干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律及影響因素

譚 波, 徐 良, 2, 倪秋奕, 潘政安, 李亞奇

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院; b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004;2.海安市城建開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226000;3.廣西師范大學(xué) 教育學(xué)部, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

在膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn), 有中、弱膨脹土的邊坡比有強(qiáng)膨脹土的邊坡破壞更為嚴(yán)重的情況, 這往往與膨脹土裂隙發(fā)育密切相關(guān)[1]。當(dāng)中、弱膨脹土邊坡裂隙發(fā)育程度大于強(qiáng)膨脹土, 或者裂隙發(fā)育深度更深形成較大滑面時(shí), 則導(dǎo)致更為嚴(yán)重的邊坡滑塌現(xiàn)象, 說(shuō)明膨脹土邊坡滑塌的危害性與裂隙發(fā)育更為緊密, 而有時(shí)膨脹土脹縮強(qiáng)弱等級(jí)與裂隙發(fā)育程度并不一致[2]。因此, 研究膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律及控制因素很有必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)膨脹土裂隙發(fā)育展開(kāi)了大量的研究[3-9]。殷宗澤等[10]認(rèn)為, 裂隙發(fā)育是膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要原因, 其失穩(wěn)機(jī)理在于, 膨脹土在經(jīng)歷干濕循環(huán)后裂隙發(fā)育, 降低了土體強(qiáng)度; 許錫昌等[11]認(rèn)為環(huán)境溫度是影響膨脹土開(kāi)裂的外部因素之一, 初始含水率和干密度是影響膨脹土開(kāi)裂的重要內(nèi)部因素; 冷挺等[12]認(rèn)為干濕循環(huán)次數(shù)和含水率是膨脹土裂隙發(fā)育的主要影響因素; 劉平等[13]考慮溫度、蒸發(fā)速率、鹽分等因素的影響, 從微觀(guān)角度研究和探索土的干縮開(kāi)裂機(jī)理; Dixon等[14]認(rèn)為由于受核廢料衰變過(guò)程中產(chǎn)生的熱量影響, 在一定區(qū)域中會(huì)形成溫度梯度, 造成水分運(yùn)移, 從而造成膨潤(rùn)土的不均勻干縮甚至開(kāi)裂; 李國(guó)維等[15]認(rèn)為膨脹土裂隙沿深度方向的開(kāi)裂速率與大氣溫度和大氣濕度分別呈現(xiàn)正、負(fù)相關(guān)關(guān)系; 李彥龍等[16]認(rèn)為增大壓實(shí)度能有效地抑制裂隙在長(zhǎng)度和寬度上的開(kāi)展并減少裂隙條數(shù), 尤其是對(duì)具有中、高自由膨脹率的膨脹土, 進(jìn)而有效地降低表面裂隙率; 趙艷林等[17]認(rèn)為除縮限外, 其余脹縮性指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加發(fā)生衰減; 董東等[18]認(rèn)為, 裂隙發(fā)育影響膨脹土的強(qiáng)度, 裂隙發(fā)育的膨脹土抗拉強(qiáng)度低于裂隙不易發(fā)育的膨脹土的抗拉強(qiáng)度; 董晉鵬等[19]認(rèn)為,無(wú)論試樣裂隙充填與否,其抗拉強(qiáng)度都受裂隙傾角的影響, 隨著裂隙傾角的增加, 充填與非充填試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。上述大多是基于一種土樣進(jìn)行研究, 很少有對(duì)幾種土樣進(jìn)行對(duì)比研究，這樣就難以解釋膨脹土脹縮強(qiáng)弱等級(jí)與裂隙發(fā)育程度不一致的現(xiàn)象, 使得預(yù)測(cè)膨脹土邊坡滑塌程度的問(wèn)題缺乏理論指導(dǎo)和依據(jù)。

本文以廣西寧明灰黑色膨脹土、寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土4種典型膨脹土為研究對(duì)象, 通過(guò)開(kāi)展干濕循環(huán)下的裂隙發(fā)育試驗(yàn), 采用CT掃描、圖像數(shù)字處理等技術(shù)手段, 并結(jié)合土性指標(biāo)分析、土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析、宏觀(guān)力學(xué)指標(biāo)分析, 探索膨脹土裂隙發(fā)育的影響和控制因素, 從不同的角度揭示膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律, 以期為今后膨脹土工程判別方法中合理考慮土體裂隙性提供參考依據(jù)。

1 裂隙觀(guān)測(cè)試驗(yàn)與定量描述

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土樣分別取自南友高速公路寧明出口支線(xiàn)的寧明灰黑色膨脹土和灰白色膨脹土，南寧外環(huán)線(xiàn)五塘鎮(zhèn)的K20+200—K29+700路段南寧膨脹土，以及隆百高速公路四塘互通百色膨脹土。4種土樣基本土性見(jiàn)表1[2]，對(duì)比其膨脹勢(shì): 百色膨脹土>南寧膨脹土>寧明灰白色膨脹土>寧明灰黑色膨脹土。

表1 試驗(yàn)膨脹土的基本土性

1.2 干濕循環(huán)條件下的裂隙發(fā)育試驗(yàn)

土樣經(jīng)風(fēng)干碾碎后過(guò)2 mm篩, 初始含水率控制為10%, 干密度控制為1.55 g/cm3, 制備10份三軸試樣, 其底面積為61.8 mm2, 高度為125 mm。采用室內(nèi)方法對(duì)試樣進(jìn)行增濕與脫濕, 用抽氣法進(jìn)行飽和增濕, 增濕過(guò)程為12 h，然后將其置于恒溫恒濕箱(溫度105 ℃，濕度65%)中進(jìn)行風(fēng)干脫濕，由于試樣24 h脫濕后裂隙發(fā)育達(dá)到穩(wěn)定, 故設(shè)置脫濕時(shí)間為24 h。從試樣的飽和增濕至風(fēng)干脫濕為1次干濕循環(huán), 對(duì)1次干濕循環(huán)后的試樣再抽氣飽和再失水即為2次干濕循環(huán), 依此類(lèi)推?？紤]到土體在自然條件下經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后一般會(huì)開(kāi)裂破碎, 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，共進(jìn)行5次無(wú)約束條件下的干濕循環(huán)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)觀(guān)測(cè)土體隨干濕循環(huán)次數(shù)的裂隙發(fā)育規(guī)律。本次試驗(yàn)的缺陷在于：4種土樣在相同的控制環(huán)境下進(jìn)行干濕變化, 由于土性的差異, 每種土樣的水分變化是不一樣的，而裂隙發(fā)育程度與水分變化之間是相關(guān)的[4]。因此, 本次試驗(yàn)對(duì)于裂隙發(fā)育程度的判斷是僅基于相同環(huán)境變化條件, 并非基于含水率變化條件，該試驗(yàn)方法評(píng)判出來(lái)的發(fā)育程度與工程實(shí)際更為接近, 可作為參考依據(jù)。

1.3 CT掃描試驗(yàn)

使用桂林市某醫(yī)院放射科亞螺旋CT掃描儀(圖1)對(duì)每次風(fēng)干脫濕后的三軸試樣進(jìn)行橫向斷面掃描, 獲得內(nèi)部裂隙發(fā)育圖像。其分辨率為1 μm, 觀(guān)測(cè)精度為5 μm, 掃描斷面間距為2.5 mm, 每個(gè)試樣每次共獲得20張CT縱斷面圖像。

圖1 亞螺旋CT掃描儀

1.4 裂隙定量描述

裂隙定量描述的目的是尋找合適的指標(biāo)用以描述裂隙發(fā)育的幾何特征。目前, 以平面裂隙率作為膨脹土裂隙發(fā)育量化指標(biāo)的應(yīng)用較為普遍,不少學(xué)者已通過(guò)數(shù)碼相機(jī)高清拍照觀(guān)測(cè)和計(jì)算機(jī)圖像數(shù)字化處理技術(shù)來(lái)獲取膨脹土裂隙率指標(biāo)[20]，但平面裂隙率不能描述裂隙向土體內(nèi)部的發(fā)育情況。因此, 本文提出基于CT掃描技術(shù)下的體積裂隙率

式中:Pv為體積裂隙率;vi為每條裂隙所占的體積;V為試樣的總體積。由于很難實(shí)現(xiàn)非常精準(zhǔn)的測(cè)量, 可通過(guò)平面裂隙近似得到體積裂隙率, 提出以下近似計(jì)算公式

式中：δi為斷面裂隙率;hi為斷面間距。斷面間距越小, 計(jì)算結(jié)果越接近于裂隙體積與總體積的比, 而斷面裂隙率可通過(guò)CT掃描所獲得的斷面裂隙圖像并借助MATLAB圖像處理功能計(jì)算分析得到, 處理流程見(jiàn)圖2?？梢?jiàn), 以體積裂隙率作為裂隙定量描述指標(biāo)較以往的平面裂隙率更加全面。

圖2 斷面裂隙率計(jì)算程序圖

2 膨脹土裂隙發(fā)育試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)CT掃描獲得寧明灰黑色膨脹土、寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土和百色膨脹土4種土樣在歷經(jīng)不同干濕循環(huán)條件下的斷面裂隙圖像(圖3～6,掃描間距2.5 mm,其中CT縱斷面掃描圖像均為中間斷面),試樣的體積裂隙率數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到圖7。

圖3 寧明灰黑膨脹土不同干濕循環(huán)條件下裂隙發(fā)展

圖4 寧明灰白膨脹土不同干濕循環(huán)條件下裂隙發(fā)展

圖5 南寧膨脹土不同干濕循環(huán)條件下裂隙發(fā)展

圖6 百色膨脹土不同干濕循環(huán)條件下裂隙發(fā)展

圖7 膨脹土不同干濕循環(huán)下的體積裂隙率

寧明灰黑膨脹土、寧明灰白膨脹土、百色膨脹土干濕循環(huán)下的體積裂隙率均隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈增大的趨勢(shì), 南寧膨脹土除第4次干濕循環(huán)過(guò)程中的體積裂隙率偏小外, 整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。4種膨脹土干濕循環(huán)下的體積裂隙率大小比較為: 寧明灰黑膨脹土>百色膨脹土>南寧膨脹土>寧明灰白膨脹土, 而對(duì)比4種膨脹土的基本土性(表1), 膨脹勢(shì)比較為: 百色膨脹土>南寧膨脹土>寧明灰白膨脹土>寧明灰黑膨脹土, 其中, 寧明灰黑膨脹土為弱膨脹土, 體積裂隙率卻較其他3種膨脹土大, 與膨脹勢(shì)越大裂隙越發(fā)育的結(jié)論不完全一致, 說(shuō)明膨脹勢(shì)反映膨脹土裂隙發(fā)育程度是不全面的, 膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律可能與其他影響因素有關(guān)。

3 膨脹土裂隙發(fā)育影響因素分析

3.1 基本土性指標(biāo)及物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

從描述土性的基本指標(biāo)、顆粒組成、礦物成分以及物理-化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)來(lái)分析與裂隙發(fā)育程度的相關(guān)規(guī)律。目前所用到的描述膨脹土的基本土性指標(biāo), 描述脹縮變形的如比表面積、體積收縮率、自由膨脹率指標(biāo), 描述膨脹土的物理-化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如蒙脫石含量可能與裂隙發(fā)育程度無(wú)明顯相關(guān)性。寧明灰黑色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著比表面積的增大而減小, 但寧明灰白色膨脹土無(wú)此規(guī)律。寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著體積收縮的增大而減小, 但寧明灰黑色膨脹土無(wú)此規(guī)律。寧明灰白色膨脹土、寧明灰黑色膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著自由膨脹率的增大而增大, 但南寧膨脹土無(wú)此規(guī)律。寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著蒙脫石的增大而減小, 但寧明灰黑色膨脹土無(wú)此規(guī)律。

3.2 微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征

微觀(guān)物質(zhì)成分與微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征是巖土內(nèi)在的固有屬性, 是控制膨脹土特殊工程性質(zhì)的決定性因素, 與脹縮特性有著密切關(guān)系。根據(jù)譚羅榮等[21]對(duì)膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征與工程、力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系的研究, 本文針對(duì)上述4種重塑膨脹土試樣進(jìn)行了電鏡掃描，結(jié)果如圖8所示, 并通過(guò)分析其微觀(guān)結(jié)構(gòu)形態(tài)與特征, 探尋微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征與裂隙發(fā)育的規(guī)律。各類(lèi)膨脹土電鏡圖像的微觀(guān)結(jié)構(gòu)形態(tài)與特征分析見(jiàn)表2。

表2 膨脹土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)形態(tài)及特征

圖8 膨脹土掃描電鏡圖

3.3 抗拉強(qiáng)度指標(biāo)

通常情況下土體的抗拉強(qiáng)度比較小, 實(shí)際工程中很少涉及, 但對(duì)于膨脹土而言, 該指標(biāo)對(duì)于控制裂隙發(fā)育具有十分重要的意義。目前, 土體抗拉強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)試存在一定困難, 也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于測(cè)試土體抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)儀器。本文采用劈裂試驗(yàn)進(jìn)行4種膨脹土抗拉強(qiáng)度測(cè)試, 考慮到土體含水率對(duì)其強(qiáng)度的影響, 將4種土樣按初始含水率為10%、干密度為1.55 g/cm3擊實(shí)制樣, 制樣圓柱體底面積為63.5 mm2, 高度為101 mm。劈裂試驗(yàn)在自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀上進(jìn)行, 加載速率為50 mm/min, 測(cè)定精密度為10 N, 試樣以恒定的速率加載直至破壞。土體抗拉強(qiáng)度σt為

σt=2P/(πhd),

式中:P為徑向所施加的最大荷載,h、d分別為圓柱體試樣的高度和直徑。每組4個(gè)試樣, 按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)要求處理誤差, 結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 膨脹土抗拉強(qiáng)度與體積裂隙率的關(guān)系

土體含水率過(guò)高或過(guò)低時(shí), 其抗拉強(qiáng)度值很低，影響測(cè)試精度, 故試樣含水率可在10%～18%內(nèi)選取[18]。本次試驗(yàn)采用土樣含水率為10%，基本位于4種土的縮限附近, 可代表脫水后土體的最終狀態(tài), 因而考察10%含水率下4種土的抗拉強(qiáng)度與膨脹土的裂隙發(fā)育程度的關(guān)系，得到的規(guī)律見(jiàn)圖9。

圖9 不同干濕循環(huán)次數(shù)的膨脹土抗拉強(qiáng)度與體積裂隙率的關(guān)系

第1和第5次干濕循環(huán)下膨脹土裂隙發(fā)育可分別代表裂隙的初始開(kāi)裂程度和最終開(kāi)裂程度。可見(jiàn)，寧明灰黑膨脹土抗拉強(qiáng)度小, 體積裂隙率最大, 裂隙發(fā)育程度大; 寧明灰白膨脹土抗拉強(qiáng)度大, 體積裂隙率最小, 裂隙發(fā)育程度小, 說(shuō)明重塑膨脹土抗拉強(qiáng)度與裂隙發(fā)育程度有較好的相關(guān)性。體積裂隙率Pv與膨脹土的抗拉強(qiáng)度σt呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系, 即

Pv=Elnσt+F,

其中:E、F為試驗(yàn)參數(shù)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)廣西4種典型膨脹土進(jìn)行干濕循環(huán)條件下的裂隙發(fā)育試驗(yàn), 通過(guò)裂隙觀(guān)測(cè)與定量描述方法, 對(duì)比4種膨脹土裂隙發(fā)育程度與脹縮強(qiáng)弱等級(jí)有不完全一致的現(xiàn)象, 并結(jié)合土性指標(biāo)、土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)、宏觀(guān)力學(xué)指標(biāo)分析研究膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律和影響控制因素, 得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)觀(guān)測(cè)膨脹土干濕循環(huán)下的裂隙發(fā)育, 并提出體積裂隙率作為量化指標(biāo), 定量描述膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律。在干濕循環(huán)作用下, 4種膨脹土體積裂隙率均隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增加, 比表面積、體積收縮、自由膨脹率、蒙脫石含量等指標(biāo)與膨脹土脹縮強(qiáng)弱程度有關(guān)。

(2)膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征是裂隙發(fā)育的重要影響因素, 不同的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征裂隙發(fā)育程度有所不同, 閉式絮凝狀結(jié)構(gòu)的裂隙發(fā)育程度最大。

(3)重塑膨脹土宏觀(guān)抗拉強(qiáng)度與裂隙發(fā)育程度呈良好的相關(guān)性, 抗拉強(qiáng)度大, 裂隙發(fā)育程度小, 較低含水率(10%)下的抗拉強(qiáng)度與干濕循環(huán)試驗(yàn)下得到的初次裂隙率和最終裂隙率均呈較好的對(duì)數(shù)關(guān)系:Pv=Elnσt+F, 可為今后膨脹土裂隙發(fā)育程度的預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

本文從不同角度揭示了膨脹土變形規(guī)律, 但關(guān)于裂隙發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理仍需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。