壓實條件對膨脹土裂隙發(fā)育影響的試驗研究

劉觀仕1，陳永貴2，張貴保，曾憲云

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 3.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410114)

1 研究背景

膨脹土是一種親水性黏土礦物含量高的特殊土，對環(huán)境濕熱變化敏感，在氣候條件作用下干縮濕脹劇烈、裂隙持續(xù)發(fā)育。裂隙的存在與發(fā)展對膨脹土的工程特性影響顯著，裂隙性是膨脹土邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[1]。

表1 試驗土樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of test soil

裂隙一直是膨脹土研究的重點內(nèi)容，其中脹縮裂隙與脹縮性密切聯(lián)系，易引起一定淺表層邊坡的失穩(wěn)[2]，是目前膨脹土裂隙研究的主要對象。裂隙發(fā)育規(guī)律的研究以平面特征最為方便直接，目前采用的裂隙測試方法中，CT法[3]能進行三維測試;遠距離光學(xué)顯微鏡觀測法[4]能進行連續(xù)表面觀測，但均不能應(yīng)用于大尺寸土樣和原位土體；超聲波法和電阻率法[5]離定量化分析還有一定的距離；數(shù)碼攝影法具有快速、準(zhǔn)確、低成本等優(yōu)點，是目前最常用的裂隙特征研究方法[6-12]。脹縮裂隙的人工發(fā)育過程中，有的以泥漿[7]、非壓實膏狀樣[13]或高含水量膨脹土[14]作為土樣，與壓實或原位膨脹土的工程狀態(tài)不符；有的膨脹土樣厚度較薄[13]，不能觀察深度方向濕度梯度對膨脹土裂隙發(fā)育造成的影響，與膨脹土裂隙發(fā)育的實際情況也有明顯差異；另外，土樣尺寸普遍較小，多采用環(huán)刀樣，不能反映尺寸效應(yīng)影響，也不能反映下部膨脹土體對上部土體收縮的約束作用。對裂隙發(fā)育影響因素的定量化研究中，劉春等[11]通過對含有裂隙的圖像進行智能識別以獲取裂隙各特征參數(shù)，實現(xiàn)了裂隙圖像的計算機定量分析；王軍等[15]提出了膨脹巖裂隙度的概念及定量描述方法；黎偉等[6]探究了濕干循環(huán)對裂隙率、長度、寬度、方向等特征參數(shù)的影響，張家俊等[9]、曹玲等[13]也進行了類似的研究；馬佳等[7]研究了脫濕情況下膨脹土裂隙產(chǎn)生、傳播、擴展的過程；李雄威等[8]借助自動化分形統(tǒng)計，初步建立了土體裂隙分布與含水率、滲透系數(shù)及變形模量的關(guān)系；許錫昌等[14]研究了溫度、初始含水率及干密度對裂隙開裂特征的影響。

路堤等土體構(gòu)筑工程施工時，一般均以含水率和壓實度作為填筑控制指標(biāo)。上述及其他相關(guān)文獻甚少報道基于大尺寸土樣研究壓實度與初始含水率對壓實膨脹土樣裂隙發(fā)育影響的試驗研究工作。本文通過加工模型箱制備較大尺寸(40 cm×40 cm×30 cm)的壓實膨脹土樣，實時拍攝不同壓實條件下膨脹土裂隙發(fā)育圖像，并基于改進的裂隙圖像特征參數(shù)提取方法對各階段裂隙特征進行定量化分析，研究壓實度與初始含水率對膨脹土裂隙擴展規(guī)律的影響。

2 壓實膨脹土表面裂隙發(fā)育試驗

2.1 試驗土樣

試驗土樣取自南陽地區(qū)高速公路施工現(xiàn)場，土樣可塑，呈黃褐色，含鐵錳結(jié)核，黏粒含量較多，裂隙面呈蠟狀光澤。土樣基本物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

2.2 壓實膨脹土土樣制備及試驗

重塑膨脹土樣在一個尺寸為40 cm×40 cm×40 cm的試驗箱內(nèi)壓實。試驗箱主體采用10 mm厚鋼板焊接而成，可拆卸底板采用螺栓與箱體連接固定，箱體四周綁焊工字鋼加固，承壓用蓋板鋼板厚度15 mm，尺寸略小于試驗箱凈空，土樣壓實箱和蓋板如圖1(a)所示。試驗箱內(nèi)土體使用5 000 kN測力千斤頂進行壓實(圖1(b))。土樣放置于定制的人工氣候試驗箱(圖1(c))內(nèi)脫濕，箱內(nèi)溫濕度可循環(huán)控制，溫度和濕度的控制精度分別為±0.5℃和±2.5%。攝影用的數(shù)碼相機型號為索尼 DSC-W80，有效像素720萬。

圖1 試驗設(shè)備Fig.1 Test equipment

壓實膨脹土土樣制備步驟如下：將膨脹土散樣風(fēng)干碾碎后過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩；按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)進行擊實試驗，獲得最佳含水率(18.1%)和最大干密度(1.78 g/cm3)；隨后制備試驗設(shè)計的含水率土樣，為了觀察裂隙充分發(fā)育的現(xiàn)象，選擇較高的含水率進行試驗；將濕土樣分成3等份逐次裝入試驗箱中用千斤頂壓實，壓實度通過干密度和土樣高度控制。

試樣制備完成后，將裝土樣的試驗箱移入人工氣候試驗箱內(nèi)進行脫濕，觀察裂隙發(fā)育過程。

2.3 土樣表面裂隙圖像獲取

土樣脫濕開裂過程采用數(shù)碼相機進行攝影記錄。攝影過程中關(guān)閉試驗箱電源，在箱頂采用4個白熾燈均勻照明，以獲得同樣正常曝光的裂隙圖像。采用相同的攝影參數(shù)，固定相機位置以避免高度變化及人為抖動等因素對成像產(chǎn)生干擾。當(dāng)前后2次拍攝的裂隙圖像得到的裂隙特征參數(shù)沒有明顯變化后，結(jié)束試驗。

2.4 裂隙圖像處理

攝影獲得的裂隙圖像為彩色或黑白圖像，進行裂隙特征分析時需要將其轉(zhuǎn)化為像素只有0或1的二值圖像。如果要對二值化裂隙圖像進行更多特征參數(shù)的提取和分析，則可借助MatLab軟件開發(fā)專門分析程序。劉春等[11]開發(fā)了CIAS 系統(tǒng)，能定量化分析裂隙的節(jié)點數(shù)、分塊面積等參數(shù)；黎偉等[12]則對裂隙特征參數(shù)提取進行了一些改進，可以對裂隙率、裂隙總長、條數(shù)、均長和均寬、最大寬度以及裂隙方向等多個參數(shù)進行統(tǒng)計分析，本文即采取基于此方法的自編程序進行圖像處理。

3 不同壓實條件下膨脹土表面裂隙發(fā)育試驗結(jié)果與分析

膨脹土路堤填筑過程中，壓實含水率ω一般控制在比最佳含水率大2%～3%的范圍，壓實度則按路基不同層位控制在90%～96%范圍。因此，本試驗在填筑含水率至天然含水率附近選取3個水平，即22%，25%，28%，壓實度K控制在75%，80%，85%(較高含水率下室內(nèi)大尺寸試樣壓實度難以高于90%)，對應(yīng)的干密度ρd分別為1.34，1.42，1.51 g/cm3。

注：各小圖中上圖為數(shù)碼攝影裂隙發(fā)育圖像，下圖為處理后的二值化圖像。圖2 各組試樣裂隙數(shù)碼攝影圖像及二值化圖像Fig.2Digital and binary images of cracks of test specimens

共進行了9組不同初始含水率及壓實度(干密度)下大尺寸膨脹土樣裂隙發(fā)育試驗，獲得尺寸均為40 cm×40 cm的數(shù)碼攝影裂隙發(fā)育圖像，以及處理后的二值化圖像，部分試驗結(jié)果如圖2、表2所示。

表2 壓實膨脹土表面裂隙特征參數(shù)統(tǒng)計(峰值)Table 2 Crack features of compacted expansive soil samples(peak values)

可以看出，裂隙發(fā)育過程可以分為3個階段：①細小裂隙發(fā)育階段，為土樣脫濕初期，表面涌現(xiàn)出很多分布均勻、細短的裂隙；②主裂隙發(fā)育階段，隨著脫濕進程的繼續(xù)，一些細短的裂隙持續(xù)增寬增長，逐漸形成主裂隙，另一些裂隙的寬度和長度則相對穩(wěn)定或略有縮小，此階段裂隙發(fā)育達到峰值；③裂隙回縮穩(wěn)定階段，裂隙發(fā)育峰值過后，幾乎所有裂隙都開始收縮，寬度和長度均有所回縮，到后期則逐漸趨于穩(wěn)定。對比來看，馬佳等[7]采用飽和膨脹土試樣獲得的裂隙中，小裂隙明顯較少，沒有明顯的主裂隙及收縮現(xiàn)象；許錫昌等[14]采用小環(huán)刀制作的試樣，裂隙也很少，且沒有明顯的收縮現(xiàn)象。上述區(qū)別的主要原因在于試樣制備方法和尺寸的不同。

4 不同壓實條件下膨脹土表面裂隙發(fā)育規(guī)律分析

膨脹土裂隙可用影響其工程力學(xué)性質(zhì)的走向、傾角、寬度、深度、長度以及間距等主要幾何要素來度量。為了綜合反映裂隙的分布特征，通常采用裂隙率作為裂隙度量分析指標(biāo)，常用裂隙面積率、裂隙長寬比及裂隙灰度熵[4]等來定義裂隙率。本文采用裂隙率、裂隙總長及裂隙均寬來定量分析裂隙，其中裂隙率采用裂隙面積率定義，裂隙總長度通過累積裂隙主干圖像中的像素總數(shù)來獲得，裂隙寬度則采用外接矩形算法[13]進行計算，也能直接反映裂隙的發(fā)育程度。

4.1 裂隙率

相同壓實度(干密度)情況下，不同初始含水率土樣裂隙率變化曲線如圖3所示。裂隙發(fā)育總體規(guī)律相似，即脫濕初期裂隙率均隨時間增長而迅速增大，達到峰值后有所回落，然后逐漸趨于平緩；各試樣裂隙率均在第2～3天達到峰值，但含水率較大時，峰值出現(xiàn)的時間相對較晚；初始含水率較高，裂隙率初期增長速度較快，裂隙發(fā)育持續(xù)及穩(wěn)定所需時間也較長，裂隙率峰值較大，后期裂隙率也較大，裂隙率與含水率正相關(guān)的規(guī)律與文獻[14]中初始含水率與最終裂隙度的關(guān)系類似。裂隙率曲線趨向穩(wěn)定過程中有小幅波動的現(xiàn)象，這是圖像處理誤差所引起的，后續(xù)裂隙特征參數(shù)圖像也有類似小波動。

圖3 不同初始含水率下裂隙率-時間關(guān)系曲線Fig.3 Curves of crack ratio with various water content

圖4 不同初始干密度下裂隙率-時間關(guān)系曲線Fig.4 Curves of crack ratio with various initial dry density

相同初始含水率下，不同初始干密度土樣裂隙率變化曲線如圖4所示。試樣初始干密度較小(1.34 g/cm3)或較大(1.51 g/cm3)時，裂隙發(fā)育較快，裂隙率峰值較大；而初始干密度居中(1.42 g/cm3)時，裂隙率初期發(fā)育速率相對較慢，裂隙率峰值不明顯，中期發(fā)育較平緩，后期裂隙率則相對較小。整體趨勢而言，初始干密度越大，后期裂隙率越小，但并不成單調(diào)的比例關(guān)系，而許錫昌等[14]認為初始干密度與最終裂隙度呈較好的負相關(guān)關(guān)系。差異原因可能在于其研究對象為小尺寸環(huán)刀制備土樣，失水收縮過程中上表面和側(cè)面的蒸發(fā)是同時進行的；而本文試驗為大尺寸土樣，主要蒸發(fā)面在上表面，水分傳輸路徑較長較慢，且初始干密度較小時下部土體對上部土體收縮的約束作用較小，延緩了表面裂隙的產(chǎn)生，而初始干密度較大時則約束作用較大，阻礙了表面裂隙的回縮。

4.2 裂隙總長

相同初始干密度情況下，不同初始含水率土樣的裂隙總長變化如圖5所示。裂隙總長在第1天內(nèi)均快速增長，并在2～3 d內(nèi)達到峰值，隨后開始下降并逐漸趨于穩(wěn)定，其原因在于土樣脫濕初期細小裂隙快速發(fā)育并不斷擴展，裂隙總長得以迅速增大。當(dāng)初始干密度較小時(1.34 g/cm3)，初始含水率最高土樣的表面裂隙總長峰值反而比2個初始含水率較低的土樣小，而后期裂隙總長則相差不大；當(dāng)初始干密度較大(1.42 g/cm3和1.51 g/cm3)時，基本呈現(xiàn)含水率越高，裂隙率峰值越大的現(xiàn)象，但后期裂隙總長則相差較大。上述結(jié)果表明土樣表面裂隙總長變化主要發(fā)生在脫濕初期，峰值長度在較低初始干密度(壓實度)下與含水率負相關(guān)，在較高初始干密度(壓實度)下與含水率正相關(guān)。

圖5 不同初始含水率下裂隙總長-時間關(guān)系曲線Fig.5 Curves of total crack length with various initial water content

相同含水率情況下，不同初始干密度(壓實度)土樣的裂隙總長變化曲線見圖6。當(dāng)初始干含水率為22%和25%時，初始干密度越小，裂隙總長峰值越大，后期裂隙總長也越大，規(guī)律性比較明顯；當(dāng)初始含水率達到28%時，規(guī)律發(fā)生變化，初始干密度越小，裂隙總長的峰值反而越小。

圖6 不同初始干密度下裂隙總長-時間關(guān)系曲線Fig.6 Curves of total crack length with various intial dry density

4.3 裂隙均寬

相同初始干密度情況下，不同初始含水率土樣的裂隙均寬變化曲線如圖7所示。裂隙均寬在1～2 d內(nèi)快速增大；初始干密度為1.34 g/cm3時，裂隙寬度基本上呈持續(xù)發(fā)展，后期沒有明顯的回縮，而初始干密度為1.51 g/cm3時，裂隙均寬在2～4 d內(nèi)出現(xiàn)明顯的峰值，隨后緩慢下降；初始含水率較高，裂隙均寬增長速率相對較快，峰值也較大，后期寬度值也相對較大。

圖7 不同初始含水率下裂隙均寬-時間關(guān)系曲線Fig.7 Curves of average crack width with various water content

相同含水率情況下，不同初始干密度土樣的裂隙均寬變化曲線見圖8，其變化規(guī)律與不同含水率土樣類似。裂隙均寬在初期隨著時間的增長而快速增大，隨后逐漸穩(wěn)定或略有回縮；初始干密度越大，裂隙發(fā)育的平均寬度越大，規(guī)律非常明顯。

圖8 不同初始干密度下裂隙均寬-時間關(guān)系曲線Fig.8 Curves of average crack width with various initial dry density

5 討 論

5.1 裂隙發(fā)育及特征參數(shù)變化原因

具有較高含水率的制備土樣置于試驗箱內(nèi)時，由于較高的環(huán)境溫度和較低的環(huán)境濕度，滿足土體蒸發(fā)發(fā)生和維持所需的3個條件[16]，即持續(xù)的熱量供蒸發(fā)消耗、大氣與土體表面的相對濕度差、內(nèi)部土體持續(xù)供應(yīng)水分到蒸發(fā)面。試驗開始時，土體表面是唯一蒸發(fā)面，水分快速蒸發(fā)，而下部土體向表面土體的水分傳輸速率小于蒸發(fā)速率，因此表面土體在失水情況下產(chǎn)生收縮，而下部土體由于失水較慢或尚未失水，產(chǎn)生的收縮較小或者暫時沒有收縮，對表面土體的收縮產(chǎn)生抑制，此時土體表面形成拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于土體強度時，裂隙就開始產(chǎn)生。由于試驗初期土體表面與空氣濕度差最大，內(nèi)部土體水分傳輸供應(yīng)充分，因此蒸發(fā)很快，裂隙發(fā)育也很快，導(dǎo)致裂隙率、裂隙總長、均寬均快速增長。與此同時，裂隙處產(chǎn)生更多細小蒸發(fā)面，表面土體失水更快，加劇了裂隙寬度和長度的發(fā)育，此為細小裂隙發(fā)育階段。另外，由于土體表面是均勻受壓而成的，土體表面強度近乎一致，故初始裂隙的形態(tài)為網(wǎng)狀分布的細小裂隙。

隨著脫濕進程的持續(xù)，土體表面含水率較初期明顯降低，內(nèi)部土體水分傳輸供應(yīng)變慢，因此蒸發(fā)速率不再繼續(xù)增大，此時裂隙發(fā)育也達到峰值狀態(tài)，裂隙率、裂隙長度、寬度整體上不再增長；但由于部分裂隙相對發(fā)育較快而成為主裂隙，一些小裂隙反而隨著主裂隙的擴張而收縮消失，表現(xiàn)為主裂隙形成階段。而隨著裂隙下部土體的失水，下部土體也產(chǎn)生一定程度的收縮，帶動上部土體的收縮，此時表面裂隙就表現(xiàn)為逐漸回縮，裂隙率、裂隙長度、寬度均有所降低，隨著時間的推移才逐漸趨于穩(wěn)定，但計入收縮的總裂隙率還是持續(xù)增大的，這一階段即為裂隙回縮穩(wěn)定階段。

5.2 含水率對裂隙發(fā)育影響的原因

壓實度相同而初始含水率不同的各個土樣，表現(xiàn)為初始干密度相同，即土顆粒整體密度相同，但其中的自由水量不同。非飽和土表面實際蒸發(fā)通量常采用Penman-Wilson公式[17]進行計算，即

(1)

式中：Γ為飽和蒸汽壓和溫度關(guān)系曲線的斜率；Rn為土表面凈輻射量；η為濕度常數(shù)；Eb為主要與風(fēng)函數(shù)相關(guān)的自由水面蒸發(fā)通量；A為土表面相對濕度的倒數(shù)。

式(1)中與本試驗條件變化相關(guān)的系數(shù)為A和Eb，土表面相對濕度越大，Eb越大，A越小，蒸發(fā)通量越大?？梢?，當(dāng)土樣的初始含水率越高時，土表面相對濕度越大，脫濕過程的蒸發(fā)通量也越大，失水收縮最劇烈，裂隙發(fā)育程度也最高，表現(xiàn)為裂隙率、裂隙長度、寬度等裂隙特征參數(shù)也最大。

蒸發(fā)過程的速率則可分為常速率、減速率及殘余階段[18]，而影響蒸發(fā)速率的主要因素有環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速以及土體物理性質(zhì)等。由于試驗箱內(nèi)溫、濕度較恒定，無風(fēng)，土樣蒸發(fā)速率主要取決于蒸發(fā)面上蒸汽壓梯度大小。土樣脫濕初期，可供蒸發(fā)的自由水量較充分，而土體內(nèi)水分向表面的遷移則以毛細水作用為主，對應(yīng)為常速率蒸發(fā)階段。土樣含水率越高，常速率蒸發(fā)階段持續(xù)時間越長，裂隙發(fā)育程度也越高。隨著蒸發(fā)的持續(xù)，內(nèi)部土體向表層土體水分傳輸變慢變少，表面含水率越來越低，因此蒸發(fā)面上的蒸汽壓梯度減小，導(dǎo)致蒸發(fā)速率由常速率階段過渡到減速率階段，此時土體表面和內(nèi)部失水程度差異變小，相對收縮變形減小，對應(yīng)于裂隙特征參數(shù)值有所下降。當(dāng)土體內(nèi)部的蒸汽壓與外部環(huán)境的蒸汽壓差逐漸減小并達到平衡時，土體中水分蒸發(fā)趨于停止。試驗后期，含水率較低的土樣接近這一狀態(tài)，表現(xiàn)為裂隙特征參數(shù)變化趨于平穩(wěn)，蒸發(fā)進入殘余階段。

5.3 壓實度對裂隙發(fā)育規(guī)律影響的原因

初始含水率相同而壓實度(干密度)不同的各個土樣(體積相同)，干密度越大，土顆粒整體密度越大，平均孔徑越小。

在常速率蒸發(fā)階段，各土樣的初始含水率相同，表明單位質(zhì)量土顆粒內(nèi)可蒸發(fā)的孔隙水量相同，在相同溫度、濕度條件下的試驗箱內(nèi)，蒸發(fā)所需的外部能量和土樣表面的蒸汽壓梯度大小也相同，因此影響各土樣水分蒸發(fā)產(chǎn)生裂隙的最主要區(qū)別在于土體內(nèi)部水分向表面的遷移速率以及土骨架的強度。對于非飽和土，土樣中氣態(tài)水和液態(tài)水遷移并存；液態(tài)水僅在連續(xù)液相所占的空間中遷移，氣態(tài)水僅在連續(xù)氣相物質(zhì)所填充的孔隙里遷移[19]。在常速率階段水的遷移速率主要是受毛細作用的影響，且以液態(tài)水遷移為主[18]。而毛細水的遷移主要受孔徑大小影響，當(dāng)干密度較小時，孔隙度較大[20]，較有利于水分傳輸，因此裂隙發(fā)育速度較快，裂隙率也較大，但土骨架強度較低，下層土對表層土收縮的抑制能力較弱，故裂隙寬度相對較小；當(dāng)干密度較大時，孔隙度較小，土骨架強度較高，土粒表面結(jié)合水膜交疊，阻礙毛細水流動，不利于水分的遷移，因此裂隙率和裂隙總長相對較小，但由于土骨架強度較高，上層土抑制了表層土的收縮變形量，表面裂隙均寬反而相對較大。可見，含水率相同時，初始干密度對裂隙發(fā)育的影響較復(fù)雜，但總體而言是初始干密度越大，裂隙越難以發(fā)育。

6 結(jié) 論

本文采用數(shù)碼圖像記錄及裂隙圖像特征參數(shù)分析方法，研究了大尺寸室內(nèi)壓實膨脹土樣在不同初始含水率及壓實度條件下的裂隙發(fā)育規(guī)律，有如下初步認識：

(1)壓實膨脹土脫濕開裂過程分為3個階段：細小裂隙發(fā)育階段、主裂隙發(fā)育階段、裂隙回縮穩(wěn)定階段。

(2)初始含水率越高，膨脹土表面裂隙發(fā)育速率越快，裂隙率、裂隙總長和寬度越大，裂隙發(fā)育持續(xù)時間也越長。主要原因在于土樣干密度相同時，土體表面的蒸汽壓梯度大小對裂隙發(fā)育起控制作用，含水率越高則表面蒸汽壓梯度越大，越利于脫濕開裂。

(3)初始干密度對膨脹土裂隙發(fā)育的影響較為復(fù)雜，但總體上是初始干密度越大，裂隙越難以發(fā)育。主要原因為同樣含水率情況下，干密度越大，孔隙度則越小，土體內(nèi)部水分向表面的遷移速率越慢，裂隙率及裂隙總長越小，但因為土骨架強度越高，下層土體對表面土體收縮約束越強，故表面裂隙越寬。