碾压膨胀土开裂规律及影响因素试验研究

韦秉旭,高 兵,黄 震，黎正富

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)



碾压膨胀土开裂规律及影响因素试验研究

韦秉旭,高 兵,黄 震，黎正富

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

运用计算机图像处理和编程技术，对不同压实度、初始含水率和干湿循环次数影响下膨胀土的表面裂隙的特征进行了描述和定量分析，探讨了压实度、初始含水率和干湿循环次数对膨胀土开裂规律的影响。结果表明：节点个数、块区个数、裂隙率和分形维数可以用来表征表面裂隙的开裂程度；随着膨胀土压实度的增大，裂隙的开裂程度减小；膨胀土的初始含水率为塑限含水率时开裂程度小于最佳含水率时的开裂程度；裂隙的开裂程度随干湿循环次数的增加而增大，裂隙相关参数的变化率呈减小的趋势，第1次干湿循环对膨胀土开裂的影响最大，第5、第6次干湿循环对开裂的影响甚微。

道路工程；膨胀土；图像处理；干湿循环；开裂规律

0 引 言

膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性三大基本工程特性[1-3]。其中裂隙性，尤其在气候干湿循环条件下膨胀土裂隙的萌生、发展和贯通，是造成土体松散、降雨入渗等导致土体强度降低的关键因素，是膨胀土边坡滑塌的主要肇因[4]。因此，研究干湿循环条件下膨胀土裂隙的演化规律和影响因素，对于揭示膨胀土边坡的破坏机制，以及采取合理的工程处治措施尤为重要。

现有对膨胀土裂隙性的研究，多停留于用数值方法模拟裂隙对边坡稳定性的影响[5-6]及用统计方法描述裂隙与土的抗剪强度和变形特性间的关系[7-8]，存在不少假设和简化，与实际工程差距较大。近年来，随着计算机技术的发展，越来越多的研究者选择运用图像处理手段对裂隙进行观测和定量分析。易顺民，等[9]依据分形理论研究了膨胀土的裂隙面分维和裂隙网络分维的力学特征，并指出裂隙力学效应与膨胀土抗剪强度有较好的相关性。袁俊平[10]利用远距光学显微镜对自然条件下的重塑膨胀土的裂隙发育进行动态观测，利用灰度熵表征裂隙的发育发展程度，指出膨胀土的强度指标与饱和度和裂隙度呈线性关系。张家俊，等[11]通过室内模拟试验对反复干湿循环作用下的南阳膨胀土进行了裂隙演化规律研究，对矢量图技术在膨胀土裂隙分析上的应用做出了尝试。施斌，等[12]在试验室内研究了黏性土龟裂的发育规律，同时分析了不同温度的条件对表面裂缝网络形成的影响及龟裂产生的机理。文献[9-12]的研究基本上都集中在膨胀土裂隙网络的定量分析方法，以及干湿循环作用下影响裂隙网络的几何特征和结构形态的相关因素方面，而针对膨胀土开裂规律及其影响因素的研究较少。唐朝生，等[13]采用图片处理软件，对不同状态条件下黏性土干缩裂缝网络进行了对比分析，探讨了聚丙烯纤维对黏性土裂缝的抑制机理，其针对的多是农业和水利工程，通过将土样制成饱和泥浆后，观察干缩裂隙的形成和发展过程。但在公路工程中，膨胀土填料须达到一定的压实度。因此，很有必要针对实际的碾压膨胀土，分析其开裂规律及影响因素。

在公路路基修筑过程中，压实度和初始含水率是路基填筑的两个最主要控制指标。为此，笔者在室内试验的基础上，采用计算机图像处理和编程技术，定量分析和描述了不同压实度、初始含水率和干湿循环次数条件下的百色地区重塑膨胀土表面裂隙的几何形态特征，探讨了压实度、初始含水率和干湿循环次数对膨胀土开裂规律的影响。

1 图像处理

图1(b)是利用由南京大学研究开发的颗粒及裂隙图像识别与分析系统[14](PCAS1.0)对图1(a)进行二值化和去杂点操作所得到的裂隙网络图，其中黑色为裂隙部分，白色为被裂隙“切割”成的膨胀土块区部分。

图1 裂隙网络

为了对试件表面的裂隙结构形态进行定量分析和对比，本试验对18个试件进行了以下裂隙相关参数的动态量测：

1)裂隙的节点个数N和裂隙的条数Nl，其中节点是指裂隙的交点，两个相邻节点之间为1条裂隙；

2)裂隙的总长度L、裂隙的平均长度La和裂隙的平均宽度Wa；

3)块区的个数Na、各块区的平均面积S;

4)裂隙率P,其中裂隙率为裂隙的面积与初始试件的总面积之比：

(1)

式中：A1为裂隙的总面积；A为试样的总面积。

5)表面裂隙的分形维数D。

其中，所有跟面积或者长度相关的参数的单位都是用像素来表示的。

为描述试件表面裂隙的分布情况和复杂度，笔者采用盒维数法计算其分维值，即在选定的试件的裂隙区图像内，用不同尺度ε的方格网进行覆盖，计算每一次覆盖时裂隙所占有的格子数目N(ε)，依次类推，最后用式(2)求出分维值：

(2)

式中：a为常数，膨胀土裂隙网络的分维值D越大，其表面裂隙的分布特征越复杂。

2 试验方法

2.1 试样制作

试验用土为广西百色地区膨胀土，其主要物理性质如表1。土样经自然风干、捣碎后过2mm筛。根据要求配制成初始含水率为17.4%(最佳含水率)、21.4%(塑限含水率)的土样，并在保湿器中密封闷料24h以上来确保土样含水率的均匀。随后将土分层填压在内径尺寸为22cm×22cm×6cm的玻璃容器中，制成压实度分别为75%，80%，85%，厚度为20mm的土样，表面用钢尺抹平，共6组，每组3个平行试件。

表1 土样物理性质

Table1Thephysicalpropertiesofsoil

性能指标数值性能指标数值 容重/(g·cm-3) 2.043 颗粒组 成/% >0.075 mm 0.20 液限/% 49.4 0.075～0.005 mm 52.02 塑性指数28 0.005 mm 47.78 最佳含水率/% 17.4 自由膨胀率/% 79

2.2 试验方案

本次试验采用恒温为70 ℃的烘箱对试件进行烘干，当在2 h内土的冷却质量不再发生显著变化时，即此次脱湿过程结束。脱湿结束后，用安装在固定高度三脚架上的SONY DSC-W530光学数码相机对典型试件表面进行图像采集。为消除光线亮度不均匀性对采集效果的影响，采集时遮盖住一切外部光源，仅采用多个方向的LED光源照明。干湿循环的增湿过程采用喷雾器洒水，为保证水雾不对土面造成冲刷，要求喷壶与土面保持0.5 m左右距离。均匀洒水，洒水的持续时间至少1 h以上，直至液限含水率(49.4%)为止，再将试件放进恒湿箱中密封保湿48 h左右，确保试件内部含水率分布均匀。同一组试件在以上相同的条件下进行6次干湿循环操作，测量结果取相应均值。

3 试验结果分析

3.1 循环次数对开裂的影响规律

膨胀土试件表面裂隙相关参数会随循环次数的增加而发生改变。以含水率为17.4%土样为例，进行3个压实度(75%，80%，85%)下裂隙参数与干湿循环次数的关系比较，结果见表2、表3。

表2 试件的裂隙网络相关参数随干湿循环次数的测量结果(压实度为75%，80%，85%)

表3 试件的裂隙区块相关参数随干湿循环次数的测量结果(压实度为75%，80%，85%)

表2为干湿循环作用下不同压实度下的土样表面裂隙网络相关参数，其中土样的表面裂隙节点个数、条数及总长度随干湿循环次数的增加而增加，而裂隙的平均长度与之相反。表3给出了裂隙的区块参数。可看出，随着土样干湿循环次数的增加，区块平均面积减小，而区块个数、裂隙率和分形维数逐渐增大，裂隙网络变得复杂；每一次干湿循环对裂隙的影响程度不同。第1次循环对土样开裂的影响最为明显，裂隙参数变化幅度最大，随后的循环次数对开裂影响逐渐变小，表面裂隙趋于稳定。

烘箱中，土样上层与热空气直接接触，上层温度要高于下层温度，因此，上层的失水速率大于下层，这样在土样上下层便形成了含水率梯度。

土样含水率大于缩限含水率时，其脱水过程中会产生失水收缩，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。当拉应力大于土体的抗拉强度时，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，第5、第6次循环不再产生新的裂隙。

第6次干湿循环后大部分裂隙参数比第5次干湿循环后的小，这是因为第5次循环后，整个土体特别是裂隙两侧的土体变得松散，裂隙周边部分松散颗粒滑落到原有裂隙中，填补了少量的裂隙，致使裂隙的节点个数、条数、平均宽度、块区个数、裂隙率和分形维数的测量结果数值上变小。

3.2 压实度对开裂的影响规律

为说明压实度对开裂的影响，以含水率为17.4%的土样为例，进行3个压实度(75%，80%，85%)下裂隙参数的比较。

从表2、表3可看出，同一循环次数条件下，表面裂隙的节点个数、裂隙条数、总长度、宽度、块区个数、裂隙率和分形维数均随着压实度的增大而减小，而块区平均面积增大。以第6次循环的裂隙率为例，压实度为75%，80%，85%的土块的裂隙率分别为9.87%，7.28%，7.15%，压实度增加10%，裂隙率减小了27.56%，这表明提高压实度，可有效地减小土样的开裂。

究其原因，压实度增大后，土体的孔隙率减小，饱和过程中水分较难渗入到土体中，这样在脱湿过程中，压实度越大的土体，土体上下层含水率梯度越小，相应的结构内部产生的拉应力也越小，使得开裂变得困难。另外，压实度越大，土体的黏聚力也越大，而抗拉强度与抗剪强度中黏聚力部分相当，因此，压实度越大，则土样的抗拉强度也越大，土样越不易开裂。

3.3 初始含水率对开裂的影响规律

为探讨初始含水率对开裂的影响规律。以压实度为75%的土样为例，进行了两个含水率(17.4%，21.4%)下裂隙的比较，结果见表4、表5。

表4 试件的裂隙网络相关参数随干湿循环次数的测量结果(含水率为17.4%，21.4%)

表5 试件的裂隙区块相关参数随干湿循环次数的测量结果(含水率为17.4%，21.4%)

从表4、表5可看出，在同一压实度和循环次数的条件下，随着初始含水率增大，土样的表面裂隙的节点个数、总条数、总长度、平均宽度、块区个数、裂隙率及裂隙网络分形维数均减小。以裂隙率在第6次循环后的结果为例，初始含水率为17.4%，21.4%的土体的裂隙率分别为9.87%，7.39%，裂隙率减小了25.13%。这表明在压实度相同的条件下，采用塑限含水率作为碾压控制含水率，可有效地减小土体的开裂程度。

这是因为在压实度相同的条件下，膨胀土体的初始含水率越高，其弹性模量越小，在干湿循环过程中，损失或者增加同样的含水率，其收缩应力或者膨胀应力也越小，导致其开裂程度变小。

从以上研究可看出，裂隙网络的节点个数越多，则裂隙条数越多，总长度越长，平均长度越小。而对块区来说，区块个数越多，其平均面积则越小。尽管描述表面裂隙的裂隙参数很多，且由于每个裂隙参数之间是相互关联的，因此它们之间都具有其特殊的意义。对于一个裂隙网络的参数，其裂隙的节点个数可以在一定程度上反映裂隙网络的基本形态；块区个数在反映块区面积变化的同时也反映了裂隙的连通性；裂隙率则总体说明了土体体积变化规律，而分形维数的变化体现的是裂隙的复杂程度和不规则性。因此，对于二维裂隙网络，其裂隙的节点个数、块区个数、裂隙率和分形维数可以认为是定量描述二维表面裂隙形态结构和几何特征的基本指标，可用来描述裂隙的开裂程度，与文献[13]所得结论一致。

4 结 论

1)随着循环次数的增加，土体的开裂程度变大。因此，为减小开裂对工程的影响，在采用膨胀土作为填料进行路基填筑时，应及时进行包盖封闭。

2)同一含水率下，随着压实度的增大，土体的开裂程度减小。这就要求在采用膨胀土作为填料填筑路堤时，尽可能的采用较大的压实度。

3)一般用最佳含水率作为膨胀土的碾压控制含水率，可以得到较大的压实度，但路基运营后，经历干湿循环其表面产生的裂隙也越多，因此，从减少开裂的角度讲，可以采用较高的塑限含水率作为施工时的控制含水率。

[1] 郑健龙,杨和平.膨胀土处治理论、技术与实践[M].北京：人民交通出版社,2004.

Zheng Jianlong,Yang Heping.Theory and Practice of Expansive Soil Treatment Technology[M].Beijing:China Communications Press,2004.

[2] 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 Tehong.Expansive Soil Problems in Engineering Construction[M].Beijing:China Architecture & Building Press,1997.

[3] 孙长龙,殷宗泽,王福升,等.膨胀土性质研究综述[J].水利水电科技进展,1995,15(6)：10-14. Sun Changlong,Yin Zongze,Wang Fusheng,et al.The review of expansive soil properties[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,1995,15(6):10-14.

[4] 韦秉旭.加筋膨胀土路堤稳定性数值模拟研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2011,30(6):1347-1352. Wei Bingxu.Numerical simulation of the stability of expansive soils embankment reinforced by Geogrid[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(6):1347-1352.

[5] 袁俊平,殷宗泽.考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟[J].岩土力学,2004,25(10)：1581-1586. Yuan Junping,Yin Zongze.Numerical model and simulation of expansive soils slope infiltration considered fissures[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(10):1581-1586.

[6] 姚海林,郑少河,陈守义.考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定分析[J].岩土工程学报,2001,23(5):606-609. Yao Hailin,Zheng Shaohe,Chen Shouyi.Analysis on the slope stability of expansive soils considering cracks and infiltration of rain[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2001,23(5):606-609.

[7] 杨和平,张锐,郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报,2006,28(11):1936-1941. Yang Heping,Zhang Rui,Zheng Jianlong.Variation of deformation and strength of expansive soil during cyclic wetting and drying under loading condition[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(11) :1936-1941.

[8] 杨和平,肖夺.干湿循环效应对膨胀土抗剪强度的影响[J].长沙理工大学学报:自然科学版,2005,2(2):1-5. Yang Heping,Xiao Duo.The influence of alternate dry-wet effect on the strength characteristic of expansive soils[J].Journal of Changsha University of Science and Technology:Natural Science,2005,2(2):1-5.

[9] 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,1995,21(3):294-298. Yi Shunmin,Li Zhiheng,Zhang Yanzhong.The fractal characteristics of fractures in expansion soil and its significance[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1995,21(3):294-298.

[10] 袁俊平.非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡稳定分析[D].南京：河海大学,2003. Yuan Junping.Generalized Model of Fissures Distribution & Slope Stability Analysis for Unsaturated Expansive Soils[D].Nanjing:HoHai University,2003.

[11] 张家俊,龚壁卫,胡波,等.干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J].岩土力学,2011,32(9):2729-2734. Zhang Jiajun,Gong Biwei,Hu Bo,et al.Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(9) :2729-2734.

[12] 施斌,唐朝生,王宝军,等.黏性土在不同温度下龟裂的发展及机理讨论[J].高校地质学报,2009,15(2):192-198. Shi Bin,Tang Chaosheng,Wang Baojun,et al.Development and mechanism of desiccation cracking of clayey soil under different temperatures[J].Geological Journal of China Universities,2009,15(2):192-198.

[13] 唐朝生,施斌,刘春,等.影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析[J].水利学报,2007,38(10):1186-1193. Tang Chaosheng,Shi Bin,Liu Chun,et al.Factors affecting the surface cracking in clay due to drying shrinkage[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38(10):1186-1193.

[14] 刘春,王宝军,施斌,等.基于数字图像识别的岩土体裂隙形态参数分析方法[J].岩土工程学报,2008,30(9):1383-1388. Liu Chun,Wang Baojun,Shi Bin,et al.Analytic method of morphological parameters of cracks for rock and soil based on image processing and recognition[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(9) :1383-1388.

Experimental Research on Cracking Rules and Influence Factors of Compacted Expansion Soil

Wei Bingxu, Gao Bing, Huang Zhen，Li Zhengfu

(College of Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Computer image processing and programming technology were used to describe and analysis quantitatively features of expansive soil surface cracks under the different influence of compaction degree, the initial water content and dry wet cycles. The factors of dry wet cycles, degree of compaction and initial moisture content which have influence on expansive soil cracking rules were discussed. The results show that: the parameters such as node number, number of blocks, fracture rate, fractal dimension parameters can be characterized the degree of fracture cracking; with increase of expansion soil compaction degree, the degree of cracking decreases; expansive soil cracking extent under plastic limit water content of the initial water content is less than that of optimum water content; with the increase of cycle number, the degree of cracking increases, but change amplitude of the fracture parameters decreases, the first dry-wet cycle influence on cracking was maximum, and the fifth, or the sixth times have little effect on cracking.

road engineering; expansive soil; image processing; dry-wet cycling; cracking rules

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.13

2014-02-16；

2014-04-07

韦秉旭(1970—)，男，陕西户县人，教授，博士，主要从事岩土工程及特殊土路基等方面的研究。E-mail:weibingxu555@163.com。

U416.1+67

A

1674-0696(2015)03-063-04