孫德安，黃丁俊

（上海大學 土木工程系，上海 200072）

1 引 言

膨脹土的工程病害問題一直是國內(nèi)外巖土工程問題中亟待解決的難題。究其原因，是因為在膨脹土的顆粒組成中伊利石和蒙脫石等強親水性礦物占主導地位，氣候變化、雨水滲入、地下水位變化等多重作用下膨脹土會經(jīng)歷多次吸水膨脹、水分蒸發(fā)的情況，在多次干濕循環(huán)的過程中土樣的持水能力和變形特性會受到一定程度的影響。

國內(nèi)外學者已對干濕循環(huán)下膨脹土的水力-力學特性進行了研究，呂海波等[1]對膨脹土進行了干濕循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)膨脹土抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減。但國內(nèi)外對干濕循環(huán)下膨脹土的持水性和變形特性研究還較少。

非飽和土的土水特性可用于推算抗剪強度、滲透性、擴散、吸附等一系列性質(zhì)[2]，它是非飽和土的基本水力-力學特性之一。土樣會隨著脹縮循環(huán)產(chǎn)生塑性變形，改變其水力-力學性質(zhì)。因此，本文對經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)的壓實南陽膨脹土進行以下試驗：（1）采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法[3－4]測量了不同吸力下膨脹土的含水率和孔隙比等一系列土水特性，得出不同干濕循環(huán)次數(shù)下的土-水特征曲線和孔隙比。（2）用圖像分析法處理每次烘干后試樣的上表面照片，得出每次烘干后試樣的收縮率和裂隙開展率。通過以上兩種方法的結(jié)合，研究多次干濕循環(huán)對低膨脹性非飽和土水力-力學性質(zhì)的影響。

2 試 驗

2.1 試驗材料及儀器裝置

試驗所用材料為南陽膨脹土，取自南水北調(diào)中線南陽段南陽市臥龍區(qū)臥姜溝鄉(xiāng)，取土深度為4 m。南陽膨脹土的礦物組成主要有石英、長石以及約10%伊利石和6%蒙脫石，基本物理性質(zhì)指標見表1。從表中可知，南陽膨脹土屬于低膨脹性土。蒸汽平衡法使用裝置為蒸汽平衡保濕器，保濕器底部所用的飽和鹽溶液和對應吸力值，見表2[4]。在干濕循環(huán)過程中，吸濕飽和采用疊式飽和器固定土試樣后放入密閉容器內(nèi)抽真空飽和，脫濕干燥采用烘箱在105 ℃條件下烘干。

表1 南陽膨脹土的物理參數(shù)Table 1 Physical indexes of Nanyang expansive soil

表2 飽和鹽溶液及對應吸力值（20 ℃）Table 2 Saturated salt solution and corresponding suction(20 ℃)

2.2 試驗過程

采用面積為30 cm2、高2 cm 的環(huán)刀作為制樣模具，用液壓千斤頂將膨脹土壓實，制成干密度為1.5 g/cm3，含水率為18%的試樣。干濕循環(huán)一次過程中吸濕飽和脫濕烘干各24 h，干濕循環(huán)過程見表3。飽和和烘干后分別測量試樣高度，并在光線充足環(huán)境下距離試樣固定高度處拍攝試樣表面照片。

表3 干濕循環(huán)過程Table 3 Drying-wetting cycles

飽和鹽溶液蒸汽平衡法能較好地控制高吸力，常用作測定高吸力下的土-水特征曲線。將上述經(jīng)過干濕循環(huán)的土試樣置于底部裝在表2 所列的飽和鹽溶液蒸汽平衡保濕器中，密封后置于約20°常溫下進行蒸汽平衡。60 d 后土樣達到吸力平衡，取出2塊土樣，一塊烘干法測量含水率，另一塊用不規(guī)則土樣排石蠟法測量土樣的體積[5]，以此計算不同吸力條件下土樣的孔隙比、飽和度等數(shù)據(jù)。

圖像分析處理可用于普通方法難處理的復雜問題。將之前飽和后和烘干后的試樣照片存為JPG 格式，并用Matlab 數(shù)值分析軟件對其分析處理。

3 飽和鹽溶液蒸汽平衡試驗結(jié)果

圖1為不同干濕循環(huán)后的試樣含水率w 與吸力S 的關(guān)系。試樣在相同初始干密度和含水率條件下，脫濕和吸濕過程試樣平衡含水率隨吸力值上升而下降；土-水特征曲線隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而下移，說明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體持水能力有所下降。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，曲線下移量減少，甚至重合在一起，這是因為土結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，土水特性的敏感性降低，干濕循環(huán)的影響變小。圖2為不同干濕循環(huán)次數(shù)下飽和度Sr與吸力S 關(guān)系的土-水特征曲線。在相同初始干密度和含水率下，用飽和度表示的土水特征曲線隨循環(huán)次數(shù)增加也而下移，且下移幅度隨著次數(shù)增多而逐漸減小。圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)下孔隙比e 與吸力S 的關(guān)系。相同吸力下孔隙比隨循環(huán)次數(shù)增加而變大，且增大幅度逐漸減小。這說明循環(huán)次數(shù)增加，土樣的孔隙比增加，結(jié)構(gòu)變松散，但孔隙增加幅度逐漸減小。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)后的含水率與吸力關(guān)系Fig.1 Water content vs.suction relations after drying-wetting cycles

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)后的飽和度和吸力關(guān)系Fig.2 Degree of saturation vs.suction relations after drying-wetting cycles

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)后的孔隙比和吸力關(guān)系Fig.3 Void ratio vs.suction relations after drying-wetting cycles

綜上所述，相同初始條件下土樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加（1～3 次），在相同吸力下含水率下降、飽和度下降、孔隙比增大、持水能力下降；循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加（3～6 次），土樣與之前（1～3 次）相比，變化趨勢不變，但變化幅度大為降低，部分區(qū)域甚至重疊。說明干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，土樣的土-水特性變化已趨于平緩或不變化。

試樣在干濕循環(huán)過程中，先經(jīng)過了吸水飽和，土顆粒旋轉(zhuǎn)膨脹，排列方向改變；再進行烘干，原排列無法復原，產(chǎn)生新的裂隙。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙增多，從而影響土水特性。對比圖1～3中的(a)圖與(b)圖，干濕循環(huán)對膨脹土影響較大，且對吸濕曲線影響更大。原因是脫濕過程，土樣先經(jīng)過了吸水飽和，土體顆粒膨脹填充了新舊裂隙，干濕循環(huán)前后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本不變。

4 干濕循環(huán)過程中土樣圖像處理分析

4.1 土樣表面圖像的獲取

4.1.1 飽和過程

試樣裝入環(huán)刀里放入水中抽真空飽和24 h，在相同高度處拍攝試樣照片，并測量試樣高度。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，試樣新增干縮裂縫在飽和后會愈合，表觀上與初始狀態(tài)無明顯區(qū)別，干濕循環(huán)對抽氣飽和過試樣的影響不明顯，土樣圖像處理分析主要針對烘干后的試樣。

4.1.2 烘干過程

試樣在105 ℃烘箱內(nèi)放置24 h 后取出，在相同高度處拍攝試樣上表面的照片，以保證拍攝照片中環(huán)刀所占面積相同，并測量試樣高度。為防止圖像中無關(guān)內(nèi)容對后續(xù)圖片閾值分割工作造成影響，使用圖像處理軟件把獲得的制樣后及1～6 次循環(huán)脫濕后共7 副照片中的環(huán)刀外部分用黑色進行覆蓋。以第3 次干濕循環(huán)烘干樣為例，見圖4。

圖4 經(jīng)3 次干濕循環(huán)后的烘干試樣表面圖像Fig.4 Oven dry specimen after 3rd drying-wetting cycles

4.2 收縮及裂隙面積提取

圖像處理工具為Matlab。對照片使用二值化處理時，采用不同的閾值分割處理會得到不同長、寬的裂隙。這里采用使裂隙周圍產(chǎn)生零散黑點最少的閾值。經(jīng)過調(diào)整后采用的閾值見表4。收縮面積率εA和裂隙面積率 εC定義如下：

式中：A0為試樣烘干前面積（環(huán)刀內(nèi)面積）；A1為試樣烘干后面積（含裂隙）；AS為收縮面積；AC為表面裂隙面積。以上數(shù)據(jù)均可由Matlab 程序讀取。

4.3 收縮及裂隙開展面積變化

將試樣圖像經(jīng)過二值化處理后，可以更直觀地看出試樣收縮和裂隙開展過程，如圖5 所示。從圖中可見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的收縮越來越劇烈，裂縫開展越來越長，寬度加大，小裂隙逐步發(fā)展、合并成大裂隙。裂隙主要為環(huán)向裂隙，而徑向裂隙分布零散且寬度較小，相對不明顯。1～3 次過程中，收縮與裂隙開展劇烈，4～6 次循環(huán)收縮與裂隙開展減緩，變形趨于穩(wěn)定。這與上節(jié)中提到的孔隙比隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢相一致。

二值化后的圖像經(jīng)Matlab 分析處理后，得到試樣的收縮面積率 εs和裂隙面積率εC，見表5。由表可見，1～2 次循環(huán)試樣面積收縮最劇烈，即1 次循環(huán)的收縮率為1.53%，2 次循環(huán)為5.56%，2 次循環(huán)收縮面積率為1 次的3.63 倍?？傮w來看，6 次循環(huán)后收縮面積率為1 次的4.54 倍，裂隙面積率為3.19 倍。

圖5 0～6 次干濕循環(huán)后脫濕過程二值化后圖像Fig.5 Image binarization after 0-6 wetting-drying cycles

表5 不同循環(huán)次數(shù)收縮和裂隙面積率對比Tables 5 Shrinkage and crack area ratio for different cycles

圖6為收縮面積率 εA和裂隙面積率εC與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣收縮面積和裂隙面積不斷增加，曲線呈上升趨勢，但上升趨勢不斷減緩，裂隙面積增加變少。并且試樣收縮于3 次循環(huán)基本達到穩(wěn)定，裂隙于5次循環(huán)基本達到穩(wěn)定，收縮先于裂隙達到穩(wěn)定。

圖6 面積率與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Curves of area ratio vs.cycle number

試樣表面與中部含水率的不同，形成了含水率梯度，干濕循環(huán)脫濕過程中試樣不均勻收縮產(chǎn)生拉應力。試樣抗拉強度小于收縮拉應力時形成裂隙，試樣吸濕飽和時裂隙膨脹愈合。再次脫濕時，愈合處首先裂開，產(chǎn)生新臨空面。新臨空面因不均勻收縮產(chǎn)生新的裂隙和收縮，使得原有裂隙不斷積累，延伸。這使得裂隙和收縮面積隨干濕循環(huán)面積不斷增加。由于試驗所用的膨脹土屬于低膨脹性土，在6 次循環(huán)過程中，并未產(chǎn)生大貫通性裂隙。

4.4 收縮變形的方向性

試樣在干濕循環(huán)過程中呈現(xiàn)三維變化，徑向收縮、裂縫開展，高度同時減小。用式（3）可求得試樣烘干收縮前后高度相對變化率：

式中：εv為試樣高度相對變化率；h0為試樣烘干前高度；h1為試樣烘干后高度。

圖7為試樣高度相對變化率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系，高度相對變化率εv=1.86%～3.3%。從圖6 可見，試樣脫濕烘干前后徑向收縮面積率εA=1.53%～7%。烘干前后的面積可以用直徑表示：

式中：εr為試樣徑向變化率；D0、D1分別為試樣烘干前、后直徑。試樣烘干前后直徑變化量與原試樣直徑相比較小，因此 εA≈2εr，根據(jù)收縮面積率可得試樣徑向變化率為0.77%～3.50%。

圖6 的面積收縮率 εA除以2 即為徑向變化率εr，比較圖6 的面積收縮率和圖7 的試樣高度相對變化率可知，1～2 次時試樣烘干前后徑向變化率 εr小于高度相對變化率 εv，即εr＜ εv；3～6 次時試樣烘干前后徑向變化率 εr大于高度相對變化率 εv，說明南陽膨脹土的收縮特性具有各向異性。

圖7 烘干前后高度相對變化率Fig.7 Relative difference in height before and after

5 結(jié) 論

（1）試樣隨干濕循環(huán)次數(shù)增加（1～3 次），含水率下降，持水能力下降，飽和度降低，孔隙比增加。干濕循環(huán)增加到一定次數(shù)后（3～6 次），上述變化趨勢不變，但變化幅度減小。

（2）試樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，收縮與裂隙開展增加，但增加幅度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，且收縮先于裂隙趨于穩(wěn)定。

（3）膨脹土的持水能力與宏觀變形隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)累積效應，但累積效應隨次數(shù)增加而減弱。

（4）壓實膨脹土的徑向變形大于高度方向變形。

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