不同压实度下膨胀土表面裂隙演化规律机理研究

黄亮

摘要：膨胀土裂隙的发生发展对不少工程造成恶劣影响，为探究压实度在膨胀土裂隙演化过程中的作用机理，通过室内试验来研究不同压实度下膨胀土表面裂隙演化规律。利用称重拍照装置和Matlab编写图像处理程序[1]，进行了1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3三种干密度试样下的湿干循环试验，脱湿温度均为75℃。结果显示，不同干密度试样其 对应的水分蒸 发速度不同，蒸发速 度的不同又影响着裂隙的发展[2]；压实度越低，蒸发速度越快，裂隙发育就越快，面积就越大，同时试样被裂隙切割地也就越支离破碎；随着湿干循环次数的增加，裂隙率也会随着增加[3]，但第二次增加的幅度最大。研究结果为膨胀土等相关问题的研究提供理论参考。

Abstract： The occurrence and development of expansive soil fissures have adverse effects on many projects. In order to explore the mechanism of compaction in the evolution process of expansive soil fissures， laboratory experiments were carried out to study the evolution of cracks on the surface of expansive soil under different compaction degrees. Using the weighing camera and Matlab to write the image processing program， the wet-drying test under 1.5g/cm3， 1.6g/cm3， 1.7g/cm3 three dry density samples was carried out， and the dehumidification temperature was 75 °C. The results show that the corresponding water evaporation rates of different dry density samples are different， and the difference of evaporation speed affects the development of cracks； The lower the degree of compaction， the faster the evaporation rate， the faster the crack develops， the larger the area， and the more the sample is cut by the crack； As the number of wet-dry cycles increases， the fracture rate increases， but the second increase is greatest. The research results provide a theoretical reference for the study of related problems such as expansive soil.

關键词：压实度；裂隙；图像处理；蒸发速率；湿干循环

Key words： compaction degree；fissures；image processing；evaporation rate；wet-drying cycles

中图分类号：TU443 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0152-04

0 引言

膨胀土因含有蒙脱石等亲水矿物呈现出吸水膨胀和失水收缩的特性[1]。吸水和失水的反复循环会引起土体的开裂变形，逐渐产生裂隙。裂隙的产生、发展和相互连通破坏了土体的整体结构，使土体变得松散破碎[2]。同时，裂隙又反过来为水分的入渗、运移、蒸发等作用提供了便捷通道，加速裂隙的发育及扩展，如此在反复循环过程中裂隙逐渐恶性积累。湿干循环作用下裂隙的产生及发展降低了土体的抗剪强度[3]，这也就是膨胀土边坡在雨季频繁发生滑塌等失稳破坏的原因，因对工程安全构成较大威胁，被形象称之为“工程癌症”。目前已有不少学者对膨胀土裂隙演化规律作出研究，袁俊平[4]通过工程实践和算例有力说明了裂隙对膨胀土边坡稳定性影响极大。黎伟等[5]研究了裂隙的数量、宽度、长度、裂隙率等指标在膨胀土裂隙湿干循环过程中的变化规律。曹玲等[6]在室内模拟降雨-蒸发条件，采用灌蜡法研究了干湿循环作用下裂隙的各个发育阶段的特征并测量了裂隙最终的体积。因影响膨胀土裂隙发展因素较多，以往研究难以概括全面，且不同区域土体性质一般不同。本文以宜昌某地膨胀土为例，探究压实度在膨胀土裂隙演化过程中的作用机理，为膨胀土等相关问题的研究提供理论参考。

1 试验设计方案

1.1 试验材料

膨胀土的物理性质指标如表1所示，按膨胀土分类属于弱膨胀土。根据试验需要制备三种不同干密度试样，分别为1.5g/cm3、1.6g/cm3和1.7g/cm3。取适量的该风干膨胀土块用橡胶锤碾压捶碎，过2mm筛。然后取一定量过筛的土体置于110℃烘箱中进行烘干，时长为24h，将烘干后的膨胀土放置于干燥缸中进行冷却。精准称取定量的干燥膨胀土，喷洒蒸馏水，含水率均控制为19%，均匀搅拌。并且搅拌过程中碾碎较大结团颗粒，尽量让土颗粒大小均匀、分散，最后用保鲜膜闷料48小时，以确保土体中水分分布均匀。用直径61.8mm、高20mm的环刀，利用锤击制样法制备上述三个试样。最后将制好的试样进行真空抽气饱和，抽气4h，负压饱和12h[5]。

1.2 试验方案

三个试样均放置在75℃的烘箱中，分别进行湿干循坏四次。在每次脱湿过程中，定时对试样拍照、称重，以前后两次裂隙率不在发生变化时为基准，停止脱湿，然后重新进行抽气饱和，进入下一次湿干循环。考虑到在每次拍摄过程中要保持试样照片和拍摄时的光线稳定不变，排除外部环境干扰，设计了一种自动拍照称重装置，利用铁架台，梅特勒电子天平放置在铁架台下方的托盘上，数码相机则固定在铁架台的支架上，数码相机处于电子天平正上方一定距离且保持不动。调节焦距尽量使所拍到的图像最清晰，保持光线充足稳定。电子天平连接电脑，利用Labview软件编程实现电脑自动采集天平读数。

1.3 图像处理及裂隙度量

二值图的像素点只有黑白两种颜色，黑色为0，白色为1[1]。因此，利用程序只要统计出0、1像素点个数结合（1）式就可计算出试样的裂隙率。根据式（2），统计碎土块个数即可计算出土块的平均面积，进而显示出两者分别与裂隙率的对于关系。

2 试验结果与分析

2.1不同压实度下裂隙率与脱湿时间的变化关系

图2为不同压实度试样在75℃的情况下水分蒸发量与脱湿时间的关系曲线。由该图易知，三种干密度下的蒸发速率由大到小依次为1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。这主要是因为压实度越高，土体颗粒间挤压越紧密[8]，土体强度就越高，因水分蒸发、脱湿收缩时局部产生的拉应力克服土体抗拉强度就愈发困难，越不容易产生裂缝，进而限制水分的蒸发。从孔隙率角度讲，密度越大，土颗粒之间就被压的越紧，土与土颗粒之间的间隙越小，水分运移和扩散的速率较为缓慢，反之，压实度越低，土颗粒间孔隙就越大，土体愈发疏松，水分的运移阻力较小，扩散速率快。利用程序将处理后的二值图统计计算每组试样的裂隙率，做出了三种干密度下试样裂隙率与脱湿时间的关系曲线，如图3所示。

由图3可知：

①在四次脱湿中，三种干密度膨胀土的裂隙率发展曲线都遵循着先急速上升达到峰值后缓慢下降，最终趋于稳定。其主要原因是试样开始脱湿时，含水量大，表面的水分容易散失，在蒸发过程中试样会产生收缩，局部收缩不均匀就会产生拉应力，一旦拉应力超过土体的抗拉强度时，土体会被拉裂[8]，从而产生裂隙，且脱水速度越快，裂隙发育程度就越剧烈。当表层水分充分散失后，表面裂隙发育也就趋于停止，即裂隙率基本达到峰值。在这一过程中，水分的蒸发大部分发生在表层土体[9]，表层土体收缩较明显，下部土体的水分因裂隙发育规模较小难以通过裂隙散发出去，导致下部土体在一定程度上限制了试样整体的收缩[10]，表现为试样的整体收缩率增加缓慢。而之后，由于表层土体裂隙发育基本停止，底部土体水分通过裂隙通道往表层运移蒸发，土体收缩面积增大，底部土体的收缩也将促进表层土体的收缩。因收缩产生的压应力作用，一些细小的裂隙受压后开始闭合，较大裂隙的长度、宽度、条数在一定程度上减小，裂隙率逐渐降低。最后土样脱湿基本趋于停止，整体含水率趋于稳定[5]，收缩也逐渐停止，裂隙率最终趋于一稳定值。

②在同一时刻，干密度小的膨胀土裂隙率基本上要高于干密度大的膨胀土。这是因为不同的压实度其蒸发速度也不同，蒸发速度快的试样其裂隙发展也较快，因而造成压实度越低，裂隙发展越走在前面，压实度大的试样裂隙发展相对落后。

③大约在前20分钟内，三种干密度试样的裂隙率曲线分布较紧密，差异较小，而在之后的脱湿过程中三种曲线相对分散，差异较明显。这主要是因为初始脱湿时三种干密度试样均是饱和状态，含水量大，土体表面失水极为容易，由图2知三者脱湿速度十分接近，干密度小的试样脱湿速度并未占明显优势。随着试样逐渐脱水，表层自由水大量散失，蒸发速率有所缓降，三种试样的水分蒸发曲线开始出现差异。干密度为小的土样水分蒸发速度开始高于干密度大的土样，导致其裂隙的发展程度也高于干密度大的试样。故而前期三者裂隙率曲线差异较小，后来较大。

2.2 不同压实度下裂隙率与循环次数的关系

图4为不同压实度下膨胀土裂隙率与湿干循环次数的对应关系。从图4中易看出，裂隙率随着湿干循环次数的增加而增加。在每次循环中，干密度小的裂隙率都大于干密度大的裂隙率，即裂隙率由大到小依次为1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。且在第二次湿干循环中裂隙率的增长幅度最大，后面增长幅度變小。

在第一次的湿干循环中，试样虽处在同一温度环境中进行脱湿，但由于各自的干密度不同，导致其最终的裂隙率也不同。第一次循环后，土体产生的裂隙破坏了其整体结构，使得土样变得支离破碎[11]。试样在第二次饱和过程中，土体吸水膨胀，导致所有裂隙全部愈合，由破碎结构重新变成完整结构。但这只是假性的愈合，在第二次脱湿地过程中，试样在较大程度上会记忆性地沿着原来的裂隙路线重新开裂、扩张，同时伴有新的裂隙生成。在第三次地湿干循环中又沿着第二次裂隙发展路线继续发展新的裂隙。如此反复的湿干循环会让裂隙记忆路线不断积累，不断恶化，造成膨胀土裂隙率在不断的湿干循环后就不断的增长，但增长幅度会逐渐变缓。土体在首次湿干循环后产生的裂隙是首次开裂[9]，此前并无任何裂隙产生。在第一次裂隙发展已铺好“道路”，第二次的裂隙在这条道路上行走顺畅，发展及其容易，因此其增长幅度较大。裂隙地产生是因为土体失水收缩不均匀，局部产生了强于自身抗剪强度的收缩应力（即拉应力）。收缩应力将一个完整膨胀土试验拉裂成多个破碎的小土块的同时也是在压缩这些小土块，即对土体进行压缩拉裂作用。土体自身具有一定的弹塑性，越被压缩其硬度越高，就越难被压缩，即表现为裂隙虽然继续发展，但越来越困难，增长幅度越来越小，自然不再像第二次循环发展那么容易。

2.3 不同压实度下碎土块的平均面积与循环次数的关系

图5为不同压实度下碎土块的平均面积与循环次数的对应关系。由图5可知，每次湿干循环过程中，干密度小的土块平均面积低于干密度大的土块平均面积。这是因为压实度越低，土颗粒之间间隙就越大，排列就越疏松，强度也就越低，土体越容易被裂隙撕裂。在低密度下，试样的孔隙率大，脱湿的初始阶段时其蒸发速率快，造成试样收缩大，产生的拉应力也大，在蒸发面上产生拉裂点的机会也就越多（因土体是非均质的，土体中每点的抗拉强度不尽相同，拉应力越大，拉裂破坏的点也就越多），一些细微的裂隙点随着其他大裂隙的发展带动而相互贯通，从而将原本只有少数破碎的试样切割成数量更多规模更细小的碎土块，试样逐渐变得愈加支离破碎。结合式（2），破碎土块数量越多，其平均面积也就越小。而高压实度的土体因自身强度较高，抵抗破坏变形能力要强些，产生拉裂点数量少，越难被拉裂。故高压实度下试样破碎土块的平均面积大。

3 结论

①在每次脱湿过程中，不同压实度膨胀土的裂隙率发展都遵循着先急速上升达到峰值后缓慢下降，最终趋于稳定。在同一时刻，压实度小的膨胀土裂隙率基本上要高于压实度大的试样。低压实度膨胀土试样的蒸发速率快于高压实度试样[12]，产生的裂隙率差异先期较小，后期较大。

②裂隙率随着湿干循环次数的增加而增加。在每次循环中，压实度小的试样裂隙率都大于压实度大的裂隙率，且在第二次湿干循环中裂隙率的增长幅度最大，后面增长幅度变小。

③压实度越低，土体抗拉强度就偏弱，收缩应力克服抗拉强度就越容易，土体表面产生的拉裂点的也就越多，试样最终被裂隙切割的也就越破碎。

参考文献：

[1]李生林，施斌，杜延军.中国膨胀土工程地质研究[J].自然杂志，1997（02）：82-86.

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[4]袁俊平.非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡穩定研究[D].河海大学，2003.

[5]黎伟，刘观仕，汪为巍，等.湿干循环下压实膨胀土裂隙扩展规律研究[J].岩土工程学报，2014（07）：1302-1308.

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