碾壓膨脹土開裂規(guī)律及影響因素試驗(yàn)研究

韋秉旭,高 兵,黃 震，黎正富

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

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碾壓膨脹土開裂規(guī)律及影響因素試驗(yàn)研究

韋秉旭,高 兵,黃 震，黎正富

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理和編程技術(shù)，對(duì)不同壓實(shí)度、初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)影響下膨脹土的表面裂隙的特征進(jìn)行了描述和定量分析，探討了壓實(shí)度、初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土開裂規(guī)律的影響。結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、塊區(qū)個(gè)數(shù)、裂隙率和分形維數(shù)可以用來表征表面裂隙的開裂程度；隨著膨脹土壓實(shí)度的增大，裂隙的開裂程度減?。慌蛎浲恋某跏己蕿樗芟藓蕰r(shí)開裂程度小于最佳含水率時(shí)的開裂程度；裂隙的開裂程度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，裂隙相關(guān)參數(shù)的變化率呈減小的趨勢(shì)，第1次干濕循環(huán)對(duì)膨脹土開裂的影響最大，第5、第6次干濕循環(huán)對(duì)開裂的影響甚微。

道路工程；膨脹土；圖像處理；干濕循環(huán)；開裂規(guī)律

0 引 言

膨脹土具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性三大基本工程特性[1-3]。其中裂隙性，尤其在氣候干濕循環(huán)條件下膨脹土裂隙的萌生、發(fā)展和貫通，是造成土體松散、降雨入滲等導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低的關(guān)鍵因素，是膨脹土邊坡滑塌的主要肇因[4]。因此，研究干濕循環(huán)條件下膨脹土裂隙的演化規(guī)律和影響因素，對(duì)于揭示膨脹土邊坡的破壞機(jī)制，以及采取合理的工程處治措施尤為重要。

現(xiàn)有對(duì)膨脹土裂隙性的研究，多停留于用數(shù)值方法模擬裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[5-6]及用統(tǒng)計(jì)方法描述裂隙與土的抗剪強(qiáng)度和變形特性間的關(guān)系[7-8]，存在不少假設(shè)和簡化，與實(shí)際工程差距較大。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者選擇運(yùn)用圖像處理手段對(duì)裂隙進(jìn)行觀測(cè)和定量分析。易順民，等[9]依據(jù)分形理論研究了膨脹土的裂隙面分維和裂隙網(wǎng)絡(luò)分維的力學(xué)特征，并指出裂隙力學(xué)效應(yīng)與膨脹土抗剪強(qiáng)度有較好的相關(guān)性。袁俊平[10]利用遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡對(duì)自然條件下的重塑膨脹土的裂隙發(fā)育進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，利用灰度熵表征裂隙的發(fā)育發(fā)展程度，指出膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)與飽和度和裂隙度呈線性關(guān)系。張家俊，等[11]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)反復(fù)干濕循環(huán)作用下的南陽膨脹土進(jìn)行了裂隙演化規(guī)律研究，對(duì)矢量圖技術(shù)在膨脹土裂隙分析上的應(yīng)用做出了嘗試。施斌，等[12]在試驗(yàn)室內(nèi)研究了黏性土龜裂的發(fā)育規(guī)律，同時(shí)分析了不同溫度的條件對(duì)表面裂縫網(wǎng)絡(luò)形成的影響及龜裂產(chǎn)生的機(jī)理。文獻(xiàn)[9-12]的研究基本上都集中在膨脹土裂隙網(wǎng)絡(luò)的定量分析方法，以及干濕循環(huán)作用下影響裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何特征和結(jié)構(gòu)形態(tài)的相關(guān)因素方面，而針對(duì)膨脹土開裂規(guī)律及其影響因素的研究較少。唐朝生，等[13]采用圖片處理軟件，對(duì)不同狀態(tài)條件下黏性土干縮裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了聚丙烯纖維對(duì)黏性土裂縫的抑制機(jī)理，其針對(duì)的多是農(nóng)業(yè)和水利工程，通過將土樣制成飽和泥漿后，觀察干縮裂隙的形成和發(fā)展過程。但在公路工程中，膨脹土填料須達(dá)到一定的壓實(shí)度。因此，很有必要針對(duì)實(shí)際的碾壓膨脹土，分析其開裂規(guī)律及影響因素。

在公路路基修筑過程中，壓實(shí)度和初始含水率是路基填筑的兩個(gè)最主要控制指標(biāo)。為此，筆者在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)圖像處理和編程技術(shù)，定量分析和描述了不同壓實(shí)度、初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)條件下的百色地區(qū)重塑膨脹土表面裂隙的幾何形態(tài)特征，探討了壓實(shí)度、初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土開裂規(guī)律的影響。

1 圖像處理

圖1(b)是利用由南京大學(xué)研究開發(fā)的顆粒及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)[14](PCAS1.0)對(duì)圖1(a)進(jìn)行二值化和去雜點(diǎn)操作所得到的裂隙網(wǎng)絡(luò)圖，其中黑色為裂隙部分，白色為被裂隙“切割”成的膨脹土塊區(qū)部分。

圖1 裂隙網(wǎng)絡(luò)

為了對(duì)試件表面的裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行定量分析和對(duì)比，本試驗(yàn)對(duì)18個(gè)試件進(jìn)行了以下裂隙相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)量測(cè)：

1)裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N和裂隙的條數(shù)Nl，其中節(jié)點(diǎn)是指裂隙的交點(diǎn)，兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間為1條裂隙；

2)裂隙的總長度L、裂隙的平均長度La和裂隙的平均寬度Wa；

3)塊區(qū)的個(gè)數(shù)Na、各塊區(qū)的平均面積S;

4)裂隙率P,其中裂隙率為裂隙的面積與初始試件的總面積之比：

(1)

式中：A1為裂隙的總面積；A為試樣的總面積。

5)表面裂隙的分形維數(shù)D。

其中，所有跟面積或者長度相關(guān)的參數(shù)的單位都是用像素來表示的。

為描述試件表面裂隙的分布情況和復(fù)雜度，筆者采用盒維數(shù)法計(jì)算其分維值，即在選定的試件的裂隙區(qū)圖像內(nèi)，用不同尺度ε的方格網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，計(jì)算每一次覆蓋時(shí)裂隙所占有的格子數(shù)目N(ε)，依次類推，最后用式(2)求出分維值：

(2)

式中：a為常數(shù)，膨脹土裂隙網(wǎng)絡(luò)的分維值D越大，其表面裂隙的分布特征越復(fù)雜。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制作

試驗(yàn)用土為廣西百色地區(qū)膨脹土，其主要物理性質(zhì)如表1。土樣經(jīng)自然風(fēng)干、搗碎后過2mm篩。根據(jù)要求配制成初始含水率為17.4%(最佳含水率)、21.4%(塑限含水率)的土樣，并在保濕器中密封悶料24h以上來確保土樣含水率的均勻。隨后將土分層填壓在內(nèi)徑尺寸為22cm×22cm×6cm的玻璃容器中，制成壓實(shí)度分別為75%，80%，85%，厚度為20mm的土樣，表面用鋼尺抹平，共6組，每組3個(gè)平行試件。

表1 土樣物理性質(zhì)

Table1Thephysicalpropertiesofsoil

性能指標(biāo)數(shù)值性能指標(biāo)數(shù)值 容重/(g·cm-3) 2.043 顆粒組 成/% >0.075 mm 0.20 液限/% 49.4 0.075～0.005 mm 52.02 塑性指數(shù)28 0.005 mm 47.78 最佳含水率/% 17.4 自由膨脹率/% 79

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用恒溫為70 ℃的烘箱對(duì)試件進(jìn)行烘干，當(dāng)在2 h內(nèi)土的冷卻質(zhì)量不再發(fā)生顯著變化時(shí)，即此次脫濕過程結(jié)束。脫濕結(jié)束后，用安裝在固定高度三腳架上的SONY DSC-W530光學(xué)數(shù)碼相機(jī)對(duì)典型試件表面進(jìn)行圖像采集。為消除光線亮度不均勻性對(duì)采集效果的影響，采集時(shí)遮蓋住一切外部光源，僅采用多個(gè)方向的LED光源照明。干濕循環(huán)的增濕過程采用噴霧器灑水，為保證水霧不對(duì)土面造成沖刷，要求噴壺與土面保持0.5 m左右距離。均勻?yàn)⑺瑸⑺某掷m(xù)時(shí)間至少1 h以上，直至液限含水率(49.4%)為止，再將試件放進(jìn)恒濕箱中密封保濕48 h左右，確保試件內(nèi)部含水率分布均勻。同一組試件在以上相同的條件下進(jìn)行6次干濕循環(huán)操作，測(cè)量結(jié)果取相應(yīng)均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 循環(huán)次數(shù)對(duì)開裂的影響規(guī)律

膨脹土試件表面裂隙相關(guān)參數(shù)會(huì)隨循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生改變。以含水率為17.4%土樣為例，進(jìn)行3個(gè)壓實(shí)度(75%，80%，85%)下裂隙參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系比較，結(jié)果見表2、表3。

表2 試件的裂隙網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的測(cè)量結(jié)果(壓實(shí)度為75%，80%，85%)

表3 試件的裂隙區(qū)塊相關(guān)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的測(cè)量結(jié)果(壓實(shí)度為75%，80%，85%)

表2為干濕循環(huán)作用下不同壓實(shí)度下的土樣表面裂隙網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，其中土樣的表面裂隙節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、條數(shù)及總長度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而裂隙的平均長度與之相反。表3給出了裂隙的區(qū)塊參數(shù)?？煽闯?，隨著土樣干濕循環(huán)次數(shù)的增加，區(qū)塊平均面積減小，而區(qū)塊個(gè)數(shù)、裂隙率和分形維數(shù)逐漸增大，裂隙網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜；每一次干濕循環(huán)對(duì)裂隙的影響程度不同。第1次循環(huán)對(duì)土樣開裂的影響最為明顯，裂隙參數(shù)變化幅度最大，隨后的循環(huán)次數(shù)對(duì)開裂影響逐漸變小，表面裂隙趨于穩(wěn)定。

烘箱中，土樣上層與熱空氣直接接觸，上層溫度要高于下層溫度，因此，上層的失水速率大于下層，這樣在土樣上下層便形成了含水率梯度。

土樣含水率大于縮限含水率時(shí)，其脫水過程中會(huì)產(chǎn)生失水收縮，由于土樣上層的失水速率大于下層，因此,上層土體收縮變形受到下層土體的約束，這樣在上層土體中產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙便開始形成，隨著脫水的進(jìn)行，土體不斷收縮，裂隙也不斷地?cái)U(kuò)大。當(dāng)含水率低于縮限含水率時(shí)，土體停止失水收縮，裂隙不再擴(kuò)大。脫水完成后，向土樣噴水至飽和，土體吸水膨脹導(dǎo)致干縮裂縫部分閉合。再次脫水時(shí)，土體首先沿著閉合裂隙開裂，張開的裂隙成為新的失水通道，加快了失水速率，從而在土體中產(chǎn)生新的含水率梯度，導(dǎo)致新的裂隙的產(chǎn)生。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種過程周而復(fù)始，裂隙產(chǎn)生越來越多，土塊的個(gè)數(shù)也越來越多，尺寸也越來越小，同時(shí)較多裂隙貫穿于土體上下面。這樣，再次脫水時(shí)，下層土體通過裂隙可與熱空氣直接接觸，造成上下層土體難以形成大的含水率梯度，因此，第5、第6次循環(huán)不再產(chǎn)生新的裂隙。

第6次干濕循環(huán)后大部分裂隙參數(shù)比第5次干濕循環(huán)后的小，這是因?yàn)榈?次循環(huán)后，整個(gè)土體特別是裂隙兩側(cè)的土體變得松散，裂隙周邊部分松散顆粒滑落到原有裂隙中，填補(bǔ)了少量的裂隙，致使裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、條數(shù)、平均寬度、塊區(qū)個(gè)數(shù)、裂隙率和分形維數(shù)的測(cè)量結(jié)果數(shù)值上變小。

3.2 壓實(shí)度對(duì)開裂的影響規(guī)律

為說明壓實(shí)度對(duì)開裂的影響，以含水率為17.4%的土樣為例，進(jìn)行3個(gè)壓實(shí)度(75%，80%，85%)下裂隙參數(shù)的比較。

從表2、表3可看出，同一循環(huán)次數(shù)條件下，表面裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、裂隙條數(shù)、總長度、寬度、塊區(qū)個(gè)數(shù)、裂隙率和分形維數(shù)均隨著壓實(shí)度的增大而減小，而塊區(qū)平均面積增大。以第6次循環(huán)的裂隙率為例，壓實(shí)度為75%，80%，85%的土塊的裂隙率分別為9.87%，7.28%，7.15%，壓實(shí)度增加10%，裂隙率減小了27.56%，這表明提高壓實(shí)度，可有效地減小土樣的開裂。

究其原因，壓實(shí)度增大后，土體的孔隙率減小，飽和過程中水分較難滲入到土體中，這樣在脫濕過程中，壓實(shí)度越大的土體，土體上下層含水率梯度越小，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越小，使得開裂變得困難。另外，壓實(shí)度越大，土體的黏聚力也越大，而抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度中黏聚力部分相當(dāng)，因此，壓實(shí)度越大，則土樣的抗拉強(qiáng)度也越大，土樣越不易開裂。

3.3 初始含水率對(duì)開裂的影響規(guī)律

為探討初始含水率對(duì)開裂的影響規(guī)律。以壓實(shí)度為75%的土樣為例，進(jìn)行了兩個(gè)含水率(17.4%，21.4%)下裂隙的比較，結(jié)果見表4、表5。

表4 試件的裂隙網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的測(cè)量結(jié)果(含水率為17.4%，21.4%)

表5 試件的裂隙區(qū)塊相關(guān)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的測(cè)量結(jié)果(含水率為17.4%，21.4%)

從表4、表5可看出，在同一壓實(shí)度和循環(huán)次數(shù)的條件下，隨著初始含水率增大，土樣的表面裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、總條數(shù)、總長度、平均寬度、塊區(qū)個(gè)數(shù)、裂隙率及裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)均減小。以裂隙率在第6次循環(huán)后的結(jié)果為例，初始含水率為17.4%，21.4%的土體的裂隙率分別為9.87%，7.39%，裂隙率減小了25.13%。這表明在壓實(shí)度相同的條件下，采用塑限含水率作為碾壓控制含水率，可有效地減小土體的開裂程度。

這是因?yàn)樵趬簩?shí)度相同的條件下，膨脹土體的初始含水率越高，其彈性模量越小，在干濕循環(huán)過程中，損失或者增加同樣的含水率，其收縮應(yīng)力或者膨脹應(yīng)力也越小，導(dǎo)致其開裂程度變小。

從以上研究可看出，裂隙網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，則裂隙條數(shù)越多，總長度越長，平均長度越小。而對(duì)塊區(qū)來說，區(qū)塊個(gè)數(shù)越多，其平均面積則越小。盡管描述表面裂隙的裂隙參數(shù)很多，且由于每個(gè)裂隙參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，因此它們之間都具有其特殊的意義。對(duì)于一個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，其裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以在一定程度上反映裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本形態(tài)；塊區(qū)個(gè)數(shù)在反映塊區(qū)面積變化的同時(shí)也反映了裂隙的連通性；裂隙率則總體說明了土體體積變化規(guī)律，而分形維數(shù)的變化體現(xiàn)的是裂隙的復(fù)雜程度和不規(guī)則性。因此，對(duì)于二維裂隙網(wǎng)絡(luò)，其裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、塊區(qū)個(gè)數(shù)、裂隙率和分形維數(shù)可以認(rèn)為是定量描述二維表面裂隙形態(tài)結(jié)構(gòu)和幾何特征的基本指標(biāo)，可用來描述裂隙的開裂程度，與文獻(xiàn)[13]所得結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

1)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土體的開裂程度變大。因此，為減小開裂對(duì)工程的影響，在采用膨脹土作為填料進(jìn)行路基填筑時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行包蓋封閉。

2)同一含水率下，隨著壓實(shí)度的增大，土體的開裂程度減小。這就要求在采用膨脹土作為填料填筑路堤時(shí)，盡可能的采用較大的壓實(shí)度。

3)一般用最佳含水率作為膨脹土的碾壓控制含水率，可以得到較大的壓實(shí)度，但路基運(yùn)營后，經(jīng)歷干濕循環(huán)其表面產(chǎn)生的裂隙也越多，因此，從減少開裂的角度講，可以采用較高的塑限含水率作為施工時(shí)的控制含水率。

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Experimental Research on Cracking Rules and Influence Factors of Compacted Expansion Soil

Wei Bingxu, Gao Bing, Huang Zhen，Li Zhengfu

(College of Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Computer image processing and programming technology were used to describe and analysis quantitatively features of expansive soil surface cracks under the different influence of compaction degree, the initial water content and dry wet cycles. The factors of dry wet cycles, degree of compaction and initial moisture content which have influence on expansive soil cracking rules were discussed. The results show that: the parameters such as node number, number of blocks, fracture rate, fractal dimension parameters can be characterized the degree of fracture cracking; with increase of expansion soil compaction degree, the degree of cracking decreases; expansive soil cracking extent under plastic limit water content of the initial water content is less than that of optimum water content; with the increase of cycle number, the degree of cracking increases, but change amplitude of the fracture parameters decreases, the first dry-wet cycle influence on cracking was maximum, and the fifth, or the sixth times have little effect on cracking.

road engineering; expansive soil; image processing; dry-wet cycling; cracking rules

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.13

2014-02-16；

2014-04-07

韋秉旭(1970—)，男，陜西戶縣人，教授，博士，主要從事巖土工程及特殊土路基等方面的研究。E-mail:weibingxu555@163.com。

U416.1+67

A

1674-0696(2015)03-063-04