膨脹土裂隙演化規(guī)律及摻砂改良效果試驗(yàn)研究*

張繼偉， 汪時(shí)機(jī)，2， 駱趙剛

1. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院， 重慶 400715；2. 重慶市建筑物全生命周期健康檢測(cè)與災(zāi)害防治工程研究中心， 重慶 408100

膨脹土是一種以親水性蒙脫石為主要礦物成分的特殊黏性土， 具有顯著的脹縮性、 超固結(jié)性和裂隙性[1]． 膨脹土自身特殊的工程特性加上外界氣候條件的變化， 使其在天然狀態(tài)下往往存在著大量雜亂無(wú)章的裂隙網(wǎng)絡(luò)[2]． 無(wú)論是裂隙網(wǎng)絡(luò)對(duì)土體結(jié)構(gòu)完整性的直接破壞， 還是裂隙網(wǎng)絡(luò)通過(guò)增大地表水的滲流路徑來(lái)加劇對(duì)土體的侵蝕， 都會(huì)劣化膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)[3]， 這種劣化效應(yīng)是膨脹土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和工程事故頻發(fā)的主要原因[4]． 因此， 研究膨脹土的裂隙演化規(guī)律對(duì)于工程地質(zhì)災(zāi)害的防治具有重要意義．

眾多學(xué)者采用不同試驗(yàn)方法以不同的角度對(duì)土體裂隙進(jìn)行了許多研究． 袁俊平等[5]利用光學(xué)顯微鏡分別對(duì)原狀膨脹土和重塑膨脹土的裂隙演化過(guò)程進(jìn)行全程觀測(cè)， 發(fā)現(xiàn)灰度熵可以作為評(píng)價(jià)裂隙發(fā)育程度的一個(gè)指標(biāo)， 灰度熵越大， 裂隙演化越完善； 唐朝生等[6-9]結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有研究成果， 對(duì)裂隙演化的形成過(guò)程、 影響因素、 定量分析進(jìn)行了探討， 建立了一套裂隙圖像分析系統(tǒng)以提取裂隙形態(tài)參數(shù)指標(biāo)， 并探究了環(huán)境溫度對(duì)膨脹土裂隙演化規(guī)律的影響； 駱趙剛等[10-11]通過(guò)改進(jìn)膨脹土泥漿試樣并結(jié)合圖像處理對(duì)裂隙演化過(guò)程進(jìn)行定量分析， 探討了尺寸和溫度及二者耦合作用對(duì)裂隙演化的影響， 發(fā)現(xiàn)厚度對(duì)裂隙演化過(guò)程影響最為顯著， 厚度越小， 裂隙越密集細(xì)長(zhǎng)． 除了初始狀態(tài)、 溫度、 尺寸等影響因素， 土體的開(kāi)裂過(guò)程可能還會(huì)受到自身礦物成分及其物理力學(xué)性質(zhì)的影響， 即不同性質(zhì)膨脹土的開(kāi)裂規(guī)律可能不同， 目前還缺少相關(guān)方面的細(xì)致研究．

此外， 在實(shí)際工程中常采用摻加化學(xué)或生物添加劑的方法來(lái)改善膨脹土惡劣的工程特性． 楊俊等[12]研究了摻砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)風(fēng)化砂改良對(duì)土體無(wú)荷膨脹率的抑制效果不大， 且抑制效果隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小； 康靖宇等[13]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水玻璃改良土的力學(xué)特性展開(kāi)研究， 驗(yàn)證了水玻璃改良可以抑制膨脹土的膨脹特性并提高它的強(qiáng)度； 莊心善等[14]通過(guò)定量分析粉煤灰改良膨脹土的裂隙演化過(guò)程， 發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量越大， 改良膨脹土裂隙度越小， 但改良后的裂隙萌發(fā)臨界含水率無(wú)明顯變化； 覃永富等[15]利用巨大芽孢桿菌改良膨脹土， 發(fā)現(xiàn)改良后的膨脹土強(qiáng)度參數(shù)都有較為明顯的提高； Izzo等[16]研究了土壤在多種改良技術(shù)下的干燥開(kāi)裂試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)添加生物制品塑料是抑制土體開(kāi)裂最有效的改良方法． 但是在已有的研究報(bào)道中， 定量地評(píng)價(jià)改良膨脹土裂隙特性的研究還比較鮮見(jiàn)．

本文主要通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)土體裂隙演化試驗(yàn)， 利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)裂隙演化過(guò)程進(jìn)行定量分析． 試驗(yàn)對(duì)比了廣西、 合肥、 邯鄲3種膨脹土的裂隙演化情況， 對(duì)裂隙開(kāi)展程度最高的邯鄲膨脹土進(jìn)行了風(fēng)化砂改良試驗(yàn)， 并對(duì)其改良效果加以評(píng)價(jià)． 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)進(jìn)一步揭示膨脹土裂隙演化的機(jī)理和膨脹土地區(qū)的工程治理都有一定的參考價(jià)值．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用膨脹土分別采自廣西南寧、 安徽合肥濱湖新區(qū)和河北邯鄲， 它們的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示． 將取回的膨脹土分別烘干、 碾碎、 再烘干后， 取2 kg過(guò)2 mm篩的膨脹土備用． 所用風(fēng)化砂取自重慶市北碚區(qū)嘉陵江流域附近， 將取回的砂先烘干再篩分， 其基本物理性質(zhì)如表2所示．

表1 試驗(yàn)膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 風(fēng)化砂基本性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用直徑300 mm、 高60 mm的圓柱體無(wú)蓋容器， 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果， 控制試樣的干密度為1.1 g/cm3， 厚度約為10 mm， 此時(shí)試樣易于制作， 均勻性好， 裂隙網(wǎng)絡(luò)特征較為明顯． 試樣制備前將容器四周均勻涂抹上凡士林， 以消除邊界摩擦對(duì)裂隙開(kāi)展的影響． 試樣制備時(shí)， 先將稱好質(zhì)量的干土和砂均勻混合后倒入容器， 再緩慢加水直到試樣過(guò)飽和呈可流動(dòng)狀態(tài)， 然后攪拌、 振搗5 min左右， 以排除試樣中的氣泡并使其均勻成型． 將試樣靜置24 h后放入烘箱， 使其持續(xù)失水． 之后每隔1 h將試樣取出放在預(yù)先設(shè)置好的拍照臺(tái)上稱質(zhì)量、 拍照， 記錄下裂隙演化圖像并根據(jù)試樣整體質(zhì)量的減少量來(lái)計(jì)算出對(duì)應(yīng)圖像的含水率． 當(dāng)裂隙骨架形態(tài)基本不變后， 增大時(shí)間間隔為3 h， 直到試樣質(zhì)量減少量小于0.1 g． 控制烘箱溫度為35 ℃， 以模擬實(shí)際膨脹土地區(qū)干旱的氣候條件．

試驗(yàn)總共設(shè)置18個(gè)試樣， 分別為廣西、 合肥、 邯鄲膨脹土和摻砂率為10%，20%，30%的改良邯鄲膨脹土6組， 每組3個(gè)平行試樣， 結(jié)果取均值．

1.3 圖像處理

試驗(yàn)得到的裂隙圖片先通過(guò)PS軟件將試樣與背景分離出來(lái)， 然后再采用MATLAB軟件對(duì)分離出來(lái)的裂隙圖像進(jìn)行處理， 處理過(guò)程包括灰度化、 二值化、 除雜、 膨脹腐蝕和骨架化等， 得到白色像素點(diǎn)表示的裂隙和裂隙骨架， 統(tǒng)計(jì)裂隙和裂隙骨架的像素點(diǎn)． 通過(guò)公式(1)、 公式(2)將像素尺寸轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸， 通過(guò)公式(3)、 公式(4)、 公式(5)計(jì)算得到裂隙基本指標(biāo)： 裂隙度Rf、 裂隙總長(zhǎng)度Lf和裂隙平均寬度Bf．

(1)

(2)

(3)

Lf=L實(shí)

(4)

(5)

式中，Rf表示裂隙度，Lf表示裂隙總長(zhǎng)度，Bf表示裂隙平均寬度．

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 3種不同地區(qū)膨脹土裂隙演化規(guī)律

圖1分別是廣西、 合肥和邯鄲3種膨脹土的裂隙演化過(guò)程， 通過(guò)圖1發(fā)現(xiàn)， 3種不同地區(qū)的膨脹土裂隙演化基本規(guī)律相同， 只是在演化細(xì)節(jié)上有所差異． 整個(gè)裂隙演化過(guò)程可以劃分為4個(gè)階段， 第1個(gè)階段是裂隙萌芽階段， 隨著干燥失水過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行， 試樣含水量不斷減小， 直到表面自由水分完全蒸發(fā)， 試樣開(kāi)始收縮并與光滑容器四周分離， 不久后裂隙便在試樣表面的多個(gè)薄弱點(diǎn)萌發(fā)， 如圖1(a)，圖1(e)，圖1(i)所示． 廣西和合肥膨脹土的裂隙萌芽含水率在40%左右， 邯鄲膨脹土的裂隙萌芽含水率在70%左右； 第2個(gè)階段是裂隙發(fā)育階段， 伴隨著較小的試樣含水率變化， 新裂隙不斷萌發(fā)和新舊裂隙迅速發(fā)展， 主要表現(xiàn)在新舊裂隙不斷延伸并相交， 試樣裂隙表面骨架不斷變化， 最終趨于穩(wěn)定， 在這個(gè)階段裂隙有少量的拓寬、 加深． 廣西和合肥膨脹土的裂隙骨架穩(wěn)定含水率在30%左右， 邯鄲膨脹土的裂隙骨架穩(wěn)定含水率在50%左右； 第3個(gè)階段是裂隙拓寬階段， 是裂隙演化過(guò)程中的主要耗時(shí)階段， 試樣的裂隙在基本不變的骨架下不斷拓寬、 加深， 直到將土樣分割成多個(gè)獨(dú)立的土塊； 第4個(gè)階段是裂隙穩(wěn)定階段， 試樣含水率減小到某一閾值， 試樣失水困難， 裂隙形態(tài)基本穩(wěn)定不變， 如圖1(d)，圖1(h)，圖1(l)所示， 3種膨脹土的裂隙穩(wěn)定含水率分別在8%，6%，11%左右．

通過(guò)圖1(d)，圖1(h)，圖1(l)發(fā)現(xiàn)， 3種膨脹土的最終裂隙形態(tài)差別較大， 合肥膨脹土裂隙密集而細(xì)長(zhǎng)， 很多條細(xì)小裂隙將土樣分割成數(shù)十個(gè)土塊， 土塊面積小而均勻； 邯鄲膨脹土裂隙少而寬大， 較少的寬大裂隙將土樣分割成十幾個(gè)土塊， 土塊面積大； 廣西膨脹土裂隙形態(tài)則介于兩者之間， 但其存在明顯的裂隙發(fā)育不良特征， 有多條未貫通裂隙．

圖1 膨脹土裂隙演化過(guò)程

在試驗(yàn)的最后， 不同于廣西和合肥膨脹土， 邯鄲膨脹土在裂隙穩(wěn)定階段， 土樣表面相繼萌發(fā)了多條裂隙， 這些裂隙十分細(xì)小， 并且沒(méi)有繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)， 如圖2所示， 這種二次裂隙的萌發(fā)稱為邯鄲膨脹土的“次生微裂隙”特性． 如圖2(a)所示， 在裂隙穩(wěn)定階段的邯鄲膨脹土試樣土塊面積大， 土塊四周裸露， 相比于只有一個(gè)自由表面的土塊中部來(lái)看， 土塊四周的失水速度明顯比中部快許多， 所以當(dāng)土塊整體含水率接近失水困難含水率臨界值時(shí)， 土塊中部的含水率還明顯高于失水困難含水率， 這里的失水困難含水率指的是在持續(xù)蒸發(fā)失水條件下， 試樣的水分幾乎不再減少的一個(gè)臨界含水率， 與土體的縮限大小密切相關(guān)． 當(dāng)試樣整體含水率由11.5%降低到11%時(shí)， 伴隨著的是土塊中部含水率的較大幅度減小， 并且由于邯鄲膨脹土的脹縮性較強(qiáng)， 所以由土體飽和度下降而引發(fā)的吸力增大， 隨之產(chǎn)生的表面張拉應(yīng)力也迅速增大， 當(dāng)它超過(guò)土體表面的抗拉強(qiáng)度后， 裂隙便又在大土塊中部出現(xiàn)． 最后， 大土塊中部的含水率很快也下降到失水困難含水率臨界值附近， 水分蒸發(fā)困難， 二次裂隙的演化缺少動(dòng)力， 只能保持剛開(kāi)裂時(shí)的形態(tài)， 試樣的裂隙形態(tài)徹底穩(wěn)定不變．

圖2 邯鄲膨脹土“次生微裂隙”特性

這些二次裂隙雖然細(xì)小， 但是會(huì)直接破壞土體的完整性， 增強(qiáng)滲透性， 降低土體的強(qiáng)度， 對(duì)土體工程性質(zhì)造成進(jìn)一步的劣化， 在實(shí)際工程中應(yīng)加以重視．

圖3是3種膨脹土的裂隙基本指標(biāo)隨含水率的變化曲線． 從圖3(a)中可以看出， 土體裂隙萌發(fā)后， 3種膨脹土的裂隙度隨含水率的變化趨勢(shì)相同， 隨著含水率減小， 裂隙度先快速增加， 后增加速度慢慢放緩， 最終趨于穩(wěn)定， 達(dá)到最大值， 并且廣西膨脹土和合肥膨脹土的裂隙度變化曲線基本重合， 從圖1來(lái)看， 兩種膨脹土的演化過(guò)程也非常相似， 結(jié)合兩者相差較小的基本物理性質(zhì)指標(biāo)， 表明不同土體的基本物理性質(zhì)相近， 其裂隙的演化規(guī)律也基本相同． Tang和Yesiller等[17-18]指出膨脹土的裂隙開(kāi)展程度與其本身的收縮特性和黏粒含量密切相關(guān)， 總體上說(shuō)， 膨脹土塑性指數(shù)越高， 裂隙開(kāi)展程度就越高． 邯鄲膨脹土塑性指數(shù)高達(dá)34.6， 裂隙開(kāi)展程度最高， 裂隙度最大， 達(dá)到了0.39， 說(shuō)明試樣表面近40%的面積被裂隙覆蓋． 廣西膨脹土的塑性指數(shù)為28.1， 比合肥膨脹土的塑性指數(shù)要大， 但是因?yàn)閺V西膨脹土裂隙發(fā)育不良， 所以裂隙度最小， 只有0.23． 圖3(b)是3種膨脹土裂隙總長(zhǎng)度隨含水率的變化曲線， 裂隙總長(zhǎng)度的增長(zhǎng)主要發(fā)生在裂隙發(fā)育階段， 總長(zhǎng)度在較高的含水率下達(dá)到最大值并一直保持不變． 可以看出， 合肥膨脹土的裂隙總長(zhǎng)度最大為3 558 mm， 廣西膨脹土次之為2 615 mm， 邯鄲膨脹土最小為2 227 mm． 結(jié)合裂隙度曲線， 發(fā)現(xiàn)合肥膨脹土裂隙度小， 裂隙總長(zhǎng)度大， 表現(xiàn)出裂隙比較細(xì)長(zhǎng)， 而邯鄲膨脹土裂隙度大， 裂隙總長(zhǎng)度小， 表現(xiàn)出裂隙比較粗短， 這與圖1中的結(jié)果一致． 圖3(c)是裂隙平均寬度隨含水率的變化曲線， 3種膨脹土的裂隙平均寬度隨著含水率的下降逐漸增加， 最后趨于穩(wěn)定． 邯鄲膨脹土的裂隙平均寬度最大為12.3 mm， 廣西膨脹土次之為6.2 mm， 合肥膨脹土最小為4.9 mm． 3種膨脹土的裂隙平均寬度與裂隙度的變化趨勢(shì)相似， 說(shuō)明裂隙開(kāi)展程度越高， 裂隙的平均寬度越大． 因?yàn)楹惻蛎浲恋摹按紊⒘严丁碧匦裕?二次裂隙十分細(xì)小， 可以看作是面積為0的裂隙線， 所以邯鄲膨脹土的裂隙總長(zhǎng)度與平均寬度曲線在最后有突變情況．

圖3 3種膨脹土裂隙基本指標(biāo)變化曲線

2.2 摻砂邯鄲膨脹土裂隙改良效果

圖4是不同摻砂率的邯鄲膨脹土的裂隙演化過(guò)程， 可以看出摻砂改良并沒(méi)有改變邯鄲膨脹土裂隙演化的基本規(guī)律， 整個(gè)裂隙演化過(guò)程依然可以分為4個(gè)階段． 對(duì)比圖4(d)，圖4(h)，圖4(l)，圖4(p)可以發(fā)現(xiàn)， 隨著摻砂率的增加， 邯鄲膨脹土裂隙的面積和寬度逐漸減小， 土塊數(shù)量逐漸減少， 土塊面積逐漸增大； 并且邯鄲膨脹土的“次生微裂隙”特性也在減弱甚至消失， 當(dāng)摻砂率在10%時(shí)， 邯鄲膨脹土還表現(xiàn)出較弱的“次生微裂隙”特性， 在大土塊表面還有幾條細(xì)小裂隙如圖4(h)所示， 當(dāng)摻砂率在20%和30%時(shí)， “次生微裂隙”特性完全消失， 這說(shuō)明風(fēng)化砂改良對(duì)邯鄲膨脹土二次裂隙的開(kāi)展有較好的抑制作用， 可以避免邯鄲膨脹土受到二次損害， 增強(qiáng)土體的完整性．

圖4 不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙演化圖像

圖5是不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙基本指標(biāo)隨含水率變化曲線， 從圖中可以發(fā)現(xiàn)， 風(fēng)化砂改良對(duì)邯鄲膨脹土的開(kāi)裂含水率幾乎沒(méi)有影響， 總體還是保持在70%～80%． 但是加入風(fēng)化砂的邯鄲膨脹土的裂隙度、 裂隙總長(zhǎng)度和裂隙平均寬度都在更高的含水率情況下達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定， 且摻砂率越高， 穩(wěn)定含水率越大， 說(shuō)明風(fēng)化砂改良加快了邯鄲膨脹土的裂隙發(fā)育， 在實(shí)際膨脹土地基工程中， 土體裂隙越快發(fā)育完全， 我們就能越早地采取相應(yīng)補(bǔ)救措施， 達(dá)到節(jié)約時(shí)間和成本的目的， 這樣看來(lái)， 這種“加快效應(yīng)”對(duì)實(shí)際工程中的地基長(zhǎng)期穩(wěn)定性總體上是有利的． 圖5(a)是不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙度隨含水率的變化曲線， 其中摻砂率30%的改良土的裂隙度最小， 最大只有0.22， 比沒(méi)有改良的土體裂隙度降低了44%； 其次是摻砂率20%的改良土， 裂隙度有0.31， 比原土樣降低了21%； 最后是摻砂率10%的改良土， 裂隙度有0.36， 只比原土樣降低了7.7%． 圖5(b)為不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙總長(zhǎng)度隨含水率的變化曲線， 10%，20%，30%摻砂率的改良土的最大裂隙總長(zhǎng)度分別是2 051，1 887，1 668 mm， 比沒(méi)有改良的膨脹土裂隙總長(zhǎng)度分別降低了7.9%，15.2%，25%． 結(jié)合裂隙度的改良情況來(lái)看， 較低的摻砂率對(duì)邯鄲膨脹土裂隙開(kāi)展程度的抑制效果不太明顯， 越高的摻砂率對(duì)邯鄲膨脹土的裂隙開(kāi)展程度有越好的抑制效果． 圖5(c)是不同摻砂率的邯鄲膨脹土的裂隙平均寬度隨含水率的變化曲線， 0%，10%，20%，30%摻砂率的改良土的最大裂隙平均寬度分別是12.2，11.8，11.5，9.5 mm． 可以看出， 風(fēng)化砂改良對(duì)邯鄲膨脹土的裂隙寬度的影響不大， 但是在30%摻砂率情況下， 土體裂隙平均寬度也有較為明顯的減?。?/p>

圖5 不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙基本指標(biāo)變化曲線

風(fēng)化砂改良對(duì)邯鄲膨脹土裂隙開(kāi)展程度的抑制作用主要在于減弱了土體的脹縮性， 表現(xiàn)為增大摩擦力、 減小收縮空間． 風(fēng)化砂表面粗糙、 棱角分明、 質(zhì)地堅(jiān)硬且自身基本沒(méi)有收縮性， 當(dāng)風(fēng)化砂顆粒和土顆粒均勻混合后， 兩者間會(huì)產(chǎn)生有效的摩擦力， 抑制土顆粒間的相對(duì)收縮， 從而減少裂隙開(kāi)展的動(dòng)力； 由于摻砂率較大， 增大了土體的非黏粒含量， 且風(fēng)化砂顆粒占據(jù)了部分土顆粒間的孔隙， 減少了土體可以收縮的總空間， 從而降低土體裂隙的開(kāi)展程度． 從總體上來(lái)看， 更高的摻砂率能更有效地抑制邯鄲膨脹土的裂隙開(kāi)展， 減少裂隙對(duì)土體的破壞程度， 并且還能加快膨脹土裂隙的發(fā)育進(jìn)程， 增強(qiáng)土體地基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性， 其改良效果就越好．

3 結(jié)論

本文主要通過(guò)室內(nèi)干縮開(kāi)裂試驗(yàn)研究了3種典型膨脹土地區(qū)的膨脹土裂隙的不同演化情況， 并針對(duì)其中裂隙開(kāi)展程度最高的邯鄲膨脹土進(jìn)行了風(fēng)化砂改良， 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得到以下3點(diǎn)結(jié)論：

1) 3種不同地區(qū)膨脹土的裂隙演化基本規(guī)律相同， 都可以劃分為4個(gè)階段， 分別是裂隙萌芽階段、 裂隙發(fā)育階段、 裂隙拓寬階段和裂隙穩(wěn)定階段． 但它們的裂隙形態(tài)有較大差異， 合肥膨脹土裂隙密集且細(xì)長(zhǎng)， 很多條細(xì)小裂隙將土樣分割成數(shù)十個(gè)土塊， 土塊小而均勻； 邯鄲膨脹土裂隙少且短粗， 較少的短粗裂隙將土樣分割成十幾個(gè)土塊， 土塊面積大； 廣西膨脹土裂隙發(fā)育不良， 還存在多條未貫通裂隙．

2) 邯鄲膨脹土存在“次生微裂隙”特性， 會(huì)對(duì)土體造成進(jìn)一步損傷， 對(duì)實(shí)際工程的危害程度不容忽視， “次生微裂隙”特性的產(chǎn)生機(jī)理和破壞程度還有待進(jìn)一步的研究．

3) 風(fēng)化砂改良會(huì)加快邯鄲膨脹土裂隙發(fā)育， 使其在更短的含水率區(qū)間里完成整個(gè)演化過(guò)程， 風(fēng)化砂改良對(duì)邯鄲膨脹土裂隙的開(kāi)展程度包括“次生微裂隙”特性都有較好的抑制作用， 當(dāng)摻砂率小于30%時(shí)， 摻砂率越高， 改良效果就越好．