桂林重塑紅粘土裂隙發(fā)育特性研究

張炳暉，劉 磊，劉寶臣，曾慶建，謝艷華，曹賢發(fā)

(1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；4.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

紅粘土在我國(guó)南方地區(qū)大面積分布，被作為路基常規(guī)填筑材料。在南方亞熱氣候降雨和高溫交替形成的干濕循環(huán)環(huán)境中，會(huì)顯著影響壓實(shí)粘土的開(kāi)裂程度[1]。干濕循環(huán)下，壓實(shí)粘土干燥裂縫的面積率、長(zhǎng)度與寬度會(huì)隨含水率變化[2]。紅粘土裂隙的存在增大了土體的失水幾率，隨著失水量的增大，紅粘土裂隙率呈逐漸增加的趨勢(shì)[3]，而微小裂隙就可以使粘土路基滲透系數(shù)增加10倍以上，稍大裂隙能使路基滲透系數(shù)提高100倍以上[4]，顯著降低了土體的抗?jié)B性能，加劇了雨水的入滲，使土體強(qiáng)度顯著降低[5- 6]。因此，紅粘土對(duì)環(huán)境的濕、熱變化非常敏感，作為路基填料時(shí)，普遍存在路基沉陷、縱裂、淺層滑塌等病害[7]，造成了巨大的危害和損失。深入研究重塑紅粘土在干濕循環(huán)條件下的裂隙特性，對(duì)解決紅粘土地區(qū)道路病害問(wèn)題極為必要。

我國(guó)研究人員在紅粘土的脹縮性、水理性、裂隙性等方面取得了較多成果和突破，而對(duì)重塑紅粘土在干濕循環(huán)作用下的裂隙發(fā)育特性有待進(jìn)一步研究。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以桂林地區(qū)重塑紅粘土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合裂隙分形特征，探究了桂林重塑紅粘土在干濕循環(huán)條件下的裂隙發(fā)育特性。

1 干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土

紅粘土試驗(yàn)用土取自桂林市區(qū)，為典型紅褐色碳酸鹽巖殘坡積土。對(duì)試驗(yàn)用土進(jìn)行了土的顆粒比重試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)用土的物理性質(zhì)指標(biāo)，見(jiàn)表1。原狀土含水率35%，密度1.85 g/cm3。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

結(jié)合本地工程實(shí)例，本試驗(yàn)分別選取最優(yōu)含水率28%及28%±3%為初始含水率ω，分別選取最大干密度ρd為1.35、1.40 g/cm3和1.45 g/cm3。將取回土樣風(fēng)干碾碎處理后過(guò)2 mm篩，制備含水率分別為25%、28%、31%的土料，密封養(yǎng)護(hù)24 h后，采用靜力壓樣法制備干密度分別為1.35、1.40 g/cm3和1.45 g/cm3，直徑為6.18 cm、高為2 cm的重塑環(huán)刀試樣，每組試樣6個(gè)，共9組，制完后置于恒溫保濕箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)保存。

1.3 干濕循環(huán)試驗(yàn)

取出恒溫保濕箱內(nèi)完好試樣，將其置于105 ℃烘箱脫濕，烘干時(shí)間控制在8 h，直至試樣含水率達(dá)到10%后，停止脫濕，對(duì)脫濕后試樣進(jìn)行定點(diǎn)拍攝，獲取裂隙數(shù)字圖像。為避免人為操作誤差，固定每次裂隙圖像的拍攝位置、距離、拍攝角度，并遮擋外界光源。拍攝完成后，將試樣放入飽和器，抽氣時(shí)間2 h，加水飽和24 h，飽和完成以備下一循環(huán)烘干脫濕裂隙圖像拍照。本試驗(yàn)共進(jìn)行5次干濕循環(huán)。

2 試驗(yàn)成果分析方法

2.1 裂隙圖像處理方法

在裂隙圖像處理方面，徐彬[8]等采用數(shù)字圖像進(jìn)行研究；李雄威[9]等將裂隙圖像二值化處理后進(jìn)行研究。本試驗(yàn)將裂隙圖像通過(guò)直方圖閾值法轉(zhuǎn)化為二值圖像，轉(zhuǎn)化過(guò)程中受到圖像噪聲的影響，會(huì)產(chǎn)生分布于全圖的雜點(diǎn)，雜點(diǎn)影響裂隙參數(shù)統(tǒng)計(jì)的精確度，通過(guò)面積篩選等手段去除二值圖像中全局部分的雜點(diǎn)形成去雜后裂隙圖像[10]，消除裂隙圖像中的細(xì)小毛刺并進(jìn)行骨骼化處理[11]，最終得到裂隙骨骼圖像進(jìn)行研究。裂隙圖像處理過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 裂隙圖像處理過(guò)程

2.2 裂隙指標(biāo)分析方法

本次重塑紅粘土裂隙發(fā)育特性研究主要選取裂隙率、分形維數(shù)、裂隙總長(zhǎng)度以及裂隙平均寬度等指標(biāo)，選取像素單位px作為裂隙面積、長(zhǎng)度單位。

(1)裂隙率。裂隙率計(jì)算公式如下

(1)

式中，δf為裂隙率；Ai為第i條裂隙的面積；A為總面積。

(2) 裂隙分形維數(shù)。土體裂隙分布符合分形特征[12]，裂隙分形維數(shù)體現(xiàn)了裂隙的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大，裂隙越復(fù)雜。目前，對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)分形特征多采用盒維法的分形方法進(jìn)行研究[13-14]。本文采用差分盒維數(shù)對(duì)裂隙圖像進(jìn)行二值化處理。在Matlab環(huán)境中，通過(guò)編寫(xiě)程序構(gòu)造像素盒子覆蓋裂隙，統(tǒng)計(jì)像素盒子的數(shù)量得到盒維數(shù)Nδ(F)，繪制lnNδ(F)-lnδ的散點(diǎn)圖(δ為盒邊長(zhǎng))，并采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程的斜率即分形維數(shù)D，公式如下

(2)

式中，F(xiàn)為n維實(shí)數(shù)空間上總體試驗(yàn)樣品統(tǒng)計(jì)量Rn上任意非零有界數(shù)集。

(3)裂隙總長(zhǎng)度。利用Matlab軟件對(duì)裂隙圖像進(jìn)行骨骼化處理，得到單像素寬度的裂隙骨骼，并消除骨骼圖像中存在的細(xì)小毛刺，得到裂隙總長(zhǎng)度。

(4)裂隙平均寬度。裂隙平均寬度W體現(xiàn)了裂隙張開(kāi)的程度，為裂隙面積A與裂隙長(zhǎng)度L之比。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 裂隙率變化

桂林重塑紅粘土試樣第1次干濕循環(huán)后無(wú)明顯表面裂隙，從第2次干濕循環(huán)開(kāi)始裂隙發(fā)育逐漸明顯，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，裂隙率也隨之增大。裂隙的產(chǎn)生屬于張拉破壞，在第2次干濕循環(huán)中裂隙產(chǎn)生后，平行于裂隙方向的應(yīng)變能繼續(xù)積聚，垂直于裂隙方向的應(yīng)變能得到釋放，當(dāng)張拉應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)超過(guò)土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，土體表面會(huì)在干濕循環(huán)過(guò)程中重復(fù)此過(guò)程直到裂隙發(fā)育達(dá)到穩(wěn)定。這一過(guò)程中土體的裂隙部分加劇了水分流通，張拉應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展也更為快速且劇烈[15]，導(dǎo)致裂隙率大幅增長(zhǎng)。

干濕循環(huán)下試樣裂隙率變化見(jiàn)圖2。從圖2可知，5次干濕循環(huán)過(guò)程中，所有試樣的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，隨初始含水率的增加而減小。其中，初始含水率ω為25%、28%的試樣裂隙率增長(zhǎng)較大，且都存在大幅度增長(zhǎng)階段；初始干密度ρ為1.35 g/cm3和1.40 g/cm3的試樣在第2次和第3次干濕循環(huán)裂隙率增長(zhǎng)較快，2次的平均增長(zhǎng)速率在36.4%～39.4%之間，在第3次裂隙率達(dá)到72.8%～78.8%之間，第4次達(dá)到92.9%～94.9%之間，之后裂隙發(fā)育逐漸趨于穩(wěn)定；初始干密度ρ為1.45 g/cm3的試樣正好與初始干密度ρ為1.35 g/cm3和1.40 g/cm3的試樣表現(xiàn)相反，在第2次和第3次干濕循環(huán)裂隙率增長(zhǎng)緩慢，增長(zhǎng)速率在16.8%以下，而在第4次到第5次干濕循環(huán)裂隙率增長(zhǎng)速度加快，2次的平均增長(zhǎng)速率在37.4%～38.3%之間，在第4次裂隙率達(dá)到63.2%～64.6%之間，在這個(gè)階段裂隙得到充分發(fā)育，并有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，只是試樣邊緣已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)水解現(xiàn)象，給裂隙的統(tǒng)計(jì)帶來(lái)較大的誤差，因此結(jié)束試驗(yàn)。

從圖2還可以看出，初始含水率ω為25%、28%的試樣裂隙率隨試樣干密度的增大，最終裂隙率減小，但初始含水率ω為31%的試樣表現(xiàn)并不明顯。出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因?yàn)殡S土樣的干密度的提高，壓實(shí)度變大，孔隙率減小，加濕過(guò)程中，僅少量水分進(jìn)入土體內(nèi)部。脫濕過(guò)程中，由土體含水率梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力小，土體裂隙發(fā)育減弱[16]。此外，土體干密度大，其粘聚力相應(yīng)增大，土體也不易開(kāi)裂?？梢哉J(rèn)為，提高土體的壓實(shí)度可以有效減少土體的開(kāi)裂。

采集該養(yǎng)殖場(chǎng)病死雞的病料組織，進(jìn)行細(xì)菌學(xué)診斷，常規(guī)染色鏡檢沒(méi)有發(fā)現(xiàn)致病菌存在。將病料粉碎處理接種到常見(jiàn)的幾種培養(yǎng)基上，也沒(méi)有出現(xiàn)致病菌生長(zhǎng)。采集上述病死雞5份法氏囊病變組織，將其粉碎后，充分研磨，向其中加入適量生理鹽水，經(jīng)過(guò)2 000國(guó)際單位的青霉素和鏈霉素處理后，離心處理15 min，取上層清液，作為待檢抗原，與法氏囊標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)性血清做瓊脂擴(kuò)散試驗(yàn)[2]，將制備好的平皿加蓋放置于濕盒中37 ℃反應(yīng)48 h，作用48 h后，在陰性對(duì)照組和陽(yáng)性對(duì)照組合格的前提下，抗原孔和抗體孔前出現(xiàn)一條清晰的沉淀線。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室診斷結(jié)果最終確診為雞傳染性法氏囊病。

圖2 干濕循環(huán)下裂隙率變化

3.2 裂隙分形維數(shù)變化

為便于分析比較，曲線圖縱坐標(biāo)起點(diǎn)設(shè)為1.0，橫坐標(biāo)初始值為第2次干濕循環(huán)。桂林重塑紅粘土試樣干濕循環(huán)下裂隙分形維數(shù)變化見(jiàn)圖3。從圖3可知，試樣裂隙分形維數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，隨干密度ρ和初始含水率ω的增大而減小。第1次干濕循環(huán)中，試樣未出現(xiàn)裂隙，裂隙分形維數(shù)為0；第2次干濕循環(huán)中，裂隙初步產(chǎn)生并逐步擴(kuò)展，但此次干濕循環(huán)裂隙分形維發(fā)展幅度極大，數(shù)值已均超出1.0，速度極快，已發(fā)展至87.7%～98.0%，此現(xiàn)象主要由分形維數(shù)定義導(dǎo)致，表明裂隙開(kāi)始產(chǎn)生；而在第3次至5次干濕循環(huán)中，裂隙分形維數(shù)繼續(xù)升高，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 干濕循環(huán)下裂隙分形維數(shù)變化

對(duì)比分析干濕循環(huán)下裂隙分形維數(shù)變化和裂隙率變化表明，同一初始含水率、初始干密度的試樣，從第2次干濕循環(huán)開(kāi)始直至第5次干濕循環(huán)結(jié)束，整個(gè)過(guò)程中，分形維數(shù)的變化和裂隙率的變化自第2次干濕循環(huán)裂隙產(chǎn)生開(kāi)始就十分相似和接近。對(duì)裂隙率和裂隙分形維數(shù)進(jìn)行PEARSON相關(guān)性分析，得到兩者PEARSON相關(guān)系數(shù)為0.992，說(shuō)明兩者存在明顯的相關(guān)性，即從第2次干濕循環(huán)開(kāi)始，隨裂隙率增加裂隙分形維數(shù)增大，試樣表面裂隙分布的復(fù)雜程度也同步增加，且兩者增長(zhǎng)幅度相似。

3.3 裂隙總長(zhǎng)度變化

干濕循環(huán)下試樣裂隙總長(zhǎng)度變化見(jiàn)圖4。從圖4可知，在本試驗(yàn)選取的干密度及初始含水率范圍內(nèi)，試樣的裂隙總長(zhǎng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，部分試樣的裂隙總長(zhǎng)度在某次干濕循環(huán)過(guò)程存在大幅上升現(xiàn)象，其原因是由于裂隙區(qū)域的張拉應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展速度快且比較劇烈。相同干密度、初始含水率為31%的試樣，其土體的張拉應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度較難突破抗拉強(qiáng)度，裂隙總長(zhǎng)度增長(zhǎng)最小?？傮w上，裂隙總長(zhǎng)度與初始含水率及干密度之間未表現(xiàn)出整體性規(guī)律，但大致規(guī)律可以分為3種：

(1)在干濕循環(huán)過(guò)程中，裂隙總長(zhǎng)度表現(xiàn)為前期迅速增加，后期逐漸趨向平穩(wěn)，表明裂隙在前幾次干濕循環(huán)過(guò)程已經(jīng)基本發(fā)育完全，在后期干濕循環(huán)中基本無(wú)新裂隙出現(xiàn)，裂隙面積的增大僅體現(xiàn)在裂隙寬度和深度方向。這種變化規(guī)律集中體現(xiàn)在初始含水率低于或等于最優(yōu)含水率的試樣，包括干密度ρ=1.35 g/cm3，初始含水率ω=25%、28%的試樣；ρ=1.40 g/cm3，ω=25%、28%的試樣；ρ=1.45 g/cm3，ω= 25%、28%的試樣。

(2)在干濕循環(huán)過(guò)程中，裂隙總長(zhǎng)度增長(zhǎng)幅度很小，后期存在稍大長(zhǎng)幅，表明裂隙在前幾次干濕循環(huán)中發(fā)育不明顯，在觀測(cè)圖中為很淺的細(xì)短裂隙，在后期干濕循環(huán)中裂隙總長(zhǎng)度有稍大增長(zhǎng)，裂隙面積增大。這種變化規(guī)律體現(xiàn)在較低的干密度且初始含水率大于最優(yōu)含水率的試樣，如ρ=1.35 g/cm3、ω=31%和ρ=1.40 g/cm3、ω=31%的試樣。

(3)在整個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，裂隙總長(zhǎng)度增長(zhǎng)不明顯，僅在第2次干濕循環(huán)中，試樣產(chǎn)生了裂隙，但在隨后的干濕循環(huán)中，裂隙長(zhǎng)度增長(zhǎng)甚微。這種變化規(guī)律體現(xiàn)在較高的干密度且初始含水率大于最優(yōu)含水率的試樣，如ρ=1.45 g/cm3、ω=31%的試樣。

圖4 干濕循環(huán)下裂隙總長(zhǎng)度變化

3.4 裂隙平均寬度變化

干濕循環(huán)下試樣裂隙平均寬度變化見(jiàn)圖5。從圖5可知，全部試樣在第1次干濕循過(guò)程中未出現(xiàn)裂隙，在第2次干濕循環(huán)中，除ρ=1.45 g/cm3、ω=8%試樣外，其他試樣均裂隙平均寬度增長(zhǎng)速度最快，增長(zhǎng)幅度最大。其中，ρ=1.40 g/cm3、ω=28%試樣和ρ=1.45 g/cm3、ω=25%試樣裂隙平均寬度出現(xiàn)峰值。在第3至第5次干濕循環(huán)中，試樣均出現(xiàn)裂隙平均寬度減小的現(xiàn)象，其主要原因?yàn)槲⒘芽p發(fā)育所致[17]?？傮w上，在本試驗(yàn)選取的干密度及初始含水率范圍內(nèi)，裂隙平均寬度與初始含水率及干密度之間未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性。

圖5 干濕循環(huán)下裂隙平均寬度變化

4 結(jié) 論

本文對(duì)干濕循環(huán)作用下桂林重塑紅粘土的裂隙發(fā)育特性進(jìn)行研究，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，選取裂隙率、分形維數(shù)、裂隙總長(zhǎng)度及裂隙平均寬度等指標(biāo)展開(kāi)研究分析，得出結(jié)論如下：

(1)在第1次干濕循環(huán)過(guò)程中，試樣僅環(huán)向收縮，裂隙于第2次干濕循環(huán)出現(xiàn)。整體上，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面裂隙發(fā)育，裂隙率、分形維數(shù)、裂隙總長(zhǎng)度增大，而裂隙平均寬度發(fā)展無(wú)明顯規(guī)律，在干濕循環(huán)過(guò)程中存在增大后減小的現(xiàn)象。

(2)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣裂隙率隨初始含水率的增加而減小，分形維數(shù)隨干密度和初始含水率增大而減小，而裂隙總長(zhǎng)度、裂隙平均寬度與初始含水率、干密度之間未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

(3)試樣的裂隙率、分形維數(shù)隨干密度及初始含水率增加而降低，且在循環(huán)過(guò)程中干密度較高的試樣較晚出現(xiàn)裂隙率大幅增長(zhǎng)，說(shuō)明在試驗(yàn)干密度和含水率范圍內(nèi)，通過(guò)提高土體的壓實(shí)度可有效減少紅粘土的開(kāi)裂。當(dāng)含水率超過(guò)土體最優(yōu)含水率達(dá)到31%時(shí)，表面裂隙發(fā)育不顯著，降低裂隙效果較明顯。

(4)裂隙率及分形維數(shù)較好的反映了裂隙發(fā)育情況，從第2次干濕循環(huán)開(kāi)始直至第5次干濕循環(huán)結(jié)束，兩者之間具有較好的相關(guān)性，PEARSON相關(guān)系數(shù)為0.992，可以考慮用分形維數(shù)的大小來(lái)衡量試樣表面裂隙分布的復(fù)雜程度。