李彥龍 汪自力 焦天藝

摘?要：壓實(shí)度是各類(lèi)填筑工程施工中的關(guān)鍵指標(biāo)，自由膨脹率是衡量膨脹土膨脹性的核心指標(biāo)，探明壓實(shí)度、自由膨脹率與脹縮裂隙演化特征的關(guān)系對(duì)工程建設(shè)是必要的。選擇自由膨脹率分布于51%～115%的5種膨脹土并將其壓實(shí)度分別控制為85%、90%、95%和100%，研究其在歷經(jīng)4次濕干循環(huán)作用后的裂隙特征參數(shù)。研究結(jié)果表明：增大壓實(shí)度能有效地抑制裂隙在長(zhǎng)度和寬度上的開(kāi)展并減少裂隙條數(shù)，尤其是對(duì)具有中、高自由膨脹率的膨脹土，進(jìn)而有效地降低表面裂隙率;裂隙寬度的大幅減小是壓實(shí)度增大后表面裂隙率下降的主要原因;裂隙特征參數(shù)均會(huì)隨著自由膨脹率的增大而增大，尤其當(dāng)自由膨脹率達(dá)到強(qiáng)膨脹潛勢(shì)時(shí)，裂隙特征參數(shù)的增幅更為顯著。

關(guān)鍵詞：膨脹土;脹縮裂隙;壓實(shí)度;自由膨脹率;裂隙特征參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU443?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.015

Abstract：Compaction degree is the key parameter of all kinds of filling construction， and free swelling ratio is the core index to evaluate the expansibility of expansive soil. However， the relationship between swell-shrink cracks characteristic parameters and compaction degree and free swelling ratio is unknown. In view of this， five expansive soil samples with different swelling ratio distributed in 51%-115% were selected， and the samples compaction degree were controlled as 85%， 90%， 95% and 100% respectively， in order to obtain the relationship of the crack characteristic parameters with swelling ratio and compaction degree after four wet-dry cycles. The results indicate that increasing compaction degree can effectively inhibit the cracks length and width， especially for the samples with medium and high free swelling ratios and then the surface crack rate can be reduced effectively. The decrease of crack width is the main reason for the decrease of the surface crack rate after the increase of compactness， and the decrease of fracture length is the subordinate reason. Surface crack ratio， crack length， crack width and the crack number are increased with the increase of free swelling rate， especially when the free swelling rate reach as to strong swelling potential the increase of crack characteristic parameters is more significant.

Key words： expansion soil; crack; compaction degree; free swelling ratio; cracks characteristics

膨脹土中廣泛分布的裂隙會(huì)顯著影響土體的工程力學(xué)性能[1-2]，對(duì)膨脹土裂隙特征的研究是評(píng)價(jià)膨脹土工程力學(xué)性能的基礎(chǔ)性工作。膨脹土中的裂隙可分為脹縮裂隙和非脹縮裂隙[3]，學(xué)者們針對(duì)脹縮裂隙的演化特征開(kāi)展了試驗(yàn)研究[4-7]、理論分析[8-9]和數(shù)值模擬[10-11]，獲得了裂隙特征參數(shù)（表面裂隙率、裂隙長(zhǎng)度、裂隙寬度和裂隙條數(shù)等）與初始含水量、濕干循環(huán)次數(shù)、脫濕時(shí)間以及脫濕溫度等因素之間的關(guān)系。然而，目前針對(duì)脹縮裂隙演化特征的研究仍存在以下不足之處：其一，壓實(shí)度是各種填筑工程施工中的關(guān)鍵指標(biāo)，針對(duì)壓實(shí)度大于85%的膨脹土的裂隙演化特征尚缺乏研究[12];其二，自由膨脹率（膨脹潛勢(shì)）是衡量膨脹土膨脹性的核心指標(biāo)，但裂隙特征參數(shù)與自由膨脹率之間的關(guān)系尚不明晰。鑒于此，筆者選擇自由膨脹率各異的土樣并將其壓實(shí)度分別控制為85%、90%、95%和100%，研究了其在歷經(jīng)多次濕干循環(huán)作用后裂隙特征參數(shù)的變化規(guī)律，以確定裂隙特征參數(shù)與壓實(shí)度和自由膨脹率的關(guān)系。

1?試驗(yàn)方案

1.1?試驗(yàn)土樣

所有土樣均取自南陽(yáng)地區(qū)，依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）和《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）開(kāi)展了擊實(shí)試驗(yàn)并測(cè)定了土樣的自由膨脹率，結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2?試驗(yàn)方案

通過(guò)噴水法將膨脹土的初始含水率控制為最優(yōu)含水率并悶料24 h，采用直徑79.8 mm、高40 mm的環(huán)刀，通過(guò)擊樣法制樣并將土樣的壓實(shí)度分別控制為85%、90%、95%和100%。由于膨脹土在歷經(jīng)3～4次濕干循環(huán)后裂隙的擴(kuò)展已基本停止[13-14]，因此對(duì)土樣進(jìn)行4次濕干循環(huán)并以第4次濕干循環(huán)后的裂隙特征作為研究對(duì)象。第1次濕干循環(huán)為處于最優(yōu)含水率的壓實(shí)土樣的脫濕過(guò)程，第2～4次濕干循環(huán)為人工噴霧增濕后再脫濕的過(guò)程。

增濕操作：增濕過(guò)程中使用氣壓噴壺噴水，每次均勻噴水約20 g，耗時(shí)3 min，噴水強(qiáng)度約為8.3 mm/h，使設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度在允許噴灌強(qiáng)度范圍之內(nèi)，保證土樣結(jié)構(gòu)不被破壞，并且在土表不產(chǎn)生洼水或徑流。一次噴水結(jié)束30 min后，土樣因增濕而產(chǎn)生的膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定，稱(chēng)取質(zhì)量，拍照記錄，并再次噴水。重復(fù)上述步驟，直至土體裂縫完全閉合，增濕試驗(yàn)結(jié)束[15]。

干燥操作：脫濕過(guò)程每隔8 h稱(chēng)量一次，同時(shí)拍照記錄試樣表面形態(tài)。當(dāng)表面出現(xiàn)裂縫后，間隔時(shí)間縮短至4 h。當(dāng)12 h內(nèi)（連續(xù)3次測(cè)量）試樣質(zhì)量變化在0.3%內(nèi)時(shí)，認(rèn)為裂縫形態(tài)穩(wěn)定，干燥過(guò)程結(jié)束，開(kāi)始增濕試驗(yàn)[15]。

采用文獻(xiàn)[4]所介紹的圖像處理技術(shù)獲取土樣的裂隙特征參數(shù)，主要流程為：獲得裂隙開(kāi)展圖片→灰度化處理→二值化處理→降噪處理→裂隙骨架化→獲取相關(guān)參數(shù)。為了消除環(huán)刀邊緣對(duì)土樣裂縫的影響，利用Photoshop軟件裁剪出試樣中央50.8 mm×50.8 mm的區(qū)域作為研究對(duì)象，分辨率為300 dpi，折合為0.085 mm/像素。

裂隙特征參數(shù)包括：①表面裂隙率，其值為裂隙面積與試樣表面積的比值;②裂隙總長(zhǎng)度，所有裂隙長(zhǎng)度之和;③裂隙平均寬度，裂隙總面積與裂隙總長(zhǎng)度之比;④裂隙條數(shù)，土樣表面臨近的兩個(gè)端點(diǎn)、端點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的骨架線為一條裂隙。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

膨脹土土樣裂隙特征參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，其中土樣的表面積為5 000 mm2。

2.1?表面裂隙率的變化規(guī)律

表面裂隙率與壓實(shí)度的關(guān)系如圖1所示，可以看出，所有土樣的表面裂隙率均隨壓實(shí)度的增大而減小。當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，土樣S1～S5表面裂隙率的減幅分別為54%、58%、59%、60%和62%，表明增大壓實(shí)度能顯著抑制膨脹土中裂隙的開(kāi)展。

表面裂隙率與自由膨脹率的關(guān)系如圖2所示，可以看出，不同壓實(shí)度下土樣表面裂隙率整體上均隨著自由膨脹率的增大而增大，當(dāng)自由膨脹率超過(guò)90%（強(qiáng)膨脹潛勢(shì)）時(shí)，所有曲線都迅速上揚(yáng)，表明當(dāng)自由膨脹率達(dá)到強(qiáng)膨脹潛勢(shì)時(shí)，膨脹土中的裂隙發(fā)育更為廣泛。值得注意的是，當(dāng)土樣的自由膨脹率從51%增大到115%時(shí)，100%壓實(shí)度的土樣表面裂隙率的增幅為38%，顯著小于其他壓實(shí)度下土樣表面裂隙率的增幅（85%、90%和95%壓實(shí)度下表面裂隙率的增幅分別為54%、66%和60%），由此表明隨著自由膨脹率的增大，土樣在中低壓實(shí)度下表面裂隙率的增幅比高壓實(shí)度下顯著。

2.2?裂隙總長(zhǎng)度的變化規(guī)律

裂隙總長(zhǎng)度與壓實(shí)度的關(guān)系如圖3所示，可以看出，所有土樣中裂隙總長(zhǎng)度均隨壓實(shí)度的增加而減小。當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，土樣S1～S5中裂隙總長(zhǎng)度的減幅分別為21%、22%、23%、24%和27%，表明增大壓實(shí)度能抑制裂隙長(zhǎng)度。

裂隙總長(zhǎng)度與自由膨脹率的關(guān)系如圖4所示，可以看出，不同壓實(shí)度下裂隙總長(zhǎng)度均會(huì)隨著自由膨脹率的增加而增加。值得注意的是當(dāng)土樣的自由膨脹率從51%增加到115%時(shí)，100%壓實(shí)度下裂隙總長(zhǎng)度的增幅僅為7%，明顯小于其它壓實(shí)度下裂隙總長(zhǎng)度的增幅（85%、90%和95%壓實(shí)度下裂隙總長(zhǎng)度的增幅分別為17%、16%和15%），表明隨著自由膨脹率的增加，土樣在中低壓實(shí)度下裂隙長(zhǎng)度的增幅比高壓實(shí)度下顯著。

2.3?裂隙平均寬度的變化規(guī)律

裂隙平均寬度可以用來(lái)衡量裂隙的張開(kāi)程度，裂隙平均寬度與壓實(shí)度的關(guān)系如圖5所示，可以看出，裂隙平均寬度均隨著壓實(shí)度的增大而減小。當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，土樣S1～S5裂隙平均寬度的減幅分別為45%、46%、47%、46%和47%，可見(jiàn)增大壓實(shí)度可以有效地減小裂隙寬度。

裂隙平均寬度與自由膨脹率的關(guān)系如圖6所示，可以看出，不同壓實(shí)度下裂隙平均寬度均隨著自由膨脹率的增大而增大，自由膨脹率從51%增大到115%，壓實(shí)度85%～100%的土樣中裂隙平均寬度的增幅分別為32%、43%、39%和29%。當(dāng)自由膨脹率大于90%（強(qiáng)膨脹潛勢(shì)）時(shí)，曲線小幅上揚(yáng)，表明具有強(qiáng)膨脹潛勢(shì)的膨脹土中的裂隙在寬度上的發(fā)展較為強(qiáng)烈。

2.4?裂隙條數(shù)的變化規(guī)律

不同土樣表面裂隙條數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系如圖7所示，可以看出，裂隙條數(shù)整體上均隨壓實(shí)度的增大而減少，土樣S3、S4和S5所對(duì)應(yīng)曲線隨壓實(shí)度的減幅顯著地大于S1和S2所對(duì)應(yīng)的曲線。事實(shí)上，當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，土樣S3、S4和S5的減幅分別為29%、31%和33%，而土樣S1和S2的減幅卻僅為18%和19%。由此表明，增大壓實(shí)度對(duì)于抑制高自由膨脹率膨脹土中的裂隙數(shù)量較為有效。圖7?裂隙條數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系

表面裂隙條數(shù)與自由膨脹率的關(guān)系如圖8所示，可以看出，不同壓實(shí)度下土樣中的裂隙條數(shù)均會(huì)隨著自由膨脹率的增大而增大。圖9為不同壓實(shí)度下裂隙條數(shù)的減幅曲線，可以明顯地看出當(dāng)壓實(shí)度從85%增加到100%時(shí)，中、高自由膨脹率膨脹土中的裂隙數(shù)量的減幅得到大幅提升，表明增加壓實(shí)度能有效抑制中、高自由膨脹率膨脹土中裂隙數(shù)量的增加。

2.5?裂隙特征參數(shù)減幅的變化規(guī)律

當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，土樣表面裂隙率、裂隙總長(zhǎng)度、裂隙總數(shù)量和裂隙平均寬度的減幅如圖10所示，可以看到表面裂隙率、裂隙總長(zhǎng)度和裂隙平均寬度的減幅均隨著壓實(shí)度的增大而減小，而且土樣的自由膨脹率越大其減幅越大，表明對(duì)于具有高自由膨脹率的膨脹土，可通過(guò)增大壓實(shí)度來(lái)有效地減小其裂隙的擴(kuò)展。當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，土樣S1～S5表面裂隙率的減幅分別為54%、58%、59%、60%和62%，裂隙總長(zhǎng)度減幅分別為21%、22%、23%、24%和27%，裂隙平均寬度減幅為45%、46%、47%、46%和47%。表面裂隙率=裂隙總長(zhǎng)度×裂隙平均寬度，可見(jiàn)增大壓實(shí)度引起表面裂隙率下降的主要原因是裂隙寬度的減小，其次才是裂隙長(zhǎng)度的減小。從圖10還可以看出，當(dāng)壓實(shí)度從85%增大到100%時(shí)，裂隙總數(shù)量的減幅在自由膨脹率為85%（土樣S3）時(shí)發(fā)生了跳躍，表明壓實(shí)度的增大會(huì)顯著降低中、高自由膨脹率膨脹土中裂隙的數(shù)量。

3?裂隙特征參數(shù)的演化機(jī)理

膨脹土中脹縮裂隙的隨機(jī)性與土樣初始狀態(tài)的不均勻性有關(guān)，馬佳等[16]從斷裂力學(xué)的角度揭示了裂隙在長(zhǎng)度和方向上的擴(kuò)展機(jī)理，認(rèn)為裂隙的發(fā)展情況取決于開(kāi)裂狀態(tài)方程和裂紋擴(kuò)展判據(jù)。抗拉強(qiáng)度是膨脹土裂隙發(fā)育的關(guān)鍵影響因子，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)側(cè)向約束和土體自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙就會(huì)產(chǎn)生。呂海波等[17]和黃珂等[18]認(rèn)為增大壓實(shí)度（干密度）能有效增大土體的抗拉強(qiáng)度，不同土樣的裂隙特征參數(shù)均隨壓實(shí)度的增大而減小。學(xué)者們針對(duì)含水量、干密度、吸力和濕干循環(huán)等因素與膨脹土抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系開(kāi)展了較多的研究[18-19]，但是針對(duì)衡量膨脹土脹縮性的關(guān)鍵性指標(biāo)—自由膨脹率的研究卻是匱乏的，目前尚難以從機(jī)理上揭示自由膨脹率與裂隙特征參數(shù)之間的關(guān)系。

4?結(jié)?論

在考慮壓實(shí)度和自由膨脹率雙因素影響的基礎(chǔ)上，研究了歷經(jīng)多次濕干循環(huán)作用后膨脹土脹縮裂隙的演化特征，得到了以下結(jié)論。

（1）增大壓實(shí)度能顯著地抑制裂隙在長(zhǎng)度和寬度方向的開(kāi)展并降低裂隙數(shù)量，尤其對(duì)抑制中、高自由膨脹率膨脹土中的裂隙數(shù)量和裂隙長(zhǎng)度更為有效，進(jìn)而有效地降低表面裂隙率。裂隙寬度減小是表面裂隙率隨壓實(shí)度的增大而下降的主要原因，裂隙長(zhǎng)度的減小是次要原因。

（2）表面裂隙率、裂隙長(zhǎng)度、寬度和數(shù)量均會(huì)隨著自由膨脹率的增大而增加，尤其當(dāng)自由膨脹率達(dá)到強(qiáng)膨脹潛勢(shì)時(shí)，裂隙特征參數(shù)的增幅更為顯著。

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