李廣權(quán)

(貴州路橋集團(tuán)有限公司)

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用紅粘土取自湖南某工地，按照土工試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得相關(guān)的物理性質(zhì)指標(biāo):容重2.539，液限60%，塑性指數(shù)27，最大干密度1.82，最佳含水率17.2%，自由膨脹率32.3%，粒徑小于0.005 mm 的顆粒占44.64%，在0.005～0.075 mm 之間的顆粒占54.13%，大于0.075 mm 的顆粒占1.23%。將取回來(lái)的原狀紅粘土風(fēng)干搗碎后過(guò)0.5 mm 篩，配制成初始含水率為最佳含水率(17.2%)的土樣，密封悶料24 h，確保含水率均勻;倒入玻璃缸中，分兩份:一份土樣不作處理，另一份土樣則在中間加鋪一層窗紗，按壓實(shí)度要求分別制成壓實(shí)度為70%、75%、80%、85% 的40 cm ×40 cm×1.5 cm 紅粘土試樣。土樣尺寸是根據(jù)實(shí)際工況按比例縮小，同時(shí)考慮到筋體材料拉伸性能和透水性能，故選擇窗紗網(wǎng)代替土工格柵進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

為加快紅粘土試樣的脫濕速率，將玻璃缸試件水平地放入烘箱中40 ℃恒溫進(jìn)行烘干，當(dāng)質(zhì)量變化穩(wěn)定在0.5 g/h 范圍內(nèi)時(shí)停止烘干。脫濕過(guò)程結(jié)束后，采用佳能IXUS 310 HS 光學(xué)數(shù)碼相機(jī)以固定距離對(duì)紅粘土試樣進(jìn)行拍照，追蹤裂隙的動(dòng)態(tài)發(fā)展情況。拍照過(guò)程中用日光燈照明，同時(shí)擋住其他一切外部光源，消除光線對(duì)拍照效果的影響，保證每次的拍攝環(huán)境一致。用氣壓噴壺對(duì)試樣模擬降雨增濕，密封悶料10 h 以上。再次進(jìn)行脫濕，如此反復(fù)干濕循環(huán)0～5 次。

2 圖像處理

運(yùn)用Matlab 軟件的圖像處理功能，對(duì)紅粘土開(kāi)裂試樣進(jìn)行灰度化、二值化處理，然后進(jìn)行矢量化計(jì)算得到紅粘土表面裂隙參數(shù)。

為了對(duì)試樣表面的裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行定量分析和描述，本試驗(yàn)對(duì)土樣的裂隙率進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算，裂隙率為裂隙的面積與初始試件的總面積之比

式中:A1為裂隙的總面積，A 為試樣的總面積。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

各壓實(shí)度的無(wú)筋和加筋紅粘土試樣，經(jīng)歷相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)結(jié)束后，運(yùn)用Matlab 軟件處理裂隙圖像，得到的裂隙率的統(tǒng)計(jì)值分別見(jiàn)表1、表2。

表1 無(wú)筋紅粘土試樣各壓實(shí)度的裂隙率統(tǒng)計(jì)

表2 加筋紅粘土試樣各壓實(shí)度的裂隙率統(tǒng)計(jì)

在無(wú)筋和加筋情況下，各壓實(shí)度下紅粘土試樣的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈上升的趨勢(shì)。無(wú)筋試樣在第0 次脫濕結(jié)束時(shí)，裂隙率都比較小，最大值為3.67%，最小值只有1.98%，加筋試樣的裂隙率最大值為1.82%，最小值為0.75%。第1 次干濕循環(huán)后，各壓實(shí)度下無(wú)筋紅粘土試樣的裂隙率分別增加了8.18%、8.03%、7.82%和7.48%，為第0次干濕循環(huán)下試樣裂隙率的2 倍以上;加筋紅粘土各壓實(shí)度下的裂隙率增加了6.78%、6.34%、6.23%、4.73%。之后的干濕循環(huán)作用對(duì)土樣裂隙率的影響比較小，增加的幅度不超過(guò)2.00%?？梢钥闯?，第1 次干濕循環(huán)作用對(duì)紅粘土裂隙率的影響最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的裂隙率也有所提高，但是提高幅度越來(lái)越小。究其原因主要是烘干過(guò)程中土樣上下層之間的溫度差致使土樣脫濕速率不一致，形成含水率梯度。在含水率梯度的作用下，下層土體約束了上層土體收縮變形，產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，當(dāng)收縮拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙開(kāi)始形成。隨著脫濕過(guò)程的進(jìn)行，紅粘土表面裂隙不斷發(fā)育，并最終趨于穩(wěn)定。脫濕完成后，土樣吸水飽和膨脹使之前的裂縫閉合，再次脫濕時(shí)，土體最先沿著之前的閉合裂縫開(kāi)裂，同時(shí)又在含水率梯度的影響下，產(chǎn)生新裂隙。隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，裂隙網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越發(fā)達(dá)，土塊尺寸越來(lái)越小，水分流失速率越快，土體內(nèi)部含水率更易達(dá)到平衡狀態(tài)，形成大的含水率梯度就越難，故之后的干濕循環(huán)作用對(duì)紅粘土的各裂隙參數(shù)變化幅度很小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，無(wú)筋紅粘土試樣的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化，與加筋紅粘土試樣有相似的規(guī)律。無(wú)筋紅粘土與加筋紅粘土試樣裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的曲線如圖1、圖2 所示。

圖1 無(wú)筋紅粘土裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

3.2 壓實(shí)度對(duì)裂隙率的影響

為更加直觀地描述紅粘土試樣的裂隙率隨壓實(shí)度的變化規(guī)律，描繪了裂隙率隨壓實(shí)度變化的曲線圖，如圖4、圖5所示。

由表1、表2、圖3 和圖4 可以看出:經(jīng)歷相同干濕循環(huán)作用次數(shù)后的無(wú)筋紅粘土試樣和加筋紅粘土試樣的裂隙率隨著壓實(shí)度的提高都相應(yīng)的減小。以第5 次循環(huán)的無(wú)筋紅粘土裂隙率為例，壓實(shí)度為70%、75%、80%、85%的土塊的裂隙率分別為11.56%、11.13%、10.58%、9.75%，壓實(shí)度增加10%，裂隙率減小了1.38%。表明了提高紅粘土的壓實(shí)度，可有效地抑制土樣的開(kāi)裂。究其原因，紅粘土試樣裂隙的發(fā)展主要是由于土體的膨脹和收縮引起的。提高壓實(shí)度后，其內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的排列將會(huì)更加緊密，顆粒之間的孔隙將會(huì)減小，孔隙率減小，導(dǎo)致水分滲入到紅粘土體內(nèi)部變得十分困難，削弱了土體內(nèi)部由于脫濕速率不均勻引起的收縮應(yīng)力，使得開(kāi)裂越來(lái)越困難。另外，壓實(shí)度越高，土體的粘聚力也越大，而抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度中粘聚力部分相當(dāng)，則土樣的抗拉強(qiáng)度也越大，土樣越不容易開(kāi)裂。隨著紅粘土壓實(shí)度的提高，雖然不能完全阻止紅粘土裂隙的產(chǎn)生，但能從一定程度上抑制裂隙的發(fā)展。

圖2 加筋紅粘土裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

3.3 加筋對(duì)紅粘土裂隙的影響

由表1 和表2 的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出加筋紅粘土試樣的裂隙率要比未加筋處理的低很多。第0 次干濕循環(huán)時(shí)，各個(gè)壓實(shí)狀態(tài)下的加筋紅粘土裂隙率依次為1.82%、1.45%、1.13%、0.75%，未加筋的裂隙率依次為3.67%、3.24%、2.79%、1.98%，是未加筋土樣裂隙率的2 倍以上;隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，加筋試樣裂隙率下降的幅度比較均勻，下降幅度均在0.5%～1.5%之間。紅粘土試樣加筋后，裂隙率有了明顯的減小，與提高土樣壓實(shí)度的效果相似，不能阻止裂隙的產(chǎn)生，但能一定程度的抑制裂隙發(fā)展。加筋后的土樣與未加筋的土樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生很大的改變，所以水分入滲的難易程度和水分入滲的多少對(duì)裂隙率的變化影響不大。但是，在紅粘土中加筋后，筋體材料和它包裹的紅粘土形成一個(gè)新的整體，對(duì)土體內(nèi)部的水分進(jìn)行重分布;紅粘土吸水膨脹后產(chǎn)生的膨脹力將由紅粘土土體和筋體材料一起承擔(dān)，加上土體顆粒與筋體材料產(chǎn)生的摩擦力，增大了土體的約束力，從而降低了土樣的裂隙率。

圖3 無(wú)筋紅粘土裂隙率隨壓實(shí)度的變化規(guī)律

圖4 加筋紅粘土裂隙率隨壓實(shí)度的變化規(guī)律

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)紅粘土的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷增長(zhǎng)，第1 次干濕循環(huán)作用對(duì)土樣裂隙率的影響最為顯著，之后的干濕循環(huán)作用對(duì)裂隙率的影響逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定。

(2)提高紅粘土的填筑壓實(shí)度，加入筋體材料可以有效的抑制裂隙的開(kāi)裂程度，當(dāng)采用紅粘土作為填料填筑路堤時(shí)，應(yīng)加筋處理或者采用較大的壓實(shí)度。

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