昆明呈貢石灰?guī)r及玄武巖上覆紅黏土干縮裂隙對(duì)比試驗(yàn)研究

龍鄖鎧, 張家明, 陳茂, 陳積普

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 云南 昆明 650500)

0 引言

在炎熱多雨氣候作用下,母巖風(fēng)化常形成紅黏土,因富含氧化鐵而呈紅色,主要分布在熱帶和亞熱帶[1]。在中國,湖南、云南、貴州和廣西是紅黏土的主要分布區(qū)。紅黏土對(duì)水[2]和干旱氣候[3]比較敏感,水分蒸發(fā)很容易干縮開裂,裂隙普遍發(fā)育,在各類土木工程中誘發(fā)許多災(zāi)害。例如:紅黏土干縮開裂導(dǎo)致湖南郴寧高速公路路堤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低[4];干裂還引起貴州紅黏土邊坡發(fā)生坍塌[5];安順老海子水庫的紅黏土防滲襯砌干裂,水庫蓄水發(fā)生大量滲漏[6];2010年—2013年,昆明持續(xù)極端干旱,紅黏土干縮開裂導(dǎo)致高壓輸電線鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉降[7];云南武倘尋高速公路紅黏土邊坡開挖后,干縮裂隙降低了邊坡穩(wěn)定性,降雨誘發(fā)多起邊坡滑坡。

紅黏土干縮裂隙的既有研究主要集中在干濕循環(huán)對(duì)表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響[8-14]。此外,張宏等[15]對(duì)呼和浩特紅黏土進(jìn)行了30 ℃恒溫干燥試驗(yàn),分析了收縮率,裂縫長度、寬度和裂縫率的演變特征。杜長城等[16]試驗(yàn)研究了陜西三趾馬紅土干縮裂縫的演化過程和裂縫自愈現(xiàn)象。陳愛軍等[4]基于線彈性力學(xué)非飽和土的彈性本構(gòu)關(guān)系提出了紅黏土開裂深度的計(jì)算公式。

由于母巖或成土環(huán)境條件不同,紅黏土的地質(zhì)特征與工程特性具有明顯的地域差異[15、17-18],因此同一地區(qū)的紅黏土也可能存在差別。金子袁[19]分析了昆明地區(qū)碳酸鹽巖與玄武巖上覆紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)的差異，王澤麗等[20]對(duì)比了滇東碳酸鹽巖與玄武巖上覆紅黏土的膨脹率、收縮率，但是關(guān)于紅黏土干縮裂隙差異的研究還未見報(bào)導(dǎo)。以往研究紅黏土干縮裂隙都是以壓實(shí)樣為對(duì)象,但是作為基礎(chǔ)研究,泥漿樣制備更方便,重復(fù)性更好[21]。為了對(duì)比不同紅黏土的干縮裂隙特征,本文以初始飽和紅黏土泥漿樣為研究對(duì)象,試驗(yàn)研究了昆明呈貢地區(qū)2種紅黏土在水分蒸發(fā)、干縮裂隙的形成和演化、表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)方面的異同。研究成果對(duì)進(jìn)一步理解紅黏土龜裂及其引發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害防治有重要參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

從地層分布來看,昆明地區(qū)的紅黏土主要披覆在碳酸鹽巖和玄武巖之上[19]，因此,在昆明呈貢地區(qū)選取2種紅黏土進(jìn)行試驗(yàn),取樣點(diǎn)位如圖1所示。D1是二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組灰?guī)r上覆紅黏土,D2是二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖上覆紅黏土。為避免植被根系的影響,在地表以下1.7 m取樣。2種紅黏土的物理水理性質(zhì)見表1,化學(xué)成分見表2,黏粒(<5 μm)的XRD測(cè)試結(jié)果見表3。

圖1 紅黏土取樣位置

表1 2種紅黏土的物理水理性質(zhì)

表2 2種紅黏土的化學(xué)成分

表3 2種紅黏土黏粒(粒徑<5 μm)的礦物成分

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法簡(jiǎn)述如下:①取樣,室內(nèi)風(fēng)干,碾碎,并過孔徑為2 mm篩子；②取一定量的紅黏土細(xì)粒倒入鋼桶內(nèi),加入適量的蒸餾水,并用木棍、電動(dòng)攪拌器等工具充分?jǐn)嚢璩赡酀{,然后用保鮮膜、濕抹布密封鋼桶,在暗室中靜置24 h；③充分均勻攪拌泥漿,然后向正方形(內(nèi)長、內(nèi)寬、深分別為200、200、20 mm)有機(jī)玻璃容器中倒入675 g泥漿,用手工振動(dòng)法在木桌子上制備厚度10 mm的均質(zhì)泥漿樣。按此方法制作2組試樣S1和S2,S1為石灰?guī)r上覆紅黏土試樣組,S2為玄武巖上覆紅黏土試樣組,每組3個(gè)平行樣,一共6個(gè)試樣,并先后用保鮮膜、濕抹布密封玻璃容器,在暗室中靜置24 h；④用控溫烘箱進(jìn)行50 ℃恒溫干燥試驗(yàn),烘干過程中每隔1 h稱重試樣和對(duì)試樣表面進(jìn)行拍照。圖2為自制的稱重和拍照裝置。具體操作:該步驟需要3人協(xié)同快速完成,甲開、關(guān)烘箱門,乙取樣、送樣,丙拍照,該步驟要求在15 s內(nèi)完成,以減小對(duì)試驗(yàn)過程的影響。在暗室內(nèi)拍照,獲得相同表面積、分辨率、放大倍數(shù)和亮度的圖像。若試樣質(zhì)量在2 h之內(nèi)不變化,就認(rèn)為干燥過程完成[21]；⑤試驗(yàn)結(jié)束后,在試樣中間區(qū)域選擇15～20塊土塊,用游標(biāo)卡尺測(cè)量土塊厚度；⑥最后將整個(gè)試樣105 ℃烘干,測(cè)量試樣的干土質(zhì)量；⑦基于試樣的初始質(zhì)量,干燥過程中的質(zhì)量和干土質(zhì)量,計(jì)算試樣的質(zhì)量含水率和蒸發(fā)速率。每組3個(gè)平行樣的試驗(yàn)結(jié)果近似相等,取每組試樣的平均值進(jìn)行分析。

圖2 干縮裂隙試驗(yàn)裝置

1.3 圖像處理

使用PCAS軟件[22]進(jìn)行圖像處理,以土樣S1的末期圖像為例介紹處理流程(圖3):①裁剪中間區(qū)域:為了消除邊界的影響,提高分析結(jié)果的可靠度,選取中間700像素×700像素區(qū)域[圖3(b)]作為分析對(duì)象,實(shí)際尺寸是160.7 mm×160.7 mm,即圖像分辨率是4.36像素/mm；②灰度圖像:將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像[圖3(c)]；③圖像二值化:設(shè)定一個(gè)灰度閾值將灰度圖像轉(zhuǎn)化為黑白圖像[圖3(d)],黑色區(qū)域代表裂隙,白色區(qū)域代表塊區(qū)；④去除雜點(diǎn):因試樣雜質(zhì)和圖像噪聲[23],需要分別去除塊區(qū)和裂隙中的雜點(diǎn)[圖3(e)、(f)];⑤基于最終的二值化圖像提取裂隙、塊區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)[圖3(g)]。

(a)原始圖像 (b)裁剪中間區(qū)域 (c)灰度圖像 (d)二值化圖像

1.4 參數(shù)測(cè)量

本文測(cè)量的參數(shù)如下:

① 初始開裂時(shí)間TIC(試樣開始出現(xiàn)裂隙的時(shí)刻),裂隙條數(shù)穩(wěn)定時(shí)間TNI,裂隙長度穩(wěn)定時(shí)間TL,表面裂隙率穩(wěn)定時(shí)間TRSC,干燥完成時(shí)間TF。因存在圖像誤差和處理誤差,試驗(yàn)?zāi)┢趫D像處理所得的表面裂隙率都有微小變化,故以最后時(shí)刻圖像的表面裂隙率為基準(zhǔn),表面裂隙率相差剛好等于0.1%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻定義為TRSC。

② 不同時(shí)刻試樣的含水率w和蒸發(fā)速率Re(單位時(shí)間內(nèi)的失水質(zhì)量,g/h),試樣的初始含水率wINI,初始臨界含水率wIC(TIC對(duì)應(yīng)的含水率)和最終含水率wTF(TF對(duì)應(yīng)的含水率)。

③ 裂隙交點(diǎn)數(shù)Nn和裂隙條數(shù)NI,裂隙節(jié)點(diǎn)包括端點(diǎn)和交點(diǎn),其中交點(diǎn)為3條或3條以上裂隙的相交點(diǎn),2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間為一條裂隙[23]。

④ 裂隙總長度L,裂隙平均長度La,裂隙平均寬度W。

⑤ 土塊數(shù)Na,土塊平均面積Sav,土塊最大面積Smax。

⑥ 表面裂隙率Rsc(裂隙面積總像素除以490 000 像素2)和平均干縮厚度HTF(TF對(duì)應(yīng)時(shí)刻多塊土塊厚度的平均值)。

⑦ 表面裂隙的分形維數(shù)D,運(yùn)用盒維法計(jì)算[21]。

補(bǔ)充說明,裂隙、土塊與面積或長度有關(guān)的參數(shù)是根據(jù)像素個(gè)數(shù)來計(jì)量,也可以根據(jù)圖像分辨率計(jì)算實(shí)際物理面積或長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅黏土的水分蒸發(fā)過程

Re與干燥時(shí)間的關(guān)系即為蒸發(fā)曲線,w與干燥時(shí)間的關(guān)系即為干燥曲線[21]。如圖4所示,2種紅黏土的蒸發(fā)曲線均可分為4個(gè)階段:增速率階段(Ⅰ)、常速率階段(Ⅱ)、減速率階段(Ⅲ)、穩(wěn)定階段(Ⅳ)。課題組曾使用鋼化玻璃容器進(jìn)行過紅黏土干燥試驗(yàn),所得蒸發(fā)曲線分為3個(gè)階段,沒有增速率階段,這與泥漿樣容器的材質(zhì)有關(guān)。如圖5(a)所示,自然環(huán)境中紅黏土干裂的熱源(太陽輻射)面只有地表面,在太陽輻射下,地表溫度升高,然后向深度土體緩慢傳遞溫度,地表溫度高于深部土體。溫度升高,水分子的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能增大,蒸發(fā)速率增大，因此,在自然條件下,紅黏土的水分蒸發(fā)速率首先隨著土體溫度升高而緩慢增大,當(dāng)土體的溫度維持穩(wěn)定后,蒸發(fā)速率才會(huì)穩(wěn)定。如圖5(b)所示,雖然室內(nèi)干燥試驗(yàn)的蒸發(fā)面與自然環(huán)境相同,都是土體表面,但是室內(nèi)干燥試驗(yàn)可能有6個(gè)熱源面,這取決于容器材質(zhì)。如果泥漿樣容器的材質(zhì)是完全隔熱,熱源面只有土體表面,與自然環(huán)境相同。有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.19 W/(m·K),鋼化模量的導(dǎo)熱系數(shù)為1.09 W/(m·K),是有機(jī)玻璃的5.74倍。用鋼化玻璃容器制備泥漿樣進(jìn)行室內(nèi)干燥試驗(yàn),鋼化玻璃的溫度很高,有明顯燙手現(xiàn)象,有6個(gè)熱源面,泥漿樣的溫度迅速升高,短時(shí)間內(nèi)成為等溫體,蒸發(fā)速率快速穩(wěn)定,增速率階段不明顯。用有機(jī)玻璃容器制備泥漿樣進(jìn)行室內(nèi)干燥試驗(yàn),有機(jī)玻璃不燙手,有隔熱功效,烘箱只能從土樣表面向深部傳遞溫度,土體溫度增加緩慢,蒸發(fā)曲線有明顯的增速率階段，因此,有4個(gè)階段的蒸發(fā)曲線更貼切自然環(huán)境,用隔熱材料(如有機(jī)玻璃)容器制備土樣進(jìn)行室內(nèi)干燥試驗(yàn)更能有效模擬自然環(huán)境下的干裂過程。

(a)蒸發(fā)曲線

(a)自然環(huán)境 (b)室內(nèi)干燥試驗(yàn)

如圖4所示,石灰?guī)r上覆紅黏土試樣(S1)的蒸發(fā)曲線與玄武巖上覆紅黏土試樣(S2)存在差異。S1、S2的最大蒸發(fā)速率分別為14、13.67 g/h。S1的常速率階段(Ⅱ)比S2的短,減速率階段(Ⅲ)則比S2的長,其余2個(gè)階段差別不大。S1、S2常速率階段的平均蒸發(fā)速率分別為12.69、12.19 g/h。研究表明常速率階段及其之前的水分蒸發(fā)以自由水為主[24],因此自由水的排水速率和含水量決定了Ⅰ、Ⅱ階段的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)量。用2種紅黏土制備初始含水率相同的等量飽和泥漿樣,按圖6進(jìn)行自由排水試驗(yàn),監(jiān)測(cè)所得自由水(重力水)排水時(shí)程曲線如圖7所示。從圖中可以看出,在初始階段,S1的自由水出流速率比S2的大,S1的出流時(shí)間比S2的短；但是S2的自由水比S1的多，因此,S1的蒸發(fā)速率大,常速率階段歷時(shí)短,減速率階段歷時(shí)長?；诟稍锴€計(jì)算發(fā)現(xiàn),S1、S2在常速率階段的蒸發(fā)份額分別為45.89%、65.60%,這與S1的常速率階段歷時(shí)短有關(guān)。

圖6 紅黏土自由排水試驗(yàn)裝置示意圖

圖7 自由水的排水時(shí)程曲線

S1和S2的平均初始含水率wINI為96.79%～98.14%,差異不大(圖4),每組3個(gè)平行樣的初始含水率幾乎相等。2種紅黏土的干燥曲線總體相似,即在干燥初期,干燥曲線呈直線,隨后干燥曲線趨于平緩,最后干燥曲線幾乎水平，但是,由表4可見,S1的干燥完成時(shí)間比S2的短,這是因?yàn)镾1的蒸發(fā)速率大。S2的最終含水率比S1的大,這可能與S2中粒徑小于2μm的細(xì)粒土含量多有關(guān)(圖8)。

表4 出現(xiàn)裂隙和裂隙穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間及對(duì)應(yīng)含水率

圖8 黏土顆粒的粒徑分布

2.2 紅黏土干縮裂隙的形成和演化過程

根據(jù)TIC、TNI、TL、TRSC(表4),將干縮裂隙的形成和演化分為5個(gè)階段。2種紅黏土干縮裂隙的演化過程類似,以試樣S2-3(第S2組的第3號(hào)樣)的局部圖像(圖9)為例,簡(jiǎn)述各個(gè)階段的特點(diǎn)。

(a)失水11 h (b)失水12 h (c)失水13 h (d)失水15 h

階段1(裂隙孕育階段):從試驗(yàn)開始至TIC,w快速減小,土顆粒非均勻運(yùn)動(dòng),發(fā)生相互靠攏或分離。階段2(裂隙形成階段):TIC～TNI,試樣表面開始出現(xiàn)孤立主裂隙[圖9(a)],主裂隙延長并近似垂直相交,形成主裂隙網(wǎng)絡(luò)和初級(jí)塊區(qū)[圖9(b)],垂直于主裂隙衍生出子裂隙、次子裂隙,形成次級(jí)塊區(qū)、更次級(jí)塊區(qū)[圖9(c)、(d)],直到最后一條裂隙開始出現(xiàn)。階段3(裂隙條數(shù)穩(wěn)定階段):TNI～TL,裂隙條數(shù)不變,但長度不斷增長[圖9(e)—(f)]。階段4(裂隙長度穩(wěn)定階段):TL～TRSC,裂隙長度不變,網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和塊區(qū)形狀已定形,但裂隙寬度不斷增加,塊區(qū)面積持續(xù)縮小[圖9(f)至9(g)]。階段5(表面裂隙率穩(wěn)定階段):TRSC～TF,裂隙網(wǎng)格和塊區(qū)尺寸不變,w和Re持續(xù)減小,Re最終為0[圖9(g)至9(h)]。

由表4可知,2種紅黏土的TIC相同,都是10.5 h,S1的TNI為16.3 h,比S2晚0.3 h,S1的TL為18.3 h,比S2晚0.6 h,S1的TRSC為33.0 h,比S2遲0.5 h，說明S2的干縮開裂速度快,這是因?yàn)镾2常速率階段的歷時(shí)長,蒸發(fā)量大(圖4)。S1、S2的wIC分別為55.98%、58.2%,說明S2更容易干縮開裂。研究表明,影響wIC的因素有土體密度[25]、土層厚度[26]和溫度[27]。本研究2組試驗(yàn)的以上3個(gè)參數(shù)都相同,因此S2的wIC大的原因可能是S2的2 μm以下細(xì)顆粒多(圖8),粒間半徑小,基質(zhì)吸力大,非均勻系數(shù)大(表1),土顆粒不均勻,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,抗拉強(qiáng)度低,土體的基質(zhì)吸力很容易超過土粒間的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致土體開裂。

RSC與w的關(guān)系稱為開裂曲線[28]。如圖10所示,在初始階段,2種紅黏土的RSC隨w減小而快速線性增加,起始階段S1的RSC比S2的小,隨后S1的RSC大于S2的,最后RSC都逐漸趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)完成后,S1、S2的RSC平均值分別為24.1%、18.9%。說明不同干燥階段影響土體開裂的主要因素不同,S2雖然容易開裂,但開裂程度不及S1。王澤麗等[20]也證實(shí)碳酸鹽巖上覆紅黏土的收縮率比玄武巖上覆紅黏土大。土層厚度,土體的粒度組成、礦物成分、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、塑性指數(shù)和含水率等綜合影響土體開裂程度[29-30]。S1的RSC比S2的大,這可能與S1的塑性指數(shù)大(表1),伊利石含量高(表3),Fe2O3含量低有關(guān)(表2)。

圖10 2種紅黏土的開裂曲線

2.3 紅黏土表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)

2.3.1 裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3(b)和圖9(h)顯示裂隙的相交形式有“T”形“Y”形“十”形。S1的裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均長度、裂隙平均寬度和表面裂隙率比S2的大(表5)。對(duì)比圖3(b)與圖9(h)發(fā)現(xiàn),S2的裂隙邊壁折曲粗糙成鋸齒狀,其裂隙交點(diǎn)數(shù)、表面裂隙的分形維數(shù)比S1的大,說明S2的裂隙網(wǎng)絡(luò)更破碎,結(jié)構(gòu)形態(tài)更復(fù)雜。這可能與S2的砂粒含量高、非均勻系數(shù)大有關(guān)(表1)。

表5 干縮裂隙的相關(guān)參數(shù)

2.3.2 土塊分布

圖3(b)和圖9(h)顯示土塊形狀有三邊形、四邊形和五邊形,以四邊形居多。裂隙條數(shù)Nl與裂隙交點(diǎn)數(shù)Nn之比在1.83～1.87,據(jù)唐朝生等[21]的研究成果,可以判斷土塊以四邊形為主。S1的土塊數(shù)比的S2大,土塊平均面積、土塊最大面積和平均干縮厚度比S2的小(表6),說明干燥后灰?guī)r上覆紅黏土(S1)比玄武巖上覆紅黏土(S2)密實(shí),這與圖11是吻合的。圖11顯示干燥試驗(yàn)后,S2的空隙比S1發(fā)育。

表6 土塊的相關(guān)參數(shù)

(a)S1試樣 (b)S2試樣

3 結(jié)語

本文探討了云南昆明2種不同紅黏土干縮裂隙的異同,以昆明呈貢石灰?guī)r及玄武巖上覆紅黏土飽和泥漿樣為對(duì)象,通過室內(nèi)干燥試驗(yàn),對(duì)紅黏土的水分蒸發(fā)、干縮裂隙的形成和演化、表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究,得出以下3點(diǎn)結(jié)論:

① 石灰?guī)r上覆紅黏土(S1)和玄武巖上覆紅黏土(S2)的蒸發(fā)曲線都可分為4個(gè)階段:增速率階段、常速率階段、減速率階段、穩(wěn)定階段，但是,S1的最大蒸發(fā)速率、常速率階段的平均蒸發(fā)速率比S2大,S1的常速率階段、干燥完成時(shí)間比S2的短,減速率階段比S2的長,S1的最終含水率比S2的小。

② 2種紅黏土干縮裂隙的形成和演化過程都可分為5個(gè)階段,但是S2的干縮開裂速度快,更容易干縮開裂,而S2的表面裂隙率RSC比S1的小。

③ S1的裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均長度、裂隙平均寬度比S2的大,S2的裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)比S1的復(fù)雜。土塊以四邊形為主,S1的土塊數(shù)比S2的多,土塊平均面積、土塊最大面積和平均干縮厚度比S2的小。石灰?guī)r上覆紅黏土干縮裂隙的發(fā)育程度比玄武巖上覆紅黏土顯著。