周 峰，肖琪聃，高洪波

(信陽師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

0 引言

紅黏土具有吸水膨脹、失水收縮的特性，是典型的脹縮性土之一.紅黏土在我國(guó)的分布范圍較廣，隨著交通建設(shè)的發(fā)展，修建的許多道路會(huì)穿越紅黏土地區(qū).在雨季與旱季相互交替的過程中，紅黏土經(jīng)歷著吸水—失水的無限次干濕循環(huán)，用作路堤填料時(shí)，在季節(jié)性的干濕循環(huán)作用下，易產(chǎn)生干濕循環(huán)裂縫，造成路基開裂，邊坡失穩(wěn).目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)紅黏土在無上覆荷載作用下干濕循環(huán)試驗(yàn)的研究取得了一定的成果.張永婷[1]等研究表明干濕循環(huán)作用下紅黏土以收縮為主而膨脹土以膨脹為主，且紅黏土的水穩(wěn)性明顯優(yōu)于膨脹土.王瑩瑩等[2]、黃丁俊等[3]認(rèn)為在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，初始含水率越大，紅黏土絕對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率越大.龔琰等[4]研究表明低初始含水率的紅黏土試樣表面易形成網(wǎng)格狀張拉裂隙，高初始含水率試樣則易因收縮而產(chǎn)生環(huán)向裂隙，初始含水率越高，裂隙度越大.趙雄飛等[5]認(rèn)為紅黏土試樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫條數(shù)、最大寬度和最大長(zhǎng)度在第 1 次循環(huán)增加較快，然后增加緩慢.周峰等[6]研究表明在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，紅黏土試樣的脹縮變形幅度隨上覆荷載的增加而基本上逐漸減小，上覆荷載的作用能夠不同程度的抑制紅黏土的脹縮變形.YESILLER等[7]研究表明紅黏土表面干濕循環(huán)裂隙隨著紅黏土細(xì)粒含量的增加而增加，在第二次干濕循環(huán)之后裂隙強(qiáng)度因子趨于穩(wěn)定.RAYHANI等[8]研究表明在同一干濕循環(huán)次數(shù)下，紅黏土表面裂隙隨著塑性指數(shù)和黏粒含量的增大而增大.

前述學(xué)者進(jìn)行的干濕循環(huán)條件下紅黏土的研究成果基本上都是在限制側(cè)向膨脹、允許側(cè)向收縮且垂直方向荷載為零的條件下進(jìn)行的，試樣的側(cè)向變形限制條件與實(shí)際情況相符，但試樣的豎向變形限制條件和應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際情況不符.這是因?yàn)榧t黏土在季節(jié)性的干濕循環(huán)導(dǎo)致脹縮變形的過程中，由于周圍土體的限制，其側(cè)向不能膨脹或不能完全膨脹，但在收縮過程中其側(cè)向會(huì)產(chǎn)生收縮變形，當(dāng)收縮變形足夠大時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫；在垂直方向，紅黏土受到上覆土體的自重應(yīng)力作用，其含水率增加時(shí)紅黏土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)膨脹力大于上覆土體的自重應(yīng)力時(shí)才會(huì)有膨脹變形產(chǎn)生，否則不會(huì)有膨脹變形產(chǎn)生.目前國(guó)內(nèi)外還未進(jìn)行針對(duì)紅黏土在有荷條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)研究，僅有楊和平等[9]利用加浴霸的輕型固結(jié)儀對(duì)原狀膨脹土進(jìn)行了有荷條件下的干濕循環(huán)過程的試驗(yàn)研究，以及張文慧[10]利用溫控氣壓固結(jié)儀對(duì)原狀膨脹土進(jìn)行的有荷條件下干濕循環(huán)過程的試驗(yàn)研究.因此本次針對(duì)重塑紅黏土進(jìn)行不同上覆荷載條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)研究，對(duì)獲取符合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要的意義.

1 土樣選取及試驗(yàn)方法

1.1 紅黏土的選取

本文所用紅黏土為同江防護(hù)區(qū)殘積紅黏土，取自吉水縣阜田鎮(zhèn)壇上村東南部，取土深度2.0 m左右，呈黃褐—棕黃色，硬可塑狀.試驗(yàn)用土均采用風(fēng)干土樣，風(fēng)干土樣全部過5 mm篩，風(fēng)干后紅黏土含水率為5.9%，主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表 1.根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112-2013)判斷該紅黏土具有弱膨脹性.

表1 紅黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 The fundamental physical properties of red clay

注: 表中膨脹力為試樣最優(yōu)含水率、最大干密度(壓實(shí)度95%)時(shí)數(shù)值，測(cè)試方法為加荷平衡法.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用試樣均為室內(nèi)制備的環(huán)刀試樣，環(huán)刀試樣的制備參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)中的壓樣法，環(huán)刀試樣高度為2.0 cm，直徑為6.18 cm.試樣的初始含水率為最優(yōu)含水率17.6%，干密度為1.69 g·cm-3(即最大干密度為1.78 g·cm-3與壓實(shí)度95%之積)；上覆荷載設(shè)定為0 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa五個(gè)水平(即代表0 m、1 m、2 m、3 m、4 m上覆土體所產(chǎn)生的自重應(yīng)力)，共經(jīng)歷7次干濕循環(huán).試樣經(jīng)歷0～7次干濕循環(huán)的過程中，對(duì)每次干濕循環(huán)前后對(duì)試樣用1200萬像素的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，以統(tǒng)計(jì)試樣每次干濕循環(huán)前后的裂隙發(fā)展規(guī)律.

干濕循環(huán)分為浸水膨脹和失水收縮兩個(gè)過程.對(duì)于上覆荷載為0 kPa的干濕循環(huán)試驗(yàn)，浸水膨脹過程為：將試樣放置在透水石上，先加水至水面和透水石頂面同高，試樣吸水飽和，逐漸將水位升至淹沒試樣表面為止，浸水24 h即認(rèn)為試樣吸水膨脹穩(wěn)定；失水收縮過程為：將浸水飽和后的試樣風(fēng)干至制樣初始質(zhì)量(此質(zhì)量為根據(jù)最大干密度、最優(yōu)含水率、95%壓實(shí)度確定的環(huán)刀試樣質(zhì)量)，即認(rèn)為試樣失水收縮穩(wěn)定.對(duì)于其他上覆荷載的干濕循環(huán)試驗(yàn)，浸水膨脹過程為：將試樣放置在根據(jù)固結(jié)儀改裝的可施加上覆荷載的干濕循環(huán)試驗(yàn)儀器中，加載對(duì)應(yīng)的上覆荷載，然后再加水至水面和透水石頂面同高，試樣吸水飽和，逐漸將水位升至淹沒試樣表面為止，浸水至試樣飽和,即認(rèn)為吸水膨脹穩(wěn)定(根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，由于上覆荷載的影響，吸水速率會(huì)隨著上覆荷載的增大而減小，所以不同上覆荷載條件下試樣吸水飽和所需要的時(shí)間不同，應(yīng)該先根據(jù)試樣試驗(yàn)確定)；失水收縮過程為：將浸水飽和后的試樣通過儀器下部加熱片烘干至制樣初始質(zhì)量，即認(rèn)為試樣失水收縮穩(wěn)定(利用加熱片控制開關(guān)控制烘干溫度在35 ℃左右，該溫度為南方地區(qū)夏季室外氣溫均值).

2 結(jié)果分析

本文對(duì)紅黏土裂隙的發(fā)展規(guī)律分析分為定性分析和定量分析兩個(gè)方面.其中對(duì)紅黏土裂隙的定性分析采用傳統(tǒng)意義上的分析描述方法，而對(duì)裂隙發(fā)育情況的定量分析,則采用二值化像素統(tǒng)計(jì)技術(shù)、光柵矢量化技術(shù).限于篇幅，圖1僅給出了上覆荷載為0～80 kPa的紅黏土試樣干濕循環(huán)過程中1次、3次、5次、6次、7次失水后裂隙發(fā)育情況.

圖1 上覆荷載作用下紅黏土試樣干濕循環(huán)裂隙發(fā)育規(guī)律Fig. 1 Crack development law of red clay wet-dry cycleunder the overlying load

注: 圖1中從左到右依次為經(jīng)歷1次、3次、5次、6次、7次失水；從上到下依次為施加0 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa上覆荷載.

2.1 上覆荷載作用下試樣裂隙發(fā)展規(guī)律(定性分析)

由圖1可以看出：第一次失水后，上覆荷載為0～40 kPa的試樣表面產(chǎn)生了數(shù)條沒有貫通的細(xì)微裂隙，且上覆荷載越小，裂縫數(shù)量越多、裂縫寬度越寬；上覆荷載為60～80 kPa的試樣表面未有裂隙出現(xiàn).第三次失水后，上覆荷載為0～20 kPa的試樣表面裂隙發(fā)展呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，裂縫數(shù)量急劇越多，裂隙寬度明顯增大，且上覆荷載為0 kPa的試樣邊緣出現(xiàn)輕微剝落，表面已經(jīng)出現(xiàn)貫通裂隙，20 kPa的試樣表面有出現(xiàn)貫通裂隙的勢(shì)頭；上覆荷載越小，試樣裂隙數(shù)量越多、寬度越大的現(xiàn)象依然存在；上覆荷載為40 kPa的試樣表面裂隙發(fā)育較為緩慢，上覆荷載為60～80 kPa的試樣表面依然未有裂隙出現(xiàn).第五次失水后，上覆荷載為0～20 kPa的試樣表面產(chǎn)生了的貫通裂隙條數(shù)增多，且清晰可辨；可以看出上覆荷載為40 kPa的試樣表面裂隙開始加劇發(fā)育，較前幾次越來越明顯；上覆荷載為60～80 kPa的試樣表面依然無明顯裂隙.第七次失水后，上覆荷載為0 kPa的試樣邊緣土剝落現(xiàn)象較第五、六次更加明顯，試樣表面土體已基本完全被裂隙分割破碎，根據(jù)該土已有研究成果[6]，可以認(rèn)為試樣完全破壞，裂隙發(fā)展趨于穩(wěn)定；上覆荷載為20～40 kPa的試樣裂隙發(fā)育基本完成，土體已經(jīng)破壞，且上覆荷載越大，破壞越不明顯；上覆荷載為60～80 kPa的試樣表面仍無特別明顯裂隙，可認(rèn)為試樣干濕循環(huán)已經(jīng)穩(wěn)定.

對(duì)于同一次數(shù)的干濕循環(huán)，失水收縮后試樣與環(huán)刀間的縫隙均隨著作用在試樣的上覆荷載的增加而變窄.圖1中試樣均為脫刀拍攝，故未在圖中顯示.對(duì)于相同次數(shù)的干濕循環(huán)，上覆荷載越大，失水后試樣表面裂隙發(fā)育越不明顯，且當(dāng)上覆荷載大于等于膨脹力62.8 kPa時(shí)(本文默認(rèn)60 kPa上覆荷載等于試樣膨脹力)試樣表面不產(chǎn)生干濕循環(huán)裂隙.試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)上覆荷載越大，土樣失水和吸水所需的時(shí)間越長(zhǎng).以上均說明上覆土體的自重應(yīng)力對(duì)紅黏土的脹縮變形和裂隙發(fā)育具有很好的抑制作用；且上覆荷載越大，抑制作用越明顯.

2.2 上覆荷載作用下試樣裂隙發(fā)展規(guī)律(定量分析)

裂隙度的概念是用來反應(yīng)混亂型裂隙分布網(wǎng)絡(luò)的幾何分布特征所采用的一系列綜合性指標(biāo)，用來自于工程應(yīng)用中的裂隙度的概念對(duì)試樣裂隙進(jìn)行描述是一種比較簡(jiǎn)便且可行的方法.裂隙度的表達(dá)方法基本都是針對(duì)裂隙的分布密度、寬度、長(zhǎng)度以及走向等幾何要素而建立的，裂隙分布密度(面積比)、裂隙長(zhǎng)度比、裂隙平均寬度具體定義如下[11]：

(1)

(2)

(3)

2.2.1 裂隙長(zhǎng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

按照二值化方法，通過Matlab2014a的圖形圖像處理功能，對(duì)初始圖片進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)化(灰度值大于150時(shí)設(shè)置為255，小于150時(shí)設(shè)置為0)、邊緣提取(試樣與環(huán)刀內(nèi)壁的間隙不計(jì)入灰度值，試樣面積統(tǒng)計(jì)只統(tǒng)計(jì)試樣收縮后的面積)及中值濾波等措施[11-14]，最終轉(zhuǎn)化形成的二值圖像如圖2.統(tǒng)計(jì)二值化圖像中的黑、白像素；按照公式(1)計(jì)算(黑像素與總像素之比)出每張圖中的裂隙分布密度,得出不同上覆荷載作用下試樣裂隙分布密度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示.

分析圖3可以看出，對(duì)于上覆荷載為0～40 kPa三組試樣，每組試樣的裂隙分布密度總體上均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，三組試樣的裂隙分布密度從第1次失水后的0.006%、0.003%、0%增長(zhǎng)到第7次失水后的穩(wěn)定值4.285%、3.071%、1.313%，且干濕循環(huán)初期階段裂隙分布密度增長(zhǎng)較快，說明試樣在干濕循環(huán)初期裂隙開展比較迅速.上覆荷載為60 kPa、80 kPa的兩組試樣的裂隙分布密度始終為0.

圖2 二值化圖像處理示例Fig. 2 Example of binary image processing

通過對(duì)比分析圖3中5條曲線，可以看出，在上覆荷載小于試樣膨脹力的情況下，對(duì)于任意一定的干濕循環(huán)次數(shù)，裂隙分布密度隨著上覆荷載的增加而減小.以0 kPa和40 kPa試樣7次干濕循環(huán)后裂隙分布密度作比較，40 kPa上覆荷載的試樣的裂隙分布密度比0 kPa上覆荷載的試樣減幅達(dá)69.4%.在上覆荷載大于等于試樣膨脹力的情況下，試樣經(jīng)歷7次干濕循環(huán)基本上不產(chǎn)生裂隙.以上分析可知，上覆荷載作用對(duì)紅黏土干濕循環(huán)裂隙的發(fā)展有很好的抑制作用，且上覆荷載越大，抑制作用越明顯.

圖3 不同上覆荷載作用下試樣裂隙分布密度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig. 3 Crack density law of red clay wet-dry cycleunder the overlying load

2.2.2 裂隙長(zhǎng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

對(duì)圖1中的試樣進(jìn)行二值化處理后，再利用光柵圖像矢量化技術(shù)對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行裂隙長(zhǎng)度矢量統(tǒng)計(jì)(利用AutoCAD軟件中的面積統(tǒng)計(jì)和矢量統(tǒng)計(jì)功能對(duì)二值化后的圖片進(jìn)行處理)[15]，按照公式(2)計(jì)算出每張圖中的裂隙長(zhǎng)度比，得出不同上覆荷載作用下試樣裂隙長(zhǎng)度比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示.

圖4 不同上覆荷載作用下試樣裂隙長(zhǎng)度比隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig. 4 Crack length ratio law of red clay wet-dry cycleunder the overlying load

裂隙的長(zhǎng)度比是衡量裂隙發(fā)育速度和分布程度的一個(gè)重要參數(shù)，裂隙長(zhǎng)度比的值越大，說明裂隙發(fā)育很快或是裂隙分布的越密集.單獨(dú)分析圖4中的每一條曲線，可以看出對(duì)于上覆荷載為0～40 kPa的三組試樣，每組試樣的裂隙長(zhǎng)度比總體上均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且裂隙長(zhǎng)度比的增速隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加越來越小，上覆荷載為0～40 kPa的三組試樣的裂隙長(zhǎng)度比從第1次失水后的0.0159、0.0064、0.0004增長(zhǎng)到了第7次失水后的穩(wěn)定值0.0573、0.0476、0.0284，且干濕循環(huán)初期裂隙長(zhǎng)度比增長(zhǎng)較快，同樣說明試樣在干濕循環(huán)初期裂隙開展比較迅速.上覆荷載為60 kPa、80 kPa的兩組試樣的裂隙長(zhǎng)度比始終為0.

綜合分析圖4中的5條曲線，可以看出，在上覆荷載小于試樣膨脹力的情況下，對(duì)于任意一定的干濕循環(huán)次數(shù)，試樣裂隙長(zhǎng)度比隨著上覆荷載的增加而減小.這個(gè)結(jié)論和2.2.1節(jié)得出的關(guān)于裂隙分布密度的結(jié)論相似.以0 kPa和40 kPa試樣7次干濕循環(huán)后裂隙長(zhǎng)度比做對(duì)比，40 kPa上覆荷載的試樣的裂隙長(zhǎng)度比比0 kPa上覆荷載的試樣減幅達(dá)39.3%.在上覆荷載大于等于試樣膨脹力的情況下，試樣經(jīng)歷7次干濕循環(huán)基本上不產(chǎn)生裂隙.以上分析同樣印證了2.1節(jié)所得出的結(jié)論，上覆荷載作用對(duì)紅黏土干濕循環(huán)裂隙的發(fā)展有很好的抑制作用，且上覆荷載越大，抑制作用越明顯.

2.2.3 裂隙平均寬度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

利用2.2.1、2.2.2得出的裂隙分布密度及裂隙長(zhǎng)度比，按照公式(3)計(jì)算出試樣的裂隙的平均寬度(裂隙分布密度及裂隙長(zhǎng)度比均為0 時(shí)，默認(rèn)裂隙平均寬度為0)，得出不同上覆荷載作用下試樣裂隙平均寬度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示.

圖5 不同上覆荷載作用下試樣裂隙平均寬度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig. 5 Crack average width law of red clay wet-dry cycleunder the overlying load

從圖5可以得出和2.2.1、2.2.2中裂隙分布密度以及裂隙長(zhǎng)度比類似的結(jié)論，也同樣印證了上覆荷載作用對(duì)紅黏土干濕循環(huán)裂隙的抑制作用隨上覆荷載的增大而增大的結(jié)論.

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同上覆荷載作用下紅黏土在干濕循環(huán)過程中的裂隙發(fā)展規(guī)律，對(duì)裂隙的發(fā)展進(jìn)行了定性分析和定量分析，主要得出了以下結(jié)論：

(1)在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下,失水后試樣表面的裂隙及試樣與環(huán)刀間的縫隙均隨著作用于試樣的上覆荷載的增加而變窄，說明上覆土體的自重應(yīng)力對(duì)紅黏土的裂隙發(fā)育具有抑制作用.

(2)上覆荷載為0～40 kPa的三組試樣，每組試樣的裂隙分布密度、長(zhǎng)度比、平均寬度總體上均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，三組試樣的裂隙分布密度、長(zhǎng)度比、平均寬度在干濕循環(huán)初期增長(zhǎng)較快，說明裂隙在試樣干濕循環(huán)初期開展比較迅速.上覆荷載為60 kPa、80 kPa的兩組試樣的裂隙分布密度、長(zhǎng)度比、平均寬度始終為0，即試樣未產(chǎn)生裂隙.

(3)對(duì)于任意一定的干濕循環(huán)次數(shù)，裂隙分布密度、長(zhǎng)度比、平均寬度均隨著上覆荷載的增加而減小，經(jīng)歷7次干濕循環(huán)后最大減幅都很明顯；當(dāng)上覆荷載小于土體膨脹力時(shí)，上覆荷載越大，上覆荷載對(duì)裂隙的抑制作用越明顯；當(dāng)上覆荷載大于等于土體膨脹力時(shí)，土體不產(chǎn)生裂隙.