李志國，劉 興

(1.湘西自治州交通規(guī)劃辦公室，湖南 吉首 416000；2.湘西自治州交通建設工程造價管理站,湖南 吉首 416000)

干濕循環(huán)作用下溫度效應對膨脹土收縮規(guī)律研究

李志國1，劉 興2

(1.湘西自治州交通規(guī)劃辦公室，湖南 吉首 416000；2.湘西自治州交通建設工程造價管理站,湖南 吉首 416000)

在不同設定溫度下，對膨脹土進行一系列干濕循環(huán)試驗，基于圖像處理軟件PCAS的應用，對膨脹土試樣裂隙圖片進行定量采集研究，獲取試件表面的裂隙參數(shù)，探討溫度對干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙收縮開裂規(guī)律的影響。研究結果表明：①膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，最后漸趨穩(wěn)定；②在前3次干濕循環(huán)作用下，膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)變化幅度最大；溫度高的變化幅度比溫度低的大；③在相同的循環(huán)次數(shù)下，溫度較高的膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)比溫度低的大;④經(jīng)過6次干濕循環(huán)作用后，膨脹土的裂隙變化漸趨穩(wěn)定。

道路工程；膨脹土；干濕循環(huán)；溫度效應；收縮規(guī)律

0 引言

膨脹土性質不同于一般黏性土，它是一種典型的裂隙性土，在干燥環(huán)境條件下很容易因失水收縮而導致在試件表面形成縱橫交錯的裂隙網(wǎng)絡。裂隙的形成對土體實際工程造成巨大的影響，各種工程問題也隨之產(chǎn)生。如裂隙會降低土體的承載力，土體的壓縮性增強，地基產(chǎn)生不均勻沉降變形，使建筑坍塌破壞；裂隙的存在為土體水分的流動形成通道，土體的滲透性也因此成倍的增大，水工結構物的穩(wěn)定性和功能性大大降低；除此之外，裂隙對膨脹土邊坡穩(wěn)定性具有重大的約束作用，它導致邊坡的安全系數(shù)快速減小，誘使滑坡等各種工程災害的發(fā)生。綜上所述，膨脹土的裂隙問題涉及的范圍大、領域廣。

目前國內(nèi)外學者對有關膨脹土收縮開裂的研究頗多，主要集中在兩個方面：裂隙圖像參數(shù)的定量化探討和裂隙對土體工程性質造成的影響。唐朝生等[1,2]通過開展一系列干燥試驗，實時監(jiān)測試樣的含水率變化及表面裂隙的演化過程，基于數(shù)字圖像處理技術的運用，對裂隙圖像進行二值化處理后分析，獲取了表面裂隙率和分形維數(shù)等裂隙網(wǎng)絡幾何形態(tài)參數(shù)，進而反映膨脹土收縮開裂過程及其溫度效應；周東等[3]以南寧市河流沖擊相粘土為研究對象，觀察分析土樣干縮裂縫的結構特征和變化規(guī)律，探討了環(huán)境溫濕度對粘土干縮裂縫結構形態(tài)的影響；易順民等[4]對膨脹土裂隙圖片數(shù)據(jù)進行定量采集，得到了綜合指標裂隙度，它反映了裂隙的總體幾何分布，認為裂隙圖像的灰度熵可以準確地分析膨脹土裂隙的發(fā)育情況；盧再華等[5]應用MATLAB軟件中的圖像處理功能定量統(tǒng)計了膨脹土開裂圖像的表面裂隙率，并分析了裂隙率與含水率的關系，為膨脹土裂隙規(guī)律的研究提供了一個有效的借鑒；馬佳等[6]基于室內(nèi)干濕循環(huán)試驗的基礎，運用二值化的數(shù)值統(tǒng)計分析技術，在裂隙率實質概念的基礎上創(chuàng)造性地提出膨脹性巖土裂隙率的定量表達方法，同時進一步探討了裂隙發(fā)育程度與土體強度之間的變化關系?，F(xiàn)階段研究的一些方法難以完全地反映裂縫網(wǎng)絡的特質，測量結果一般與真實值相差較大，關于干濕循環(huán)作用下溫度效應對膨脹土體干縮裂縫結構和形態(tài)的影響鮮有報導。

針對相關研究的不足，本文為了研究干濕循環(huán)作用下溫度效應對對膨脹土收縮規(guī)律的影響，在控制試驗溫度條件下，開展一系列的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，基于數(shù)字圖像處理技術的應用，定量化探討膨脹土在干濕循環(huán)過程中表面裂隙網(wǎng)絡等參數(shù)的形態(tài)學特征，進而分析溫度效應對膨脹土收縮開裂的影響規(guī)律，實驗研究所取得的成果對加強認識膨脹土的開裂機理及指導膨脹土地區(qū)的土體工程實踐具有重要指導意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自海南澄邁膨脹土，取土深度為地表以下1.5～2.0 m(當?shù)卮髿庥绊懮疃燃s1.5 m)，呈灰白色。土樣取回經(jīng)室內(nèi)風干后粉碎，其基本物理力學性質見表1。

表1 土樣的物理性質試驗結果

1.2 試驗方案及過程

為了分析干濕循環(huán)作用溫度效應對膨脹土干縮裂縫表面結構的影響，作為基礎研究，本文以初始飽和狀態(tài)的膨脹土泥漿試樣為研究對象，究其原因是泥漿試樣結構框架較為簡單，易于制備采樣，試驗結果具有較好的重復規(guī)律性，便于對實驗結果進行整理分析。試驗中共配制6個樣品，每個樣品有3個平行試件，稱取一定量風干后的膨脹土，并碾碎通過2 mm篩，之后稱取一定量的篩下膨脹土粉末，放置于200 mm×200 mm×20 mm的玻璃器皿中，然后在里面加入適量的蒸餾水，進而充分攪拌均勻后并用密封袋對器皿密封，靜置24 h后放入恒溫恒濕箱中進行干燥脫水過程。最后將3組試樣分別水平放入20、30、40、50、60、70 ℃的烘箱中恒溫脫水，土樣失水過程中定期用實驗儀器對土樣進行稱重和拍照，當土樣開始出現(xiàn)干縮裂縫后，加快拍照的頻率，如果膨脹土泥漿土樣質量在2 h 之內(nèi)沒有發(fā)生改變，則認為土樣失水工作已完成，干縮裂縫的形態(tài)也趨于恒定。

2 圖片處理和測量參數(shù)

2.1 圖片處理技術

拍攝圖片時相機位置應架設在圖樣的正上方，并且需時刻確保相機與土樣的相對距離關系保持不變，以便于前后圖片的對比分析工作處理起來較為簡潔。采集完裂隙圖像之后，利用由南京大學自主開發(fā)的顆粒及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)(PCAS)對圖1a進行二值化和去雜點操作，得到圖1b，圖中黑色的部分為裂隙，白色的為被裂隙“切割”而成的塊區(qū)。

a)裂縫穩(wěn)定后最終形態(tài) b)二值化和去雜后的裂隙 圖1 裂縫穩(wěn)定后最終形態(tài)及二值化和去雜后的裂隙

2.2 干縮裂縫參數(shù)

2.2.1 裂隙率

在膨脹土工程實踐中，在采集實體工程現(xiàn)場裂縫時，干縮裂縫的定量化描述通常包括裂縫的深度、長度、寬度、間距等，統(tǒng)稱為干縮裂縫的度量指標。但這些定量化描述指標在實際操作過程中獲取較為復雜，為總體分析裂縫的分布規(guī)律，本文采用裂隙率這個基本指標，其定義為裂縫的面積與土樣總面積的比值?；谏鲜鰣D片處理技術的運用，裂隙率即是處理過后黑白圖片中黑色部分的像素數(shù)目與圖片總像素數(shù)目的比值。

2.2.2 分形維數(shù)

分形理論是建立在統(tǒng)計區(qū)域分布規(guī)律上的一種基礎數(shù)學方法，一般廣泛應用于巖土體裂隙的孔隙分布情況、滲流特質屬性、結構變化特征等方面分析，確保能真實反映膨脹土干縮裂縫的不規(guī)則發(fā)育情況和裂縫網(wǎng)絡的復雜特性。

3 試驗數(shù)據(jù)和分析

表2是不同溫度影響下膨脹土樣失水穩(wěn)定后干縮裂縫的相關量測數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的增加，土樣失水至穩(wěn)定狀態(tài)時所需要的時間明顯減少，這就代表溫度越高的同時土樣水分蒸發(fā)的速率也明顯加快。同時，土樣失水開裂的初始含水量隨溫度的升高而逐漸增大，而土樣失水開裂至穩(wěn)定時的含水量則隨著溫度升高而逐步降低，環(huán)境溫度的升高導致土樣逐漸失去水分，土樣的持水能力與環(huán)境溫度有關聯(lián)。隨著試驗溫度的升高，土樣失去水分達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)時的裂縫率和分維數(shù)都有增大的趨勢。

表2 不同溫度下干縮裂縫穩(wěn)定時相關參數(shù)測量結果

在不同的試驗溫度條件下，通過對膨脹土試樣進行一系列干濕循環(huán)試驗，每次干濕循環(huán)后采集到到的裂隙圖像進行二值化處理，得到的不同溫度下分形維數(shù)和裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2、圖3。從兩圖可以看出，膨脹土的裂縫隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不管在何種溫度條件下，膨脹土的裂隙率、分形維數(shù)會隨著增加，最后漸趨穩(wěn)定。膨脹土裂隙的演化基本可以分為4個階段：

圖2 不同溫度下分形維數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖3 不同溫度下裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

第1階段，稱為裂縫形成期：隨著土中水分的蒸發(fā)，首先在試樣表面含水量相對小的部位出現(xiàn)數(shù)條互不相連的短裂縫，然后這些短裂縫不斷延伸發(fā)展并相交，形成第1階段的裂縫網(wǎng)絡，將這一階段的裂縫稱為主裂縫，形成的網(wǎng)絡稱為主裂縫網(wǎng)絡，它構成了試樣最終裂縫圖像的骨架，并將試樣分割成若干較大的初級區(qū)塊，主要發(fā)生在第1次干濕循環(huán)脫濕完成后。

第2階段，稱為裂縫發(fā)展期：在主裂縫網(wǎng)絡形成的同時或者形成后期，主裂縫上開始出現(xiàn)分叉，形成次一級的裂縫。隨著試樣干縮試驗過程的持續(xù)進行，在次一級的裂縫上會產(chǎn)生更次一級的干縮裂縫，重復上述過程，同時將試樣表面劃分為面積更小的次一級區(qū)塊，在理想狀態(tài)下，這些區(qū)塊的最終面積大小應近似相等。這個階段主要發(fā)生在第2次、第3次干濕循環(huán)完成后。

第3階段，稱為裂縫穩(wěn)定期：裂縫的條數(shù)不再發(fā)展，裂縫網(wǎng)絡的形態(tài)已定形，但裂縫的寬度仍不斷增大；被分割的塊區(qū)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，形狀基本不變，但面積仍不斷縮小。主要發(fā)生在第4次～第6次干濕循環(huán)完成后。

第4階段，稱為裂縫固定期：雖然土中的含水量還在不斷減少，但裂縫的寬度已不發(fā)生變化，每一條裂縫和裂縫網(wǎng)絡已完全固定。經(jīng)過6次干濕循環(huán)后，裂縫就開始固定，不再繼續(xù)發(fā)展、或者裂縫的發(fā)展難以察覺基本可以忽略。

同時，從圖2、圖3中可以看出膨脹土的分形維數(shù)、裂隙率在第1次干濕循環(huán)后變化幅度最大，第2次、第3次干濕循環(huán)，變化幅度慢慢變小，在經(jīng)過4次干濕循環(huán)之后，基本不再變化。不管在何種溫度條件，總體的干濕循環(huán)裂隙變化規(guī)律都基本相同。在相同的溫度下，膨脹土在溫度較高的條件下，裂隙發(fā)育的更加充分，裂隙率、分形維數(shù)也就越大。當試件在高溫環(huán)境下，上層失水率比較低溫度下要快，這樣形成的含水率梯度就要大，因此高溫環(huán)境下產(chǎn)生的裂縫比低溫的要大，裂隙發(fā)展的更加充分，從而無論經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)，高溫環(huán)境下的裂隙率和分形維數(shù)要比低溫環(huán)境下的大。

4 結論

膨脹土裂隙的產(chǎn)生對土體工程性質有重要影響，并導致各種工程問題。本文綜合考慮溫度效應和干濕循環(huán)兩個因素研究膨脹土干縮開裂的影響，得到主要結論如下：

1)土樣失水穩(wěn)定后的干縮裂縫開展形態(tài)具有不確定性，不受環(huán)境溫度影響，隨著試驗環(huán)境溫度升高，膨脹土主要裂隙參數(shù)裂隙率以及分形維數(shù)逐漸減少。

2)膨脹土的裂縫隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不管在何種溫度條件下，膨脹土的裂隙率、分形形維數(shù)會隨著增加，最后漸趨穩(wěn)定。

3)本研究課題還可以深入研究，有關裂縫發(fā)生和發(fā)展的溫度效應還有許多課題需要進一步開展，如在溫度更高或更低或極端溫度下的裂縫發(fā)展機理，不均勻溫度場中土的裂縫發(fā)展過程等。

4)本文研究成果對更進一步地認識膨脹土的開裂機理以及指導膨脹土地區(qū)的土體工程實踐具有一定的指導意義。

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2016-11- 18

李志國(1979- )，男，工程師，一直從事公路橋梁建設相關工作。

1008-844X(2017)02-0056-03

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