures， laboratory experiments were carried out to study the evolution of cracks on the surface of expansive soil under different compaction degrees. Using the weighing camera and Matlab to write the image processing program， the wet-drying test under 1.5g/cm3， 1.6g/cm3， 1.7g/cm3 three dry density samples was carried out， and the dehumidification temperature was 75 °C. The results show that the corresponding water evaporation rates of different dry density samples are different， and the difference of evaporation speed affects the development of cracks； The lower the degree of compaction， the faster the evaporation rate， the faster the crack develops， the larger the area， and the more the sample is cut by the crack； As the number of wet-dry cycles increases， the fracture rate increases， but the second increase is greatest. The research results provide a theoretical reference for the study of related problems such as expansive soil.

關(guān)鍵詞：壓實(shí)度；裂隙；圖像處理；蒸發(fā)速率；濕干循環(huán)

Key words： compaction degree；fissures；image processing；evaporation rate；wet-drying cycles

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2019）02-0152-04

0 引言

膨脹土因含有蒙脫石等親水礦物呈現(xiàn)出吸水膨脹和失水收縮的特性[1]。吸水和失水的反復(fù)循環(huán)會(huì)引起土體的開(kāi)裂變形，逐漸產(chǎn)生裂隙。裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展和相互連通破壞了土體的整體結(jié)構(gòu)，使土體變得松散破碎[2]。同時(shí)，裂隙又反過(guò)來(lái)為水分的入滲、運(yùn)移、蒸發(fā)等作用提供了便捷通道，加速裂隙的發(fā)育及擴(kuò)展，如此在反復(fù)循環(huán)過(guò)程中裂隙逐漸惡性積累。濕干循環(huán)作用下裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展降低了土體的抗剪強(qiáng)度[3]，這也就是膨脹土邊坡在雨季頻繁發(fā)生滑塌等失穩(wěn)破壞的原因，因?qū)こ贪踩珮?gòu)成較大威脅，被形象稱之為“工程癌癥”。目前已有不少學(xué)者對(duì)膨脹土裂隙演化規(guī)律作出研究，袁俊平[4]通過(guò)工程實(shí)踐和算例有力說(shuō)明了裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響極大。黎偉等[5]研究了裂隙的數(shù)量、寬度、長(zhǎng)度、裂隙率等指標(biāo)在膨脹土裂隙濕干循環(huán)過(guò)程中的變化規(guī)律。曹玲等[6]在室內(nèi)模擬降雨-蒸發(fā)條件，采用灌蠟法研究了干濕循環(huán)作用下裂隙的各個(gè)發(fā)育階段的特征并測(cè)量了裂隙最終的體積。因影響膨脹土裂隙發(fā)展因素較多，以往研究難以概括全面，且不同區(qū)域土體性質(zhì)一般不同。本文以宜昌某地膨脹土為例，探究壓實(shí)度在膨脹土裂隙演化過(guò)程中的作用機(jī)理，為膨脹土等相關(guān)問(wèn)題的研究提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 試驗(yàn)材料

膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，按膨脹土分類屬于弱膨脹土。根據(jù)試驗(yàn)需要制備三種不同干密度試樣，分別為1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3。取適量的該風(fēng)干膨脹土塊用橡膠錘碾壓捶碎，過(guò)2mm篩。然后取一定量過(guò)篩的土體置于110℃烘箱中進(jìn)行烘干，時(shí)長(zhǎng)為24h，將烘干后的膨脹土放置于干燥缸中進(jìn)行冷卻。精準(zhǔn)稱取定量的干燥膨脹土，噴灑蒸餾水，含水率均控制為19%，均勻攪拌。并且攪拌過(guò)程中碾碎較大結(jié)團(tuán)顆粒，盡量讓土顆粒大小均勻、分散，最后用保鮮膜悶料48小時(shí)，以確保土體中水分分布均勻。用直徑61.8mm、高20mm的環(huán)刀，利用錘擊制樣法制備上述三個(gè)試樣。最后將制好的試樣進(jìn)行真空抽氣飽和，抽氣4h，負(fù)壓飽和12h[5]。

1.2 試驗(yàn)方案

三個(gè)試樣均放置在75℃的烘箱中，分別進(jìn)行濕干循壞四次。在每次脫濕過(guò)程中，定時(shí)對(duì)試樣拍照、稱重，以前后兩次裂隙率不在發(fā)生變化時(shí)為基準(zhǔn)，停止脫濕，然后重新進(jìn)行抽氣飽和，進(jìn)入下一次濕干循環(huán)。考慮到在每次拍攝過(guò)程中要保持試樣照片和拍攝時(shí)的光線穩(wěn)定不變，排除外部環(huán)境干擾，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)拍照稱重裝置，利用鐵架臺(tái)，梅特勒電子天平放置在鐵架臺(tái)下方的托盤(pán)上，數(shù)碼相機(jī)則固定在鐵架臺(tái)的支架上，數(shù)碼相機(jī)處于電子天平正上方一定距離且保持不動(dòng)。調(diào)節(jié)焦距盡量使所拍到的圖像最清晰，保持光線充足穩(wěn)定。電子天平連接電腦，利用Labview軟件編程實(shí)現(xiàn)電腦自動(dòng)采集天平讀數(shù)。

1.3 圖像處理及裂隙度量

二值圖的像素點(diǎn)只有黑白兩種顏色，黑色為0，白色為1[1]。因此，利用程序只要統(tǒng)計(jì)出0、1像素點(diǎn)個(gè)數(shù)結(jié)合（1）式就可計(jì)算出試樣的裂隙率。根據(jù)式（2），統(tǒng)計(jì)碎土塊個(gè)數(shù)即可計(jì)算出土塊的平均面積，進(jìn)而顯示出兩者分別與裂隙率的對(duì)于關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同壓實(shí)度下裂隙率與脫濕時(shí)間的變化關(guān)系

圖2為不同壓實(shí)度試樣在75℃的情況下水分蒸發(fā)量與脫濕時(shí)間的關(guān)系曲線。由該圖易知，三種干密度下的蒸發(fā)速率由大到小依次為1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。這主要是因?yàn)閴簩?shí)度越高，土體顆粒間擠壓越緊密[8]，土體強(qiáng)度就越高，因水分蒸發(fā)、脫濕收縮時(shí)局部產(chǎn)生的拉應(yīng)力克服土體抗拉強(qiáng)度就愈發(fā)困難，越不容易產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而限制水分的蒸發(fā)。從孔隙率角度講，密度越大，土顆粒之間就被壓的越緊，土與土顆粒之間的間隙越小，水分運(yùn)移和擴(kuò)散的速率較為緩慢，反之，壓實(shí)度越低，土顆粒間孔隙就越大，土體愈發(fā)疏松，水分的運(yùn)移阻力較小，擴(kuò)散速率快。利用程序?qū)⑻幚砗蟮亩祱D統(tǒng)計(jì)計(jì)算每組試樣的裂隙率，做出了三種干密度下試樣裂隙率與脫濕時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知：

①在四次脫濕中，三種干密度膨脹土的裂隙率發(fā)展曲線都遵循著先急速上升達(dá)到峰值后緩慢下降，最終趨于穩(wěn)定。其主要原因是試樣開(kāi)始脫濕時(shí)，含水量大，表面的水分容易散失，在蒸發(fā)過(guò)程中試樣會(huì)產(chǎn)生收縮，局部收縮不均勻就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過(guò)土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，土體會(huì)被拉裂[8]，從而產(chǎn)生裂隙，且脫水速度越快，裂隙發(fā)育程度就越劇烈。當(dāng)表層水分充分散失后，表面裂隙發(fā)育也就趨于停止，即裂隙率基本達(dá)到峰值。在這一過(guò)程中，水分的蒸發(fā)大部分發(fā)生在表層土體[9]，表層土體收縮較明顯，下部土體的水分因裂隙發(fā)育規(guī)模較小難以通過(guò)裂隙散發(fā)出去，導(dǎo)致下部土體在一定程度上限制了試樣整體的收縮[10]，表現(xiàn)為試樣的整體收縮率增加緩慢。而之后，由于表層土體裂隙發(fā)育基本停止，底部土體水分通過(guò)裂隙通道往表層運(yùn)移蒸發(fā)，土體收縮面積增大，底部土體的收縮也將促進(jìn)表層土體的收縮。因收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用，一些細(xì)小的裂隙受壓后開(kāi)始閉合，較大裂隙的長(zhǎng)度、寬度、條數(shù)在一定程度上減小，裂隙率逐漸降低。最后土樣脫濕基本趨于停止，整體含水率趨于穩(wěn)定[5]，收縮也逐漸停止，裂隙率最終趨于一穩(wěn)定值。

②在同一時(shí)刻，干密度小的膨脹土裂隙率基本上要高于干密度大的膨脹土。這是因?yàn)椴煌膲簩?shí)度其蒸發(fā)速度也不同，蒸發(fā)速度快的試樣其裂隙發(fā)展也較快，因而造成壓實(shí)度越低，裂隙發(fā)展越走在前面，壓實(shí)度大的試樣裂隙發(fā)展相對(duì)落后。

③大約在前20分鐘內(nèi)，三種干密度試樣的裂隙率曲線分布較緊密，差異較小，而在之后的脫濕過(guò)程中三種曲線相對(duì)分散，差異較明顯。這主要是因?yàn)槌跏济摑駮r(shí)三種干密度試樣均是飽和狀態(tài)，含水量大，土體表面失水極為容易，由圖2知三者脫濕速度十分接近，干密度小的試樣脫濕速度并未占明顯優(yōu)勢(shì)。隨著試樣逐漸脫水，表層自由水大量散失，蒸發(fā)速率有所緩降，三種試樣的水分蒸發(fā)曲線開(kāi)始出現(xiàn)差異。干密度為小的土樣水分蒸發(fā)速度開(kāi)始高于干密度大的土樣，導(dǎo)致其裂隙的發(fā)展程度也高于干密度大的試樣。故而前期三者裂隙率曲線差異較小，后來(lái)較大。

2.2 不同壓實(shí)度下裂隙率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4為不同壓實(shí)度下膨脹土裂隙率與濕干循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖4中易看出，裂隙率隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在每次循環(huán)中，干密度小的裂隙率都大于干密度大的裂隙率，即裂隙率由大到小依次為1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。且在第二次濕干循環(huán)中裂隙率的增長(zhǎng)幅度最大，后面增長(zhǎng)幅度變小。

在第一次的濕干循環(huán)中，試樣雖處在同一溫度環(huán)境中進(jìn)行脫濕，但由于各自的干密度不同，導(dǎo)致其最終的裂隙率也不同。第一次循環(huán)后，土體產(chǎn)生的裂隙破壞了其整體結(jié)構(gòu)，使得土樣變得支離破碎[11]。試樣在第二次飽和過(guò)程中，土體吸水膨脹，導(dǎo)致所有裂隙全部愈合，由破碎結(jié)構(gòu)重新變成完整結(jié)構(gòu)。但這只是假性的愈合，在第二次脫濕地過(guò)程中，試樣在較大程度上會(huì)記憶性地沿著原來(lái)的裂隙路線重新開(kāi)裂、擴(kuò)張，同時(shí)伴有新的裂隙生成。在第三次地濕干循環(huán)中又沿著第二次裂隙發(fā)展路線繼續(xù)發(fā)展新的裂隙。如此反復(fù)的濕干循環(huán)會(huì)讓裂隙記憶路線不斷積累，不斷惡化，造成膨脹土裂隙率在不斷的濕干循環(huán)后就不斷的增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度會(huì)逐漸變緩。土體在首次濕干循環(huán)后產(chǎn)生的裂隙是首次開(kāi)裂[9]，此前并無(wú)任何裂隙產(chǎn)生。在第一次裂隙發(fā)展已鋪好“道路”，第二次的裂隙在這條道路上行走順暢，發(fā)展及其容易，因此其增長(zhǎng)幅度較大。裂隙地產(chǎn)生是因?yàn)橥馏w失水收縮不均勻，局部產(chǎn)生了強(qiáng)于自身抗剪強(qiáng)度的收縮應(yīng)力（即拉應(yīng)力）。收縮應(yīng)力將一個(gè)完整膨脹土試驗(yàn)拉裂成多個(gè)破碎的小土塊的同時(shí)也是在壓縮這些小土塊，即對(duì)土體進(jìn)行壓縮拉裂作用。土體自身具有一定的彈塑性，越被壓縮其硬度越高，就越難被壓縮，即表現(xiàn)為裂隙雖然繼續(xù)發(fā)展，但越來(lái)越困難，增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小，自然不再像第二次循環(huán)發(fā)展那么容易。

2.3 不同壓實(shí)度下碎土塊的平均面積與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖5為不同壓實(shí)度下碎土塊的平均面積與循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖5可知，每次濕干循環(huán)過(guò)程中，干密度小的土塊平均面積低于干密度大的土塊平均面積。這是因?yàn)閴簩?shí)度越低，土顆粒之間間隙就越大，排列就越疏松，強(qiáng)度也就越低，土體越容易被裂隙撕裂。在低密度下，試樣的孔隙率大，脫濕的初始階段時(shí)其蒸發(fā)速率快，造成試樣收縮大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也大，在蒸發(fā)面上產(chǎn)生拉裂點(diǎn)的機(jī)會(huì)也就越多（因土體是非均質(zhì)的，土體中每點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度不盡相同，拉應(yīng)力越大，拉裂破壞的點(diǎn)也就越多），一些細(xì)微的裂隙點(diǎn)隨著其他大裂隙的發(fā)展帶動(dòng)而相互貫通，從而將原本只有少數(shù)破碎的試樣切割成數(shù)量更多規(guī)模更細(xì)小的碎土塊，試樣逐漸變得愈加支離破碎。結(jié)合式（2），破碎土塊數(shù)量越多，其平均面積也就越小。而高壓實(shí)度的土體因自身強(qiáng)度較高，抵抗破壞變形能力要強(qiáng)些，產(chǎn)生拉裂點(diǎn)數(shù)量少，越難被拉裂。故高壓實(shí)度下試樣破碎土塊的平均面積大。

3 結(jié)論

①在每次脫濕過(guò)程中，不同壓實(shí)度膨脹土的裂隙率發(fā)展都遵循著先急速上升達(dá)到峰值后緩慢下降，最終趨于穩(wěn)定。在同一時(shí)刻，壓實(shí)度小的膨脹土裂隙率基本上要高于壓實(shí)度大的試樣。低壓實(shí)度膨脹土試樣的蒸發(fā)速率快于高壓實(shí)度試樣[12]，產(chǎn)生的裂隙率差異先期較小，后期較大。

②裂隙率隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在每次循環(huán)中，壓實(shí)度小的試樣裂隙率都大于壓實(shí)度大的裂隙率，且在第二次濕干循環(huán)中裂隙率的增長(zhǎng)幅度最大，后面增長(zhǎng)幅度變小。

③壓實(shí)度越低，土體抗拉強(qiáng)度就偏弱，收縮應(yīng)力克服抗拉強(qiáng)度就越容易，土體表面產(chǎn)生的拉裂點(diǎn)的也就越多，試樣最終被裂隙切割的也就越破碎。

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