压实条件对膨胀土裂隙发育影响的试验研究

刘观仕1，陈永贵2，张贵保，曾宪云

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071； 2.同济大学 土木工程学院，上海 200092； 3.长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410114)

1 研究背景

膨胀土是一种亲水性黏土矿物含量高的特殊土，对环境湿热变化敏感，在气候条件作用下干缩湿胀剧烈、裂隙持续发育。裂隙的存在与发展对膨胀土的工程特性影响显著，裂隙性是膨胀土边坡稳定的关键因素[1]。

表1 试验土样的基本物理性质参数Table 1 Basic physical parameters of test soil

裂隙一直是膨胀土研究的重点内容，其中胀缩裂隙与胀缩性密切联系，易引起一定浅表层边坡的失稳[2]，是目前膨胀土裂隙研究的主要对象。裂隙发育规律的研究以平面特征最为方便直接，目前采用的裂隙测试方法中，CT法[3]能进行三维测试;远距离光学显微镜观测法[4]能进行连续表面观测，但均不能应用于大尺寸土样和原位土体；超声波法和电阻率法[5]离定量化分析还有一定的距离；数码摄影法具有快速、准确、低成本等优点，是目前最常用的裂隙特征研究方法[6-12]。胀缩裂隙的人工发育过程中，有的以泥浆[7]、非压实膏状样[13]或高含水量膨胀土[14]作为土样，与压实或原位膨胀土的工程状态不符；有的膨胀土样厚度较薄[13]，不能观察深度方向湿度梯度对膨胀土裂隙发育造成的影响，与膨胀土裂隙发育的实际情况也有明显差异；另外，土样尺寸普遍较小，多采用环刀样，不能反映尺寸效应影响，也不能反映下部膨胀土体对上部土体收缩的约束作用。对裂隙发育影响因素的定量化研究中，刘春等[11]通过对含有裂隙的图像进行智能识别以获取裂隙各特征参数，实现了裂隙图像的计算机定量分析；王军等[15]提出了膨胀岩裂隙度的概念及定量描述方法；黎伟等[6]探究了湿干循环对裂隙率、长度、宽度、方向等特征参数的影响，张家俊等[9]、曹玲等[13]也进行了类似的研究；马佳等[7]研究了脱湿情况下膨胀土裂隙产生、传播、扩展的过程；李雄威等[8]借助自动化分形统计，初步建立了土体裂隙分布与含水率、渗透系数及变形模量的关系；许锡昌等[14]研究了温度、初始含水率及干密度对裂隙开裂特征的影响。

路堤等土体构筑工程施工时，一般均以含水率和压实度作为填筑控制指标。上述及其他相关文献甚少报道基于大尺寸土样研究压实度与初始含水率对压实膨胀土样裂隙发育影响的试验研究工作。本文通过加工模型箱制备较大尺寸(40 cm×40 cm×30 cm)的压实膨胀土样，实时拍摄不同压实条件下膨胀土裂隙发育图像，并基于改进的裂隙图像特征参数提取方法对各阶段裂隙特征进行定量化分析，研究压实度与初始含水率对膨胀土裂隙扩展规律的影响。

2 压实膨胀土表面裂隙发育试验

2.1 试验土样

试验土样取自南阳地区高速公路施工现场，土样可塑，呈黄褐色，含铁锰结核，黏粒含量较多，裂隙面呈蜡状光泽。土样基本物理性质参数如表1所示。

2.2 压实膨胀土土样制备及试验

重塑膨胀土样在一个尺寸为40 cm×40 cm×40 cm的试验箱内压实。试验箱主体采用10 mm厚钢板焊接而成，可拆卸底板采用螺栓与箱体连接固定，箱体四周绑焊工字钢加固，承压用盖板钢板厚度15 mm，尺寸略小于试验箱净空，土样压实箱和盖板如图1(a)所示。试验箱内土体使用5 000 kN测力千斤顶进行压实(图1(b))。土样放置于定制的人工气候试验箱(图1(c))内脱湿，箱内温湿度可循环控制，温度和湿度的控制精度分别为±0.5℃和±2.5%。摄影用的数码相机型号为索尼 DSC-W80，有效像素720万。

图1 试验设备Fig.1 Test equipment

压实膨胀土土样制备步骤如下：将膨胀土散样风干碾碎后过2 mm标准筛；按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行击实试验，获得最佳含水率(18.1%)和最大干密度(1.78 g/cm3)；随后制备试验设计的含水率土样，为了观察裂隙充分发育的现象，选择较高的含水率进行试验；将湿土样分成3等份逐次装入试验箱中用千斤顶压实，压实度通过干密度和土样高度控制。

试样制备完成后，将装土样的试验箱移入人工气候试验箱内进行脱湿，观察裂隙发育过程。

2.3 土样表面裂隙图像获取

土样脱湿开裂过程采用数码相机进行摄影记录。摄影过程中关闭试验箱电源，在箱顶采用4个白炽灯均匀照明，以获得同样正常曝光的裂隙图像。采用相同的摄影参数，固定相机位置以避免高度变化及人为抖动等因素对成像产生干扰。当前后2次拍摄的裂隙图像得到的裂隙特征参数没有明显变化后，结束试验。

2.4 裂隙图像处理

摄影获得的裂隙图像为彩色或黑白图像，进行裂隙特征分析时需要将其转化为像素只有0或1的二值图像。如果要对二值化裂隙图像进行更多特征参数的提取和分析，则可借助MatLab软件开发专门分析程序。刘春等[11]开发了CIAS 系统，能定量化分析裂隙的节点数、分块面积等参数；黎伟等[12]则对裂隙特征参数提取进行了一些改进，可以对裂隙率、裂隙总长、条数、均长和均宽、最大宽度以及裂隙方向等多个参数进行统计分析，本文即采取基于此方法的自编程序进行图像处理。

3 不同压实条件下膨胀土表面裂隙发育试验结果与分析

膨胀土路堤填筑过程中，压实含水率ω一般控制在比最佳含水率大2%～3%的范围，压实度则按路基不同层位控制在90%～96%范围。因此，本试验在填筑含水率至天然含水率附近选取3个水平，即22%，25%，28%，压实度K控制在75%，80%，85%(较高含水率下室内大尺寸试样压实度难以高于90%)，对应的干密度ρd分别为1.34，1.42，1.51 g/cm3。

注：各小图中上图为数码摄影裂隙发育图像，下图为处理后的二值化图像。图2 各组试样裂隙数码摄影图像及二值化图像Fig.2Digital and binary images of cracks of test specimens

共进行了9组不同初始含水率及压实度(干密度)下大尺寸膨胀土样裂隙发育试验，获得尺寸均为40 cm×40 cm的数码摄影裂隙发育图像，以及处理后的二值化图像，部分试验结果如图2、表2所示。

表2 压实膨胀土表面裂隙特征参数统计(峰值)Table 2 Crack features of compacted expansive soil samples(peak values)

可以看出，裂隙发育过程可以分为3个阶段：①细小裂隙发育阶段，为土样脱湿初期，表面涌现出很多分布均匀、细短的裂隙；②主裂隙发育阶段，随着脱湿进程的继续，一些细短的裂隙持续增宽增长，逐渐形成主裂隙，另一些裂隙的宽度和长度则相对稳定或略有缩小，此阶段裂隙发育达到峰值；③裂隙回缩稳定阶段，裂隙发育峰值过后，几乎所有裂隙都开始收缩，宽度和长度均有所回缩，到后期则逐渐趋于稳定。对比来看，马佳等[7]采用饱和膨胀土试样获得的裂隙中，小裂隙明显较少，没有明显的主裂隙及收缩现象；许锡昌等[14]采用小环刀制作的试样，裂隙也很少，且没有明显的收缩现象。上述区别的主要原因在于试样制备方法和尺寸的不同。

4 不同压实条件下膨胀土表面裂隙发育规律分析

膨胀土裂隙可用影响其工程力学性质的走向、倾角、宽度、深度、长度以及间距等主要几何要素来度量。为了综合反映裂隙的分布特征，通常采用裂隙率作为裂隙度量分析指标，常用裂隙面积率、裂隙长宽比及裂隙灰度熵[4]等来定义裂隙率。本文采用裂隙率、裂隙总长及裂隙均宽来定量分析裂隙，其中裂隙率采用裂隙面积率定义，裂隙总长度通过累积裂隙主干图像中的像素总数来获得，裂隙宽度则采用外接矩形算法[13]进行计算，也能直接反映裂隙的发育程度。

4.1 裂隙率

相同压实度(干密度)情况下，不同初始含水率土样裂隙率变化曲线如图3所示。裂隙发育总体规律相似，即脱湿初期裂隙率均随时间增长而迅速增大，达到峰值后有所回落，然后逐渐趋于平缓；各试样裂隙率均在第2～3天达到峰值，但含水率较大时，峰值出现的时间相对较晚；初始含水率较高，裂隙率初期增长速度较快，裂隙发育持续及稳定所需时间也较长，裂隙率峰值较大，后期裂隙率也较大，裂隙率与含水率正相关的规律与文献[14]中初始含水率与最终裂隙度的关系类似。裂隙率曲线趋向稳定过程中有小幅波动的现象，这是图像处理误差所引起的，后续裂隙特征参数图像也有类似小波动。

图3 不同初始含水率下裂隙率-时间关系曲线Fig.3 Curves of crack ratio with various water content

图4 不同初始干密度下裂隙率-时间关系曲线Fig.4 Curves of crack ratio with various initial dry density

相同初始含水率下，不同初始干密度土样裂隙率变化曲线如图4所示。试样初始干密度较小(1.34 g/cm3)或较大(1.51 g/cm3)时，裂隙发育较快，裂隙率峰值较大；而初始干密度居中(1.42 g/cm3)时，裂隙率初期发育速率相对较慢，裂隙率峰值不明显，中期发育较平缓，后期裂隙率则相对较小。整体趋势而言，初始干密度越大，后期裂隙率越小，但并不成单调的比例关系，而许锡昌等[14]认为初始干密度与最终裂隙度呈较好的负相关关系。差异原因可能在于其研究对象为小尺寸环刀制备土样，失水收缩过程中上表面和侧面的蒸发是同时进行的；而本文试验为大尺寸土样，主要蒸发面在上表面，水分传输路径较长较慢，且初始干密度较小时下部土体对上部土体收缩的约束作用较小，延缓了表面裂隙的产生，而初始干密度较大时则约束作用较大，阻碍了表面裂隙的回缩。

4.2 裂隙总长

相同初始干密度情况下，不同初始含水率土样的裂隙总长变化如图5所示。裂隙总长在第1天内均快速增长，并在2～3 d内达到峰值，随后开始下降并逐渐趋于稳定，其原因在于土样脱湿初期细小裂隙快速发育并不断扩展，裂隙总长得以迅速增大。当初始干密度较小时(1.34 g/cm3)，初始含水率最高土样的表面裂隙总长峰值反而比2个初始含水率较低的土样小，而后期裂隙总长则相差不大；当初始干密度较大(1.42 g/cm3和1.51 g/cm3)时，基本呈现含水率越高，裂隙率峰值越大的现象，但后期裂隙总长则相差较大。上述结果表明土样表面裂隙总长变化主要发生在脱湿初期，峰值长度在较低初始干密度(压实度)下与含水率负相关，在较高初始干密度(压实度)下与含水率正相关。

图5 不同初始含水率下裂隙总长-时间关系曲线Fig.5 Curves of total crack length with various initial water content

相同含水率情况下，不同初始干密度(压实度)土样的裂隙总长变化曲线见图6。当初始干含水率为22%和25%时，初始干密度越小，裂隙总长峰值越大，后期裂隙总长也越大，规律性比较明显；当初始含水率达到28%时，规律发生变化，初始干密度越小，裂隙总长的峰值反而越小。

图6 不同初始干密度下裂隙总长-时间关系曲线Fig.6 Curves of total crack length with various intial dry density

4.3 裂隙均宽

相同初始干密度情况下，不同初始含水率土样的裂隙均宽变化曲线如图7所示。裂隙均宽在1～2 d内快速增大；初始干密度为1.34 g/cm3时，裂隙宽度基本上呈持续发展，后期没有明显的回缩，而初始干密度为1.51 g/cm3时，裂隙均宽在2～4 d内出现明显的峰值，随后缓慢下降；初始含水率较高，裂隙均宽增长速率相对较快，峰值也较大，后期宽度值也相对较大。

图7 不同初始含水率下裂隙均宽-时间关系曲线Fig.7 Curves of average crack width with various water content

相同含水率情况下，不同初始干密度土样的裂隙均宽变化曲线见图8，其变化规律与不同含水率土样类似。裂隙均宽在初期随着时间的增长而快速增大，随后逐渐稳定或略有回缩；初始干密度越大，裂隙发育的平均宽度越大，规律非常明显。

图8 不同初始干密度下裂隙均宽-时间关系曲线Fig.8 Curves of average crack width with various initial dry density

5 讨 论

5.1 裂隙发育及特征参数变化原因

具有较高含水率的制备土样置于试验箱内时，由于较高的环境温度和较低的环境湿度，满足土体蒸发发生和维持所需的3个条件[16]，即持续的热量供蒸发消耗、大气与土体表面的相对湿度差、内部土体持续供应水分到蒸发面。试验开始时，土体表面是唯一蒸发面，水分快速蒸发，而下部土体向表面土体的水分传输速率小于蒸发速率，因此表面土体在失水情况下产生收缩，而下部土体由于失水较慢或尚未失水，产生的收缩较小或者暂时没有收缩，对表面土体的收缩产生抑制，此时土体表面形成拉应力。当拉应力大于土体强度时，裂隙就开始产生。由于试验初期土体表面与空气湿度差最大，内部土体水分传输供应充分，因此蒸发很快，裂隙发育也很快，导致裂隙率、裂隙总长、均宽均快速增长。与此同时，裂隙处产生更多细小蒸发面，表面土体失水更快，加剧了裂隙宽度和长度的发育，此为细小裂隙发育阶段。另外，由于土体表面是均匀受压而成的，土体表面强度近乎一致，故初始裂隙的形态为网状分布的细小裂隙。

随着脱湿进程的持续，土体表面含水率较初期明显降低，内部土体水分传输供应变慢，因此蒸发速率不再继续增大，此时裂隙发育也达到峰值状态，裂隙率、裂隙长度、宽度整体上不再增长；但由于部分裂隙相对发育较快而成为主裂隙，一些小裂隙反而随着主裂隙的扩张而收缩消失，表现为主裂隙形成阶段。而随着裂隙下部土体的失水，下部土体也产生一定程度的收缩，带动上部土体的收缩，此时表面裂隙就表现为逐渐回缩，裂隙率、裂隙长度、宽度均有所降低，随着时间的推移才逐渐趋于稳定，但计入收缩的总裂隙率还是持续增大的，这一阶段即为裂隙回缩稳定阶段。

5.2 含水率对裂隙发育影响的原因

压实度相同而初始含水率不同的各个土样，表现为初始干密度相同，即土颗粒整体密度相同，但其中的自由水量不同。非饱和土表面实际蒸发通量常采用Penman-Wilson公式[17]进行计算，即

(1)

式中：Γ为饱和蒸汽压和温度关系曲线的斜率；Rn为土表面净辐射量；η为湿度常数；Eb为主要与风函数相关的自由水面蒸发通量；A为土表面相对湿度的倒数。

式(1)中与本试验条件变化相关的系数为A和Eb，土表面相对湿度越大，Eb越大，A越小，蒸发通量越大。可见，当土样的初始含水率越高时，土表面相对湿度越大，脱湿过程的蒸发通量也越大，失水收缩最剧烈，裂隙发育程度也最高，表现为裂隙率、裂隙长度、宽度等裂隙特征参数也最大。

蒸发过程的速率则可分为常速率、减速率及残余阶段[18]，而影响蒸发速率的主要因素有环境温度、相对湿度、风速以及土体物理性质等。由于试验箱内温、湿度较恒定，无风，土样蒸发速率主要取决于蒸发面上蒸汽压梯度大小。土样脱湿初期，可供蒸发的自由水量较充分，而土体内水分向表面的迁移则以毛细水作用为主，对应为常速率蒸发阶段。土样含水率越高，常速率蒸发阶段持续时间越长，裂隙发育程度也越高。随着蒸发的持续，内部土体向表层土体水分传输变慢变少，表面含水率越来越低，因此蒸发面上的蒸汽压梯度减小，导致蒸发速率由常速率阶段过渡到减速率阶段，此时土体表面和内部失水程度差异变小，相对收缩变形减小，对应于裂隙特征参数值有所下降。当土体内部的蒸汽压与外部环境的蒸汽压差逐渐减小并达到平衡时，土体中水分蒸发趋于停止。试验后期，含水率较低的土样接近这一状态，表现为裂隙特征参数变化趋于平稳，蒸发进入残余阶段。

5.3 压实度对裂隙发育规律影响的原因

初始含水率相同而压实度(干密度)不同的各个土样(体积相同)，干密度越大，土颗粒整体密度越大，平均孔径越小。

在常速率蒸发阶段，各土样的初始含水率相同，表明单位质量土颗粒内可蒸发的孔隙水量相同，在相同温度、湿度条件下的试验箱内，蒸发所需的外部能量和土样表面的蒸汽压梯度大小也相同，因此影响各土样水分蒸发产生裂隙的最主要区别在于土体内部水分向表面的迁移速率以及土骨架的强度。对于非饱和土，土样中气态水和液态水迁移并存；液态水仅在连续液相所占的空间中迁移，气态水仅在连续气相物质所填充的孔隙里迁移[19]。在常速率阶段水的迁移速率主要是受毛细作用的影响，且以液态水迁移为主[18]。而毛细水的迁移主要受孔径大小影响，当干密度较小时，孔隙度较大[20]，较有利于水分传输，因此裂隙发育速度较快，裂隙率也较大，但土骨架强度较低，下层土对表层土收缩的抑制能力较弱，故裂隙宽度相对较小；当干密度较大时，孔隙度较小，土骨架强度较高，土粒表面结合水膜交叠，阻碍毛细水流动，不利于水分的迁移，因此裂隙率和裂隙总长相对较小，但由于土骨架强度较高，上层土抑制了表层土的收缩变形量，表面裂隙均宽反而相对较大。可见，含水率相同时，初始干密度对裂隙发育的影响较复杂，但总体而言是初始干密度越大，裂隙越难以发育。

6 结 论

本文采用数码图像记录及裂隙图像特征参数分析方法，研究了大尺寸室内压实膨胀土样在不同初始含水率及压实度条件下的裂隙发育规律，有如下初步认识：

(1)压实膨胀土脱湿开裂过程分为3个阶段：细小裂隙发育阶段、主裂隙发育阶段、裂隙回缩稳定阶段。

(2)初始含水率越高，膨胀土表面裂隙发育速率越快，裂隙率、裂隙总长和宽度越大，裂隙发育持续时间也越长。主要原因在于土样干密度相同时，土体表面的蒸汽压梯度大小对裂隙发育起控制作用，含水率越高则表面蒸汽压梯度越大，越利于脱湿开裂。

(3)初始干密度对膨胀土裂隙发育的影响较为复杂，但总体上是初始干密度越大，裂隙越难以发育。主要原因为同样含水率情况下，干密度越大，孔隙度则越小，土体内部水分向表面的迁移速率越慢，裂隙率及裂隙总长越小，但因为土骨架强度越高，下层土体对表面土体收缩约束越强，故表面裂隙越宽。