干濕循環(huán)對粉砂土改良膨脹土裂隙及強度影響

王 歡，曹義康，任俊璽

(河南大學土木建筑學院,河南開封 475004)

0引 言

膨脹土組成物質(如強吸水性的蒙脫石和伊利石等)特殊，具有多裂隙性、強脹縮性和超固結性等三大特性[1-2]，其中多裂隙性是影響膨脹土工程特性的關鍵因素。膨脹土在中國分布較廣，一直以來嚴重危害工程建設的安全，被稱為“工程中的癌癥”[3]。

膨脹土中裂隙的發(fā)育和擴展會嚴重破壞土體結構的完整性，并降低土體結構的強度和整體穩(wěn)定性[4]。因此研究干濕循環(huán)條件下不同含水率膨脹土的裂隙發(fā)育具有特殊意義。目前，工程中預防膨脹土危害的措施大多以化學改良為主，通常是將粉煤灰、水泥、石灰或者化學改良劑等摻入膨脹土中，雖然在一定程度上起到改良的效果，對膨脹土的脹縮性有顯著的抑制作用，但是長期大面積的使用會對土壤環(huán)境造成污染，且成本較高[5-7]。黃泛區(qū)粉砂土作為一種天然砂，具有綠色清潔、取材方便等優(yōu)點，用來改良膨脹土具有良好的應用前景。因此，國內外不少學者對天然砂改良膨脹土的工程性質做了大量的研究[8-9]。Zhao等[10]研究了凍融和干濕循環(huán)過程中膨脹土中水分和收縮特性的演變，發(fā)現凍融和干濕循環(huán)對大孔隙系統(tǒng)破壞較顯著，從而引起裂縫的產生。Qi等[11]研究了膨脹土邊坡產生裂縫的原因，發(fā)現由于季節(jié)性干濕循環(huán)引起膨脹土體抗剪強度降低，導致邊坡失穩(wěn)破壞。Rao等[12]研究了石灰改良膨脹土經過干濕循環(huán)作用后的強度變化規(guī)律，發(fā)現隨著干濕循環(huán)次數的增多，改良土的強度變小。Costa等[13]認為裂隙的出現是由土體的結構缺陷或內部孔隙導致的。Lecocq等[14]研究了影響土體裂隙發(fā)育的因素以及裂隙寬度的發(fā)育規(guī)律。劉觀仕等[15]通過室內模擬試驗，研究了不同溫度和濕度對膨脹土裂隙發(fā)育的影響規(guī)律，結果表明環(huán)境溫度較高時，初期裂隙發(fā)育較快，濕度較大時，裂隙發(fā)育較緩慢。張水兵等[16]采用不同摻量的石灰改良膨脹土，通過室內龜裂試驗發(fā)現隨著石灰摻量的增加，裂隙率的峰值明顯減小。包惠明等[17]通過室內模擬干濕循環(huán)試驗，研究了干濕循環(huán)作用對膨脹土裂隙發(fā)育的影響，結果表明隨著干濕循環(huán)次數的增加，膨脹土的裂隙發(fā)育越來越多。黃震等[18]通過石灰和風化砂改良膨脹土，研究了改良膨脹土的裂隙發(fā)育對土體抗剪強度的影響，結果表明石灰和風化砂均能夠明顯地抑制改良膨脹土裂隙的發(fā)育，改良后膨脹土的黏聚力均有所增加。莊心善等[19]研究了粉煤灰摻量對膨脹土裂隙率的影響，結果表明粉煤灰改良膨脹土的裂隙發(fā)育程度隨粉煤灰摻量的增加而不斷減小。王建磊等[20]研究了水泥改良膨脹土的力學性質受干濕循環(huán)的影響，發(fā)現水泥能夠明顯提高膨脹土的抗剪強度，脹縮性也有明顯減弱，且水泥改良膨脹土受干濕循環(huán)作用的影響很小。凡超文[21]研究了黃泛區(qū)粉砂土改良膨脹土的基本特性以及最佳摻量問題，得出膨脹土中摻入30%粉砂土能夠顯著改善膨脹土的抗剪強度、抗壓強度以及基本物理性能，未改良素膨脹土的自由膨脹率為50.20%，30%粉砂土改良后膨脹土的自由膨脹率為33.50%，30%粉砂土可將弱膨脹土改良成非膨脹土，由此可以滿足工程建設使用標準。上述研究主要是針對化學改良膨脹土裂隙發(fā)育的一般規(guī)律以及裂隙的產生對土體強度的影響，但是對于粉砂土改良膨脹土抗裂性能方面的研究較少。

本文以粉砂土改良膨脹土在不同含水率下隨干濕循環(huán)次數的裂隙發(fā)育為研究對象，開展室內模擬干濕循環(huán)試驗和直接剪切試驗，采用MATLAB圖像處理分析技術，對干濕循環(huán)過程中所獲得的裂隙圖像進行處理，分析不同含水率的改良膨脹土隨干濕循環(huán)次數的裂隙發(fā)育規(guī)律以及裂隙的擴展對土體強度的影響。

1試驗方案

1.1試驗儀器

試驗采用的儀器為HK-PZ-SL型PPS四聯直剪儀，如圖1所示?？旒舴ǖ募羟形灰茷? mm，剪切速率為0.80 mm·min-1，所設定的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa，所需土樣尺寸為61.80 mm×20 mm。

圖1HK-PZ-SL型PPS四聯直剪儀Fig.1HK-PZ-SL Type PPS Quadruple Straight Shear

1.2試驗土樣

試驗所用膨脹土取自河南省新鄉(xiāng)市，取土深度約為地表以下1.50 m，該地段土層主要由第三系泥灰?guī)r風化、中更新統(tǒng)殘破積成因的重粉質壤土以及第四系上更新統(tǒng)坡洪積成因的黃土狀重粉質壤土組成[22]。根據《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[23]對土樣進行液塑限試驗、直接剪切試驗、擊實試驗、自由膨脹率試驗等確定膨脹土的物理性質指標(表1)。從表1可知，試驗用土的自由膨脹率為50.20%，根據《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》(GB 50112—2013)[24]分類標準可判定所取土樣為弱膨脹土。粉砂土取自黃河北岸的新鄉(xiāng)市原陽縣，通過室內試驗確定該地區(qū)粉砂土的基本物理性質如表2所示。

1.3試樣制備

由于干濕循環(huán)作用對土體裂隙的發(fā)展影響比較大，因此試驗采用烘干和噴霧的方式對改良膨脹土進行干濕循環(huán)處理。試驗選擇30%的粉砂土改良膨脹土，為更加接近膨脹土在自然條件下的干濕循環(huán)作用，控制烘箱干燥時的溫度為40 ℃。為使試樣含水率更加均勻，用保鮮膜嚴密包裹試樣并置于密閉容器中養(yǎng)護24 h。

表1試驗所取膨脹土基本物理性質指標Table 1Basic Physical Property Indexes of Expansive Soil Taken in Test

表2試驗所取粉砂土基本物理性質指標Table 2Basic Physical Property Indexes of Silty Sand Taken in Test

由擊實試驗確定30%粉砂土改良膨脹土的最優(yōu)含水率為13.10%，最大干密度為1.87 g·cm-3。對泡水后的壓實試樣進行試驗確定最大飽和含水率為22.95%，最低飽和含水率為19.14%。設定每個干濕循環(huán)周期含水率為10%～20%，根據《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[23]，含水率梯度宜按2%～3%遞增，因此本試驗分別設定11%、13%、15%、17%四個含水率，進行 5次干濕循環(huán)試驗，每次循環(huán)需要4個試件，1個含水率試驗需要24個試件。將取回的膨脹土和粉砂土風干碾碎，過2 mm篩，將膨脹土中摻入30%的粉砂土，放入105 ℃烘箱中烘8 h以上，然后按照最大干密度和最優(yōu)含水率配置土樣，采用環(huán)刀尺寸為61.80 mm(直徑)×20 mm(高度)，以96%壓實度靜壓成型。

1.4試驗方法

(1)首先取24個試件在室內自然風干，直到其質量達到10%含水率時的質量。為避免試件遇水崩解破壞，可以用土工布包裹試件置于水槽中，不斷向試件噴水，反復稱量試件的質量，直到其達到預定含水率時的質量停止噴水。為使試件表面和內部達到一致含水率，取出4個試件解開土工布，用保鮮膜包裹試件，并放入密閉盒中養(yǎng)護24 h，至此完成第0次干濕循環(huán)。

(2)對剩余的20個試件繼續(xù)噴霧加濕，直到其質量達到含水率20%時的質量，采用烘箱進行干燥處理，控制干燥時的溫度為40 ℃，然后取出試件解開土工布放入烘箱中進行脫水，反復稱量試件的質量，直到其達到預定含水率時的質量停止脫水，取出4個試件用保鮮膜包裹放入密閉盒中養(yǎng)護24 h，將剩余的16個試件繼續(xù)脫水，直到其質量達到含水率10%時的質量，停止脫水，至此完成第1次干濕循環(huán)。

(3)剩余的16個試件重復第2步的試驗過程，繼續(xù)完成第2～5次干濕循環(huán)。

(4)為保證拍攝的效果，采用支架將相機固定在同一高度，每次設置相同的拍攝參數，將干濕循環(huán)后的改良膨脹土放置在相機正下方拍攝，記錄第0、1、2、3、4、5次干濕循環(huán)后的改良膨脹土的裂隙照片。采集土樣的局部裂隙進行分析，經MATLAB處理后的圖片如表3所示。

(5)經過干濕循環(huán)后對同一含水率的試樣分別施加100、200、300、400 kPa垂直壓力，然后以相同的剪切速率進行直剪試驗，得出試件在各級荷載下的抗剪強度。

2裂隙定量評價方法

2.1裂隙率的定義

試驗采用裂隙率對裂隙進行定量分析，計算公式為

(1)

式中：δf為裂隙率；n為裂縫的總條數；A為試樣總面積；Ai為第i條裂縫的面積。

2.2裂隙圖像的處理

為了更加直觀并定量描繪不同含水率的改良膨脹土隨干濕循環(huán)次數的裂隙發(fā)展變化規(guī)律，將前期圖片通過PHOTOSHOP進行預處理，然后利用基于MATLAB開發(fā)的裂隙圖像處理程序[25]進行灰度化、二值化等處理，使得土體裂隙更加清晰，細節(jié)更加明顯。最終得到轉化后的二值化圖像如圖2所示，其中僅有黑白2種像素，裂隙用黑色像素表示，其余部分用白色像素表示，其具體的處理流程如圖3所示。

量化裂隙的裂隙率為黑色像素占整個圖片像素(黑色與白色像素的和)的百分比，計算公式為

(2)

式中：nb為黑色像素點的個數；nW為白色像素點個數。

3裂隙產生的機理及試驗結果分析

3.1裂隙產生的機理

與一般土不同，膨脹土具有典型的吸水膨脹、失水收縮的特性。在降水和蒸發(fā)的過程中，土體會發(fā)生明顯地膨脹或者收縮，導致土體孔隙變大，結構松散，裂隙開始產生。由于上部土體失水較快，膨脹土表面收縮，下部土體水分減少緩慢，導致膨脹土收縮不均，裂縫將進一步發(fā)展，下部水分繼續(xù)蒸發(fā)，從而使裂縫向土體深處延伸。

試驗發(fā)現，用粉砂土、粉煤灰、水泥或石灰改良后的膨脹土也會在干濕循環(huán)后產生裂縫，但是相對于未改良的膨脹土，裂隙的產生有明顯的改善，因此不同含水率改良膨脹土在干濕循環(huán)作用下的裂隙發(fā)展是本試驗的研究重點。

3.2試驗結果分析

3.2.1 干濕循環(huán)次數和裂隙的發(fā)育規(guī)律

為了更加直觀地描述不同含水率的改良膨脹土裂縫隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律，以干濕循環(huán)次數為橫坐標，裂隙率為縱坐標，繪制出裂隙率在不同含水率下隨干濕循環(huán)次數的變化曲線，如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現，干濕循環(huán)次數和含水率對改良膨脹土裂隙的發(fā)展都起著重要的作用。不同含水率的改良膨脹土裂隙的發(fā)育位置、大小、走向不盡相同，但是其總體發(fā)育規(guī)律基本一致。當含水率為11%時，第1次干濕循環(huán)作用后的裂隙率基本為第0次循環(huán)的3倍以上，當含水率為17%時，第1次干濕循環(huán)作用產生的裂隙和第0次循環(huán)相比基本沒有增長。不同含水率的改良膨脹土經過第0、1 次干濕循環(huán)的作用，裂隙的產生都比較少，裂隙率曲線較平緩，裂隙發(fā)育比較慢；經過第1次干濕循環(huán)作用后，裂隙率曲線開始變陡，裂隙進入快速發(fā)展階段；第4、5次之后，裂隙率曲線又開始變緩，裂隙基本不再增長。

隨著含水率的增大，改良膨脹土的裂隙率在逐漸減小。這主要是因為含水率較高的改良膨脹土中含有較多的水分，水分子會在土顆粒周圍形成一層致密的水膜，在水分蒸發(fā)時，水膜會慢慢變薄，基質吸力的作用會把土顆粒重新緊密排列。當水分蒸發(fā)時，改良膨脹土會由于干縮而產生一種拉應力，當土顆粒之間的黏結力大于干縮產生的拉應力時，裂隙的發(fā)育就會受到限制。因此在土體表面就沒有表現出太多裂縫的開裂。當含水率為11%時，由于土體上部失水速率大于土體下部，所以上部土體失水較多，且由于膨脹土具有低滲透性的特點，導致土體內部水分很難在較短時間內均勻分布，土顆粒之間由于干縮而產生的拉應力大于土顆粒之間的黏結力，土體表面就開始形成裂隙。當再次吸水時土體又開始膨脹，裂隙開始愈合，但是發(fā)育的裂隙不能完全恢復到原來的狀態(tài)，當再次脫濕時，原來的裂隙會首先張開，由于原有裂隙很脆弱，會沿著原有裂隙向土體 深部繼續(xù)延伸。含水率較低時，土顆粒之間的黏結力隨著水分流失在不斷地減少，土體干縮產生的拉應力在不斷地釋放，在反復干濕循環(huán)作用下新的裂隙會持續(xù)發(fā)育，并不斷地向土體深部延伸。因此低含水率的改良膨脹土的裂隙率隨著干濕循環(huán)次數的增加而增加，其裂隙的發(fā)育、擴展會一直持續(xù)下去。

當含水率為17%時，土體內部含有較多的水分，電荷的作用在土顆粒周圍產生一層較厚的水膜，在水分蒸發(fā)的過程中，水膜會逐漸變薄，由于基質吸力的存在，土顆粒將會重新排列，彼此之間產生一種拉應力。 由于蒸發(fā)的水量總是小于內部土體的含水量，土顆粒之間的黏結力大于干縮產生的拉應力，因此土體裂隙發(fā)育比較緩慢。

表3試樣局部裂隙發(fā)育Table 3Partial Crack Development of Soil Sample

圖2裂隙圖像二值化處理Fig.2Binary Processing of Crack Image

圖3MATLAB圖片處理流程Fig.3Image Processing Flow with MATLAB

圖4不同含水率下裂隙率與循環(huán)次數關系Fig.4Relationship Between Crack Rate and Cycle with Different Moisture Contents

3.2.2 裂隙對抗剪強度的影響

為了研究干濕循環(huán)效應對不同含水率改良膨脹土強度的影響，對改良膨脹土進行了5次干濕循環(huán)后，分別施加100、200、300、400 kPa的4種垂直壓力進行直接剪切試驗，得到不同含水率改良膨脹土在干濕循環(huán)下的抗剪強度參數，如表4所示。

從表4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數的增加，不同含水率改良膨脹土的黏聚力和內摩擦角都在減小，究其原因主要是由于隨著干濕循環(huán)的作用，改良膨脹土內外水分蒸發(fā)情況不同，土體表面水分蒸發(fā)較快，土體由于干縮而產生裂縫，表面變的松散，水分會沿著已有裂縫向土體深部延伸，導致裂縫發(fā)展越來越多。由于收縮變形是完全不可逆的，土體結構開始遭到破壞，整體穩(wěn)定性降低，土顆粒之間摩擦力減小，導致土體黏聚力和內摩擦角不斷減小。不同含水率改良膨脹土的內摩擦角和裂隙率的關系如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著裂隙率的增加，內摩擦角隨著含水率的增大而逐漸減小。因為含水率較大的土樣由于電荷作用會在土顆粒表面形成一層水膜，從而使得內摩擦角變小，隨著干濕循環(huán)次數的增加，改良膨脹土的內摩擦角降低幅度較小。當含水率為11%、13%、15%、17%時，經過5次干濕循環(huán)作用后，裂隙率分別增長了8.85倍、8.53倍、6.75倍、3.28倍，可以看出當含水率較大時裂隙的發(fā)育較弱，但是改良膨脹土的強度卻是最低的，這是由于含水率較高時，土顆粒之間存在較高的孔隙水壓力，當孔隙水壓力大于土顆粒之間的拉應力時，裂隙發(fā)育就比較困難，同時強度也是最低的，不同含水率的土樣隨著干濕循環(huán)次數的增加，裂隙的發(fā)育程度減小。

表4不同含水率的改良膨脹土經歷干濕循環(huán)后的抗剪強度參數Table 4Shear Strength of Improved Expansive Soil with Different Moisture Contents During Dry-wet Cycles

圖5不同含水率改良膨脹土內摩擦角和裂隙率的關系Fig.5Relationship Between Internal Friction Angle and Crack Rate of Improved Expansive Soil with Different Moisture Contents

對不同含水率的粉砂土改良膨脹土在一定干濕循環(huán)次數下的裂隙率進行統(tǒng)計，將粉砂土改良膨脹土黏聚力和裂隙率的數據進行相關擬合，結果見圖6。擬合函數和擬合系數見表5，其中，a、b均為不同含水率下的指數，R2為裂隙率和黏聚力2組數據的判定系數。

圖6不同含水率改良膨脹土黏聚力和裂隙率的關系Fig.6Relationship Between Cohesion and Crack Rate of Improved Expansive Soil with Different Moisture Contents

從圖6和表5可以看出，黏聚力和裂隙率近似線性關系。在5次干濕循環(huán)過程中，不同含水率的粉砂土改良膨脹土的黏聚力都隨著裂隙率的增加而不斷降低，這說明粉砂土改良膨脹土反復脹縮產生的變形不能完全恢復，因此在土體產生裂隙后，原有的裂隙未能完全閉合，新的裂隙不斷產生，使得原有裂隙變的非常脆弱，導致土體結構變松散，從而使得土體的黏聚力逐漸降低。

表5改良膨脹土黏聚力與裂隙率之間的擬合函數及擬合系數Table 5Fitting Function and Fitting Coefficient Between Cohesion and Crack Rate of Improved Expansive Soil

4結語

(1)針對膨脹土地區(qū)的基礎工程，本文進行了室內模擬試驗，初步獲得不同含水率下改良膨脹土裂隙率隨干濕循環(huán)次數的變化規(guī)律，研究結論具有一定的工程參考價值。

(2)MATLAB軟件的圖像處理技術為土體裂隙定量化分析提供了方便快捷的途徑，在評價改良膨脹土的裂隙率方面具有高準確性、快捷的優(yōu)點。進一步開發(fā)數字圖像處理技術來定量分析土體的裂隙，將提高圖像分析的精確性；開發(fā)三維圖像處理分析的技術，將能更加全面、快速、高效地實現對土體裂隙的定量分析。

(3)含水率較低的粉砂土改良膨脹土前兩次的干濕循環(huán)對裂隙的發(fā)展影響最大，從宏觀和微觀上可以發(fā)現裂隙發(fā)育較快，土體表面變松散，結構整體性遭到破壞，土顆粒之間的黏結力變小，致使改良膨脹土的抗剪強度逐漸降低。第2次干濕循環(huán)以后，改良膨脹土的裂隙率仍在增長，但是增長幅度較小，裂隙率曲線較平緩。

(4)對于含水率較高的粉砂土改良膨脹土，裂隙率的增長趨勢一直較平緩，雖然裂隙發(fā)育的較少或者擴展較慢，但是高含水率改良膨脹土的抗剪強度卻是最低的。因此實際基礎工程宜在干旱季節(jié)施工，對于有條件的工程場地，應設法避免干濕循環(huán)的作用，以保障基礎的整體安全性、穩(wěn)定性。