膨胀土裂隙发育规律及与抗剪强度的关系研究

王 勇

(湖南省建筑设计院，湖南 长沙 410011)

0 引言

近几年来，由于我国部分地区的极端干旱气候的频频发生，极易引发膨胀土边坡表面干缩开裂。这种干缩裂隙的出现，一方面破坏了边坡土体结构的完整性，另一方面降水会随裂隙渗入到土体中，导致土体抗剪强度的降低。因此，膨胀土表面干缩裂隙的研究对于指导施工显得尤为重要。目前，国内许多学者在膨胀土裂隙方面进行了大量研究，同时得到了一些重要的结果，其中文献［1，2］对膨胀土裂隙的分形特征进行了研究，认为膨胀土力学效应和分形维数存在关系，即膨胀土的强度与分形维数有良好相关性。文献［3～5］通过室内试验模拟了重塑膨胀土的裂隙演化规律和机理，通过一些裂隙指标认为裂隙发育程度随循环次数增加而逐步增大。文献［6～8］通过各种图像处理软件对黏性土表面干缩裂隙的照片进行定量化处理，获得了大量的裂隙描述参数，并详细分析了干缩开裂的机理。文献［9，10］提出了用灰度熵来反映裂隙的发育程度，认为裂隙图像指标灰度熵可以较好的表征裂隙发育程度。

调查和研究表明，膨胀土的边坡的破坏，都属于浅层滑塌，一般深度范围在1～5 m，实际受到的法向压力通常低于50 kPa，而一般的抗剪强度试验的研究，按照规范取值范围为 50、100、200、300 kPa 或100、200、300、400 kPa，与实践情况不相符，得到的抗剪强度不利于边坡稳定性分析。本文将根据笔者从事的湖南省常德市临澧县城西部新城区道路工程中遇到的膨胀土边坡实例，运用Matlab 的图像处理技术对膨胀土的干缩裂隙图片进行处理，得到裂隙描述指标:裂隙率和分形维数，并结合低应力条件下膨胀土的抗剪强度参数值，建立抗剪强度与裂隙率和分形维数的关系。

1 试验方案

1.1 试件制备

从工地取回10 kg 左右膨胀土，经晒干和捣碎后过2 mm 土壤筛，通过室内试验得到土样主要物理性质指标，见表1。根据要求配制成初始含水率为17.2%的土样，密封闷料24 h，保证土样内部含水率均匀性。采用静压法对土样进行压实成形，试件高2.0 cm，直径为6.18 cm。

1.2 试验过程

试样共分为6 组，每组4 个试样，共24 个试样。为更明显的反映裂隙发育及模拟脱湿过程，本次试验采用70 ℃对试样进行烘干，烘干至质量变化在0.2 g 范围内，即可停止烘干。脱湿过程完成后，采用光学数码相机在固定高度对典型试样进行拍照，以追踪裂隙的发育，由于光线对拍照亮度的影响，因此，用日光灯进行照明，同时遮住一切外部光源，然后，将拍完照的试样装进饱和器中进行真空抽气饱和，抽气时间大约在4 h 左右，保持真空条件下的试样浸泡24 h。如此反复干湿循环过程0～5 次。将完成相应干湿循环次数的饱和膨胀土试样装入手动应变控制式直接剪切仪进行低应力条件下的不固结不排水快速剪切试验，法向压力分别为5、15、30 和50 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，整个直剪试验流程严格按照《公路土工试验规程》(JTG E40 －2007)操作执行。

表1 膨胀土基本指标

1.3 裂隙参数提取

随着计算机软件的开发应用，研究者逐渐对裂隙进行了定量化测定，基本上均是应用图像处理手段。本文运用Matlab 软件的图像处理功能，对膨胀土开裂试样进行二值化处理，然后进行矢量化得到裂隙的参数。二值化如图1所示。

图1 二值化处理后的裂隙图像

2 试验结果及分析

2.1 裂隙发育规律分析

选取具有代表性的土样的1～5 次干湿循环烘干后的5 张图像，观察干湿循环次数作用对其开裂程度的影响，如图2。

图2 1～5次干湿循环烘干后的试样图像

观察以上膨胀土的干湿循环烘干后的裂隙发育图片，可看出，裂隙的发育程度随干湿循环次数的增加而逐步增大，最终趋于稳定状态。第1～2 次干湿循环作用对裂隙的开裂影响程度较大，随次数的增加裂隙大多沿着原有的裂隙发育，裂隙以变宽、变长为主，新的裂隙发育较少。

土样在烘干过程中，试件上下脱湿速率是不均匀的，试件表面与热空气直接接触，水分蒸发较快，内部的水分只能通过孔隙或者微小裂隙排出，因此，脱湿速率相对大于下部，从而形成含水率梯度。由于这种含水率梯度的作用，使得试样内部应力的不均匀性，当拉应力大于土的抗拉强度时，裂隙便开始形成。饱和过程中，裂隙由于膨胀土的特性而愈合，但不能完全是土体的抗拉强度恢复到原来的水平，于是土样经历每一次干湿循环后，裂隙不断增长。再次脱湿后，裂隙都会首先沿着原来愈合的裂隙张开，张开后的裂隙面成为新的界面，界面下的含水率梯度会重新分布，导致裂隙的进一步向四周扩张。这就是裂隙随干湿循环次数增加的原因。

2.2 裂隙和抗剪强度测定结果

2.2.1 裂隙参数的描述

利用Matlab 对烘干后的土样进行二值化处理和矢量化分析，得到试样干湿循环后的裂隙率和分形维数，具体变化结果如表2。表2中可看出，随干湿循环次数增加，裂隙率和分形维数也增加，但都逐步趋于稳定值，第1～2 次循环后裂隙率和分形维数数值上变化幅度最大。

究其原因，由于土样上层的失水速率大于下层，因此，上层土体收缩变形受到下层土体的约束，这样在上层土体中产生收缩拉应力，裂隙便开始形成，随着脱水的进行，土体不断收缩，裂隙也不断地扩大。当含水率低于缩限含水率时，土体停止失水收缩，裂隙不再扩大。脱水完成后，向土样喷水至饱和，土体吸水膨胀导致干缩裂缝部分闭合。再次脱水时，土体首先沿着闭合裂隙开裂，张开的裂隙成为新的失水通道，加快了失水速率，从而在土体中产生新的含水率梯度，导致新的裂隙的产生。随着循环次数的增加，这种过程周而复始，裂隙产生越来越多，土块的个数也越来越多，尺寸也越来越小，同时较多裂隙贯穿于土体上下面。这样，再次脱水时，下层土体通过裂隙可与热空气直接接触，造成上下层土体难以形成大的含水率梯度，因此，随着循环次数的增加而新的裂隙产生较少。

表2 试样裂隙和强度参数测定结果

2.2.2 裂隙参数与抗剪强度参数的关系

对0～5 次干湿循环后的饱和试样进行低应力条件下的不排水不固结快剪试验，得到土样的粘聚力c 和内摩擦角φ 值，结果见表2部分。从表2可看出，膨胀土的粘聚力随干湿循环次数增加呈减小趋势，粘聚力c 值在第1 次干湿循环后变化最为明显，经过第 2、3、4、5 次干湿循环，数值上呈现下降的趋势，变化幅度较第1 次循环减小。而内摩擦角的数值变化虽然稍有起伏，但总体变化规律不明显，说明其受干湿循环次数的作用影响不大。文献［12］对原状膨胀土做过反复干缩湿胀直剪试验，也得出了类似的变化规律。

这里重点讨论粘聚力与裂隙率、分形维数的函数关系，对粘聚力与裂隙率和分形维数的关系点进行最小二乘法线性拟合，拟合结果见图4，图5。可从图中看出，粘聚力均随试样表面的裂隙率和分形维数的增加，而逐渐减小，且试件的强度参数与裂隙率和分形维数具有良好的线性关系。这说明裂隙的产生对土体的抗剪强度有重要的影响，裂隙的形成破坏了土体整体结构的完整性，使土体受力不均匀，致使粘聚力下降。同时，根据裂隙率、分形维数与强度参数的线性关系，为今后通过裂隙的参数的描述来反算裂隙结构强度指标，提供很好的理论依据。

图3 粘聚力与裂隙率的关系

图4 粘聚力与分形维数的关系

3 结论

1)裂隙的发育程度随干湿循环次数的增加而逐步增大，最终趋于稳定状态。其中，第1～2 次干湿循环作用对裂隙的开裂影响程度较大，随次数的增加裂隙大多沿着原有的裂隙发育，裂隙以变宽、变长为主，新的裂隙发育较少。第1～2 次循环后裂隙率和分形维数数值上变化幅度最大，随循环次数的增加逐渐趋于稳定状态。

2)裂隙的产生对土体的抗剪强度有重要的影响，膨胀土的粘聚力随干湿循环次数增加呈减小趋势，粘聚力c 值在第1 次干湿循环后变化最为明显，经过第2、3、4、5 次干湿循环，数值上呈现下降的趋势，变化幅度较第1 次循环减小。而内摩擦角受干湿循环次数的作用影响不大。

3)粘聚力与裂隙率和分形维数具有良好的线性关系，能够为以后根据裂隙的参数的描述来反算膨胀土裂隙影响的强度指标，提供一定的理论依据。

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