多效应耦合作用下膨胀土裂隙扩展规律研究

郭建华 钟 坤 李世昌 戴张俊

(1.长江设计集团有限公司, 武汉 430010;2.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)

裂隙性是膨胀土的重要特性[1-3].膨胀土裂隙极其发育,裂隙的形成和发育受膨胀土的原始沉积环境和后期自然环境影响,既有土体沉积过程中形成的裂缝[4],也有后期地质环境因素改造形成的裂隙[5].裂隙的存在对土体产生强度衰减效应[6],同时又成为水分进出土体的通道,裂隙的张开、发展、贯通是导致膨胀土滑坡的根本因素已成为工程界的共识[7].包承纲[8]总结并强调了膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结性是相互联系和共同促进的,指出胀缩性是根本因素,超固结性是促进因素,而裂隙性是控制因素.由此可见,裂隙是影响膨胀土工程表现的重要因素之一,对裂隙的产生过程以及裂隙的演化规律研究十分必要[9].

大量学者和工程人员针对裂隙的演化规律开展了系统研究[10-12],并取得了很多有益的研究成果.殷宗泽等[13]、袁俊平等[14]建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型,编制有限元程序系统分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响.Tang等[15-16]开展了不同气候条件下的黏性土龟裂发育试验,试验结果表明环境温度较高时裂隙形态单一且宽度大,而温度较低时裂隙发育复杂且细长,同时干湿循环次数越多,裂隙发育越明显,次级裂隙扩展越多,最后得出了气候环境变化对土体开裂有重要影响的结论.杨和平等[17]开展了室内模拟试验,获得了压实膨胀土裂隙的发育过程及随干湿循环作用次数的变化规律,并对开裂试样进行了定性描述和定量统计分析.包惠明等[18]开展了膨胀土多次干湿循环的三轴试验和直剪试验,采用试样裂隙率进行膨胀土裂隙特征分形研究.马佳等[19]通过研制的裂隙扩展试验装置,再现了裂土在外界环境变化条件下裂隙产生、传播、扩展的过程.Velde等[20]观测了不同泥浆样品的表面裂隙特征,发现其含水量不同裂隙发育规律有明显差别;Nahlawi等[21]以泥浆样品和预压黏土为研究材料分别开展了自然条件下的干缩开裂试验,试验过程中系统提取了干缩相关系数、开裂含水率、裂隙总面积及裂隙扩展深度等指标变化规律,结果表明泥浆样品裂隙发育较为明显;张家俊等[22]、王军等[23]对反复干湿循环作用下南阳膨胀土裂隙演化规律进行了试验研究.

综上所述,膨胀土的裂隙发育规律及演化机制已取得一定进展[24-26],但只关注了单一因素对膨胀土裂隙扩展的影响,而忽略了多种因素耦合作用下的分析研究;膨胀土裂隙不仅在平面上发育,也会沿着深度方向继续向下发育,目前的研究很少考虑厚度因素,针对膨胀土空间裂隙演化规律的相关研究还较为少见,相关的试验仪器和方法还有待改进.

针对裂隙发育规律研究中存在的问题,设计了可控制环境温、湿度的膨胀土裂隙扩展试验装置,提出了利用灌胶法与排水法测量膨胀土裂隙体积的新方法.利用该试验装置开展了不同环境湿度、环境温度及土样厚度下膨胀土裂隙扩展正交试验,系统测量了时间变化下水分蒸发过程和裂隙动态发育过程,在蒸发稳定后统计了各组试验中裂隙总长度、裂隙平均宽度、面积裂隙率和体积裂隙率等关键裂隙指标,由此得出多效应耦合作用下膨胀土裂隙扩展规律.

1 膨胀土裂隙扩展试验方法

1.1 试验材料

膨胀土试验样品取自新建荆荆高铁路基边坡,取土深度为4 m.膨胀土天然含水率为18.4%,天然密度为1.9 g/cm3,相对密度为2.6,自由膨胀率为57%,液限为48.4%,塑限为17.5%,塑性指数为30.9.

图1所示为膨胀土粒径小于0.075 mm 颗分曲线.试验结果表明,所取膨胀土主要以小于0.075 mm的细粒为主,占总质量的95%以上,其中0.075～0.005 mm 的粉粒占比65.6%,小于0.005 mm 的黏粒占比34.3%,小于0.002 mm 的胶粒占比24.3%.

图1 膨胀土粒径小于0.075 mm 颗分曲线

1.2 试验装置

基于饱和盐溶液蒸气平衡法,设计出一套可控制温、湿度的试验装置.试验装置如图2所示,通过密闭房间的空调系统控制环境温度,通过放置在密闭试验箱的不同种类的饱和盐溶液来控制环境湿度.

图2 可控温湿度的膨胀土裂隙扩展试验装置

将取回的膨胀土样品碾碎并风干,过2 mm 筛,充分搅拌制成泥浆样品,泥浆样品的初始含水率为55%.

将泥浆样品装入试验盒中,试验盒的尺寸为10 cm×15 cm.为研究环境湿度、温度及土样厚度多因素耦合作用下的裂隙扩展规律,设置了3因素4水平的裂隙扩展正交试验方案,见表1,研究环境相对湿度、环境温度和土样厚度不同因素耦合作用下的裂隙扩展规律.

表1 膨胀土裂隙演化正交试验表

1.3 裂隙指标

试验中主要研究的裂隙参数包括裂隙总长度、面积裂隙率、裂隙平均宽度和体积裂隙率.其中,面积裂隙率用于表征土样表面裂隙发育程度,指在土样表面裂隙扩展的面积与初始总面积的百分比,其中裂隙扩展面积不包含土样收缩的面积;体积裂隙率指在土样中统计的裂隙体积与初始体积的百分比,其中裂隙体积不包含土样收缩的体积.

在蒸发过程中,膨胀土裂隙分别沿土样水平面和深度方向扩展.体积裂隙率,是裂隙体积占土样总体积的比例,它更全面表现出裂隙在空间中的分布状态,是裂隙参数中较为关键的指标.

本文提出的体积裂隙率测试方法通过灌胶法和排水法实现.将环氧树脂A 胶与B胶按1∶1混合后充分搅拌,在裂隙达到稳定状态后,将环氧树脂AB胶灌入扩展稳定的裂隙中.待胶体凝固后,将灌注好的环氧树脂胶体部分与土样分离,通过排水法计算胶体体积,即裂隙总体积.通过裂隙体积与土样原始体积的比值,可得出土体体积裂隙率.

1.4 图像处理过程

采用面阵相机拍出的膨胀土裂隙图像为RGB彩色图像,其中裂隙与土体表面颜色不同,由此可以分为裂隙区和土体区.RGB彩色图像含有的信息较多,较难直接用于裂隙的识别和统计,首先需将RGB 图像转化为灰度图像.其次将灰度图像转化为二值化图像.二值化图像由土体区域和裂隙区域组成,其中土体区域被赋予白色,裂隙区域被赋予黑色.

通过统计平面内黑色像素数量可得出裂隙面积,裂隙面积占总平面的比值,即为面积裂隙率.它反映了平面上裂隙的发育情况.

裂隙长度的获取需要先提取裂隙骨架,裂隙骨架指取黑色像素块轴线相连构成的网络.利用Matlab中骨架化算法来提取裂隙区域的轴线,构成裂隙的形态框架.裂隙长度通过累加骨架相邻像素距离获得.

裂隙平均宽度由裂隙面积与裂隙总长度计算获得,为裂隙面积与裂隙总长度的比值.

2 多因素耦合作用下裂隙扩展规律

基于开展的16组不同环境湿度、温度及土样厚度耦合下的裂隙扩展正交试验,分析了试验中含水率变化及裂隙扩展规律,并基于多因素方差分析和极差分析方法,揭示在多因素耦合条件下膨胀土裂隙扩展规律及其影响因素.

在不同条件下,膨胀土发育过程均经历了裂隙萌芽-裂隙发展-裂隙稳定的阶段.裂隙在土体边界的薄弱点萌芽,随着微裂隙长度增加,次级裂隙垂直于初始裂隙开始发育.不同的初始裂隙和次级裂隙共同组成土样裂隙网络.当水分蒸发至一定程度,裂隙长度不再增加,裂隙宽度不断拓展直至稳定状态.图3所示为土样厚度10 mm、环境相对湿度31%、环境温度15℃时典型裂隙发育过程图.

图3 典型裂隙发育过程图(试验1)

图4 (a)所示为正交试验中土样中含水率随时间变化曲线;图4(b)所示为正交试验中水分蒸发速率随时间变化关系曲线.由图4可以得出:土样中含水率随时间变化不断减小并逐渐稳定,最终稳定含水率在8%～12%之间,接近于试验膨胀土的缩限.而土样中水分蒸发速率经历了3个阶段:稳定蒸发阶段-减速率阶段-残余阶段.

图4 正交试验中含水率关系曲线

在蒸发初期,蒸发速率变化幅度很小,为稳定蒸发阶段.稳定蒸发阶段的特点为失水速率快,所用时间短.此阶段活跃的为土体中的自由水,主要的蒸发面是土体表面.随着土体开裂,蒸发面逐步由土体表面过渡为土体表面与裂隙蒸发面共同组成.随着时间的推移,自由水活动能力不能满足蒸发过程需要,蒸发过程从稳定阶段过渡到减速率阶段.此时土体由饱和状态已经过渡到非饱和阶段,土体中的弱结合水开始蒸发.膨胀土这一阶段收缩幅度较大,土体结构发生改变.颗粒间排列更加紧致,土体渗透性能减弱,蒸发速率不断减小.当土体中可供蒸发的水分由弱结合水逐步到强结合水时,逐步进入减速率阶段.当土体中与环境中水分交换达到平衡时,进入残余阶段,水分蒸发保持动态平衡.

图5(a)所示为正交试验中裂隙总长度随时间变化关系曲线.随着时间增加,裂隙长度在酝酿阶段时缓慢增加;当水分继续蒸发,裂隙总长度处于快速增长阶段;随着蒸发过程结束,裂隙总长度趋于稳定.裂隙总长度与时间呈现“S”型曲线关系.图5(b)所示为正交试验中裂隙平均宽度随时间变化关系曲线.裂隙平均宽度与时间均呈现“S”型曲线关系.图5(c)、(d)分别为裂隙总长度和裂隙平均宽度随含水率变化过程,随着水分蒸发,裂隙总长度与裂隙平均宽度呈现“启动-快速增加-稳定”的发展过程.

图5 正交试验中裂隙总长度和平均宽度变化关系曲线

图6(a)所示为正交试验中面积裂隙率随时间变化关系曲线.面积裂隙率经历了启动-快速发育-稳定的3个不同的阶段.面积裂隙率与时间的关系式可以表示为:

图6 正交试验中面积裂隙率变化曲线

式中:ξ为土样面积裂隙率;t为裂隙扩展时间;λ1、λ2、λ3、λ4为与土样性质相关的系数.

图6(b)所示为正交试验中面积裂隙率与含水率关系曲线.研究发现,膨胀土裂隙扩展时开裂含水率位于35%～40%之间,接近于土体的液限;在含水率35%下降到25%期间,面积裂隙率增长幅度最快.

在正交试验中,16组试验中临界开裂含水率、稳定含水率及稳定阶段蒸发速率见表2,16组试验中裂隙稳定后指标(裂隙长度、裂隙平均宽度、面积裂隙率、体积裂隙率)见表3.

表2 正交试验含水率指标分布表

表3 正交试验裂隙指标分布表

由表2～3可得,裂隙发育过程均经历了裂隙萌芽-裂隙发展-裂隙稳定的阶段.当水分蒸发至一定程度,裂隙长度不再增加,此时裂隙宽度不断拓展直至状态稳定.

3 分析与讨论

为确定环境湿度、环境温度和土样厚度3个指标对裂隙扩展过程的影响程度,对正交试验结果进行多因素方差分析和极差分析,分别选取水分蒸发过程与裂隙扩展过程中的典型指标进行.

3.1 多因素方差分析

在水分蒸发过程,选取了与含水率相关的重要指标开裂含水率、稳定阶段蒸发速率、稳定含水率.表4所示为在蒸发过程中,环境湿度、环境温度和土样厚度对含水率相关指标影响程度,其中方差p小于0.1时,代表影响程度越显著;而方差p越大,则证明相关程度越低.

表4 正交试验含水率指标方差分布表

根据表中结果,环境湿度对于稳定阶段时蒸发速率影响最大,其次为土样厚度,环境温度影响最小;而土样厚度对于开裂含水率和蒸发稳定含水率均影响显著,其次为环境湿度,最后为环境温度.

在裂隙扩展过程,选取了与裂隙扩展有关的典型指标面积裂隙率、体积裂隙率、裂隙平均宽度和裂隙总长度.其中,体积裂隙率可以全面反映裂隙整体变化程度;面积裂隙率可以反映土样表层裂隙发育程度;裂隙长度和平均裂隙宽度可以反映裂隙分布形态.指标综合起来,可以反映出裂隙整体分布和发育情况.表5所示为在裂隙扩展过程中,环境湿度、环境温度和土样厚度对裂隙相关指标影响的重要程度.

表5 正交试验裂隙指标方差分布表

根据表5,面积裂隙率受环境湿度的影响最大,而体积裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度均受土样厚度影响最大.

3.2 极差分析

极差分析可以对试验结果进行更全面的分析.表6～7所示分别为不同因素对裂隙指标和含水率相关指标影响的极差分析.

表6 正交试验裂隙指标极差分布表

表7 正交试验含水率指标极差分布表

根据表示可以得出,环境湿度对于稳定阶段时蒸发速率影响最大;而土样厚度对于开裂含水率和蒸发稳定含水率均影响显著.面积裂隙率受环境湿度的影响最大,而体积裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度均受土样厚度影响最大.

在多种效应耦合作用下,环境湿度对于含水率变化程度作用较为明显,而厚度效应对于裂隙开裂和发育更为重要.土体厚度作为关键的影响指标,仍需要更深入的分析研究.研究深度方向上裂隙发育规律及局部含水率变化过程,对进一步探究裂隙扩展机制有重要的意义.

3.3 机理分析

膨胀土是由高岭石、蒙脱石和伊利石等亲水黏土矿物组成的特殊土体,其遇水膨胀、失水收缩的性质给裂隙发育提供了便利条件.无论是厚度的影响还是环境因素的影响,均通过影响水分在土体的作用而影响裂隙扩展的程度.其中,厚度通过影响含水率在深度方向上的分布差异从而使裂隙发育情况不同,而环境湿度和温度通过影响蒸发速率使裂隙分布不一致.膨胀土裂隙开裂、发育和稳定的本质在于水与微观结构的相互作用.

在不同的环境温度和湿度条件下,裂隙发育程度有所不同.当环境湿度较高时,空气与土样中含水量的梯度差较小,土样中水分蒸发速率相对较慢,而当水分缓慢蒸发时,土样收缩的速度减缓,所以裂隙不易发展.当环境温度较高时,土样中水分蒸发速率更高.当水分变化较快时,土样中颗粒收缩幅度增加,土样中颗粒重新排布且更加紧密.在薄弱点处更容易出现应力集中,微裂隙萌芽的概率较大.

土样在饱和状态下先蒸发其表面的自由水,在蒸发过程中,受膨胀土湿胀干缩性质的影响,土样中颗粒不断收缩,而应力不断平衡.对于厚度较大的土样,除在平面内的收缩外,在竖直方向上也会收缩.土样表层蒸发面较大,失水速率快;土样深部水分蒸发需要经过上层土体,蒸发速率较慢.水分蒸发速率的不同,导致土样中水分分布不均匀,不同深度的土体收缩幅度也不同.厚度越大,这一差异越明显,所以会更早地产生裂隙.裂隙的生成是土样内应力平衡与能量释放的结果.在厚度较大的土样中,初始裂隙的继续发展不仅在平面上,同时会沿着深度方向继续发展.

4 结 语

本文开展了不同环境湿度、温度及土体厚度下膨胀土裂隙扩展正交试验,阐述了多效应耦合作用下膨胀土裂隙扩展规律.并得出以下结论:

1)土样中水分蒸发对膨胀土表观裂隙扩展起决定性作用.水分蒸发速率变化过程包含稳定阶段、减速率阶段和残余阶段,在稳定阶段裂隙快速增长.

2)不同因素影响下膨胀土表观裂隙扩展过程有统一的规律.不同条件下面积裂隙率随时间变化过程均符合logistic规律.

3)基于多因素耦合作用下膨胀土裂隙扩展正交试验可得,在环境温度、环境湿度和土样厚度指标中,裂隙总长度、裂隙平均宽度、面积裂隙率和体积裂隙率均受土样厚度影响最大,环境湿度次之;稳定阶段蒸发速率受环境湿度影响最大,而开裂含水率及稳定含水率受土样厚度影响最大.

4)土样厚度作为关键的影响指标,需要更为深入的分析研究.研究深度方向上裂隙发育规律及局部含水率变化过程,这对进一步探究裂隙扩展机制有重要的意义.