晏國順，周明濤，高家禎，胡旭東，尉軍耀

(1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856200； 2.三峽大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

濕脹干縮變形是巖土體基本性質之一，降雨和干旱交替變化影響下，邊坡土體常常經歷反復的干濕循環(huán)和脹縮變形[1]。植被混凝土作為一種典型人造復合生態(tài)基材，由種植土、水泥、有機物料和外加劑以干質量比100∶8∶5∶4均勻混配后，再添加適量水而成，隸屬于彈塑性材料，主要用于營造裸露巖質邊坡的植被生境，具有較強的抗沖刷性[2-3]。作為邊坡防護基材，植被混凝土能夠保持邊坡淺層穩(wěn)定的同時，創(chuàng)造一種與土壤相似的多孔結構和環(huán)境條件，有利于坡面植被的生長發(fā)育和水土保持，適用于坡度45°～85°各類裸露邊坡[4]，現(xiàn)已廣泛應用于全國各地，并取得了較好的生態(tài)效益。工程應用中，伴隨著氣候變化及干濕循環(huán)的影響，植被混凝土也不可避免地產生大量縱橫交錯的干縮裂隙。雖然少量的裂隙發(fā)育可以有效改善基材的孔隙結構，對植被生長起到一定的促進作用，但其帶來的負面影響更大，如大量裂隙發(fā)育導致基材結構穩(wěn)定性劣化而脫落、崩裂，使工程壽命達不到設計年限。同時，大量干縮裂隙亦會增強水分入滲和蒸散能力，進而加速修復坡體的水土流失，降低生態(tài)基材固土保肥性能[5]，導致巖質邊坡植被逐漸凋零，嚴重影響生態(tài)修復效果。

近年來，國內外專家和學者對干濕循環(huán)過程中土體裂隙結構變化進行了較多的探析與研究。周健等[6]研究表明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土邊坡的裂縫逐漸變寬變深，脹縮變形不斷增加，土體黏聚力明顯下降，邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小。吳珺華等[7]對干濕循環(huán)下膨脹土的脹縮性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)最終膨脹率、最終收縮率和膨脹變形與干濕循環(huán)次數(shù)成反比。Wang等[8]對粉質黏土的研究表明，隨著含水率的增加，土體強度隨之降低，且土體的微觀結構缺陷度與干濕循環(huán)次數(shù)明顯正相關。隨著技術的發(fā)展，得益于高清晰裂隙圖像獲取方法，如數(shù)碼相機拍照法[9]、計算機斷面成像技術(CT法)[10]等，干濕循環(huán)作用下土體裂隙的分析由定性逐漸向定量方面發(fā)展。黎偉等[11]采用室外數(shù)碼成像和 Matlab二值化像素統(tǒng)計法對膨脹土表面裂隙的發(fā)展規(guī)律進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用下膨脹土的裂隙會逐步發(fā)育，且其主要體現(xiàn)在裂隙總面積與總長度的增加。褚衛(wèi)軍[12]發(fā)現(xiàn)紅黏土試樣裂隙在第二次烘干時出現(xiàn)，且隨著烘干時間的延續(xù)，裂縫寬度增大、長度變長、條數(shù)增多。張家俊等[13]利用矢量圖技術對裂隙圖像進行矢量化處理，成功提取了裂隙的多個幾何要素。曹樹剛等[14]通過二值圖像，定量地得到了有效的煤巖細觀裂隙特征參數(shù)。以上研究為干濕循環(huán)下植被混凝土研究提供了參考。

目前，對于植被混凝土這種彈塑性生態(tài)護坡基材，國內學者亦對其穩(wěn)定性進行了初步探討，如周明濤等[15]對凍融循環(huán)作用下植被混凝土的凍脹融沉和抗剪強度進行了分析研究，夏振堯等[16]建立并驗證了植被混凝土初期強度的多元非線性回歸模型。然而，已有研究均未涉及干濕循環(huán)條件下植被混凝土裂隙發(fā)育及演化規(guī)律。因此，本文以植被混凝土為研究對象，基于室內干濕循環(huán)模擬試驗，測定植被混凝土的濕脹干縮變形量，并采用Matlab二值化像素統(tǒng)計法和矢量圖技術獲取表面裂隙參數(shù)(裂隙面積、寬度及長度等)，定量分析裂隙特征，直觀描述植被混凝土裂隙的發(fā)育狀況和規(guī)律，旨在揭示植被混凝土濕脹干縮變形規(guī)律，為其結構穩(wěn)定性及耐久性的改善奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原材料包括種植土、水泥、有機物料、外加劑和水。天然土料取自宜昌市區(qū)某土場，經過測定，其比重為2.58，干密度為1.79 g/cm3，天然含水率為16.3%，孔隙率為40.18%，液限為31.7%，塑限為16.9%。土壤顆粒級配曲線見圖1。天然土料取回后，經曬干、搗碎、過2 mm細篩，取篩下物作為本試驗種植土。水泥為P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，干密度為3.10 g/cm3。有機物料選取干燥松樹鋸末，烘干且過2 mm細篩后，取篩下物，其干密度為0.46 g/cm3。外加劑為發(fā)明專利產品，是由三峽大學委托宜昌綠野環(huán)保工程有限責任公司生產的植被混凝土綠化添加劑。綠化添加劑主要成分包括含鐵、磷、鈣、硅元素的礦粉、保水劑、復合肥等[17]，表現(xiàn)出弱酸性，能夠中和基材水泥堿性。保水劑可以增強基材保水保肥性能，復合肥可提高微生物數(shù)量，利用微生物對礦質元素的釋放作用，改善基材空間結構，達到改善基材pH、肥力、保水性、結構等理化性狀的目的。水選取市政自來水。將上述處理好的種植土、水泥、有機物料、植被混凝土綠化添加劑按干質量比100∶8∶5∶4均勻混配。由X射線衍射儀分析植被混凝土的礦物組成，結果顯示：石英、鈉長石、伊利石、方解石、蒙脫石、白云石的質量分數(shù)分別為56%、14%、10%、9%、8%和3%。

圖1 土壤顆粒級配曲線

植被混凝土屬于二次重塑彈塑性材料，其試樣制備方法遵循GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中的規(guī)定。由GBJ 112―87《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》表C可知，大氣影響急劇層深度為地表以下的2～5 cm范圍，結合植被混凝土工程應用中含水率實況，將初始含水率w0設置為13%、19%、25%、31%和37%，飽和含水率設置為43%(已通過試驗測定)。用直徑61.8 mm、高度2 cm的環(huán)刀采用擊實法制作相同密度的3組試樣，分別記為對照組A、平行組B、平行組C，每組均設置3個平行試樣。對照組A試樣制作完成后放在20℃恒溫培養(yǎng)箱中養(yǎng)護7 d，然后在自然狀態(tài)下進行脫濕。同時，平行組B和C試樣養(yǎng)護完成后直接用于室內干濕循環(huán)模擬試驗。

1.2 試驗方法

采用土壤收縮儀直接測量養(yǎng)護完成后的對照組A試樣在室溫(20℃±2℃)下的垂直變化量，每2 h測定一次，記為宏觀收縮量。對養(yǎng)護后的平行組B和C試樣開展干濕循環(huán)模擬試驗，依次為脫濕、拍照、增濕3個過程，全部完成視為一次循環(huán)。

采用臺式鼓風干燥箱(DHG-9035A)脫濕平行組B、C試樣，控制烘箱溫度為40℃，每2 h取出試樣，并利用改裝的土壤收縮儀測量脹縮狀況，且稱重，至重量變化小于0.1 g時脫濕停止。然后采用GDB-1型疊式飽和器加濕試樣，浸泡時保持水覆蓋全部試樣，試樣最上部透水石表面露出水面，以保證試樣中的氣體及時排出，每2 h取出試樣測量脹縮狀況，且稱重，至完全飽和時加濕停止。當干濕循環(huán)次數(shù)達到設定的總次數(shù)5次，或試樣已完全破壞無法進行下一次干濕循環(huán)試驗時視為崩解，停止試驗。每次脫濕完成后，采用高分辨率相機對試樣頂面拍照，拍攝在有日光燈的封閉室內進行，采用三腳架固定相機，以保證相機與試樣間距和位置始終保持一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于相機拍攝的照片為RGB彩色圖像，為了精確地提取出裂隙，以利于定量分析，需進行預處理工作。首先，利用Photoshop軟件對獲取的有關裂隙的高像素彩色圖像進行傾斜矯正和區(qū)域選取預加工，并轉化為灰度圖像；然后運用Matlab軟件對圖像二值化處理和雜點去除，設置閾值將裂隙區(qū)轉變?yōu)楹谏翂K區(qū)轉變?yōu)榘咨?，并去除區(qū)域內孤立多余的黑點；最后，利用矢量圖處理軟件生成輪廓線矢量圖和中心線矢量圖，采用AutoCAD軟件統(tǒng)計輪廓線矢量圖的裂隙面積、寬度等參數(shù)，統(tǒng)計中心線矢量圖的裂隙長度。試樣和環(huán)刀之間的間隙不計為裂隙。

根據(jù)試樣表面裂隙的幾何特征，借鑒相關學者[11,13]提出的裂隙面積率、裂隙長度比、裂隙平均寬度和表面積收縮率4種指標進行定量分析。采用式(1)～(4)分別計算裂隙面積率δ1、裂隙長度比δ2、裂隙平均寬度δ3和表面積收縮率δ4。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 室溫下試樣宏觀收縮量變化

圖2 對照組A不同初始含水率試樣在室溫下的自由收縮時程曲線

由土壤收縮儀測定的宏觀垂直收縮量得出對照組A試樣在室溫下的自由收縮時程曲線如圖2所示。由圖2可知，植被混凝土的收縮曲線可分為3個階段：急劇收縮階段、平緩收縮階段和穩(wěn)定階段。急劇收縮階段發(fā)生于試驗初期2 h內，不同初始含水率的試樣在此時段內快速收縮，其最大收縮量達0.4 mm。2 h后，試樣收縮變緩，進入平緩收縮階段，此時段內收縮量隨時間增加而緩步增加。最后，試樣收縮逐漸趨于停止，呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，各試樣收縮量達最大值。從不同初始含水率試樣對比來看，最終收縮量隨初始含水率的增加呈逐漸增大的趨勢，其中在初始含水率19%～25%間相差不大。線縮率表示試樣宏觀垂直收縮量與初始高度之比，用百分數(shù)表示。計算得出初始含水率13%試樣的最終線縮率最小，為6.25%； 初始含水率43%試樣的最終線縮率最大，達到13.35%。同時，隨著初始含水率的增加，達到穩(wěn)定階段的時間也相應變長。其中初始含水率13%試樣的收縮穩(wěn)定時長為100 h，而初始含水率43%試樣的收縮穩(wěn)定時長則增加到180 h。這是由于相同尺寸的試樣在同一環(huán)境下，其空氣溫度和濕度均相同，則收縮速率和水分的蒸發(fā)速度都應相同，因此達到收縮穩(wěn)定時長的時間與試樣初始含水率成正比。

2.2 干濕循環(huán)下試樣脹縮量變化

取平行組B、C試樣脹縮量的平均值，得到干濕循環(huán)作用下植被混凝土脹縮時程曲線如圖3所示。由圖3可知，經歷多次干濕循環(huán)后，植被混凝土試樣的收縮量與膨脹量近乎相等，說明植被混凝土收縮或膨脹后無法恢復的變形量較小。其中無法恢復的變形量包括：①水泥水化后期的較小化學減縮量；②土體結構遭到破壞后難以恢復的變形。從不同初始含水率試樣來看，初始含水率13%試樣變形量最小，初始含水率43%試樣變形量最大，收縮量與膨脹量均隨初始含水率的增加而增加。由于初始含水率13%和43%試樣在192 h后發(fā)生崩解破壞導致試樣完整性受損，無法進行變形量的測定，故第5次干濕循環(huán)后無測量數(shù)據(jù)。前24 h時段初始含水率43%試樣的變形量最大，為4.58 mm；初始含水率13%試樣變形量最小，為1.95 mm，均明顯大于圖2中室溫下對照組A試樣的收縮值。

圖3 平行組不同初始含水率試樣自由收縮及膨脹時程曲線

2.3 干濕循環(huán)下表面裂隙演化規(guī)律

圖4 對照組A不同初始含水率試樣在干濕循環(huán)0次時裂隙二值化圖像

圖5 平行組B不同初始含水率試樣在干濕循環(huán)3次時裂隙二值化圖像

圖6 平行組B不同初始含水率試樣在干濕循環(huán)4次時裂隙二值化圖像

圖4～7為干濕循環(huán)后對照組A和平行組B試樣的裂隙二值化圖像，可以發(fā)現(xiàn)對照組A與干濕循環(huán)平行組B試樣之間的差異巨大。室溫下的對照組A中，僅初始含水率43%試樣在第5次干濕循環(huán)后出現(xiàn)細小裂隙，其他試樣均未出現(xiàn)裂隙，但各試樣與環(huán)刀均有不同程度的偏離，發(fā)生了體縮現(xiàn)象。干濕循環(huán)作用下的平行組B中初始含水率43%試樣在第2次循環(huán)后便開始出現(xiàn)裂隙，其余初始含水率試樣在3次循環(huán)后開始出現(xiàn)裂隙。裂隙的長度、寬度與面積均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，其中第3～4次循環(huán)間升幅最為明顯。初始含水率13%和43%試樣在第5次干濕循環(huán)后完全崩解，分解成大量散塊狀；初始含水率19%和25%試樣僅被裂隙分割成若干小塊，亦產生大量裂隙，但整體性尚好；初始含水率31%和37%試樣整體結構完整，僅產生少量裂隙，表現(xiàn)最佳。因此，植被混凝土表面裂隙度與含水率并非線性關系，初始含水率過低或過高，均易使植被混凝土發(fā)生濕脹干縮破壞。因此，邊坡生態(tài)修復工程實施時，植被混凝土生態(tài)的初始含水率應控制在34%±3%之間，以增強工程的穩(wěn)定性。

2.4 干濕循環(huán)下裂隙定量分析

干濕循環(huán)作用下裂隙平均寬度、面積率、長度比和表面積收縮率變化曲線如圖8所示。裂隙平均寬度、裂隙面積率、裂隙長度比和表面積收縮率均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，并基本在第4次循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

圖8 干濕循環(huán)下不同初始含水率試樣裂隙平均寬度、裂隙面積率、裂隙長度比、試樣表面積收縮率變化曲線

由圖8(a)可見，初始含水率13%和43%試樣的裂隙平均寬度在第4次干濕循環(huán)時達到峰值后試樣破壞，而其他含水率試樣的裂隙平均寬度逐漸趨于穩(wěn)定。初始含水率13%試樣的裂隙平均寬度峰值最大，達0.23 cm，初始含水率31%試樣的裂隙平均寬度峰值最小，為0.12 cm。從圖8(a)和圖8(b)可見，裂隙面積率與裂隙平均寬度變化較為相似，經歷4次循環(huán)后初始含水率13%和43%試樣裂隙面積率達到峰值后試樣破壞，而其他初始含水率試樣裂隙面積率在4次或5次循環(huán)中趨于穩(wěn)定。初始含水率13%試樣的最終裂隙面積率最大，達8.5%，初始含水率31%試樣的最終裂隙總面積最小，僅為2.4%。由圖8(c)可見，第2次循環(huán)時，僅初始含水率43%試樣出現(xiàn)裂隙長度比，其他初始含水率試樣在第3次循環(huán)后才出現(xiàn)裂隙長度比。在第4次循環(huán)后，初始含水率13%和43%試樣裂隙長度比達到峰值，其他初始含水率試樣裂隙長度比逐漸穩(wěn)定，第5次循環(huán)后初始含水率31%試樣的裂隙長度比最小。從圖8(d)中可見，各初始含水率試樣的表面積收縮率隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增長，在前3次中增長迅速，隨后減緩趨于穩(wěn)定。其中，初始含水率13%和43%試樣的表面收縮率明顯高于其他初始含水率試樣。初始含水率31%試樣的表面收縮率最低，穩(wěn)定性表現(xiàn)最佳，再次證明該含水率的植被混凝土穩(wěn)定性高，適合在生產實踐中運用。

3 討 論

3.1 材料成分的影響

由于植被混凝土的特殊性，在干濕循環(huán)作用下，其結構變化與各組分(種植土、水泥、有機物料、外加劑)的特性密切相關。由于種植土的質量占植被混凝土總質量的80%，是主要組成部分，因此干濕循環(huán)下植被混凝土結構變化與種植土的水理性質密切相關。由于種植土中的親水性礦物伊利石和蒙脫石質量占總質量的18%，而伊利石和蒙脫石在飽和過程中會產生40%～60%不均勻的膨脹變形[18]，導致植被混凝土內部的薄弱部位形成微裂紋和孔隙，引起了顆粒間的聯(lián)結性減弱。隨著干濕循環(huán)的反復進行，水分將微裂紋和孔隙作為遷移路徑，反復侵蝕土顆粒和溶解部分黏土礦物，使得孔隙不斷增加，最終導致裂隙出現(xiàn)和結構損傷。其次，水泥生成的水化產物也會影響植被混凝土的結構變化。研究表明，在脫濕過程中，水泥土內部會發(fā)生碳化反應，強度的主要提供者鈣礬石晶體發(fā)生粉化解體，生成碳酸鈣、硫酸鈣等物質和較大的孔隙，導致強度喪失[19]。再次，有機物料鋸末雖然添入量不多，但其密度小，占植被混凝土固體總體積大，對其結構變化也有影響。Pedreno-Rojas等[20]發(fā)現(xiàn)木屑的干縮濕脹變形會引起復合材料的微觀結構損傷和強度損失，證明鋸末的干縮濕脹變形同樣會引起植被混凝土結構損傷。最后，由于植被混凝土綠化添加劑含量較小，暫不考慮其影響。

3.2 常溫與干濕循環(huán)下試樣變化的對比分析

不同初始含水率試樣在干濕循環(huán)下的收縮量均明顯大于室溫下試樣的收縮量。由此可見，脫濕溫度升高對收縮速率有明顯的影響。因為較高的溫度顯著加快了植被混凝土的水分蒸發(fā)速度，增強了土體的干縮；另一方面，較高的溫度可以促進水泥水化作用，增大了一定時間內水泥的化學收縮量。

在室溫下，在試驗初期2 h內，植被混凝土中的水泥化學收縮導致試樣收縮量迅速增大。2 h后，水泥的化學減縮效果減弱，此時整個試樣的失水收縮占主導，收縮速率變緩，在土體溫度穩(wěn)定的情況下，水分的蒸發(fā)越來越緩慢，直至趨于穩(wěn)定。而在干濕循環(huán)中，親水性礦物的膨脹收縮變形、水泥的碳化和鋸末的干縮濕脹變形的共同作用使植被混凝土內部結構的損傷隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷積累。3次或4次干濕循環(huán)后，內部結構損傷積累到一定程度，逐步發(fā)生濕脹干縮破壞。

反復干濕過程中試樣裂隙之所以增長，并最終趨于穩(wěn)定，其實質是試樣表面和內部水分蒸發(fā)不均勻而導致應力的改變。在脫濕過程中，試樣中的水分優(yōu)先從試樣的表層蒸發(fā)散失，并大大快于試樣下層部分，導致試樣內部與外部間存在一個含水量的梯度差值，致使上下部受力不均勻[21]，導致烘干時會出現(xiàn)上部受拉，下部受壓的應力分布。當上部拉應力超過試樣抗拉強度時，裂隙便隨之產生。

3.3 初始含水率的影響

根據(jù)對照組A在室內下的自由脹縮試驗可知(圖2)，不同初始含水率試樣在室溫下收縮量的變化均不相同。而試樣的收縮面積變化(圖8)比純普通硅酸鹽水泥變化[22]要小得多。也就是說，在7 d標準養(yǎng)護后，水泥不是試樣脹縮的主要影響因素。通過不同含水率對比來看，初始含水率31%試樣的表面圖片最完整，其裂隙面積率和長度均最低；由于水泥產生的化學收縮受初始含水率的影響，當初始含水率過低或過高時，植被混凝土試樣發(fā)生濕脹干縮破壞程度均較大。這是因為初始含水率越大，在干濕循環(huán)中上下部分間的含水率梯度也會較大，致使上下部受力相差越大[22]，不均勻收縮變明顯，因此宏觀上裂隙的發(fā)育程度也越大。同時初始含水率越大，鋸末吸水膨脹量也會越大，線縮量也會越高。但初始含水率過低，試樣水泥水化反應會不充分，土顆粒間連結力變低，土體強度未達到最大值，試樣失穩(wěn)得較快。且試樣加濕膨脹前含水率也低，此時易產生各種聚合結構，為水分的進入提供了較穩(wěn)定的通道，又因為組分有機物料鋸末的較強吸水性，因此在加濕過程中試樣能大量吸水，使得膨脹率較大，所以過低或過高的初始含水率都會降低植被混凝土穩(wěn)定性。

4 結 論

a. 室溫下，植被混凝土干縮過程依次出現(xiàn)急劇收縮階段、平緩收縮階段和穩(wěn)定階段；干濕循環(huán)過程中，試樣收縮量與膨脹量近乎等量。

b. 不同初始含水率的試樣在干濕循環(huán)作用下均會產生裂隙，且裂隙平均寬度、長度及總面積均隨循環(huán)次數(shù)增加而增大。

c. 初始含水率是影響植被混凝土裂隙的關鍵因素，初始含水率過低或過高，均易使植被混凝土發(fā)生濕脹干縮破壞；初始含水率31%試樣的穩(wěn)定性最好，適合在生產實踐中應用。