改良膨胀土干缩裂隙发育规律的研究

刘清清，陈 铖

（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411100）

膨胀土对边坡及路堤的滑塌往往是由于干湿循环作用下胀缩变形导致裂隙发育而引起土体裂隙强度降低产生的。一方面，裂隙的萌生、延展和贯通破坏了土体的整体性；另一方面，裂隙为水分的入渗和蒸发提供了良好的通道。那么，研究干湿循环作用下膨胀土的裂隙发育规律及探讨膨胀土常用的改良方法来限制膨胀土的裂隙发育，对于揭示膨胀土边坡破坏机制和采取合理的工程处治措施具有重要意义。

近年来，许多学者对膨胀土的裂隙发育规律开展了大量的研究工作。卢再华［1］等人借助CT技术得到了CT数和方差数，通过这2个参数定量地分析了干湿循环过程中膨胀土试样的内部裂隙演化规律。袁俊平［2］等人运用光学显微镜对自然干湿循环下的重塑膨胀土进行了动态和定量的观察，其结果表明：灰度熵能反映裂隙的发育规律。张家俊［3］等人利用矢量图技术对膨胀土的裂隙发育图片进行了矢量化处理，提取了裂隙平均长度、裂隙平均间距及裂隙总条数等裂隙几何参数，揭示了裂隙演化的本质规律。唐朝生［4］等人运用数字图像处理技术研究了干燥过程中膨胀土泥浆的收缩开裂特征，详细地解释了膨胀土龟裂现象的本质规律。包惠明［5］等人对三轴和直剪试验过程中的膨胀土试样开展了裂隙特征的分形研究，认为裂隙随干湿循环次数的增加，总体呈增加趋势。杨和平［6］等人通过室内试验模拟了压实膨胀土的裂隙发育规律，发现第一次干湿循环作用下膨胀土的裂隙发育幅度最大。黄震［7］等人利用南京大学研究开发的颗粒及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）提取了干湿循环后不同压实度下膨胀土表面裂隙发育参数，并分析了裂隙之间的相互关系，其结果对于促进裂隙的定量化和数值模拟有重要的意义。这些研究集中于重塑膨胀土的裂隙发育规律和裂隙发育影响，而对于改良膨胀土的裂隙发育规律研究涉及较少。

目前，工程上关于膨胀土的改良技术种类繁多，如：物理改良、化学改良及生物改良等（其中：物理改良和化学改良运用较为广泛）。物理改良包括：加筋、压实、掺砂及隔水等技术。化学改良包括石灰、二灰土及阳离子添加剂等方法。依据膨胀土改良技术在工程中的运用情况，作者拟通过室内试验，模拟干湿循环过程中加筋、压实、掺砂及掺石灰条件下的膨胀土裂隙发育状况，并结合Matlab软件图像处理功能，对干湿循环作用后的改良膨胀土表面裂隙进行处理，得到裂隙率。通过裂隙指标来描述裂隙的发育程度，最终探讨压实程度、加筋位置、风化砂及石灰掺量对膨胀土开裂的影响机制。以期对预防膨胀土工程灾害的发生提供依据。

1 试验方案

1.1 试样制备

从广西百色地区取回膨胀土样，其基本物理性质为：密度2.108g／cm3，液限54%，塑性指数29，最佳含水率17.0%，最大干密度2.12g／cm3，自由膨胀率68%。粒径＞0.075mm的颗粒占0.18%，粒径处于0.075～0.005mm之间的颗粒占54.64%，粒径＜0.005mm的颗粒占45.18%。经自然风干、铁锤捣碎后，过2mm筛。根据要求，配制成最佳含水率为17.0%的土样，密封，用湿布覆盖闷料24h，确保土样的含水率均匀。采用静压击实方法，对土样进行压实成形。

1.2 室内试验过程

本次试验考虑了4种不同的改良方法。为了减少试验量和提高合理性，本次试验过程分为2个阶段。

第一阶段，不同压实度裂隙发育规律。在最佳含水率的条件下，采用静压法对土样进行不同程度的压实，控制压实度分别为80%，85%和90%，试验的内径尺寸为20cm×20cm×5cm的玻璃容器，试样的厚度为20mm。为了更加明显地反映裂隙发育和加速脱湿的过程，试样脱湿采用70℃的恒温烘箱控制。将试样烘干至质量变化在0.2g范围内，则认为本次脱湿完成。每次试样完全脱湿后，采用高清防抖动数码相机在固定高度的三脚架上对典型的试样进行拍照。为了消除日光对拍照效果的影响，在不透光的房间内，用多盏台灯置于三脚架四周。试样的增湿过程中，用喷雾器距离试样1m左右位置对试样进行洒水，以防止洒水对试样表面进行冲刷。洒水应均匀进行，分3～4次完成，直至试样达到饱和状态为止。试样置于恒温保湿箱中24h，以确保土体内部含水率分布均匀。同一压实度试样进行6次相同条件的干湿循环操作。

第二阶段，选定一个压实度，在此压实度条件下，分别在试样中的不同位置加入加筋材料、加入不同掺量的风化砂和不同掺量的石灰。然后，进行与第一阶段相同的循环条件，拍照观察3种不同试样的表面裂隙发育情况。

在进行加筋试验时，利用窗纱来模拟加筋材料，分别加在距土体表面5，10和15mm，共3组。以窗纱距土体表面10mm位置为例，在已知含水率和压实度的条件下，计算出体积为20cm×20cm×10mm的土量，将土倒入玻璃缸中摊匀。为确保土样填压的均匀性，分层填压的过程中，在倒入玻璃缸的土样表面覆盖一块尺寸为20cm×20cm×1.5cm的光滑木板，用土锤轻击木板压实至10mm刻度线。然后，放置窗纱，将剩余的10mm厚的土覆盖在窗纱上，采用相同的方法击实。

在掺风化砂和石灰时，先将已风干、铁锤捣碎及过筛后的膨胀土分别掺入不同比例的风化砂和石灰。其中：风化砂的掺量分别为5%，10%和15%；石灰的掺量分别为3%，6%和9%。将掺入风化砂和石灰的膨胀土混合均匀，根据控制含水率和压实度，制成内径尺寸为20cm×20cm×5cm、厚度为20mm的试样。

1.3 裂隙参数提取过程

随着计算机软件的开发应用，研究者逐渐对裂隙进行定量化测定，且均应用了图像处理手段。本研究运用Matlab软件的图像处理功能，对膨胀土开裂试样的图片进行二值化处理。然后，进行矢量化计算，得到膨胀土表面裂隙参数。二值化处理结果如图1所示。

图1 裂隙图像二值化处理Fig.1 Binarization processing of cracks

为了对试样表面的裂隙结构形态发育进行定量分析和描述，本试验对试样的参数进行了测量和计算，其过程如图2所示。

图2 裂隙率计算过程Fig.2 The calculation process of crack ratio

裂隙率P为裂隙的面积与初始试件的总面积之比。其表达式为：

式中：A1为裂隙的总面积，A为试样的总面积。

2 试验结果及分析

2.1 压实膨胀土的裂隙发育规律

随着干湿循环次数的增加和压实度的变化，试样表面裂隙参数会发生变化。裂隙率随干湿循环次数和压实度的变化曲线分别如图3，4所示。

图3 裂隙率随干湿循环次数变化曲线Fig.3 The change of crack ratio with the cycle numbers

从图3中可以看出，裂隙率随干湿循环作用次数的增加而增加，最终都将趋于一种稳定状态。随着干湿循环次数的增加，裂隙发育大多沿原有裂隙扩展，原裂隙则以变宽、变深为主，新的裂隙发育较少。Yong［8］等人认为，土体在脱湿过程中的收缩变形是不可逆的，土颗粒之间的联接将发生断裂破坏。在高含水率条件下，土颗粒周围由于电荷作用而形成一层较厚的水膜，颗粒之间的距离较大。脱湿过程中，随着水分的流失，水膜逐渐变薄，在基质吸力的作用下，土颗粒将重新排列，并逐渐靠紧。这样，土颗粒之间会产生一种拉应力。而含水率的蒸发速率不同，使得收缩应力分布不均匀，一旦这种拉应力大于土颗粒之间最薄弱部位的粘结力时，土体裂隙便开始形成。饱和过程中，试样遇水膨胀愈合，而裂隙不会完全恢复到原有的初始状态。再次脱湿后，裂隙将沿原有的裂隙张开。此时，原有裂隙的末端很脆弱，裂隙将沿着裂隙末端薄弱处继续向前延伸。随着干、湿反复进行，试样的裂隙因收缩变形将变宽、变长，且继续向下扩展，直至裂隙完全贯穿断裂。

图4 裂隙率随压实度变化曲线Fig.4 The change of crack ratio with the degree of compaction

从图4中可以看出，同一循环次数条件下，裂隙率随着压实度的增大而减小。这表明提高压实度，可有效地减小土体的开裂。究其原因，增大压实度，土体的孔隙率减小，在饱和过程中水分较难渗入到土体内部。因而，在脱湿过程中，压实度越大的土体，其下层含水率蒸发速率越小，由此而形成的含水率梯度所产生的拉应力也越小，使土体的开裂变得困难。此外，压实度越大，土体的粘聚力也越大，而抗拉强度与抗剪强度中粘聚力部分相当，因此，土体的抗拉强度也越大，土体越不易开裂。根据路基规范设计要求，三、四级公路下路堤填筑要求压实度≥90%，二级公路下路堤填筑要求压实度≥92%，高速、一级公路下路堤填筑要求压实度≥93%。膨胀土属于特殊土路基，现场施工时，未经处理的膨胀土路基很难压实到90%以上的压实度，因此，后续改良试验统一选取90%的压实度。

2.2 加筋膨胀土的裂隙发育规律

不同加筋位置的膨胀土随循环次数增加裂隙率变化曲线如图5所示。将图3和图5进行比较可知，筋体材料能够抑制土体的开裂，延缓裂隙的发育。不同加筋位置的土体，其裂隙的发育程度不同。从图5中可以看出，加筋位置越靠近土体表面，对膨胀土表面裂隙的抑制效果越好，主要表现为裂隙率越小。其原因是：脱湿过程中土体的内部形成张拉应力时，筋体材料本身和筋体材料与土体颗粒之间的摩擦力能够承担土体中的部分张拉应力：一方面，对新裂隙的萌生有一定的阻碍作用；另一方面，对已形成裂隙的进一步发展产生抑制作用。土体的裂隙发育是从最表层开始的。将筋体材料加入土体上层，能够从裂隙发育初始阶段对土体的开裂进行抑制，这样就可以将土体开裂降低到最小的程度，从而避免大量的雨水入渗到土体的内部。随着窗纱加入位置的下移，对开裂的抑制作用越来越小。

2.3 掺砂膨胀土的裂隙发育规律

图5 不同加筋位置的膨胀土裂隙率变化曲线Fig.5 The change of crack ratio of expansion soil with different reinforcement positions

图6 不同掺砂量的膨胀土裂隙率变化曲线Fig.6 The change of crack ratio of expansion soil with different sand contents

掺砂后膨胀土的裂隙发育规律如图6所示。相对于未掺砂膨胀土的裂隙试验结果，风化砂能抑制膨胀土的裂隙发育，其原因是风化砂的主要成分为二氧化硅和氧化铝，膨胀土的活性成分为蒙脱石和伊利石，富含钙质元素，这使得二者之间的元素容易发生离子交换作用，生成胶凝性物质。如：硅酸钙和铝酸钙会产生胶结作用，使膨胀土的活性降低，其胀缩力有效地减小。

从图6中可以看出，随着掺砂比例的增加，裂隙率变化趋势减小。这是由于离子交换作用生成的胶凝性物质使得膨胀土的粘结能力越来越强。当掺砂量超过临界比例时，继续增大掺砂量，将不再发生化学反应，对膨胀土的裂隙发育没有影响。因此，当掺砂量超过一定的比例时，将失去研究价值。

2.4 掺灰膨胀土的裂隙发育规律

图7 不同掺灰量的膨胀土裂隙率变化曲线Fig.7 The change of crack ratio of expansion soil with different lime contents

从图7中可以看出，随着石灰掺量的增加，膨胀土土体表面的裂隙率越来越小。裂隙率由3个因素产生：①石灰为一种胶凝材料，在膨胀土脱湿过程中，膨胀土内部产生收缩应力，这种胶凝作用可以抵消部分收缩应力，抑制了裂隙发育。②经石灰改良的膨胀土早期会发生离子交换和团粒化反应，减少了土粒吸附水膜的厚度，使土粒之间的引力增加，并反作用于裂隙，产生拉应力，促使土团粒存在进一步联合的趋势。③石灰中的活性成分与膨胀土中的硅胶和铝胶将进一步反应，生成含水CaSiO3和CaO·Al2O3，这2种凝胶物质能够使水硬化，在膨胀土的粘粒内部形成网状胶凝结构，降低了因干湿循环作用产生的胀缩性。但是，从经济和工程意义的角度来看，应该考虑合适的石灰掺量，具体掺量多少还需要开展相关强度试验、稳定性试验及自有膨胀率试验等。

3 结论

1）改良膨胀土的裂隙随干湿循环作用次数的增加而增加，最终趋于一种稳定状态。随着干湿循环次数的增加，裂隙发育大多沿原有裂隙扩展。原裂隙则以变宽、变深为主，新的裂隙发育较少。

2）提高压实度、加筋、掺砂及掺石灰都能有效地抑制膨胀土土体的裂隙发育程度。但是，在实际工程应用中，需要注意的是：提高了压实度，将增大了膨胀土的潜在膨胀势。应该对压实后的土体采取包盖隔水措施。土工格栅作为加筋材料，需要确定其最佳位置，使格栅能够发挥最佳的作用。从经济和工程意义的角度来看，应该结合其他试验结果采用合理的掺砂量和掺灰量，避免盲目施工。

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