原狀膨脹土干濕循環(huán)下裂隙發(fā)展規(guī)律試驗研究

趙東生，楊軍生，朱 磊，趙夢怡

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308；3.成都地鐵運營有限公司，四川成都 610000)

膨脹土強(qiáng)度不僅受含水率、干密度的影響，還受裂隙的影響，這一現(xiàn)象最初被國外學(xué)者TerzaghiK[1]發(fā)現(xiàn)，開啟了國內(nèi)外學(xué)者對膨脹土裂隙研究的大門。研究膨脹土內(nèi)部裂隙的發(fā)育，對研究因降雨形成的膨脹土淺層滑坡災(zāi)害具有十分重要的意義[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對膨脹土裂隙進(jìn)行了較為深入的研究。張家俊[3]對膨脹土干濕循環(huán)過程形成的裂隙進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明形成裂隙的關(guān)鍵因素并非含水率，而是含水率梯度。袁俊平[4]通過CT掃描研究了新鄉(xiāng)弱膨脹土重塑樣的裂隙發(fā)展，實現(xiàn)了對膨脹土重塑樣內(nèi)部裂隙的定量描述。馬佳[5]使用一套控制濕度儀器，對膨脹土裂隙形成的過程進(jìn)行了深入研究。盧再華[6]通過對重塑膨脹土裂隙進(jìn)行CT掃描，來探討膨脹土在雨水入滲和大氣蒸發(fā)條件下膨脹土裂隙的演化規(guī)律。唐朝生[7]用ImageProPlus軟件對黏土裂隙定量測量進(jìn)行了研究。朱磊[8]用Matlab等軟件對土壤表面干縮裂圖像隙進(jìn)行處理。已有研究多集中在重塑試樣的研究，本文在既有研究的基礎(chǔ)上，嘗試對原狀膨脹土表面裂隙和體裂隙隨干濕循環(huán)變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試驗過程簡介

1.1 試樣制備和基本參數(shù)

原狀膨脹土試樣取自成都龍泉某工地，土樣呈褐黃色夾灰白色條帶，為弱膨脹土，可塑，測試其基本參數(shù)(表1)。

表1 膨脹土試樣基本參數(shù) %

試驗前，將從現(xiàn)場取得的原狀膨脹土試塊用削土刀削成尺寸為20cm×20cm×20cm的試驗樣，將其放入定制的PVC模具中，表面削平后用保鮮膜覆蓋裹緊待測試。另外，由于取樣時為夏天，蒸發(fā)明顯，干濕循環(huán)試驗前取樣品一角少量膨脹土測試含水率，得其初始含水率為16.8 %。

1.2 試樣的干濕循環(huán)和表面裂隙攝影

由于干濕循環(huán)對裂隙的發(fā)展影響顯著，采用烘干和對表面噴水的方式對膨脹土原狀樣進(jìn)行干濕循環(huán)。為了更好地模擬膨脹土在自然條件下的干濕循環(huán)作用，烘干時烘箱溫度控制在40 ℃左右，每次干循環(huán)為24h，濕循環(huán)為24h。試樣一共經(jīng)歷7次干濕循環(huán)，在第二次干濕循環(huán)過程產(chǎn)生明顯裂隙。每次干濕循環(huán)結(jié)束后，對試樣表面進(jìn)行拍照。為盡量減小攝影誤差，拍照時保證光源均勻，使鏡頭與試樣表面平行，將試樣放置在固定位置，將相機(jī)架設(shè)在固定位置的支架上進(jìn)行拍照(圖1)。

圖1 原狀土樣表面裂隙攝影

1.3 試樣CT掃描

7次干濕循環(huán)后對試樣進(jìn)行CT掃描(圖2)。掃描前對試樣各個角進(jìn)行標(biāo)記，以分辨掃描方向。掃描層厚1cm，間距2cm。如圖3所示，在x、y、z三個方向上分別對試樣進(jìn)行CT掃描，其中z方向為深度方向，沿著z方向掃描，得到一系列xoy截面圖。通過三個方向的裂隙圖像相互驗證以確定試樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，研究膨脹土裂隙隨深度的發(fā)展規(guī)律。

圖2 原狀土試樣CT掃描試驗

圖3 試驗樣xyz方向示意

2 試樣表面裂隙圖像處理

圖4(a)～圖4(d)分別為第1次、第3次、第4次和第7次干濕循環(huán)后的表面裂隙照片。由圖4可以看出，試樣表面在干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生很多微裂隙，需大批量處理，因此聯(lián)合使用Matlab和MoticImagePlus等軟件進(jìn)行處理。

以第7干濕循環(huán)后的裂隙照片圖5(a)為例，介紹表面裂隙處理方法。首先用Matlab對圖片進(jìn)行灰度處理，再選定合適閾值進(jìn)行二值化，如圖5(b)所示，黑色像素為裂隙部分，二值化后的裂隙更直觀可見。接著對圖片進(jìn)行降噪處理，降噪半徑為3個像素，降噪后的圖像見圖4(c)。降噪后由MoticImagePlus自動分割，分段，自動提取裂隙像素，并計算裂隙像素占圖片總像素的比值，即裂隙度。MoticImagePlus處理后的裂隙圖片如圖5(d)所示，試樣的表面裂隙度為5.11 %。按照上述方法，處理7次干濕循環(huán)后的表面裂隙照片，即可得出干濕循環(huán)過程中試樣表面裂隙度的變化，結(jié)果見表2和圖6?？梢钥闯?，第3～5次干濕循環(huán)裂隙逐漸增多，第6～7次干濕循環(huán)裂隙幾乎沒有明顯變化。

(a)第1次干濕循環(huán)

(b)第3次干濕循環(huán)

(c)第4次干濕循環(huán)

(d)第7次干濕循環(huán)

(a)試樣裂隙

(b)二值化

(c)降噪處理

(d)計算裂隙度

表2 裂隙度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

表2和圖6表明，膨脹土試樣表面裂隙度在第一次干濕循環(huán)遞增較小，在第2～6次干濕循環(huán)裂隙度急劇增加，在第6次干濕循環(huán)后，裂隙度逐漸趨于穩(wěn)定。裂隙的產(chǎn)生受基質(zhì)吸力、熱應(yīng)力和不均勻變形等因素主導(dǎo)，當(dāng)由于吸力產(chǎn)生的水平應(yīng)力值大于其抗拉強(qiáng)度時，裂隙便產(chǎn)生了。試樣經(jīng)歷過1次干濕循環(huán)后產(chǎn)生不可恢復(fù)的收縮裂隙，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，產(chǎn)生不可恢復(fù)的收縮裂隙變多，裂隙度隨之變大，在第6次干濕循環(huán)以后裂隙變化不顯著，裂隙度也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

3 試樣CT掃描圖像處理

3.1 CT掃描圖片處理方法的確定

由于CT掃描圖像反映的是層厚范圍內(nèi)土體結(jié)構(gòu)的總體情況，當(dāng)裂隙方向與掃描面夾角較小時，可能造成裂隙變寬的現(xiàn)象。如圖7所示，假設(shè)一寬度為10mm裂隙在設(shè)置層厚為10mm的CT儀上掃描，裂隙與掃描面的夾角為30 °，則裂隙在掃描圖片上的寬度應(yīng)為20mm，而掃描圖像顯示的裂隙寬度為37.32mm。由此可見，CT圖像將厚度為10mm的薄層體積范圍內(nèi)總的裂隙情況反映在一張二維圖像中，與第2節(jié)中表面圖隙度的概念不同，不能簡單的將灰度較高的部分視為二維截面上的裂隙，因此二值化的閾值不易確定。為了與第2節(jié)的概念統(tǒng)一，便于后續(xù)裂隙的分析和處理，需根據(jù)裂隙部分的灰度和裂隙產(chǎn)狀人為甄別掃描截面方向上的二維裂隙寬度。

圖7 裂隙與掃描面夾角較小掃描面示意(單位：mm)

為了減小掃描面與裂隙夾角問題及偽影的影響，利用AutoCAD軟件來描述裂隙，處理結(jié)果如圖8所示，圖8(a)～圖8(d)為試樣3cm、9cm、15cm、19cm不同深度方向上xoy截面的CT圖，圖8(e)～圖8(h)為相應(yīng)的CAD描述圖。圖8(d)明顯出現(xiàn)了裂隙夾角和層厚的影響問題，圖像中下部的裂隙很寬，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，雖然裂隙部分相較背景的灰度高，但是其中間部位灰度更高，邊緣灰度較低，似有填充物。觀測側(cè)面裂隙CT圖表明，該條裂隙并不如圖8(d)所顯示的寬，CT圖像顯示的投影裂隙寬度比實際掃面界面上的寬度大很多。這是由于裂隙與掃描界面小角度相交造成的，故CT圖像需要人為對裂隙進(jìn)行甄別處理。雖然CAD描述裂隙時對裂隙邊界描述效果不如軟件處理效果好，但是對裂隙度計算影響不大。

(a)3cm處截面

(b)9cm處截面

(c)15cm處截面

(d)19cm處截面

(e)3cm處截面裂隙

(f)9cm處截面裂隙

(g)15cm處截面裂隙

(h)19 cm處截面裂隙

3.2 CT掃描xoy截面圖片處理及數(shù)據(jù)分析

采用CAD描述法對CT掃描圖像進(jìn)行處理，共從三個方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行了掃描，現(xiàn)對沿深度z方向的xoy截面圖像(圖8僅給出了3cm、9cm、15cm、19cm深度處的圖像)進(jìn)行分析，其余兩方向的掃描圖像作為輔助驗證。對裂隙進(jìn)行CAD描述后，計算CAD描述圖的裂隙度和主裂隙條數(shù)(表3)。繪制裂隙度隨深度的變化曲線如圖9、圖10所示。

表3 深度方向上各截面CT掃描圖的裂隙度

圖9 膨脹土試樣在深度方向上裂隙度變化趨勢

圖10 膨脹土試樣在深度方向上主裂隙數(shù)量的變化

表3和圖9、圖10表明，在深度方向0～7cm段裂隙度減小，主裂隙條數(shù)也在減少，7～14cm段裂隙度增加，主裂隙條數(shù)也是穩(wěn)中有增，14～20cm段裂隙度又開始降低，主裂隙條數(shù)也在減少。且此現(xiàn)象與汪為巍[9]在研究膨脹土裂隙三維分布特征所得到實驗結(jié)果相近，Z.B.Zhang[10]也在用CT和滲透曲線分析水稻土優(yōu)先流的過程中提及此現(xiàn)象。這可能是由于前幾次濕循環(huán)過程水流最多下滲至10cm左右，所以這個位置經(jīng)歷了全部次數(shù)的干濕循環(huán)后裂隙比較發(fā)育。在0～7cm段經(jīng)歷前幾次干濕循環(huán)后，水分開始從裂隙滲流，雖然加劇了裂隙寬度，但是對裂隙數(shù)量的影響很小，而14～20cm段只有后幾次濕循環(huán)水分才能達(dá)到這個深度，故裂隙不是很發(fā)育。

3.3 CT掃描yoz截面圖裂隙分析

為了直觀的研究裂隙在深度上的發(fā)展規(guī)律，選取x方向yoz截面CT圖像進(jìn)行研究。圖11(a)～圖11(d)分別為沿x方向7cm、9cm、11cm、13cm的CT掃描圖像。根據(jù)圖11(a)～圖11(d)將裂隙在深度方向yoz截面上的發(fā)育情況進(jìn)行總結(jié)，見表4。通過圖11(a)～圖11(d)可知試樣表面微裂隙發(fā)育深度有限，且根據(jù)在深度z方向上裂隙的發(fā)育程度可將其分為0～7cm、7～14cm、14～20cm三部分。從圖10(a)～圖10(d)可以看出，0～7cm段裂隙條數(shù)和面積從上到下呈減小的趨勢，深入7～14cm段裂隙開始增多，至14～20cm段裂隙又開始減少，與圖9、圖10反映的實驗結(jié)果相吻合。

(a)7cm處截面

(b)9cm處截面

(c)11cm處截面

(d)13cm處截面

表4 深度方向裂隙發(fā)育特征

4 裂隙的三維建模和體裂隙度的計算

4.1 裂隙三維模型的建立

根據(jù)CAD描述圖在CAD軟件中重建膨脹土原狀樣裂隙三維模型(圖12)。圖12(a)為三維樣品灰度圖像，它能更直觀反映試樣的裂隙發(fā)育情況。圖12(b)為三維試樣的二維線框圖片，它能夠更清楚反映裂隙輪廓。圖12(c)為試樣三維模型的X射線模式，它能更好反映裂隙在試樣里的分布概況和特征。由圖12可知，裂隙主要分布于試樣上部1/3范圍內(nèi)，且在表面裂隙最為發(fā)育，隨深度增加裂隙逐漸減少；進(jìn)入中部1/3范圍內(nèi)裂隙條數(shù)又開始增加，裂隙發(fā)育較好，但相對于表面裂隙發(fā)育程度較差；下部1/3范圍內(nèi)裂隙不發(fā)育。

4.2 試樣體裂隙度的確定和計算

前文中的裂隙度為試樣二維圖像中的裂隙面積與總面積的比值，可稱為面裂隙度。根據(jù)面裂隙度的概念定義體裂隙度，即土體中裂隙的體積與土體總體積之比。體裂隙度能更直觀地反映三維裂隙的發(fā)育程度，并適用于三維土體滲流等方面的研究。賦予深度方向上各裂隙平面一定厚度，計算各個層面裂隙的體積，累加后即為整個試樣裂隙的總體積。根據(jù)圖9中試樣在深度方向上的面裂隙度，計算得體裂隙度為3.47 %。為了驗證此體裂隙度的準(zhǔn)確性，通過側(cè)面yoz面CT掃描圖像裂隙，計算體裂隙度，其結(jié)果為3.61 %，與3.47 %相差0.14 %，證明了體裂隙度計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，及體裂隙度計算方法的可行性。

(a)灰度

(b)線框

(c)x射線

5 實驗結(jié)果的討論與分析

5.1 體裂隙度和面裂隙度關(guān)系

由干濕循環(huán)表面裂隙發(fā)育情況可知，表面裂隙度隨著干濕循環(huán)逐漸變大，在七次干濕循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定，約為5.11 %。

利用第7次干濕循環(huán)后的CT實驗圖像，重構(gòu)膨脹土三維數(shù)字模型，計算試樣體裂隙度約為3.47 %。通過比較可以得到，膨脹土試樣的面裂隙度大于體裂隙度，體裂隙度約為面裂隙度的0.68。5.2CT掃描方法對大塊土樣的適用性。

通過實驗可知對于膨脹土表面裂隙直接采用圖像分析軟件進(jìn)行處理，處理方法精度高，計算結(jié)果更接近實際裂隙的尺寸，并且可以處理表面微小裂隙。在CT掃描結(jié)果處理用CAD描述并結(jié)合人為甄別，其優(yōu)點是能較為準(zhǔn)確識別CT掃描照片中裂隙，避免由于偽影及裂隙和掃描面夾角較小的影響而造成的誤差，而且CT掃描結(jié)果應(yīng)予以校準(zhǔn)，取另外兩方向的掃描結(jié)果來相互驗證。

5.3 xoy截面裂隙度和裂隙條數(shù)隨深度的變化分析

通過實驗結(jié)果可知，膨脹土裂隙發(fā)展看似雜亂沒有規(guī)律，但是在深度方向上裂隙度整體在衰減，在深度0～7cm這個深度衰減速率最快，在7～14m處裂隙度反而相對增大，在14～20cm段裂隙度又開始衰減，并且衰減到一定程度后趨于穩(wěn)定。其中裂隙條數(shù)整體也是呈衰減趨勢，表面微裂隙發(fā)育，但是在深度發(fā)展有限，在試樣較深處以主裂隙為主，主裂隙條數(shù)發(fā)展趨勢是穩(wěn)中有減。

5.4 yoz面裂隙在深度方向的變化

通過CT掃描可以看出裂隙在yoz截面即裂隙在深度方向上0～7cm段裂隙條數(shù)是逐漸減小的，但在7～14cm處裂隙條數(shù)反而相對增加，在14～20cm裂隙條數(shù)又是逐漸減小。并且在yoz截面上主裂隙發(fā)育方向主要為135 °方向，小裂隙發(fā)育方向主要為近水平至45 °方向。

6 結(jié)論

(1)通過試驗初步探索了膨脹土體裂隙度和面裂隙度的關(guān)系，為通過膨脹土表面裂隙來評估膨脹土內(nèi)部裂隙發(fā)展提供了路徑。

(2)試驗結(jié)果表明：醫(yī)用CT機(jī)可以獲得20cm×20cm×20cm土樣的CT圖像，通過對數(shù)字圖像的適當(dāng)修正，可以滿足裂隙研究的需要。

(3)實驗結(jié)果表明：原狀膨脹土試樣裂隙隨著深度的增加逐漸減??；面裂隙度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。

(4)實驗結(jié)果表明：通過7次干濕循環(huán)，試樣體裂隙度約為3.47 %，面裂隙度為5.11 %。膨脹土試樣的面裂隙度大于體裂隙度，體裂隙度約為面裂隙度的0.68。但本文僅對一個原狀土樣進(jìn)行了測試，所得到的體裂隙度和面裂隙度的關(guān)系具有一定局限性，還有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

致謝：在CT掃描實驗過程中，感謝中國人民解放軍后勤工程學(xué)院陳正漢教授為實驗提供CT掃描實驗室并臨試驗室進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。