張繼偉， 汪時機，2， 駱趙剛

1. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院， 重慶 400715；2. 重慶市建筑物全生命周期健康檢測與災(zāi)害防治工程研究中心， 重慶 408100

膨脹土是一種以親水性蒙脫石為主要礦物成分的特殊黏性土， 具有顯著的脹縮性、 超固結(jié)性和裂隙性[1]． 膨脹土自身特殊的工程特性加上外界氣候條件的變化， 使其在天然狀態(tài)下往往存在著大量雜亂無章的裂隙網(wǎng)絡(luò)[2]． 無論是裂隙網(wǎng)絡(luò)對土體結(jié)構(gòu)完整性的直接破壞， 還是裂隙網(wǎng)絡(luò)通過增大地表水的滲流路徑來加劇對土體的侵蝕， 都會劣化膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)[3]， 這種劣化效應(yīng)是膨脹土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和工程事故頻發(fā)的主要原因[4]． 因此， 研究膨脹土的裂隙演化規(guī)律對于工程地質(zhì)災(zāi)害的防治具有重要意義．

眾多學(xué)者采用不同試驗方法以不同的角度對土體裂隙進行了許多研究． 袁俊平等[5]利用光學(xué)顯微鏡分別對原狀膨脹土和重塑膨脹土的裂隙演化過程進行全程觀測， 發(fā)現(xiàn)灰度熵可以作為評價裂隙發(fā)育程度的一個指標(biāo)， 灰度熵越大， 裂隙演化越完善； 唐朝生等[6-9]結(jié)合國內(nèi)外已有研究成果， 對裂隙演化的形成過程、 影響因素、 定量分析進行了探討， 建立了一套裂隙圖像分析系統(tǒng)以提取裂隙形態(tài)參數(shù)指標(biāo)， 并探究了環(huán)境溫度對膨脹土裂隙演化規(guī)律的影響； 駱趙剛等[10-11]通過改進膨脹土泥漿試樣并結(jié)合圖像處理對裂隙演化過程進行定量分析， 探討了尺寸和溫度及二者耦合作用對裂隙演化的影響， 發(fā)現(xiàn)厚度對裂隙演化過程影響最為顯著， 厚度越小， 裂隙越密集細長． 除了初始狀態(tài)、 溫度、 尺寸等影響因素， 土體的開裂過程可能還會受到自身礦物成分及其物理力學(xué)性質(zhì)的影響， 即不同性質(zhì)膨脹土的開裂規(guī)律可能不同， 目前還缺少相關(guān)方面的細致研究．

此外， 在實際工程中常采用摻加化學(xué)或生物添加劑的方法來改善膨脹土惡劣的工程特性． 楊俊等[12]研究了摻砂改良膨脹土的無荷膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)風(fēng)化砂改良對土體無荷膨脹率的抑制效果不大， 且抑制效果隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減??； 康靖宇等[13]通過室內(nèi)試驗對水玻璃改良土的力學(xué)特性展開研究， 驗證了水玻璃改良可以抑制膨脹土的膨脹特性并提高它的強度； 莊心善等[14]通過定量分析粉煤灰改良膨脹土的裂隙演化過程， 發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量越大， 改良膨脹土裂隙度越小， 但改良后的裂隙萌發(fā)臨界含水率無明顯變化； 覃永富等[15]利用巨大芽孢桿菌改良膨脹土， 發(fā)現(xiàn)改良后的膨脹土強度參數(shù)都有較為明顯的提高； Izzo等[16]研究了土壤在多種改良技術(shù)下的干燥開裂試驗， 發(fā)現(xiàn)添加生物制品塑料是抑制土體開裂最有效的改良方法． 但是在已有的研究報道中， 定量地評價改良膨脹土裂隙特性的研究還比較鮮見．

本文主要通過開展室內(nèi)土體裂隙演化試驗， 利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對裂隙演化過程進行定量分析． 試驗對比了廣西、 合肥、 邯鄲3種膨脹土的裂隙演化情況， 對裂隙開展程度最高的邯鄲膨脹土進行了風(fēng)化砂改良試驗， 并對其改良效果加以評價． 試驗結(jié)果對進一步揭示膨脹土裂隙演化的機理和膨脹土地區(qū)的工程治理都有一定的參考價值．

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用膨脹土分別采自廣西南寧、 安徽合肥濱湖新區(qū)和河北邯鄲， 它們的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示． 將取回的膨脹土分別烘干、 碾碎、 再烘干后， 取2 kg過2 mm篩的膨脹土備用． 所用風(fēng)化砂取自重慶市北碚區(qū)嘉陵江流域附近， 將取回的砂先烘干再篩分， 其基本物理性質(zhì)如表2所示．

表1 試驗膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 風(fēng)化砂基本性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗方法

試驗采用直徑300 mm、 高60 mm的圓柱體無蓋容器， 根據(jù)預(yù)試驗測試結(jié)果， 控制試樣的干密度為1.1 g/cm3， 厚度約為10 mm， 此時試樣易于制作， 均勻性好， 裂隙網(wǎng)絡(luò)特征較為明顯． 試樣制備前將容器四周均勻涂抹上凡士林， 以消除邊界摩擦對裂隙開展的影響． 試樣制備時， 先將稱好質(zhì)量的干土和砂均勻混合后倒入容器， 再緩慢加水直到試樣過飽和呈可流動狀態(tài)， 然后攪拌、 振搗5 min左右， 以排除試樣中的氣泡并使其均勻成型． 將試樣靜置24 h后放入烘箱， 使其持續(xù)失水． 之后每隔1 h將試樣取出放在預(yù)先設(shè)置好的拍照臺上稱質(zhì)量、 拍照， 記錄下裂隙演化圖像并根據(jù)試樣整體質(zhì)量的減少量來計算出對應(yīng)圖像的含水率． 當(dāng)裂隙骨架形態(tài)基本不變后， 增大時間間隔為3 h， 直到試樣質(zhì)量減少量小于0.1 g． 控制烘箱溫度為35 ℃， 以模擬實際膨脹土地區(qū)干旱的氣候條件．

試驗總共設(shè)置18個試樣， 分別為廣西、 合肥、 邯鄲膨脹土和摻砂率為10%，20%，30%的改良邯鄲膨脹土6組， 每組3個平行試樣， 結(jié)果取均值．

1.3 圖像處理

試驗得到的裂隙圖片先通過PS軟件將試樣與背景分離出來， 然后再采用MATLAB軟件對分離出來的裂隙圖像進行處理， 處理過程包括灰度化、 二值化、 除雜、 膨脹腐蝕和骨架化等， 得到白色像素點表示的裂隙和裂隙骨架， 統(tǒng)計裂隙和裂隙骨架的像素點． 通過公式(1)、 公式(2)將像素尺寸轉(zhuǎn)化為實際尺寸， 通過公式(3)、 公式(4)、 公式(5)計算得到裂隙基本指標(biāo)： 裂隙度Rf、 裂隙總長度Lf和裂隙平均寬度Bf．

(1)

(2)

(3)

Lf=L實

(4)

(5)

式中，Rf表示裂隙度，Lf表示裂隙總長度，Bf表示裂隙平均寬度．

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 3種不同地區(qū)膨脹土裂隙演化規(guī)律

圖1分別是廣西、 合肥和邯鄲3種膨脹土的裂隙演化過程， 通過圖1發(fā)現(xiàn)， 3種不同地區(qū)的膨脹土裂隙演化基本規(guī)律相同， 只是在演化細節(jié)上有所差異． 整個裂隙演化過程可以劃分為4個階段， 第1個階段是裂隙萌芽階段， 隨著干燥失水過程的持續(xù)進行， 試樣含水量不斷減小， 直到表面自由水分完全蒸發(fā)， 試樣開始收縮并與光滑容器四周分離， 不久后裂隙便在試樣表面的多個薄弱點萌發(fā)， 如圖1(a)，圖1(e)，圖1(i)所示． 廣西和合肥膨脹土的裂隙萌芽含水率在40%左右， 邯鄲膨脹土的裂隙萌芽含水率在70%左右； 第2個階段是裂隙發(fā)育階段， 伴隨著較小的試樣含水率變化， 新裂隙不斷萌發(fā)和新舊裂隙迅速發(fā)展， 主要表現(xiàn)在新舊裂隙不斷延伸并相交， 試樣裂隙表面骨架不斷變化， 最終趨于穩(wěn)定， 在這個階段裂隙有少量的拓寬、 加深． 廣西和合肥膨脹土的裂隙骨架穩(wěn)定含水率在30%左右， 邯鄲膨脹土的裂隙骨架穩(wěn)定含水率在50%左右； 第3個階段是裂隙拓寬階段， 是裂隙演化過程中的主要耗時階段， 試樣的裂隙在基本不變的骨架下不斷拓寬、 加深， 直到將土樣分割成多個獨立的土塊； 第4個階段是裂隙穩(wěn)定階段， 試樣含水率減小到某一閾值， 試樣失水困難， 裂隙形態(tài)基本穩(wěn)定不變， 如圖1(d)，圖1(h)，圖1(l)所示， 3種膨脹土的裂隙穩(wěn)定含水率分別在8%，6%，11%左右．

通過圖1(d)，圖1(h)，圖1(l)發(fā)現(xiàn)， 3種膨脹土的最終裂隙形態(tài)差別較大， 合肥膨脹土裂隙密集而細長， 很多條細小裂隙將土樣分割成數(shù)十個土塊， 土塊面積小而均勻； 邯鄲膨脹土裂隙少而寬大， 較少的寬大裂隙將土樣分割成十幾個土塊， 土塊面積大； 廣西膨脹土裂隙形態(tài)則介于兩者之間， 但其存在明顯的裂隙發(fā)育不良特征， 有多條未貫通裂隙．

圖1 膨脹土裂隙演化過程

在試驗的最后， 不同于廣西和合肥膨脹土， 邯鄲膨脹土在裂隙穩(wěn)定階段， 土樣表面相繼萌發(fā)了多條裂隙， 這些裂隙十分細小， 并且沒有繼續(xù)發(fā)育的趨勢， 如圖2所示， 這種二次裂隙的萌發(fā)稱為邯鄲膨脹土的“次生微裂隙”特性． 如圖2(a)所示， 在裂隙穩(wěn)定階段的邯鄲膨脹土試樣土塊面積大， 土塊四周裸露， 相比于只有一個自由表面的土塊中部來看， 土塊四周的失水速度明顯比中部快許多， 所以當(dāng)土塊整體含水率接近失水困難含水率臨界值時， 土塊中部的含水率還明顯高于失水困難含水率， 這里的失水困難含水率指的是在持續(xù)蒸發(fā)失水條件下， 試樣的水分幾乎不再減少的一個臨界含水率， 與土體的縮限大小密切相關(guān)． 當(dāng)試樣整體含水率由11.5%降低到11%時， 伴隨著的是土塊中部含水率的較大幅度減小， 并且由于邯鄲膨脹土的脹縮性較強， 所以由土體飽和度下降而引發(fā)的吸力增大， 隨之產(chǎn)生的表面張拉應(yīng)力也迅速增大， 當(dāng)它超過土體表面的抗拉強度后， 裂隙便又在大土塊中部出現(xiàn)． 最后， 大土塊中部的含水率很快也下降到失水困難含水率臨界值附近， 水分蒸發(fā)困難， 二次裂隙的演化缺少動力， 只能保持剛開裂時的形態(tài)， 試樣的裂隙形態(tài)徹底穩(wěn)定不變．

圖2 邯鄲膨脹土“次生微裂隙”特性

這些二次裂隙雖然細小， 但是會直接破壞土體的完整性， 增強滲透性， 降低土體的強度， 對土體工程性質(zhì)造成進一步的劣化， 在實際工程中應(yīng)加以重視．

圖3是3種膨脹土的裂隙基本指標(biāo)隨含水率的變化曲線． 從圖3(a)中可以看出， 土體裂隙萌發(fā)后， 3種膨脹土的裂隙度隨含水率的變化趨勢相同， 隨著含水率減小， 裂隙度先快速增加， 后增加速度慢慢放緩， 最終趨于穩(wěn)定， 達到最大值， 并且廣西膨脹土和合肥膨脹土的裂隙度變化曲線基本重合， 從圖1來看， 兩種膨脹土的演化過程也非常相似， 結(jié)合兩者相差較小的基本物理性質(zhì)指標(biāo)， 表明不同土體的基本物理性質(zhì)相近， 其裂隙的演化規(guī)律也基本相同． Tang和Yesiller等[17-18]指出膨脹土的裂隙開展程度與其本身的收縮特性和黏粒含量密切相關(guān)， 總體上說， 膨脹土塑性指數(shù)越高， 裂隙開展程度就越高． 邯鄲膨脹土塑性指數(shù)高達34.6， 裂隙開展程度最高， 裂隙度最大， 達到了0.39， 說明試樣表面近40%的面積被裂隙覆蓋． 廣西膨脹土的塑性指數(shù)為28.1， 比合肥膨脹土的塑性指數(shù)要大， 但是因為廣西膨脹土裂隙發(fā)育不良， 所以裂隙度最小， 只有0.23． 圖3(b)是3種膨脹土裂隙總長度隨含水率的變化曲線， 裂隙總長度的增長主要發(fā)生在裂隙發(fā)育階段， 總長度在較高的含水率下達到最大值并一直保持不變． 可以看出， 合肥膨脹土的裂隙總長度最大為3 558 mm， 廣西膨脹土次之為2 615 mm， 邯鄲膨脹土最小為2 227 mm． 結(jié)合裂隙度曲線， 發(fā)現(xiàn)合肥膨脹土裂隙度小， 裂隙總長度大， 表現(xiàn)出裂隙比較細長， 而邯鄲膨脹土裂隙度大， 裂隙總長度小， 表現(xiàn)出裂隙比較粗短， 這與圖1中的結(jié)果一致． 圖3(c)是裂隙平均寬度隨含水率的變化曲線， 3種膨脹土的裂隙平均寬度隨著含水率的下降逐漸增加， 最后趨于穩(wěn)定． 邯鄲膨脹土的裂隙平均寬度最大為12.3 mm， 廣西膨脹土次之為6.2 mm， 合肥膨脹土最小為4.9 mm． 3種膨脹土的裂隙平均寬度與裂隙度的變化趨勢相似， 說明裂隙開展程度越高， 裂隙的平均寬度越大． 因為邯鄲膨脹土的“次生微裂隙”特性， 二次裂隙十分細小， 可以看作是面積為0的裂隙線， 所以邯鄲膨脹土的裂隙總長度與平均寬度曲線在最后有突變情況．

圖3 3種膨脹土裂隙基本指標(biāo)變化曲線

2.2 摻砂邯鄲膨脹土裂隙改良效果

圖4是不同摻砂率的邯鄲膨脹土的裂隙演化過程， 可以看出摻砂改良并沒有改變邯鄲膨脹土裂隙演化的基本規(guī)律， 整個裂隙演化過程依然可以分為4個階段． 對比圖4(d)，圖4(h)，圖4(l)，圖4(p)可以發(fā)現(xiàn)， 隨著摻砂率的增加， 邯鄲膨脹土裂隙的面積和寬度逐漸減小， 土塊數(shù)量逐漸減少， 土塊面積逐漸增大； 并且邯鄲膨脹土的“次生微裂隙”特性也在減弱甚至消失， 當(dāng)摻砂率在10%時， 邯鄲膨脹土還表現(xiàn)出較弱的“次生微裂隙”特性， 在大土塊表面還有幾條細小裂隙如圖4(h)所示， 當(dāng)摻砂率在20%和30%時， “次生微裂隙”特性完全消失， 這說明風(fēng)化砂改良對邯鄲膨脹土二次裂隙的開展有較好的抑制作用， 可以避免邯鄲膨脹土受到二次損害， 增強土體的完整性．

圖4 不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙演化圖像

圖5是不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙基本指標(biāo)隨含水率變化曲線， 從圖中可以發(fā)現(xiàn)， 風(fēng)化砂改良對邯鄲膨脹土的開裂含水率幾乎沒有影響， 總體還是保持在70%～80%． 但是加入風(fēng)化砂的邯鄲膨脹土的裂隙度、 裂隙總長度和裂隙平均寬度都在更高的含水率情況下達到最大值并保持穩(wěn)定， 且摻砂率越高， 穩(wěn)定含水率越大， 說明風(fēng)化砂改良加快了邯鄲膨脹土的裂隙發(fā)育， 在實際膨脹土地基工程中， 土體裂隙越快發(fā)育完全， 我們就能越早地采取相應(yīng)補救措施， 達到節(jié)約時間和成本的目的， 這樣看來， 這種“加快效應(yīng)”對實際工程中的地基長期穩(wěn)定性總體上是有利的． 圖5(a)是不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙度隨含水率的變化曲線， 其中摻砂率30%的改良土的裂隙度最小， 最大只有0.22， 比沒有改良的土體裂隙度降低了44%； 其次是摻砂率20%的改良土， 裂隙度有0.31， 比原土樣降低了21%； 最后是摻砂率10%的改良土， 裂隙度有0.36， 只比原土樣降低了7.7%． 圖5(b)為不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙總長度隨含水率的變化曲線， 10%，20%，30%摻砂率的改良土的最大裂隙總長度分別是2 051，1 887，1 668 mm， 比沒有改良的膨脹土裂隙總長度分別降低了7.9%，15.2%，25%． 結(jié)合裂隙度的改良情況來看， 較低的摻砂率對邯鄲膨脹土裂隙開展程度的抑制效果不太明顯， 越高的摻砂率對邯鄲膨脹土的裂隙開展程度有越好的抑制效果． 圖5(c)是不同摻砂率的邯鄲膨脹土的裂隙平均寬度隨含水率的變化曲線， 0%，10%，20%，30%摻砂率的改良土的最大裂隙平均寬度分別是12.2，11.8，11.5，9.5 mm． 可以看出， 風(fēng)化砂改良對邯鄲膨脹土的裂隙寬度的影響不大， 但是在30%摻砂率情況下， 土體裂隙平均寬度也有較為明顯的減小．

圖5 不同摻砂率的邯鄲膨脹土裂隙基本指標(biāo)變化曲線

風(fēng)化砂改良對邯鄲膨脹土裂隙開展程度的抑制作用主要在于減弱了土體的脹縮性， 表現(xiàn)為增大摩擦力、 減小收縮空間． 風(fēng)化砂表面粗糙、 棱角分明、 質(zhì)地堅硬且自身基本沒有收縮性， 當(dāng)風(fēng)化砂顆粒和土顆粒均勻混合后， 兩者間會產(chǎn)生有效的摩擦力， 抑制土顆粒間的相對收縮， 從而減少裂隙開展的動力； 由于摻砂率較大， 增大了土體的非黏粒含量， 且風(fēng)化砂顆粒占據(jù)了部分土顆粒間的孔隙， 減少了土體可以收縮的總空間， 從而降低土體裂隙的開展程度． 從總體上來看， 更高的摻砂率能更有效地抑制邯鄲膨脹土的裂隙開展， 減少裂隙對土體的破壞程度， 并且還能加快膨脹土裂隙的發(fā)育進程， 增強土體地基的長期穩(wěn)定性， 其改良效果就越好．

3 結(jié)論

本文主要通過室內(nèi)干縮開裂試驗研究了3種典型膨脹土地區(qū)的膨脹土裂隙的不同演化情況， 并針對其中裂隙開展程度最高的邯鄲膨脹土進行了風(fēng)化砂改良， 通過試驗結(jié)果得到以下3點結(jié)論：

1) 3種不同地區(qū)膨脹土的裂隙演化基本規(guī)律相同， 都可以劃分為4個階段， 分別是裂隙萌芽階段、 裂隙發(fā)育階段、 裂隙拓寬階段和裂隙穩(wěn)定階段． 但它們的裂隙形態(tài)有較大差異， 合肥膨脹土裂隙密集且細長， 很多條細小裂隙將土樣分割成數(shù)十個土塊， 土塊小而均勻； 邯鄲膨脹土裂隙少且短粗， 較少的短粗裂隙將土樣分割成十幾個土塊， 土塊面積大； 廣西膨脹土裂隙發(fā)育不良， 還存在多條未貫通裂隙．

2) 邯鄲膨脹土存在“次生微裂隙”特性， 會對土體造成進一步損傷， 對實際工程的危害程度不容忽視， “次生微裂隙”特性的產(chǎn)生機理和破壞程度還有待進一步的研究．

3) 風(fēng)化砂改良會加快邯鄲膨脹土裂隙發(fā)育， 使其在更短的含水率區(qū)間里完成整個演化過程， 風(fēng)化砂改良對邯鄲膨脹土裂隙的開展程度包括“次生微裂隙”特性都有較好的抑制作用， 當(dāng)摻砂率小于30%時， 摻砂率越高， 改良效果就越好．