王 勇

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410011)

0 引言

近幾年來，由于我國部分地區(qū)的極端干旱氣候的頻頻發(fā)生，極易引發(fā)膨脹土邊坡表面干縮開裂。這種干縮裂隙的出現(xiàn)，一方面破壞了邊坡土體結(jié)構(gòu)的完整性，另一方面降水會(huì)隨裂隙滲入到土體中，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度的降低。因此，膨脹土表面干縮裂隙的研究對于指導(dǎo)施工顯得尤為重要。目前，國內(nèi)許多學(xué)者在膨脹土裂隙方面進(jìn)行了大量研究，同時(shí)得到了一些重要的結(jié)果，其中文獻(xiàn)［1，2］對膨脹土裂隙的分形特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為膨脹土力學(xué)效應(yīng)和分形維數(shù)存在關(guān)系，即膨脹土的強(qiáng)度與分形維數(shù)有良好相關(guān)性。文獻(xiàn)［3～5］通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了重塑膨脹土的裂隙演化規(guī)律和機(jī)理，通過一些裂隙指標(biāo)認(rèn)為裂隙發(fā)育程度隨循環(huán)次數(shù)增加而逐步增大。文獻(xiàn)［6～8］通過各種圖像處理軟件對黏性土表面干縮裂隙的照片進(jìn)行定量化處理，獲得了大量的裂隙描述參數(shù)，并詳細(xì)分析了干縮開裂的機(jī)理。文獻(xiàn)［9，10］提出了用灰度熵來反映裂隙的發(fā)育程度，認(rèn)為裂隙圖像指標(biāo)灰度熵可以較好的表征裂隙發(fā)育程度。

調(diào)查和研究表明，膨脹土的邊坡的破壞，都屬于淺層滑塌，一般深度范圍在1～5 m，實(shí)際受到的法向壓力通常低于50 kPa，而一般的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的研究，按照規(guī)范取值范圍為 50、100、200、300 kPa 或100、200、300、400 kPa，與實(shí)踐情況不相符，得到的抗剪強(qiáng)度不利于邊坡穩(wěn)定性分析。本文將根據(jù)筆者從事的湖南省常德市臨澧縣城西部新城區(qū)道路工程中遇到的膨脹土邊坡實(shí)例，運(yùn)用Matlab 的圖像處理技術(shù)對膨脹土的干縮裂隙圖片進(jìn)行處理，得到裂隙描述指標(biāo):裂隙率和分形維數(shù)，并結(jié)合低應(yīng)力條件下膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，建立抗剪強(qiáng)度與裂隙率和分形維數(shù)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制備

從工地取回10 kg 左右膨脹土，經(jīng)曬干和搗碎后過2 mm 土壤篩，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)，見表1。根據(jù)要求配制成初始含水率為17.2%的土樣，密封悶料24 h，保證土樣內(nèi)部含水率均勻性。采用靜壓法對土樣進(jìn)行壓實(shí)成形，試件高2.0 cm，直徑為6.18 cm。

1.2 試驗(yàn)過程

試樣共分為6 組，每組4 個(gè)試樣，共24 個(gè)試樣。為更明顯的反映裂隙發(fā)育及模擬脫濕過程，本次試驗(yàn)采用70 ℃對試樣進(jìn)行烘干，烘干至質(zhì)量變化在0.2 g 范圍內(nèi)，即可停止烘干。脫濕過程完成后，采用光學(xué)數(shù)碼相機(jī)在固定高度對典型試樣進(jìn)行拍照，以追蹤裂隙的發(fā)育，由于光線對拍照亮度的影響，因此，用日光燈進(jìn)行照明，同時(shí)遮住一切外部光源，然后，將拍完照的試樣裝進(jìn)飽和器中進(jìn)行真空抽氣飽和，抽氣時(shí)間大約在4 h 左右，保持真空條件下的試樣浸泡24 h。如此反復(fù)干濕循環(huán)過程0～5 次。將完成相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)的飽和膨脹土試樣裝入手動(dòng)應(yīng)變控制式直接剪切儀進(jìn)行低應(yīng)力條件下的不固結(jié)不排水快速剪切試驗(yàn)，法向壓力分別為5、15、30 和50 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，整個(gè)直剪試驗(yàn)流程嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40 －2007)操作執(zhí)行。

表1 膨脹土基本指標(biāo)

1.3 裂隙參數(shù)提取

隨著計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)應(yīng)用，研究者逐漸對裂隙進(jìn)行了定量化測定，基本上均是應(yīng)用圖像處理手段。本文運(yùn)用Matlab 軟件的圖像處理功能，對膨脹土開裂試樣進(jìn)行二值化處理，然后進(jìn)行矢量化得到裂隙的參數(shù)。二值化如圖1所示。

圖1 二值化處理后的裂隙圖像

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裂隙發(fā)育規(guī)律分析

選取具有代表性的土樣的1～5 次干濕循環(huán)烘干后的5 張圖像，觀察干濕循環(huán)次數(shù)作用對其開裂程度的影響，如圖2。

圖2 1～5次干濕循環(huán)烘干后的試樣圖像

觀察以上膨脹土的干濕循環(huán)烘干后的裂隙發(fā)育圖片，可看出，裂隙的發(fā)育程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐步增大，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。第1～2 次干濕循環(huán)作用對裂隙的開裂影響程度較大，隨次數(shù)的增加裂隙大多沿著原有的裂隙發(fā)育，裂隙以變寬、變長為主，新的裂隙發(fā)育較少。

土樣在烘干過程中，試件上下脫濕速率是不均勻的，試件表面與熱空氣直接接觸，水分蒸發(fā)較快，內(nèi)部的水分只能通過孔隙或者微小裂隙排出，因此，脫濕速率相對大于下部，從而形成含水率梯度。由于這種含水率梯度的作用，使得試樣內(nèi)部應(yīng)力的不均勻性，當(dāng)拉應(yīng)力大于土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙便開始形成。飽和過程中，裂隙由于膨脹土的特性而愈合，但不能完全是土體的抗拉強(qiáng)度恢復(fù)到原來的水平，于是土樣經(jīng)歷每一次干濕循環(huán)后，裂隙不斷增長。再次脫濕后，裂隙都會(huì)首先沿著原來愈合的裂隙張開，張開后的裂隙面成為新的界面，界面下的含水率梯度會(huì)重新分布，導(dǎo)致裂隙的進(jìn)一步向四周擴(kuò)張。這就是裂隙隨干濕循環(huán)次數(shù)增加的原因。

2.2 裂隙和抗剪強(qiáng)度測定結(jié)果

2.2.1 裂隙參數(shù)的描述

利用Matlab 對烘干后的土樣進(jìn)行二值化處理和矢量化分析，得到試樣干濕循環(huán)后的裂隙率和分形維數(shù)，具體變化結(jié)果如表2。表2中可看出，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙率和分形維數(shù)也增加，但都逐步趨于穩(wěn)定值，第1～2 次循環(huán)后裂隙率和分形維數(shù)數(shù)值上變化幅度最大。

究其原因，由于土樣上層的失水速率大于下層，因此，上層土體收縮變形受到下層土體的約束，這樣在上層土體中產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，裂隙便開始形成，隨著脫水的進(jìn)行，土體不斷收縮，裂隙也不斷地?cái)U(kuò)大。當(dāng)含水率低于縮限含水率時(shí)，土體停止失水收縮，裂隙不再擴(kuò)大。脫水完成后，向土樣噴水至飽和，土體吸水膨脹導(dǎo)致干縮裂縫部分閉合。再次脫水時(shí)，土體首先沿著閉合裂隙開裂，張開的裂隙成為新的失水通道，加快了失水速率，從而在土體中產(chǎn)生新的含水率梯度，導(dǎo)致新的裂隙的產(chǎn)生。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種過程周而復(fù)始，裂隙產(chǎn)生越來越多，土塊的個(gè)數(shù)也越來越多，尺寸也越來越小，同時(shí)較多裂隙貫穿于土體上下面。這樣，再次脫水時(shí)，下層土體通過裂隙可與熱空氣直接接觸，造成上下層土體難以形成大的含水率梯度，因此，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而新的裂隙產(chǎn)生較少。

表2 試樣裂隙和強(qiáng)度參數(shù)測定結(jié)果

2.2.2 裂隙參數(shù)與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系

對0～5 次干濕循環(huán)后的飽和試樣進(jìn)行低應(yīng)力條件下的不排水不固結(jié)快剪試驗(yàn)，得到土樣的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 值，結(jié)果見表2部分。從表2可看出，膨脹土的粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈減小趨勢，粘聚力c 值在第1 次干濕循環(huán)后變化最為明顯，經(jīng)過第 2、3、4、5 次干濕循環(huán)，數(shù)值上呈現(xiàn)下降的趨勢，變化幅度較第1 次循環(huán)減小。而內(nèi)摩擦角的數(shù)值變化雖然稍有起伏，但總體變化規(guī)律不明顯，說明其受干濕循環(huán)次數(shù)的作用影響不大。文獻(xiàn)［12］對原狀膨脹土做過反復(fù)干縮濕脹直剪試驗(yàn)，也得出了類似的變化規(guī)律。

這里重點(diǎn)討論粘聚力與裂隙率、分形維數(shù)的函數(shù)關(guān)系，對粘聚力與裂隙率和分形維數(shù)的關(guān)系點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，擬合結(jié)果見圖4，圖5。可從圖中看出，粘聚力均隨試樣表面的裂隙率和分形維數(shù)的增加，而逐漸減小，且試件的強(qiáng)度參數(shù)與裂隙率和分形維數(shù)具有良好的線性關(guān)系。這說明裂隙的產(chǎn)生對土體的抗剪強(qiáng)度有重要的影響，裂隙的形成破壞了土體整體結(jié)構(gòu)的完整性，使土體受力不均勻，致使粘聚力下降。同時(shí)，根據(jù)裂隙率、分形維數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)的線性關(guān)系，為今后通過裂隙的參數(shù)的描述來反算裂隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)，提供很好的理論依據(jù)。

圖3 粘聚力與裂隙率的關(guān)系

圖4 粘聚力與分形維數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

1)裂隙的發(fā)育程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐步增大，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。其中，第1～2 次干濕循環(huán)作用對裂隙的開裂影響程度較大，隨次數(shù)的增加裂隙大多沿著原有的裂隙發(fā)育，裂隙以變寬、變長為主，新的裂隙發(fā)育較少。第1～2 次循環(huán)后裂隙率和分形維數(shù)數(shù)值上變化幅度最大，隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)裂隙的產(chǎn)生對土體的抗剪強(qiáng)度有重要的影響，膨脹土的粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈減小趨勢，粘聚力c 值在第1 次干濕循環(huán)后變化最為明顯，經(jīng)過第2、3、4、5 次干濕循環(huán)，數(shù)值上呈現(xiàn)下降的趨勢，變化幅度較第1 次循環(huán)減小。而內(nèi)摩擦角受干濕循環(huán)次數(shù)的作用影響不大。

3)粘聚力與裂隙率和分形維數(shù)具有良好的線性關(guān)系，能夠?yàn)橐院蟾鶕?jù)裂隙的參數(shù)的描述來反算膨脹土裂隙影響的強(qiáng)度指標(biāo)，提供一定的理論依據(jù)。

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