昆明呈贡石灰岩及玄武岩上覆红黏土干缩裂隙对比试验研究

龙郧铠, 张家明, 陈茂, 陈积普

(昆明理工大学 建筑工程学院, 云南 昆明 650500)

0 引言

在炎热多雨气候作用下,母岩风化常形成红黏土,因富含氧化铁而呈红色,主要分布在热带和亚热带[1]。在中国,湖南、云南、贵州和广西是红黏土的主要分布区。红黏土对水[2]和干旱气候[3]比较敏感,水分蒸发很容易干缩开裂,裂隙普遍发育,在各类土木工程中诱发许多灾害。例如:红黏土干缩开裂导致湖南郴宁高速公路路堤的强度和稳定性降低[4];干裂还引起贵州红黏土边坡发生坍塌[5];安顺老海子水库的红黏土防渗衬砌干裂,水库蓄水发生大量渗漏[6];2010年—2013年,昆明持续极端干旱,红黏土干缩开裂导致高压输电线铁塔基础不均匀沉降[7];云南武倘寻高速公路红黏土边坡开挖后,干缩裂隙降低了边坡稳定性,降雨诱发多起边坡滑坡。

红黏土干缩裂隙的既有研究主要集中在干湿循环对表面干缩裂隙结构形态的影响[8-14]。此外,张宏等[15]对呼和浩特红黏土进行了30 ℃恒温干燥试验,分析了收缩率,裂缝长度、宽度和裂缝率的演变特征。杜长城等[16]试验研究了陕西三趾马红土干缩裂缝的演化过程和裂缝自愈现象。陈爱军等[4]基于线弹性力学非饱和土的弹性本构关系提出了红黏土开裂深度的计算公式。

由于母岩或成土环境条件不同,红黏土的地质特征与工程特性具有明显的地域差异[15、17-18],因此同一地区的红黏土也可能存在差别。金子袁[19]分析了昆明地区碳酸盐岩与玄武岩上覆红黏土物理力学指标的差异，王泽丽等[20]对比了滇东碳酸盐岩与玄武岩上覆红黏土的膨胀率、收缩率，但是关于红黏土干缩裂隙差异的研究还未见报导。以往研究红黏土干缩裂隙都是以压实样为对象,但是作为基础研究,泥浆样制备更方便,重复性更好[21]。为了对比不同红黏土的干缩裂隙特征,本文以初始饱和红黏土泥浆样为研究对象,试验研究了昆明呈贡地区2种红黏土在水分蒸发、干缩裂隙的形成和演化、表面干缩裂隙结构形态方面的异同。研究成果对进一步理解红黏土龟裂及其引发的工程地质灾害防治有重要参考价值。

1 试验

1.1 试验材料

从地层分布来看,昆明地区的红黏土主要披覆在碳酸盐岩和玄武岩之上[19]，因此,在昆明呈贡地区选取2种红黏土进行试验,取样点位如图1所示。D1是二叠系下统栖霞组、茅口组灰岩上覆红黏土,D2是二叠系上统峨眉山玄武岩上覆红黏土。为避免植被根系的影响,在地表以下1.7 m取样。2种红黏土的物理水理性质见表1,化学成分见表2,黏粒(<5 μm)的XRD测试结果见表3。

图1 红黏土取样位置

表1 2种红黏土的物理水理性质

表2 2种红黏土的化学成分

表3 2种红黏土黏粒(粒径<5 μm)的矿物成分

1.2 试验方法

试验方法简述如下:①取样,室内风干,碾碎,并过孔径为2 mm筛子；②取一定量的红黏土细粒倒入钢桶内,加入适量的蒸馏水,并用木棍、电动搅拌器等工具充分搅拌成泥浆,然后用保鲜膜、湿抹布密封钢桶,在暗室中静置24 h；③充分均匀搅拌泥浆,然后向正方形(内长、内宽、深分别为200、200、20 mm)有机玻璃容器中倒入675 g泥浆,用手工振动法在木桌子上制备厚度10 mm的均质泥浆样。按此方法制作2组试样S1和S2,S1为石灰岩上覆红黏土试样组,S2为玄武岩上覆红黏土试样组,每组3个平行样,一共6个试样,并先后用保鲜膜、湿抹布密封玻璃容器,在暗室中静置24 h；④用控温烘箱进行50 ℃恒温干燥试验,烘干过程中每隔1 h称重试样和对试样表面进行拍照。图2为自制的称重和拍照装置。具体操作:该步骤需要3人协同快速完成,甲开、关烘箱门,乙取样、送样,丙拍照,该步骤要求在15 s内完成,以减小对试验过程的影响。在暗室内拍照,获得相同表面积、分辨率、放大倍数和亮度的图像。若试样质量在2 h之内不变化,就认为干燥过程完成[21]；⑤试验结束后,在试样中间区域选择15～20块土块,用游标卡尺测量土块厚度；⑥最后将整个试样105 ℃烘干,测量试样的干土质量；⑦基于试样的初始质量,干燥过程中的质量和干土质量,计算试样的质量含水率和蒸发速率。每组3个平行样的试验结果近似相等,取每组试样的平均值进行分析。

图2 干缩裂隙试验装置

1.3 图像处理

使用PCAS软件[22]进行图像处理,以土样S1的末期图像为例介绍处理流程(图3):①裁剪中间区域:为了消除边界的影响,提高分析结果的可靠度,选取中间700像素×700像素区域[图3(b)]作为分析对象,实际尺寸是160.7 mm×160.7 mm,即图像分辨率是4.36像素/mm；②灰度图像:将彩色图像转化为灰度图像[图3(c)]；③图像二值化:设定一个灰度阈值将灰度图像转化为黑白图像[图3(d)],黑色区域代表裂隙,白色区域代表块区；④去除杂点:因试样杂质和图像噪声[23],需要分别去除块区和裂隙中的杂点[图3(e)、(f)];⑤基于最终的二值化图像提取裂隙、块区的统计参数[图3(g)]。

(a)原始图像 (b)裁剪中间区域 (c)灰度图像 (d)二值化图像

1.4 参数测量

本文测量的参数如下:

① 初始开裂时间TIC(试样开始出现裂隙的时刻),裂隙条数稳定时间TNI,裂隙长度稳定时间TL,表面裂隙率稳定时间TRSC,干燥完成时间TF。因存在图像误差和处理误差,试验末期图像处理所得的表面裂隙率都有微小变化,故以最后时刻图像的表面裂隙率为基准,表面裂隙率相差刚好等于0.1%时对应的时刻定义为TRSC。

② 不同时刻试样的含水率w和蒸发速率Re(单位时间内的失水质量,g/h),试样的初始含水率wINI,初始临界含水率wIC(TIC对应的含水率)和最终含水率wTF(TF对应的含水率)。

③ 裂隙交点数Nn和裂隙条数NI,裂隙节点包括端点和交点,其中交点为3条或3条以上裂隙的相交点,2个相邻节点之间为一条裂隙[23]。

④ 裂隙总长度L,裂隙平均长度La,裂隙平均宽度W。

⑤ 土块数Na,土块平均面积Sav,土块最大面积Smax。

⑥ 表面裂隙率Rsc(裂隙面积总像素除以490 000 像素2)和平均干缩厚度HTF(TF对应时刻多块土块厚度的平均值)。

⑦ 表面裂隙的分形维数D,运用盒维法计算[21]。

补充说明,裂隙、土块与面积或长度有关的参数是根据像素个数来计量,也可以根据图像分辨率计算实际物理面积或长度。

2 结果与讨论

2.1 红黏土的水分蒸发过程

Re与干燥时间的关系即为蒸发曲线,w与干燥时间的关系即为干燥曲线[21]。如图4所示,2种红黏土的蒸发曲线均可分为4个阶段:增速率阶段(Ⅰ)、常速率阶段(Ⅱ)、减速率阶段(Ⅲ)、稳定阶段(Ⅳ)。课题组曾使用钢化玻璃容器进行过红黏土干燥试验,所得蒸发曲线分为3个阶段,没有增速率阶段,这与泥浆样容器的材质有关。如图5(a)所示,自然环境中红黏土干裂的热源(太阳辐射)面只有地表面,在太阳辐射下,地表温度升高,然后向深度土体缓慢传递温度,地表温度高于深部土体。温度升高,水分子的运动速度和动能增大,蒸发速率增大，因此,在自然条件下,红黏土的水分蒸发速率首先随着土体温度升高而缓慢增大,当土体的温度维持稳定后,蒸发速率才会稳定。如图5(b)所示,虽然室内干燥试验的蒸发面与自然环境相同,都是土体表面,但是室内干燥试验可能有6个热源面,这取决于容器材质。如果泥浆样容器的材质是完全隔热,热源面只有土体表面,与自然环境相同。有机玻璃的导热系数为0.19 W/(m·K),钢化模量的导热系数为1.09 W/(m·K),是有机玻璃的5.74倍。用钢化玻璃容器制备泥浆样进行室内干燥试验,钢化玻璃的温度很高,有明显烫手现象,有6个热源面,泥浆样的温度迅速升高,短时间内成为等温体,蒸发速率快速稳定,增速率阶段不明显。用有机玻璃容器制备泥浆样进行室内干燥试验,有机玻璃不烫手,有隔热功效,烘箱只能从土样表面向深部传递温度,土体温度增加缓慢,蒸发曲线有明显的增速率阶段，因此,有4个阶段的蒸发曲线更贴切自然环境,用隔热材料(如有机玻璃)容器制备土样进行室内干燥试验更能有效模拟自然环境下的干裂过程。

(a)蒸发曲线

(a)自然环境 (b)室内干燥试验

如图4所示,石灰岩上覆红黏土试样(S1)的蒸发曲线与玄武岩上覆红黏土试样(S2)存在差异。S1、S2的最大蒸发速率分别为14、13.67 g/h。S1的常速率阶段(Ⅱ)比S2的短,减速率阶段(Ⅲ)则比S2的长,其余2个阶段差别不大。S1、S2常速率阶段的平均蒸发速率分别为12.69、12.19 g/h。研究表明常速率阶段及其之前的水分蒸发以自由水为主[24],因此自由水的排水速率和含水量决定了Ⅰ、Ⅱ阶段的蒸发速率和蒸发量。用2种红黏土制备初始含水率相同的等量饱和泥浆样,按图6进行自由排水试验,监测所得自由水(重力水)排水时程曲线如图7所示。从图中可以看出,在初始阶段,S1的自由水出流速率比S2的大,S1的出流时间比S2的短；但是S2的自由水比S1的多，因此,S1的蒸发速率大,常速率阶段历时短,减速率阶段历时长。基于干燥曲线计算发现,S1、S2在常速率阶段的蒸发份额分别为45.89%、65.60%,这与S1的常速率阶段历时短有关。

图6 红黏土自由排水试验装置示意图

图7 自由水的排水时程曲线

S1和S2的平均初始含水率wINI为96.79%～98.14%,差异不大(图4),每组3个平行样的初始含水率几乎相等。2种红黏土的干燥曲线总体相似,即在干燥初期,干燥曲线呈直线,随后干燥曲线趋于平缓,最后干燥曲线几乎水平，但是,由表4可见,S1的干燥完成时间比S2的短,这是因为S1的蒸发速率大。S2的最终含水率比S1的大,这可能与S2中粒径小于2μm的细粒土含量多有关(图8)。

表4 出现裂隙和裂隙稳定时的时间及对应含水率

图8 黏土颗粒的粒径分布

2.2 红黏土干缩裂隙的形成和演化过程

根据TIC、TNI、TL、TRSC(表4),将干缩裂隙的形成和演化分为5个阶段。2种红黏土干缩裂隙的演化过程类似,以试样S2-3(第S2组的第3号样)的局部图像(图9)为例,简述各个阶段的特点。

(a)失水11 h (b)失水12 h (c)失水13 h (d)失水15 h

阶段1(裂隙孕育阶段):从试验开始至TIC,w快速减小,土颗粒非均匀运动,发生相互靠拢或分离。阶段2(裂隙形成阶段):TIC～TNI,试样表面开始出现孤立主裂隙[图9(a)],主裂隙延长并近似垂直相交,形成主裂隙网络和初级块区[图9(b)],垂直于主裂隙衍生出子裂隙、次子裂隙,形成次级块区、更次级块区[图9(c)、(d)],直到最后一条裂隙开始出现。阶段3(裂隙条数稳定阶段):TNI～TL,裂隙条数不变,但长度不断增长[图9(e)—(f)]。阶段4(裂隙长度稳定阶段):TL～TRSC,裂隙长度不变,网络形态和块区形状已定形,但裂隙宽度不断增加,块区面积持续缩小[图9(f)至9(g)]。阶段5(表面裂隙率稳定阶段):TRSC～TF,裂隙网格和块区尺寸不变,w和Re持续减小,Re最终为0[图9(g)至9(h)]。

由表4可知,2种红黏土的TIC相同,都是10.5 h,S1的TNI为16.3 h,比S2晚0.3 h,S1的TL为18.3 h,比S2晚0.6 h,S1的TRSC为33.0 h,比S2迟0.5 h，说明S2的干缩开裂速度快,这是因为S2常速率阶段的历时长,蒸发量大(图4)。S1、S2的wIC分别为55.98%、58.2%,说明S2更容易干缩开裂。研究表明,影响wIC的因素有土体密度[25]、土层厚度[26]和温度[27]。本研究2组试验的以上3个参数都相同,因此S2的wIC大的原因可能是S2的2 μm以下细颗粒多(图8),粒间半径小,基质吸力大,非均匀系数大(表1),土颗粒不均匀,容易产生应力集中,抗拉强度低,土体的基质吸力很容易超过土粒间的抗拉强度,导致土体开裂。

RSC与w的关系称为开裂曲线[28]。如图10所示,在初始阶段,2种红黏土的RSC随w减小而快速线性增加,起始阶段S1的RSC比S2的小,随后S1的RSC大于S2的,最后RSC都逐渐趋于稳定。试验完成后,S1、S2的RSC平均值分别为24.1%、18.9%。说明不同干燥阶段影响土体开裂的主要因素不同,S2虽然容易开裂,但开裂程度不及S1。王泽丽等[20]也证实碳酸盐岩上覆红黏土的收缩率比玄武岩上覆红黏土大。土层厚度,土体的粒度组成、矿物成分、化学成分、结构、塑性指数和含水率等综合影响土体开裂程度[29-30]。S1的RSC比S2的大,这可能与S1的塑性指数大(表1),伊利石含量高(表3),Fe2O3含量低有关(表2)。

图10 2种红黏土的开裂曲线

2.3 红黏土表面干缩裂隙结构形态

2.3.1 裂隙网络结构

图3(b)和图9(h)显示裂隙的相交形式有“T”形“Y”形“十”形。S1的裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均长度、裂隙平均宽度和表面裂隙率比S2的大(表5)。对比图3(b)与图9(h)发现,S2的裂隙边壁折曲粗糙成锯齿状,其裂隙交点数、表面裂隙的分形维数比S1的大,说明S2的裂隙网络更破碎,结构形态更复杂。这可能与S2的砂粒含量高、非均匀系数大有关(表1)。

表5 干缩裂隙的相关参数

2.3.2 土块分布

图3(b)和图9(h)显示土块形状有三边形、四边形和五边形,以四边形居多。裂隙条数Nl与裂隙交点数Nn之比在1.83～1.87,据唐朝生等[21]的研究成果,可以判断土块以四边形为主。S1的土块数比的S2大,土块平均面积、土块最大面积和平均干缩厚度比S2的小(表6),说明干燥后灰岩上覆红黏土(S1)比玄武岩上覆红黏土(S2)密实,这与图11是吻合的。图11显示干燥试验后,S2的空隙比S1发育。

表6 土块的相关参数

(a)S1试样 (b)S2试样

3 结语

本文探讨了云南昆明2种不同红黏土干缩裂隙的异同,以昆明呈贡石灰岩及玄武岩上覆红黏土饱和泥浆样为对象,通过室内干燥试验,对红黏土的水分蒸发、干缩裂隙的形成和演化、表面干缩裂隙结构形态进行试验研究,得出以下3点结论:

① 石灰岩上覆红黏土(S1)和玄武岩上覆红黏土(S2)的蒸发曲线都可分为4个阶段:增速率阶段、常速率阶段、减速率阶段、稳定阶段，但是,S1的最大蒸发速率、常速率阶段的平均蒸发速率比S2大,S1的常速率阶段、干燥完成时间比S2的短,减速率阶段比S2的长,S1的最终含水率比S2的小。

② 2种红黏土干缩裂隙的形成和演化过程都可分为5个阶段,但是S2的干缩开裂速度快,更容易干缩开裂,而S2的表面裂隙率RSC比S1的小。

③ S1的裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均长度、裂隙平均宽度比S2的大,S2的裂隙结构形态比S1的复杂。土块以四边形为主,S1的土块数比S2的多,土块平均面积、土块最大面积和平均干缩厚度比S2的小。石灰岩上覆红黏土干缩裂隙的发育程度比玄武岩上覆红黏土显著。