湿干循环作用下膨胀土胀缩裂隙演化特征

李彦龙 汪自力 焦天艺

摘 要：压实度是各类填筑工程施工中的关键指标，自由膨胀率是衡量膨胀土膨胀性的核心指标，探明压实度、自由膨胀率与胀缩裂隙演化特征的关系对工程建设是必要的。选择自由膨胀率分布于51%～115%的5种膨胀土并将其压实度分别控制为85%、90%、95%和100%，研究其在历经4次湿干循环作用后的裂隙特征参数。研究结果表明：增大压实度能有效地抑制裂隙在长度和宽度上的开展并减少裂隙条数，尤其是对具有中、高自由膨胀率的膨胀土，进而有效地降低表面裂隙率;裂隙宽度的大幅减小是压实度增大后表面裂隙率下降的主要原因;裂隙特征参数均会随着自由膨胀率的增大而增大，尤其当自由膨胀率达到强膨胀潜势时，裂隙特征参数的增幅更为显著。

关键词：膨胀土;胀缩裂隙;压实度;自由膨胀率;裂隙特征参数

中图分类号：TU443 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.015

Abstract：Compaction degree is the key parameter of all kinds of filling construction， and free swelling ratio is the core index to evaluate the expansibility of expansive soil. However， the relationship between swell-shrink cracks characteristic parameters and compaction degree and free swelling ratio is unknown. In view of this， five expansive soil samples with different swelling ratio distributed in 51%-115% were selected， and the samples compaction degree were controlled as 85%， 90%， 95% and 100% respectively， in order to obtain the relationship of the crack characteristic parameters with swelling ratio and compaction degree after four wet-dry cycles. The results indicate that increasing compaction degree can effectively inhibit the cracks length and width， especially for the samples with medium and high free swelling ratios and then the surface crack rate can be reduced effectively. The decrease of crack width is the main reason for the decrease of the surface crack rate after the increase of compactness， and the decrease of fracture length is the subordinate reason. Surface crack ratio， crack length， crack width and the crack number are increased with the increase of free swelling rate， especially when the free swelling rate reach as to strong swelling potential the increase of crack characteristic parameters is more significant.

Key words： expansion soil; crack; compaction degree; free swelling ratio; cracks characteristics

膨胀土中广泛分布的裂隙会显著影响土体的工程力学性能[1-2]，对膨胀土裂隙特征的研究是评价膨胀土工程力学性能的基础性工作。膨胀土中的裂隙可分为胀缩裂隙和非胀缩裂隙[3]，学者们针对胀缩裂隙的演化特征开展了试验研究[4-7]、理论分析[8-9]和数值模拟[10-11]，获得了裂隙特征参数（表面裂隙率、裂隙长度、裂隙宽度和裂隙条数等）与初始含水量、湿干循环次数、脱湿时间以及脱湿温度等因素之间的关系。然而，目前针对胀缩裂隙演化特征的研究仍存在以下不足之处：其一，压实度是各种填筑工程施工中的关键指标，针对压实度大于85%的膨胀土的裂隙演化特征尚缺乏研究[12];其二，自由膨胀率（膨胀潜势）是衡量膨胀土膨胀性的核心指標，但裂隙特征参数与自由膨胀率之间的关系尚不明晰。鉴于此，笔者选择自由膨胀率各异的土样并将其压实度分别控制为85%、90%、95%和100%，研究了其在历经多次湿干循环作用后裂隙特征参数的变化规律，以确定裂隙特征参数与压实度和自由膨胀率的关系。

1 试验方案

1.1 试验土样

所有土样均取自南阳地区，依照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）和《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112—2013）开展了击实试验并测定了土样的自由膨胀率，结果见表1。

1.2 试验方案

通过喷水法将膨胀土的初始含水率控制为最优含水率并闷料24 h，采用直径79.8 mm、高40 mm的环刀，通过击样法制样并将土样的压实度分别控制为85%、90%、95%和100%。由于膨胀土在历经3～4次湿干循环后裂隙的扩展已基本停止[13-14]，因此对土样进行4次湿干循环并以第4次湿干循环后的裂隙特征作为研究对象。第1次湿干循环为处于最优含水率的压实土样的脱湿过程，第2～4次湿干循环为人工喷雾增湿后再脱湿的过程。

增湿操作：增湿过程中使用气压喷壶喷水，每次均匀喷水约20 g，耗时3 min，喷水强度约为8.3 mm/h，使设计喷水强度在允许喷灌强度范围之内，保证土样结构不被破坏，并且在土表不产生洼水或径流。一次喷水结束30 min后，土样因增湿而产生的膨胀变形达到稳定，称取质量，拍照记录，并再次喷水。重复上述步骤，直至土体裂缝完全闭合，增湿试验结束[15]。

干燥操作：脱湿过程每隔8 h称量一次，同时拍照记录试样表面形态。当表面出现裂缝后，间隔时间缩短至4 h。当12 h内（连续3次测量）试样质量变化在0.3%内时，认为裂缝形态稳定，干燥过程结束，开始增湿试验[15]。

采用文献[4]所介绍的图像处理技术获取土样的裂隙特征参数，主要流程为：获得裂隙开展图片→灰度化处理→二值化处理→降噪处理→裂隙骨架化→获取相关参数。为了消除环刀边缘对土样裂缝的影响，利用Photoshop软件裁剪出试样中央50.8 mm×50.8 mm的区域作为研究对象，分辨率为300 dpi，折合为0.085 mm/像素。

裂隙特征参数包括：①表面裂隙率，其值为裂隙面积与试样表面积的比值;②裂隙总长度，所有裂隙长度之和;③裂隙平均宽度，裂隙总面积与裂隙总长度之比;④裂隙条数，土样表面临近的两个端点、端点与节点或节点与节点之间的骨架线为一条裂隙。

2 试验结果与分析

膨胀土土样裂隙特征参数的试验结果见表2，其中土样的表面积为5 000 mm2。

2.1 表面裂隙率的变化规律

表面裂隙率与压实度的关系如图1所示，可以看出，所有土样的表面裂隙率均随压实度的增大而减小。当压实度从85%增大到100%时，土样S1～S5表面裂隙率的减幅分别为54%、58%、59%、60%和62%，表明增大压实度能显著抑制膨胀土中裂隙的开展。

表面裂隙率与自由膨胀率的关系如图2所示，可以看出，不同压实度下土样表面裂隙率整体上均随着自由膨胀率的增大而增大，当自由膨胀率超过90%（强膨胀潜势）时，所有曲线都迅速上扬，表明当自由膨胀率达到强膨胀潜势时，膨胀土中的裂隙发育更为广泛。值得注意的是，当土样的自由膨胀率从51%增大到115%时，100%压实度的土样表面裂隙率的增幅为38%，显著小于其他压实度下土样表面裂隙率的增幅（85%、90%和95%压实度下表面裂隙率的增幅分别为54%、66%和60%），由此表明随着自由膨胀率的增大，土样在中低压实度下表面裂隙率的增幅比高压实度下显著。

2.2 裂隙总长度的变化规律

裂隙总长度与压实度的关系如图3所示，可以看出，所有土样中裂隙总长度均随压实度的增加而减小。当压实度从85%增大到100%时，土样S1～S5中裂隙总长度的减幅分别为21%、22%、23%、24%和27%，表明增大压实度能抑制裂隙长度。

裂隙总长度与自由膨胀率的关系如图4所示，可以看出，不同压实度下裂隙总长度均会随着自由膨胀率的增加而增加。值得注意的是当土样的自由膨胀率从51%增加到115%时，100%压实度下裂隙总长度的增幅仅为7%，明显小于其它压实度下裂隙总长度的增幅（85%、90%和95%压实度下裂隙总长度的增幅分别为17%、16%和15%），表明随着自由膨胀率的增加，土样在中低压实度下裂隙长度的增幅比高压实度下显著。

2.3 裂隙平均宽度的变化规律

裂隙平均宽度可以用来衡量裂隙的张开程度，裂隙平均宽度与压实度的关系如图5所示，可以看出，裂隙平均宽度均随着压实度的增大而减小。当压实度从85%增大到100%时，土样S1～S5裂隙平均宽度的减幅分别为45%、46%、47%、46%和47%，可见增大压实度可以有效地减小裂隙宽度。

裂隙平均宽度与自由膨胀率的关系如图6所示，可以看出，不同压实度下裂隙平均宽度均随着自由膨胀率的增大而增大，自由膨胀率从51%增大到115%，压实度85%～100%的土样中裂隙平均宽度的增幅分别为32%、43%、39%和29%。当自由膨胀率大于90%（强膨胀潜势）时，曲线小幅上扬，表明具有强膨胀潜势的膨胀土中的裂隙在宽度上的发展较为强烈。

2.4 裂隙条数的变化规律

不同土样表面裂隙条数与压实度的关系如图7所示，可以看出，裂隙条数整体上均随压实度的增大而减少，土样S3、S4和S5所对应曲线随压实度的减幅显著地大于S1和S2所对应的曲线。事实上，当压实度从85%增大到100%时，土样S3、S4和S5的减幅分别为29%、31%和33%，而土样S1和S2的减幅却仅为18%和19%。由此表明，增大压实度对于抑制高自由膨胀率膨胀土中的裂隙数量较为有效。图7 裂隙条数与压实度的关系

表面裂隙条数与自由膨胀率的关系如图8所示，可以看出，不同压实度下土样中的裂隙条数均会随着自由膨胀率的增大而增大。图9为不同压实度下裂隙条数的减幅曲线，可以明显地看出当压实度从85%增加到100%时，中、高自由膨胀率膨胀土中的裂隙数量的减幅得到大幅提升，表明增加压实度能有效抑制中、高自由膨胀率膨胀土中裂隙数量的增加。

2.5 裂隙特征参数减幅的变化规律

当压实度从85%增大到100%时，土样表面裂隙率、裂隙总长度、裂隙总数量和裂隙平均宽度的减幅如图10所示，可以看到表面裂隙率、裂隙总长度和裂隙平均寬度的减幅均随着压实度的增大而减小，而且土样的自由膨胀率越大其减幅越大，表明对于具有高自由膨胀率的膨胀土，可通过增大压实度来有效地减小其裂隙的扩展。当压实度从85%增大到100%时，土样S1～S5表面裂隙率的减幅分别为54%、58%、59%、60%和62%，裂隙总长度减幅分别为21%、22%、23%、24%和27%，裂隙平均宽度减幅为45%、46%、47%、46%和47%。表面裂隙率=裂隙总长度×裂隙平均宽度，可见增大压实度引起表面裂隙率下降的主要原因是裂隙宽度的减小，其次才是裂隙长度的减小。从图10还可以看出，当压实度从85%增大到100%时，裂隙总数量的减幅在自由膨胀率为85%（土样S3）时发生了跳跃，表明压实度的增大会显著降低中、高自由膨胀率膨胀土中裂隙的数量。

3 裂隙特征参数的演化机理

膨胀土中胀缩裂隙的随机性与土样初始状态的不均匀性有关，马佳等[16]从断裂力学的角度揭示了裂隙在长度和方向上的扩展机理，认为裂隙的发展情况取决于开裂状态方程和裂纹扩展判据。抗拉强度是膨胀土裂隙发育的关键影响因子，当拉应力超过侧向约束和土体自身的抗拉强度时，裂隙就会产生。吕海波等[17]和黄珂等[18]认为增大压实度（干密度）能有效增大土体的抗拉强度，不同土样的裂隙特征参数均随压实度的增大而减小。学者们针对含水量、干密度、吸力和湿干循环等因素与膨胀土抗拉强度之间的关系开展了较多的研究[18-19]，但是针对衡量膨胀土胀缩性的关键性指标—自由膨胀率的研究却是匮乏的，目前尚难以从机理上揭示自由膨胀率与裂隙特征参数之间的关系。

4 结 论

在考虑压实度和自由膨胀率双因素影响的基础上，研究了历经多次湿干循环作用后膨胀土胀缩裂隙的演化特征，得到了以下结论。

（1）增大压实度能显著地抑制裂隙在长度和宽度方向的开展并降低裂隙数量，尤其对抑制中、高自由膨胀率膨胀土中的裂隙数量和裂隙长度更为有效，进而有效地降低表面裂隙率。裂隙宽度减小是表面裂隙率随压实度的增大而下降的主要原因，裂隙长度的减小是次要原因。

（2）表面裂隙率、裂隙长度、宽度和数量均会随着自由膨胀率的增大而增加，尤其当自由膨胀率达到强膨胀潜势时，裂隙特征参数的增幅更为显著。

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【责任编辑 张 帅】