柴油污染粉质黏土干裂隙的特征

倪可，蔡奕，魏乾坤，刘志彬



柴油污染粉质黏土干裂隙的特征

倪可1，蔡奕1，魏乾坤1，刘志彬2

(1. 同济大学土木工程学院，上海，200092；2. 东南大学交通学院，江苏南京，210096)

为了解油品渗漏污染问题对环境岩土工程实践的影响，以0号柴油污染为例，研究油污粉质黏土干裂隙的特征规律。首先将不同含油率(0，4%，8%，12%)的柴油污染粉质黏土泥浆放入玻璃器皿中进行自然晾干，然后采用Photoshop和ArcGIS等软件对不同含油率土样的干裂隙进行数字图像处理，获取裂隙平均宽度、裂隙长度、面裂隙率和分形维数等参数。最后分析不同含油率条件下粉质黏土干裂隙发育规律，探讨柴油对粉质黏土干裂隙形成与发展作用机理。研究结果表明：与未污染土相比，柴油污染土干裂隙发育较缓慢，且含油率越高，发育越慢；裂隙平均宽度和面裂隙率均随含油率增加而逐渐减小；柴油进入土中会抑制较长裂隙的发展，形成较短的干裂隙，裂隙的开裂程度随含油率增大而降低；干裂隙的分形维数随含油率的增加而减小，分形维数越小，裂隙越不发育；土颗粒间的油膜表面张力和柴油高分子油链作用使得粉质黏土的黏聚力增强，抗拉强度增大，干裂隙发育程度低。

柴油；粉质黏土；裂隙；图像处理；GIS

近年来，随着加油站数量不断增加及加油站设施的老化，油品渗漏问题日益突出。由于石油中存在各种烷烃、环烷烃、芳香烃，当油品渗漏进入到土中时会改变土类的材料性能，从而使得土的工程性质发生变化[1−2]，影响岩土工程环境。考虑到油品污染土的工程评价和二次利用，越来越多的学者开始注重其工程性质研究。KHOSRAVI等[3]发现随着土中含油率(即柴油质量与干土质量的比值)增大，高岭土的黏聚力变大，内摩擦角和压缩系数减少。在对受乙醇汽油混合物污染的高岭土的试验中，MATTEO等[4]发现随着汽油含油率增大，土样的液限不断减小，但始终大于未污染土的液限。另外，油污土的压缩系数随着含油率的增大而先减小后增大，其中当含油率为30%时压缩系数最小。郑天元等[5]利用室内击实试验研究了柴油污染对土的工程性质的影响，发现柴油污染对土的干密度影响显著，最大干密度和最优含水率均随含油率的增大而减小。李梅等[6]对柴油污染的砂土和壤土的渗透性能进行了研究，发现2种土壤在受到柴油污染后渗透性能均有所下降。周杏等[7]研究了柴油污染对上海地区粉质黏土的强度、渗透性和压缩性影响，指出随着柴油含量的增大，土的黏聚力先增大后减小，而内摩擦角、渗透系数和压缩系数则先减小后增大，其转折点均出现在含油率为0~8%处。土(特别是黏土)失水收缩会产生裂隙，这是一种常见现象。在全球变暖、城市热岛效应和旱涝灾害日渐频发的背景下，土体开裂现象日趋普遍[8]。裂隙的产生和闭合伴随着土的收缩和膨胀，是土中水分、黏土矿物、有机质等物质之间物理、化学及生物作用的综合表现，是一个复杂的动态过程[9]。当降水发生时，裂隙成为水运移的有利通道，将导致土体抗剪强度降低，造成边坡失稳、地基破坏等工程事故[10−12]。正是由于干裂隙对土的工程性质有着重要影响，土的裂隙特征研究越来越受到重视[13]。对土体表面复杂裂隙形态进行定量化描述是研究裂隙的关键[8]。早期的裂隙定量分析以现场手工测量为主，但该方法工作效率较低，测量结果易受人为因素的干扰，精度较低[14]。随着数码摄影和计算机技术的发展与结合，基于图像处理的裂隙统计分析方法更加可靠和方便[9]。袁俊平等[15]基于远距光学显微镜观测系统，将裂隙图像的灰度熵作为裂隙发育程度的量度指标，为更好地认识裂隙发育规律发挥了重要作用。唐朝生等[14]根据计算机数字图像处理技术，开发出裂隙图像处理系统(CIAS)，对土体干缩裂隙网络进行了定量分析。张家俊等[16]提出可以使用矢量图技术提取及分析裂隙的几何要素。目前，针对油品渗漏污染土工程性质研究大都是基于室内常规土工试验(如压缩、直剪、渗透等试验)分析污染程度对土的力学性能的影响，对于污染土的干裂隙研究则较少。为了了解柴油污染粉质黏土的干裂发育过程，本文作者采用数码摄像和计算机图像处理技术，基于分形维数和面裂隙率等几何参数定量地描述土的干裂隙特征，分析不同含油率下柴油污染土的裂隙发育规律，探讨柴油在粉质黏土干裂隙形成发展过程中的作用，以便为今后油污土的再利用提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用土选用上海地区的粉质黏土，其工程性质如表1所示。0号柴油为城市加油站常见油品，是有刺激性气味的淡黄色黏稠液体，不与水混溶，不易挥发。本研究采用该柴油作为污染物质，其性质指标见表2。

1.2 土样制备

先将取来的试验用土风干碾碎后过2 mm标准筛，分别称取干土质量的0，4%，8%和12%的柴油与粉质黏土混合，配置成相应含油率的试验油污土样(共4类)。为了确保试验结果的可靠性，本研究中，每类土样均开展3组平行试验。含油率为0时的土称为素土，其余称为油污土。因为含油率过大，加水后油会从土中分离出来，故本文选择12%作为最大试验含油率。充分搅拌后的土样置于长×宽×高为20 cm×20 cm×3 cm的无盖有机玻璃容器中，按液限配置土样泥浆，充分震荡搅拌均匀。在搅拌过程中速度要尽量缓慢，避免泥浆中进入气泡从而影响试验结果。再将装土的容器置于密封绝缘塑料袋中静置以确保泥浆沉积稳定，稳定后取出玻璃容器放置于室内自然晾干(温度为15 ℃)。由于本研究的重点在于弄清表层油污土干裂隙，所以，泥浆试验的厚度采用5 mm。

表1 试验用土的工程性质

表2 试验用柴油物理化学性质

Table1 2 Physical and chemical properties of diesel

1.3 裂隙图像采集

试验使用分辨率为3 264×2 448(800万像素)的相机采集土的干缩裂隙图像。晾干初期，每隔12 h照拍1次。在土样出现干缩裂隙后，每隔6 h拍1次并测定土样质量(精确至0.01 g)。当前、后2次试样质量变化小于0.3%时，认为裂隙发育完全[17]，试验结束。

采集图像时，土样放置在相机正下方固定位置，以保证所有照片高度一致。拍摄时使镜头主光轴与拍摄面保持垂直以真实地反映裂隙的形态，使图像能真实记录整个干燥过程，也避免因前、后图像差异过大而影响试验结果。由于闪光灯会造成拍摄曝光不均匀现象，要避免使用闪光灯[18]。

2 裂隙参数确定与提取

2.1 裂隙指标确定

裂隙的定量研究通常建立在对裂隙几何参数的量测基础之上[19]，因此，本研究使用裂隙平均宽度、裂隙长度、面裂隙率这3个常见几何参数来反映油污土裂隙开裂状况。裂隙宽度是指裂隙张开的宽度，在研究中将每条裂隙视为等宽度的，计算其平均值。裂隙平均宽度越大，裂隙对土体影响的范围和深度越大。面裂隙率是裂隙面积与总面积的比值，定义为单位面积上的裂隙面积。该指标可以直观反映出土的开裂程度，公式如下：

(2)

式中：为分形维数；为正方形网格的边长；()为裂隙穿过的网格数目。

2.2 图像预处理

通过图像处理软件Adobe Photoshop，对采集的裂隙图像进行预处理。处理步骤分为裁剪、二值化、除噪等步骤。考虑到玻璃容器尺寸边界对裂隙形态研究的影响，需对采集的图像进行裁剪。依据以往的研 究[18−20]，应挑选成像质量较好且无干扰的土样中央位置作为裁剪区域。本次研究通过多次试验发现，选取图像中间12 cm×12 cm部分(虚线框内部分)可以得到质量较好的裂隙图像。再将裁剪后的彩色图像转为灰度图像，选取适当的灰度阈值对图像进行二值化处理。最后，对图像进行除噪处理，即去除图像中非裂隙区域的黑色杂点(噪点)。图1所示为裂隙图像预处理结果。

2.3 裂隙特征指标提取

鉴于GIS在水系和土颗粒形态上的应用[23−26]，本研究采用ArcGIS软件提取土样干裂隙的几何参数并计算其分形维数。具体操作如下：首先，将预处理图像导入ArcGIS中，利用ArcToolbox中栅格转面功能将图像矢量化，在矢量图形中进行几何计算，获取裂隙面积和周长等几何参数。再使用ArcToolbox创建鱼网工具自动生成网格。根据式(2)，要计算裂隙分形维数，需设定网格单元从而确定裂隙穿过的网格数目。本研究中，选择为2，3，…，16像素分别进行计算。为8和16像素时的网格创建结果见图2。在ArcGIS中，将裂隙图层和网格图层进行叠加分析，统计不同设定网格下网格的数目，图3所示为素土裂隙分形维数计算图。从图3可以看出：15个点的连线趋于1条直线，这说明裂隙具有很好的分形特征。图3中直线斜率即为所求的分形维数。

(a) 裁剪前；(b) 裁剪后；(c) 二值化；(d) 除噪后

(a) 网格单元尺寸为16像素；(b) 网格单元尺寸为8像素

图3 素土的裂隙分形维数计算图

3 试验结果与分析

3.1 油污土裂隙发育过程

裂隙的发育是一个复杂的动态过程。为了了解柴油污染对裂隙的发育过程的影响，本试验对不同含油率土样的干裂隙图像特征进行研究。

主裂隙一般是在土失水干缩初期，从易产生应力集中的区域出现。这些应力集中区域有时也称作微裂隙[27]或表面弱点[28−29]。随着干燥持续进行，主裂隙在土体表面自由地伸展，在纵向深度上也不断延伸。由于受相邻裂隙的影响较小，主裂隙较易扩展，相对较长。次级裂隙从主裂隙中间部分产生，沿着主裂隙近似垂直方向发展。次级裂隙通常发育迟缓，易受相邻主裂隙影响，其宽度比主裂隙的宽度小。

图4和图5所示分别为素土和含油率为8%油污土的裂隙发育过程。在风干过程中，素土产生的主、次裂隙如图4(d)中标注所示。从图4和图5可以看出：在晾干24 h后，素土和油污土均没有产生主裂隙；晾干30 h后，素土已产生主裂隙，将土样表面切割成较大的区块；油污土主裂隙在应力集中区域(如图5(b)和(c)中箭头所示)出现但不明显；晾干90 h后，素土的主裂隙进一步发展，并已形成次级裂隙，最初主裂隙形成的较大区块被进一步分割成较小区块；油污土也产生明显的主裂隙与次级裂隙。晾干120 h后，素土主、次裂隙变化不大；油污土则出现更多次级裂隙。再延长晾干时间，油污土主次裂隙的变化也不明显。

通过比较发现，油污土裂隙发育趋势和素土基本类似，大致可分为3个阶段：初始发展阶段、快速发展阶段、缓慢发展阶段。在初始发展阶段，以产生主裂隙为主，其将土表面分成较大区块。在快速发展阶段，土表面主裂隙发展的同时产生较多次级裂隙并将其切割成较小区块。在缓慢发展阶段，土表面主、次级裂隙的数量与长度不再发生变化，但裂隙的宽度逐渐增大，直至达到最终稳定状态。

不同含油率的土样干裂隙在各时段的发育情况也不尽相同。随着含油率增大，裂隙发展过程呈现减慢趋势。在相同条件下，含油率小的粉质黏土干裂隙发展较快。在本次实验条件下，素土的裂隙大约4 d到达稳定状态，而含油率12%的油污土的裂隙需要6 d左右才能稳定。

3.2 不同含油率油污土裂隙几何参数

图6所示为晾干120 h后各含油率土样干裂隙图像，此时裂隙发育均已稳定。从图6可以看出：当含油率较低(如含油率为0和4%)时，干缩裂隙多以顺直长裂隙为主，被裂隙分割的区块较大；而较高含油率下(如含油率8%和12%)，黏土干裂隙则以曲折短裂隙为主，被裂隙分割的区块相比也较小。

图7所示为不同含油率下裂隙平均宽度。从图7可以看出：本研究中素土的裂隙平均宽度比油污土的大；当含油率从0增大到12%时，裂隙平均宽度从 2.09 mm逐渐减小至1.60 mm；含油率为8%的油污土干裂隙的平均宽度与含油率为4%的平均宽度减少了14.28%，变化幅度最大。从裂隙平均宽度可以看出：随含油率增大，土体的开裂程度会降低。

随着裂隙发育，主、次级裂隙的长度也不断增大。为了说明不同含油率土样各级裂隙长度的变化规律，本研究采用ArcGIS提取了主、次级裂隙的长度。结合试验所用容器尺寸、图像处理区域及裂隙宽度，本研究将裂隙分为3类：长裂隙(长度＞6 cm)、中等裂隙(长度为3~6 cm)及短裂隙(长度＜3 cm)。表3所示为晾干120 h后不同含油率条件下粉质黏土干裂隙分布情况。从表3可以看出：随含油率增大，土样的长裂隙数量减少，短裂隙数量增多，而中等裂隙数目呈现先增大后减小的趋势；当含油率为12%时，只有中、短裂隙发育。

晾干时间/ h：(a) 24；(b) 30；(c) 90；(d) 120

晾干时间/ h：(a) 24；(b) 30；(c) 90；(d) 120

含油率/%：(a) 0；(b) 4；(c) 8；(d) 12

图7不同含油率下裂隙平均宽度

面裂隙率从总体上反映土表面的开裂程度。图8所示为含油率与面裂隙率的关系。从图8可以看出：粉质黏土的面裂隙率随含油率的增大逐渐减小；当含油率从4%增加到8%时，面裂隙率下降幅度最大；当含油率从8%提升到12%时，面裂隙率减小3.82%，幅度最小。其变化趋势与裂隙平均宽度的变化趋势大致相似，这也符合土体面裂隙率与裂隙平均宽度存在正相关性[14]这一结论。

表3 晾干120 h裂隙的分布

Table1 3 Fracture distribution after air drying 120 h

图8 含油率与面裂隙率关系

3.3 不同含油率油污土裂隙分形维数

分形维数能够评价土样干裂隙发育程度，分形维数越大，则裂隙越发育。本研究通过分析干裂隙分形维数与含油率的关系，探究柴油含量对裂隙发育程度的影响。

通过试验发现：随着土样中裂隙的不断产生，裂隙的分形维数逐渐变大。很多研究表明，基质吸力是引起土体开裂的主要因素之一[27, 30]，而基质吸力与含水率密切相关。当含水率随干缩时间的增长而降低时，非饱和土的基质吸力增加，进而使得土体中产生裂隙。现有研究[10, 31]发现土样表面裂隙的分形维数随含水率的降低而逐渐变大，失水量越大，裂隙越发育，干裂隙形态也变得越复杂、越不规则。图9所示为晾干120 h(即裂隙发育稳定后)不同含油率土样干裂隙的分形维数。从图9可见：随着含油率由0增加至12%，分形维数从1.54逐渐降低至1.50。本研究中，从不同含油率下土样干裂隙分形维数可以看出，油污土的干缩裂隙发育程度比素土的低。这也从侧面说明柴油在粉质黏土里能抑制开裂，阻碍裂隙发育。

结合裂隙的几何形态，柴油的掺入会使得中小裂隙数目增多，裂隙发育程度降低，分形维数变小；而素土在晾干过程中易形成长裂隙，裂隙分布较杂乱，分形维数较大。此外，由于土体的完整性和均一性会随裂隙发育被破坏，土体的抗剪强度会产生各向异性特征[13]。含油率越大，分形维数越小，粉质黏土裂隙发育程度越低。所以，与素土相比，裂隙发育程度较低的油污土在土体整体性上可得到一定程度加强，从而对土体的工程稳定性也有一定提升。

图9 不同含油率油污土干裂隙分形维数(晾干120 h后)

4 机理分析

油污土干裂隙的产生和发育是一个十分复杂的过程。在未形成裂隙前，油污土是由土颗粒、水以及柴油组成的三相体；裂隙产生后，油污土属于水、油、土颗粒以及气体组成的四相体。本研究将从裂隙形成前、后各阶段来讨论柴油对粉质黏土干裂隙形成与发展的作用机理。

裂隙产生前，油污土是油、水及土组成的三相体。柴油的掺入使得粉质黏土的结构组成发生了变化，这对油污土材料性能影响较大[1−2]。由于土颗粒表面覆盖油层，薄油膜引起的表面张力使得土粒间产生一定的吸力，增强了土颗粒间的联结作用，从而导致油污土黏聚力增大，这与KHOSRAVI等[3]的研究结果一致。同时，柴油高分子的油链作用将土颗粒连接在一起形成网状结构，增大了土颗粒之间的连接力，因此，油污土中的柴油使土的颗粒间作用力加强。依据Griffith破裂理论，MORRIS等[27]认为土粒间的孔隙可以看作是一种微裂隙，宏观裂隙是由这些微裂隙在荷载作用下开裂扩展产生的。所以，与素土相比，孔隙率较小的油污土较难开裂。

随着土样持续晾干，裂隙产生。油污土处于非饱和状态，使土中孔隙水压力呈现负值，负孔隙水压即为基质吸力。根据非饱和土力学，非饱和土的气−液相交界面(结合水膜)的性质既不同于水的性质，也不同于气体的性质，是影响这类土性质的关键因素。一般认为非饱和土中基质吸力的产生源于结合水膜的表面张力。随着干燥过程的持续，土中基质吸力逐渐增大，使得土颗粒之间相互靠拢，进而造成孔隙比减小，宏观上表现为土体积收缩。由毛细管模型可知，非饱和土的基质吸力取决于结合水膜的曲率半径且与之成反比(水的表面张力在一般情况下可以认为不变)。而此曲率半径主要又取决于土体孔隙。孔隙直径越大，则结合水膜的曲率半径也越大。柴油与土粒之间的相互作用使得油污土颗粒团聚，颗粒间及团粒内孔隙尺寸增大[32]，基质吸力较小，开裂后裂隙发育缓慢。

裂隙发育稳定后，随着含油率增大，裂隙平均宽度逐渐减小，这可能是柴油高分子与土颗粒间的包裹、连接作用阻碍裂隙宽度扩大所致。随着含油率变大，长裂隙数目减少，中短裂隙数量增多，这可能是由于柴油的存在增大了土的抗拉强度。当土的抗拉强度超过干燥收缩产生的拉应力时，土体难以产生干裂隙，所以，高含油率的油污土将以中短裂隙为主。干裂隙平均宽度减小，长裂隙数目减少，表明土表面开裂程度下降，所以，面裂隙率会随含油率的增大而减小。此外，裂隙宽度越小，意味着水分散失通道越小，土体水分蒸发的速率越慢，土体越难失水；同时，失水过程中产生的拉应力越低[28]，越难产生裂隙，这会造成油污土裂隙发育进程比素土滞后，发育速度缓慢。

分形维数可以评价土样干裂隙发育程度。随着晾干时间增长，裂隙发展渐趋于稳定，分形维数逐渐增大。当干裂隙发育稳定后，其分形维数会随着含油率增大而减小。这是因为随着柴油进入土中，土的黏聚力增大，抗拉强度增大，裂隙较难发育；含油率越高，长裂隙较少，干裂隙发育程度降低，分形维数减小。因此，油污土干裂隙的发育程度与开裂程度随含油率的变化呈现相同的趋势。干裂隙发育程度和开裂程度较低的油污土与素土相比，在土体整体性和稳定性方面有了一定提高，今后可将油污土用于堤坝、路基、挡土墙回填、储油罐基础及停车场顶层铺料，实现油污土工程再利用。

5 结论

1) 与素土干裂隙的发育趋势相似，油污土干裂隙发育过程大致分为3个阶段。油污土干裂隙发育进程明显滞后于素土的干裂隙发育进程。随着含油率增大，裂隙发展进程逐渐减慢。当含油率较小时，干裂隙多以顺直的长裂隙为主，土体表面被切割形成较大区块；当含油率较大时，干裂隙以曲折的短裂隙为主，土体表面被分割形成的区块也较小。

2) 随着柴油含量从0增加到12%，柴油污染土干裂隙平均宽度由2 mm减小至1.6 mm。随柴油量的增大，面裂隙率逐渐减小，其变化趋势与裂隙平均宽度的变化趋势大体相似。随含油率增大，油污土的长裂隙数量明显减少，中短裂隙的数量增多。柴油污染土的开裂程度随含油率增大而降低。

3) 随着晾干进行，裂隙不断发展并趋于稳定，分形维数逐渐增大。随着含油率由0增加至12%，分形维数从1.54减小到1.50。分形维数越大，裂隙发育程度越高。油污土与素土相比，干裂隙的发育进程缓慢，发育程度较低。

4) 由于土颗粒间的油膜表面张力和柴油高分子的油链作用，油污土的黏聚力和抗拉强度增大，裂隙发育程度降低。因柴油入渗阻碍土体干裂隙的发展，使其在整体性、稳定性等方面有一定提升，今后可考虑将其应用于工程实践中。

本次是针对油污土裂隙形态的初步研究，只涉及油污土表面裂隙发育特征。在今后的研究中，需进一步考虑油污土垂向裂隙发育特征，分析不同容器尺寸对油污土裂隙研究的影响。

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(编辑 陈灿华)

Characteristics of air-dried cracks of silty clay contaminated by diesel oil

NI Ke1, CAI Yi1, WEI Qiankun1, LIU Zhibin2

(1. School of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to figure out the effect of oil seepage pollution on environmental geotechnical engineering practice, the influence of No.0 diesel on air-dried cracks of clay soil was studied in the investigation. Firstly, laboratory tests were conducted to simulate the air-dried process of soil contaminated by diesel oil at different oil contents (0, 4%, 8% and 12%). Then, digital images of soil cracks were processed with softwares such as Photoshop and ArcGIS to obtain fractal dimension and common morphological parameters (e.g. average crack width, crack length and surface crack rate). Finally, the development trend of the cracks for different oil contents was analyzed and the mechanism of diesel oil acting on the fracture’s formation and development was discussed. The results show that crack development of oil-contaminated soil is similar to that of unpolluted soil. While diesel oil content increases, the development process of the cracks becomes slow. Moreover, both average crack width and surface crack rate decrease gradually with the increase of oil content. The presence of oil can hinder the formation of long cracks from running though the soil body and consequently promote the development of shorter fissures. Fractal dimension decreases with the increase of oil content, which means that fracture development is not good for the soil contaminated by diesel oil. Surface tension of oil film between soil particles and the polymer oil chains of diesel oil increases the cohesion and tensile strength of soil, and as a result, it makes cracks not easy to develop.

diesel oil; silty clay; crack; picture processing; GIS

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.028

TU44

A

1672−7207(2017)05−1335−09

2016−07−10；

2016−09−11

国家自然科学基金资助项目(41202192，41272311)；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(2013-1792)；同济大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(20132055) (Projects(41202192, 41272311) supported by the Natural National Science Foundation of China; Project (2013-1792) sponsored by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education; Project(20132055) supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities)

蔡奕，博士，副教授，从事土体工程性质研究；E-mail: caiyi@tongji.edu.cn