利用棕絲改良紅黏土的裂隙特性分析

楊俊芳,陳愛軍,鄭偉澤,韋學(xué)英,枊佑銘,楊 淦,陸玉佳

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 前 言

紅黏土廣泛存在于中國南方地區(qū)，是在熱帶亞熱帶濕熱環(huán)境下，碳酸鹽巖經(jīng)過物理、化學(xué)以及生物風(fēng)化和紅土化作用而形成的一類特殊土。紅黏土對環(huán)境濕度變化非常敏感，在干燥環(huán)境中極易開裂，遇水強(qiáng)度快速衰減，紅黏土地基和紅黏土邊坡工程普遍存在收縮開裂引發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。

目前國內(nèi)外針對紅黏土裂隙性質(zhì)的研究成果主要為摻加纖維、膠凝材料、離子固化劑等物質(zhì)處治紅黏土，如劉宇翼[4]等研究將電石渣與稻殼灰復(fù)合形成一種新型的膠凝材料，并將其用來固化膨脹土從而減少裂隙。李凱[5]等在膨脹土中摻入磷尾礦進(jìn)行改良并對其脫濕過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著磷尾礦摻量的增加，土體的裂隙不斷減少，且隨溫度的增加而呈現(xiàn)增大后減小的趨勢。韓琳琳等[6]通過在膨脹土中添加ISS進(jìn)行脫濕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明黏土礦物經(jīng)ISS改性后, 能夠有效地整體收縮并黏結(jié)在一起, 減少了裂隙的寬度和條數(shù)。韓春鵬等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn),分析干濕循環(huán)條件下纖維加筋對裂隙發(fā)展的影響，結(jié)果表明, 土體表面裂隙率、裂隙總長度隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大, 裂隙平均寬度卻存在遞減趨勢。Miller[8]等主要研究了摻加纖維對壓實(shí)黏土干燥裂縫發(fā)育的影響，研究結(jié)果表明，在保持可接受的導(dǎo)水率的前提下，與未改性土樣相比，纖維能夠有效抑制土體裂隙的發(fā)展。Viswanadham[9]等通過改變纖維的長徑比和摻量，進(jìn)行了一系列的離心機(jī)試驗(yàn)，得出長徑比和纖維含量對加筋土的裂縫有明顯抑制作用的結(jié)論。

上述研究表明，在黏土中摻加纖維能有效改善土體的裂隙性。棕絲作為一種廉價環(huán)保的天然纖維，既具有較高的強(qiáng)度，又具有一定的耐腐蝕性；在紅黏土中摻加棕絲，棕絲之間相互彎曲、彼此交錯，進(jìn)而搭接形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅加強(qiáng)了松散土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還使土顆粒之間的連接能力得以提高，從而達(dá)到抑制紅黏土裂隙發(fā)展的目的。為降低工程造價和保護(hù)環(huán)境，本文采用天然棕絲改良紅黏土,通過開展模擬自然濕熱環(huán)境條件下的室內(nèi)干縮開裂試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)過程中試樣裂隙的開展及發(fā)育情況，對土體表面的裂隙進(jìn)行定量分析，探究棕絲對紅黏土裂隙發(fā)育的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用土樣為湖南邵陽地區(qū)地表下2.5～4.0 m深度的紅黏土，呈棕黃色(見圖1)，其基本物理性質(zhì)：比重2.72，縮限18.8%，液限67.7%，塑限28.3%，塑性指數(shù)39.4%，最優(yōu)含水率18.5%，最大干密度1.86 g/cm3，黏粒含量62.8%。根據(jù)顆粒組成及塑性指標(biāo)判斷其屬于高液限黏土。

試驗(yàn)中所采用的棕絲是一種天然纖維，具有良好的抗拉性能，不易腐化且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性(見圖2)，其基本物理性質(zhì)：密度1.32 g/cm3，平均直徑0.3 mm，斷裂強(qiáng)度155.5 MPa，楊氏模量0.77 GPa，斷裂伸長率19.07%。

1.2 試樣制備及方法

試驗(yàn)選擇規(guī)格為250 mm×250 mm×50 mm(長×寬×高)的方形盒作為盛放土樣的容器，并于盒底粘貼一層砂紙以增加試樣底部的摩擦效果。試樣制備時，首先粉碎風(fēng)干土，過2 mm篩得到試驗(yàn)所需要的土樣，稱取少量風(fēng)干土測其含水率，計(jì)算公式如下：

Iw=(M1-MS)/MS

(1)

公式(1)中：Iw為風(fēng)干土的初始含水率，%；M1為稱取的風(fēng)干土的質(zhì)量，g；MS為烘干后土的質(zhì)量，g。

然后根據(jù)土樣的最大干密度及靜壓成型后試樣的厚度15mm計(jì)算試樣所需要風(fēng)干土的質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

M2=ρV(1+Iw)/(1+Ia)

(2)

公式(2)中：M2為所需風(fēng)干土的質(zhì)量，g，一般取值比計(jì)算值稍大些；ρ為土的最大干密度，g/cm3；Ia為目標(biāo)含水率，%。

再根據(jù)試樣的目標(biāo)含水率(20%、24%、28%)以及棕絲摻量(0.15%、0.3%、0.45%)分別計(jì)算出所需水的質(zhì)量、棕絲的質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

Mw=M2×(1+Ia)/(1+Iw)

(3)

公式(3)中：Mw為所需水的質(zhì)量,g;M2為所需風(fēng)干土的質(zhì)量,g;Ia為目標(biāo)含水率,%。

Mz=M2×Ib

(4)

公式(4)中：Mz為所需棕絲的質(zhì)量,g;Ib為棕絲摻量,%。

之后將水、紅黏土和棕絲混合物翻拌均勻后放入密閉塑料袋中悶料72 h，最后通過壓力機(jī)靜壓成型，試樣厚度1 5 mm。為了便于裂隙的識別，試樣表面均勻撒上一層薄石灰粉以覆蓋原土的顏色及紋理。在工程實(shí)際中，拌和法的用法為先把土體風(fēng)干，然后將土進(jìn)行粉碎，最后將一定長度的棕絲摻入土中進(jìn)行充分拌和。

室內(nèi)干縮開裂試驗(yàn)裝置如圖3所示。把試樣放在電子天平上，打開太陽燈模擬日光對土樣進(jìn)行干燥處理，每隔半小時對土樣進(jìn)行稱重和拍照。當(dāng)電子天平兩次讀數(shù)之差小于0.01 g時，試驗(yàn)結(jié)束。

圖1 紅黏土 圖2 棕絲 圖3 試驗(yàn)方案布置

2 土樣裂隙特征提取及形態(tài)分析

2.1 圖像處理

本文通過MATLAB編程對土樣裂隙圖片進(jìn)行處理，提取土樣的裂隙特征，具體過程如下：如圖4分別為圖像裁剪(見圖4(a))、圖像二值化(見圖4(b))、圖像膨脹腐蝕(見圖4(c))、圖像中值濾波處理(見圖4(d))、提取骨架(見圖4(e))和去除毛刺(見圖4(f))。

圖4 裂隙特征處理

其中圖像二值化是利用im2bw函數(shù)將圖像進(jìn)行二值化處理，減少圖像中的數(shù)據(jù)量，使裂隙的邊緣特征更加顯著。圖像膨脹腐蝕是利用strel、imdilate函數(shù)對圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，去掉二值圖像中的一些小的閉合區(qū)域。圖像中值濾波處理(見圖是利用medfilt2函數(shù)對圖像進(jìn)行中值濾波處理，將一些較小的噪點(diǎn)進(jìn)行濾除。提取骨架和去除毛刺是利用bwmorph函數(shù)對二值圖像進(jìn)行骨架提取和毛刺去除。

最后根據(jù)公式計(jì)算裂隙面積、長度與寬度等數(shù)據(jù)并導(dǎo)出。其中裂隙率需要根據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Ic=A1/A2

(5)

公式(5)中：Ic為裂隙率，%；A1為導(dǎo)出的裂隙面積，m2；A2為土樣的面積，m2。

2.2 不同棕絲摻量的土樣裂隙形態(tài)

含水率為24%，不同棕絲摻量下土樣的裂隙形態(tài)如圖5所示。其中圖5(a)～5(d)的棕絲摻量依次是0、0.15%、0.30%、0.45%。

圖5 含水率24%的土樣裂隙分布

由圖5可知，隨著棕絲摻量的增大，土樣的裂隙分布由明顯的縱橫向發(fā)展逐漸向四周發(fā)散，裂隙數(shù)量明顯增加，寬大裂隙不斷減少，而細(xì)小裂隙增加較多。裂隙寬度逐漸變小，裂隙深度也相應(yīng)變淺，單條裂隙長度也變短。由此可見，雖然摻加棕絲增加了土體裂隙的數(shù)量，但對土體的“破壞”程度反而有所減輕，即裂隙對土體的影響僅局限在土樣的淺表層。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過室內(nèi)干縮開裂試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

表1 含水率20%棕絲改良紅黏土的裂隙特征

表2 含水率24%棕絲改良紅黏土的裂隙特征

表3 含水率28%棕絲改良紅黏土的裂隙特征

3.1 棕絲摻量對紅黏土裂隙的影響

棕絲摻量對土樣裂隙特征指標(biāo)的影響如圖6～8所示。

由圖6可知，隨著棕絲摻量的增加，裂隙率總體呈下降趨勢,且當(dāng)棕絲摻量達(dá)到0.30%后，棕絲摻量的增加對裂隙率的影響不明顯。如含水量20%時，當(dāng)棕絲摻量分別為0、0.15%、0.30%和0.45%，相應(yīng)的裂隙率是9.1%、5.2%、4.3%和4.2%,4.2%與4.3%之間僅相差0.1%。含水量為24%和為28%時，裂隙率的變化規(guī)律類似。

圖6 棕絲改良紅黏土的裂隙率變化 圖7 棕絲改良紅黏土的裂隙長度變化 圖8 棕絲改良紅黏土的裂隙平均寬度變化

圖7表明，裂隙長度隨著棕絲摻量的增加，呈先降低后上升趨勢，且當(dāng)棕絲摻量為0.30%時，土樣的裂隙長度最小。當(dāng)含水量為20%時，棕絲摻量0、0.15%、0.30%和0.45%對應(yīng)裂隙長度分別為2 295.1、1 818、1 609.2、1 762.4 mm，最小裂隙長度1 609.2 mm對應(yīng)的棕絲摻量為0.30%；含水量為24%和為28%時，土樣的裂隙長度也是呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律。

圖8表明，隨著棕絲摻量的增加，裂隙的平均寬度剛開始不斷減小，后期漸趨穩(wěn)定。如含水量20%時，棕絲摻量0、0.15%、0.30%和0.45%的裂隙率分別為2.4、1.8、1.6、1.5 mm，棕絲摻量0.3%和0.45%的裂隙寬度只相差0.1 mm。由此可見，隨著棕絲摻量的增大，紅黏土裂隙率和裂隙平均寬度呈降低趨勢，裂隙長度呈先降低后上升趨勢，且棕絲摻量為0.30%時，裂隙長度最小。 棕絲摻量對紅黏土裂隙發(fā)展有顯著影響，這是由于當(dāng)紅黏土因?yàn)槭ニ侄a(chǎn)生干縮開裂的情況時，存在于土體內(nèi)部的棕絲便類似混凝土中的鋼筋般起到“橋接”的作用，棕絲與土體顆粒之間產(chǎn)生的摩擦力，在一定程度上抵消了部分因土顆粒間水分散失而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而銜接了土體開裂產(chǎn)生的斷口，并使裂隙的縱向發(fā)育得以削弱，以達(dá)到抑制裂隙持續(xù)延伸的目的[10]。在一定范圍內(nèi)，棕絲摻量越高，其“橋接”作用越明顯，極大程度上抑制了紅黏土裂隙的縱向及橫向發(fā)展，從而達(dá)到抑制其裂隙發(fā)展的目的。而當(dāng)棕絲摻量增大到一定值時，由于效力最大化，裂隙的變化將不再明顯。

3.2 初始含水率對棕絲改良紅黏土裂隙的影響

含水率對不同棕絲摻量改良紅黏土裂隙的影響如圖9～11所示。

由圖9可知，裂隙率隨著含水率的增加，總體呈上升趨勢。如棕絲摻量為0.30%時，當(dāng)含水量分別為20%、24%和28%時，裂隙率相應(yīng)是4.3%、6.8%和11.6%；棕絲摻量為0、0.15%和0.45%時，土樣裂隙率也是呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律。

圖9 棕絲改良紅黏土的裂隙率變化 圖10 棕絲改良紅黏土的裂隙長度變化 圖11 棕絲改良紅黏土的裂隙平均寬度變化

結(jié)合圖10和圖11分析，隨著含水率的增加，土樣裂隙長度和裂隙平均寬度總體均呈上升趨勢。如棕絲摻量為0.30%時，當(dāng)含水量分別為20%、24%和28%時，裂隙長度相應(yīng)是1 609.2、1 922.5、2 412.4 mm；裂隙平均寬度相應(yīng)是1.6、2.1和2.8；棕絲摻量為0、0.15%和0.45%時，裂隙長度和裂隙平均寬度的變化規(guī)律類似。上述分析表明，隨著含水率的增大，素土及棕絲改良土的裂隙率、裂隙長度和裂隙寬度均呈增長趨勢。諸多學(xué)者[11-16]認(rèn)為土體裂隙的擴(kuò)展為水分在土體中的運(yùn)動提供了通道，且由于含水率梯度的不同使得土體上下部基質(zhì)吸力存在較大的差異性,從而導(dǎo)致土體由于收縮不均勻而產(chǎn)生裂隙。初始含水率決定了紅黏土裂隙性的嚴(yán)重程度,初始含水率越大，則裂隙發(fā)育越顯著；初始含水率越小，則土體開裂程度越小。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率的增大，紅黏土的裂隙長度與裂隙平均寬度均呈增長趨勢。這是由于在土體體積和土體的干密度不變的情況下，含水率越高，孔隙水所占據(jù)的體積就越大，土體顆粒間的間距就會增大，孔隙比也增大;同時在干燥過程中土體收縮變形量也相對增大，從而為裂隙發(fā)育提供更大空間，且由于棕絲的存在，棕絲貫穿于土體內(nèi)部，在一定程度上“破壞”了試樣的致密性，即產(chǎn)生了大量的細(xì)小裂隙，使得最終裂隙長度增大。

4 結(jié) 論

(1) 棕絲是一種天然纖維，具有強(qiáng)度高、耐久性好、造價低和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，利用棕絲改良紅黏土可以有效抑制其裂隙性。

(2) 隨著棕絲摻量的增大，改良土的裂隙率和裂隙寬度呈降低趨勢，裂隙長度呈先降低后增大趨勢，且棕絲摻量為0.3%時裂隙長度最小。

(3) 隨著含水率的增大，素土與棕絲改良土的裂隙率、裂隙長度及裂隙寬度均呈增長趨勢。