膨胀岩裂隙发育的现场观测及描述方法研究

王 军，龚壁卫，张家俊，周小文，谭峰屹

（1.华南理工大学亚热带建筑国家重点实验室，广州 510640；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

膨胀岩裂隙发育的现场观测及描述方法研究

王 军1，2，龚壁卫2，张家俊1，2，周小文1，谭峰屹2

（1.华南理工大学亚热带建筑国家重点实验室，广州 510640；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

基于图像灰度化及二值化的数值处理技术，提出了膨胀岩裂隙度的概念及定量描述方法。在南水北调中线新乡潞王坟试验段进行了膨胀岩裂隙观测试验，定量分析了膨胀岩边坡在干湿循环中的裂隙的变化规律及其与含水率的相关关系。分析表明，膨胀岩裂隙的发育与天气变化密切相关，随着干湿循环的发展，裂隙的宽度和裂隙度逐渐增加，利用Matlab数字图像处理方法得到的裂隙率可以较好地描述裂隙的发育和发展情况。

膨胀岩（土）；南水北调中线工程；Matlab；裂隙度

1 概 述

膨胀岩（土）是自然地质过程中形成的多裂隙且具有显著胀缩性的岩体。由于膨胀岩（土）的黏土矿物成分主要为强亲水性的蒙脱石或伊利石，因而具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形的特征，加之分布于土体中的裂隙和层间结合面，使其对各种工程结构物具有严重的破坏作用［1］，如地基隆起、路基开裂以及边坡失稳等。研究表明：膨胀岩（土）边坡中的裂隙及其发展对边坡的稳定起着关键性的作用［2］。大气降雨和地表蒸发，使得膨胀岩（土）湿胀干缩，并循环往复，逐步使土体产生裂隙，而裂隙的存在又进一步为雨水的入渗和水分的蒸发提供了通道，加快了土中含水量的波动和胀缩的反复发生，导致裂隙扩大并向土的深部发展。裂隙的产生、延伸、扩展、贯通，破坏了膨胀岩（土）的结构性和整体强度，使得膨胀岩（土）滑坡常常成为难以治理的“顽疾”。

有关膨胀岩（土）裂隙的研究工作，目前主要集中在两个方面，一些主要采用当前工程力学领域的成就（如弹性理论、断裂力学）来分析膨胀岩（土）裂隙的分布、深度、开展和延伸度，以及裂隙及其周围土体的强度和变形特性［3，4］，这种方法包含了一定的假定和简化条件，成果的精度尚难以验证。另一些少量的定量研究也只是在室内针对重塑土开展的［5－8］。由于室内试验中裂隙的发育与现场实际情况可能有较大的差异，室内试验未必能够反映现场的复杂情况，已有的关于裂隙的定量描述［2，5，6］仅是假借其它的物理量来衡量裂隙度，如灰度熵［5］，分形维数［6］等，这使得对于膨胀岩（土）的裂隙特性乃至边坡失稳机理仍没有得到令人信服的解释。因此，继续就膨胀岩（土）的裂隙问题开展定量的试验研究，尤其是采取现场试验观测手段取得实际的裂隙数据，具有重要的意义。为此，从2007年底开始，长江科学院等有关单位在南水北调中线工程新乡段开展了膨胀岩边坡破坏机理及加固方法的试验研究，针对膨胀岩的裂隙发育规律进行了观察、量测和分析研究。

2 裂隙率的表达方法

袁俊平［5］等利用远距光学显微镜对重塑膨胀土在自然风干条件下的裂隙发展变化进行了动态的、定量的观测，其试验结果表明，裂隙图像的灰度熵可以很好地表征裂隙的发育发展程度，适合作为膨胀土裂隙发育程度的度量指标。但是灰度熵实际上反映的是图片灰度分布的均匀与离散情况，在表征裂隙发育程度上具有一定的局限性，灰度熵能否直接用作表征裂隙度的变量有待进一步研究，而且其容易受亮度和对比度的影响，精度上取决于图像资料的后处理精度，之前的研究者对此缺乏有效的处理手段。

易顺明、徐永福［6，7］等指出，膨胀土裂隙几何图像的不规则程度高，结构复杂，定量描述极为困难，建议采用分形理论进行统计。对膨胀土不同尺度的裂隙，在二维平面上均构成为网络系统，其分形是建立在一种统计分布上，可用盒维数法计算其分维值，分维值能表征裂隙发育的程度。但分维值是建立在膨胀土的土颗粒大小的分布与孔隙分布的基础之上的，同样，表征裂隙发育的程度不够直观和直接。

为此，本文提出一种结合Matlab数值图像处理功能的图像数值化分析方法，即将现场拍摄的常规RGB照片进行处理降噪，提高图像数值的精度，并将此数值图像进行裂隙骨骼化，进而将目标区域的裂隙数值化的裂隙统计方法。此方法在复杂的现场具有较强的适用性，而且Matlab图像处理技术保证了计算裂隙度的精度，因此，该处理方法不仅能保证裂隙数值图像的精度，而且克服了以往的研究者需要人为调整外界干扰因素的影响。另外，该处理方法直接将裂隙数值化，裂隙的发展变化直接反映在裂隙数值图像上，通过对裂隙图像的数值处理可以得到裂隙的发展变化。图像数值化的实现过程如下。即原始图像→灰度图像→裂隙轮廓图像→裂隙轮廓二值化图像。

裂隙面拍照采集到的彩色图像是RGB（Red／Green／Blue）三基色模型，不仅包含亮度信息，还包含颜色信息（图1（a）），颜色信息包含着分析裂隙面不需要的信息，甚至是环境影响的杂质信息，需要消除这些影响，图像就需要进一步处理。

利用Mat lab图像处理工具，将采集到的彩色图像转化为灰度图，灰度图像只表示图像的亮度信息而没有颜色信息，因此，灰度图像的每个像素点上只包含一个量化的灰度级（即灰度值），用来表示该点的亮度水平（图1（b）），同样的裂隙面不同的环境拍出的照片灰度值会不一样，需要将图像进一步处理。

将灰度图进行边缘检测处理，提取出裂隙的边缘，裂隙边缘是以图像的局部特征不连续的形式出现的，即是指图像局部亮度变化最显著的部分，边缘检测的基本思想是检测图像中的裂隙边缘点，再按照一定的方式将边缘点连接成轮廓（图1（c）），这种处理方法消除了不同环境造成图片灰度的不同的影响。

为了得到裂隙率，还需要把处理过的灰度图像转换为二值图像，如图1（d）所示。

二值图像的像素值只有“0”和“1”两种，非裂隙点的值为“1”，裂隙点的值为“0”。通过统计二值图像中像素值为“0”的点的个数，除以图像总的像素点数，即可得到该图像的裂隙率，作为表征裂隙发育程度（裂隙度）的物理量。裂隙率的表达式为

式中：D为裂隙率；Σ0为像素值为“0”的总点数；Σ1为像素值为“1”的总点数。

以上图像处理的方法通过在Mat lab中编制程序得以实现。

图1 裂隙率在M at lab中的实现过程Fig.1 The processing diagram of calculating the crack rate in M at lab

3 试验方案及方法

在南水北调中线工程新乡段，开展了膨胀岩边坡的现场试验。根据取样试验结果，其基本的物理性质如下：天然含水率为21.4%；天然干密度为1.65 g／cm3；粒径≥0.075 m的砂粒含量为22.3%，0.075～0.005 mm的粉粒含量为41.9%，■0.005 mm的黏粒含量为35.8%；其液限、塑限分别为54.9%和25%。X衍射试验分析结果表明，土样的主要黏土矿物成分为蒙／伊混合层（8%）和伊利石（14%），自由膨胀率60.4。根据国标GB112－87膨胀性分类标准，该土样属于弱膨胀土。

现场试验在渠道边坡位置开挖出一个3 m×3 m的直立剖面，裸露出边坡垂直临空面的裂隙作为观测断面，如图2（a，b）所示。在距离观测断面1.5 m处，设立一固定支架，作为数码相机定点摄录裂隙照片的平台（如图2（c）所示）。同时，在观测断面右侧，沿不同深度，每间隔0.2 m埋设ML2X含水率探头，每天定时观测不同深度下土体含水率的变化，如图3所示。在断面刚开挖后，有数条裂隙已经完全贯通整个断面，选取其中的3条裂隙作为主裂隙，选取局部贯穿的2条裂隙作为次裂隙，对这5条裂隙分别编号，量测其长度，并沿裂隙开展方向测量不同位置的裂隙宽度。5条裂隙的形态如图4所示。

图2 观测平面Fig.2 Observation ichnography

图3 含水量探头布置Fig.3 M oisture probe layout

图4 裂隙分布Fig.4 Cracks distribution diagram

对于裂隙平面，每2 d定点定时拍照，记录裂隙图像，从2008年11月23日至2009年4月1日，直至3月份雨季到来，观测断面被雨水冲垮，观测终止，共计130 d，经历2次干湿循环。

4 试验成果及讨论

4.1 裂隙宽度的变化

1＃主裂隙位于坡面表层，产状为铅直向；4＃主裂隙位于坡面表层，产状为顺坡向；3＃主裂隙位于坡面深层，产状为逆坡向。

2＃，5＃次裂隙均为1＃主裂隙的分支。

采用直尺定点测量裂隙的宽度，其中1＃，3＃，4＃主裂隙的初始宽度分别为10，7.7，10 mm；2＃，5＃次裂隙初始宽度分别为7，3 mm。主裂隙和次裂隙的宽度变化曲线分别见图5和图6，相应的含水率的变化如图7所示。

图5 观测平面主裂隙宽度变化曲线Fig.5 M ain-cracksw idth change curve in observation plane（unit in mm）

图6 观测平面次裂隙宽度变化曲线Fig.6 Sub-cracksw idth change curve in observation p lane（unit in mm）

图7 观测平面含水率变化曲线Fig.7 Soilwater content change curve in observation p lane

4.1.1 主裂隙宽度变化

由图5至图7可以看出，裂隙宽度的变化实际上是随着降雨-蒸发的循环而呈现收缩与张开的反复循环的过程。第一次降雨前，1＃裂隙的宽度由10 mm增大到14.3 mm，降雨后裂隙宽度减小到14 mm，并最终达到8.7 mm；第二次降雨后，1＃裂隙的宽度由8.7 mm增大到15.6 mm，3＃，4＃裂隙也有类似现象。由此可见，持续干燥的天气会导致裂隙张开，宽度增大；降雨会导致裂隙宽度减小甚至闭合。对于贯穿整个裂隙面的主裂隙而言，裂隙宽度的变化相对平缓，3＃裂隙宽度甚至一度减少，这主要是由于3＃裂隙的产状为逆坡向，降雨发生后，土体强度降低，后方土体主动位移影响使得裂隙闭合，宽度变小。1＃主裂隙产状为顺坡面，裂隙宽度的变化只受干湿循环的影响，降雨发生时，裂隙宽度变小，持续干旱，裂隙宽度持续增加。而4＃裂隙虽然与1＃裂隙一样为顺坡向裂隙，但由于其位于渠道坡面表层，降雨过后雨水下渗，导致裂隙闭合，裂隙宽度变小，其影响要大于应力的影响，故而也一度呈现宽度下降的趋势。在本次试验当中，经过2次的干湿循环，1＃主裂隙宽度最大达到15.6 mm。3月份的雨季到来之后导致雨水大量入渗，随即裂隙被土充填、愈合，观测终止，如图8所示。

图8 观测终止时的裂隙平面Fig.8 Crack observation plane graph as the observation finished

4.1.2 次裂隙宽度变化

次裂隙受干湿循环影响导致的宽度变化更为明显（图6）。第一次降雨前后，2＃裂隙的宽度由7 mm增大到11mm，随后裂隙宽度减小到10mm；5＃裂隙的宽度由3 mm增大到5 mm，随后减小到4 mm。第二次降雨前后，2＃裂隙的宽度由11 mm增大到14 mm，5＃裂隙的宽度由4 mm增大到7 mm，随后由于大雨导致裂隙被充填，裂隙闭合。次裂隙没有贯穿整个竖向的观测断面，其宽度变化反映的是局部土体受外界因素影响下的土体状态的变化，其变化的状态与土体含水量变化基本一致。这表明，干湿循环是控制土体裂隙的最重要的因素。在本次试验中，由于次裂隙的持续开展，最大裂隙宽度也达到14 mm，多条次裂隙的开展导致次裂隙周围的土体发生脱落或崩解，进一步提供更多的雨水入渗通道，3月份雨季到来之后，裂隙被土充填、愈合，观测终止。

4.2 观测断面裂隙的定量化描述

根据上述有关裂隙率的定义，将观测断面裂隙率与时间的关系描述如图9。由图7、图9可以看出，裂隙率的变化趋势与含水量变化基本是一致的，含水量的持续降低（2008年11月至2009年1月）会导致土体裂隙持续开展和发育，裂隙率不断增加。同时，裂隙在初期发展较明显，后期有所减缓（2009年1月至2月）。干湿循环会导致裂隙率呈现阶梯性的增加，第一次干湿循环，裂隙率峰值增加到0.08，其峰值是起初始值的2倍；第二次干湿循环（2009年2月至4月），裂隙率在此基础上持续增加，其峰值达到其初始值的3倍。直至3月份雨季到来之后，裂隙被填充，裂隙闭合，试验终止。

图9 裂隙率随时间变化曲线Fig.9 Duration curve of crack rate

由上述分析，本文提出的利用Mat lab数字图像处理方法得到的裂隙率的变化很好地描述了裂隙的发展变化情况，一次干湿循环导致裂隙率增加，在对裂隙的观测上表现为裂隙条数的增多和裂隙宽度的增大，反复干湿循环导致裂隙率持续缓慢增加，裂隙的宽度持续增大。裂隙率实际上反映的是裂隙分割土体强度的一个有效指标，裂隙率越大，土体被裂隙分割的强度越高。裂隙率对于描述裂隙的发展程度是十分有效的，合理地解释了裂隙随着气候变化（干湿循环）而发育和发展。观测终止时的裂隙面，如图8所示，土体破碎十分剧烈，已经呈现类沙土似的浅层滑坡。

5 结论及建议

（1）膨胀岩（土）裂隙的发育程度可以用裂隙度较好地描述，裂隙度可以通过将彩色图像灰度化和二值化计算得到。

（2）膨胀岩（土）裂隙的发育与天气变化密切相关，随着干湿循环的发展，裂隙的宽度和裂隙度逐渐增加，加剧了雨水入渗和蒸发的程度，进一步促进裂隙的发育和膨胀岩（土）结构破坏。

（3）利用Matlab数字图像处理方法得到的裂隙率可以很好地描述裂隙的发育和发展情况，裂隙度增加，裂隙分隔土体的程度增加，土体完整性降低，粘聚力减小，土体强度降低，边坡滑坡呈现类沙土的浅层滑坡。

［1］ 刘特洪.工程建设中的膨胀土问题［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.（LIU Tei-hong.Expansive Soil Problem in Construction［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，1997.（in Chinese））

［2］ 包承纲.膨胀土裂隙性研究膨胀土处治理论、技术与实践［M］.北京：人民交通出版社，2004.（BAO Chengang.Study on Expansive Soil Cracks Treatment of Expansive Soil，Theory，Technology and Practice［M］.Beijing：People＇s Communications Press，2004.（in Chinese））

［3］ KONRAD JM，AYAD R.An idealized gramework for the analysis of cohesive soils undergoing desiccation［J］.Can Geotech，1997，34：477－488.

［4］ 郑少河，金剑亮，姚海林，等.地表蒸发条件下的膨胀土初始开裂分析［J］.岩土力学，2006，27（12）：2229－2233.（ZHENG Shao-he，JIN Jian-liang，YAO Hai-lin，et al.Analysis of initial cracking behavior of expansive soil due to evaporation［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（12）：2229－2233.（in Chinese））

［5］ 袁俊平，殷宗泽.膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究［J］.水力学报，2004，（6）：108－113.（YUAN Jun-ping，YIN Zong-ze.Quantitative index of fissure and strength characteristics of fissured expansive soils［J］.Shuili Xuebao，2004，（6）：108－113.（in Chinese））

［6］ 徐永福，孙婉莹，吴正根.我国膨胀土的分形结构的研究［J］.河海大学学报，1997，（1）：18－23.（XU Yongfu，SUNWan-ying，WU Zheng-gen.On fractal structure of expansive soils in China［J］.Journal of Hohai University，1997，（1）：18－23.（in Chinese）

［7］ 易顺民，黎志恒，张延中.膨胀土裂隙结构的分形特征及其意义［J］.岩土工程学报，1999，（5）：294－298.（YI Shun-min，LI Zhi-heng，ZHANG Yan-zhong.The fractal characteristics of fractures in expansion soil and its significance［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，（5）：294－298.（in Chinese））

［8］ 谢和平.分形-岩石力学导论［M］.北京：科学出版社，1996.（XIE He-ping.Fractal-Introduction to Rock Mechanics［M］.Beijing：Science Press，1996.（in Chinese）

（编辑：王 慰）

Field Observation and Description M ethod of Cracks Development on Expansive Rock

WANG Jun1，GONG Bi-wei2，ZHANG Jia-jun1，ZHOU Xiao-wen1，TAN Feng-yi2
（1.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics＆Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

On the basis of numerical processing technology of image grayscale and binarization，the concepts of crack rate and calculation method on expansive rock are presented.The dry-wet cycle testswere carried out in situ at Luwangfen test section of South-to-North Water Transfer Project Central Route，the tests focused on the observations of development changes in cracks and soilmoisture changes.According to the results in the tests，the variation law of crack width on expansive rock slope and its relationship with moisture content during the dry-wet cycle testwere quantitatively analyzed，also the variation law of crack ratio was investigated.The development of crack on expansion rock is closely related to changes in theweather，and with the developmentofwet and dry cycles，the width of cracks and crack ratio will gradually increase.By using the Mat lab digital image processingmethod，the crack ratio can be used to effectively describe the growth and development of cracks on expansive rock.

expansive rock（soil）；South-to-North Water Transfer Project Central Route；Mat lab；crack ratio

TU455

A

1001－5485（2010）09－0074－05

2009-11-24

水利部岩土重点实验室开放基金项目（G07－02；G07－15）

王 军（1983-），男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事特殊土方面的研究，（电话）13476807917（电子信箱）wangjun_ust＠qq.com。