土樣厚度對(duì)橡膠加筋膨脹土裂縫演化規(guī)律的影響研究*

呂建航 楊忠年 時(shí) 偉 路釗馳 張 琦 凌賢長(zhǎng)②

(①青島理工大學(xué)，青島 266000，中國(guó))

(②哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000，中國(guó))

0 引 言

膨脹土是一種具有膨脹收縮性、多裂縫性與超固結(jié)性的一種特殊工程災(zāi)害性土壤，在全世界范圍內(nèi)廣泛分布，每年給我國(guó)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失(蔡耀軍等，2018)。膨脹土主要由蒙脫石、伊利石與高嶺土等層狀硅酸鹽礦物組成，具有明顯吸水膨脹，失水收縮的特性。地表膨脹土在自然界干濕循環(huán)過程中體積劇烈改變，處于干燥收縮過程中受到拉應(yīng)力影響，土體極易產(chǎn)生大量裂縫。裂縫會(huì)給外界水源侵入土體內(nèi)部提供路徑，從而降低膨脹土的強(qiáng)度，給膨脹土路基與邊坡等工程帶來挑戰(zhàn)(Estabragh et al.，2014)。不同形態(tài)的裂縫會(huì)引導(dǎo)外界水源快速滲入膨脹土邊坡內(nèi)，增加邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)(殷宗澤等 2012)，因此裂縫發(fā)育形態(tài)在膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究中受到廣泛重視，對(duì)于裂縫形態(tài)演化研究具有工程與地質(zhì)意義。為改善膨脹土的不良工程特性，改善膨脹土方式主要可分為物理、化學(xué)與生物3個(gè)方向。橡膠加筋是一種近年來受到廣泛重視的物理改良膨脹土的方式，具有廣闊的工程運(yùn)用前景。主要是因?yàn)樵诮鉀Q廢棄輪胎污染的同時(shí)，橡膠與膨脹土的結(jié)合既可以有效約束膨脹土在水循環(huán)過程中脹縮特性，又可以有效提高膨脹土承受動(dòng)荷載能力。

隨著我國(guó)車輛總量的不斷增加，廢棄輪胎作為一種數(shù)量大、難降解的垃圾已經(jīng)成為環(huán)保工作難點(diǎn)。將輪胎研磨、篩選后形成的橡膠顆粒與橡膠粉末可以很好地與土結(jié)合，其形成的橡膠加筋土壤具有高阻尼、低重量的特點(diǎn)，是一種理想的隔震材料(Madhusudhan et al.，2019)。近年來有學(xué)者嘗試使用橡膠作為膨脹土的改良材料，取得了較好的結(jié)果。孫樹林等(2009)測(cè)定了橡膠加筋膨脹土(Expansive Soil-Rubber，ESR)的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)土體抗剪強(qiáng)度與橡膠含量存在正相關(guān)性，而ESR的內(nèi)摩擦角與橡膠含量沒有相關(guān)性。何俊等(2015)研究一系列的橡膠混合高嶺土的擊實(shí)曲線，發(fā)現(xiàn)橡膠可提高混合土的最優(yōu)含水率。Soltani et al.(2018)研究發(fā)現(xiàn)，相較于未添加橡膠的膨脹土，橡膠加筋膨脹土(ESR)的吸水膨脹勢(shì)顯著降低：橡膠一方面可以抑制膨脹土的脹縮特性，另一方面又可以增加膨脹土的承載能力。綜上可知，橡膠改良膨脹土同時(shí)具有良好的靜力強(qiáng)度與動(dòng)荷載下的較大阻尼，可以有效改良膨脹土工程特性。開裂同樣為膨脹土在工程中常見的問題，ESR的裂縫發(fā)育形態(tài)是否存在改變，甚至是否能有效改良膨脹土的開裂問題不得而知。對(duì)裂縫發(fā)育研究主要包括室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬。Liu et al.(2011)使用圖像處理方法量化了土的孔隙與裂縫，設(shè)計(jì)了一套可以繪制孔隙邊界并計(jì)算面積、長(zhǎng)度與概率熵等裂縫參數(shù)的程序，計(jì)算誤差較小。DeCarlo et al.(2014)使用自動(dòng)成像系統(tǒng)測(cè)定了黏土發(fā)育過程中的裂縫長(zhǎng)度、寬度，并繪制了裂縫發(fā)育網(wǎng)絡(luò)。司馬軍等(2013)使用PFC3D模擬了圓形黏土試樣收縮干裂過程，發(fā)現(xiàn)裂縫展開分為3階段特征，試驗(yàn)底邊界對(duì)裂縫形態(tài)有顯著影響，即試樣厚度對(duì)裂縫發(fā)育形態(tài)有顯著影響。

膨脹土在自然干燥過程中的裂縫演化規(guī)律核心問題是如何定量分析膨脹土裂縫發(fā)育形態(tài)。易順民等(1999)首次根據(jù)分形理論定量討論了膨脹土的網(wǎng)格分布，提出了膨脹土分形維數(shù)與抗剪強(qiáng)度之間存在直接聯(lián)系，分形維數(shù)越大，膨脹土風(fēng)化作用越強(qiáng)烈。唐朝生等(2012)分析了4種對(duì)膨脹土裂縫的定量分析方法，提出使用計(jì)算機(jī)圖像二值化處理土壤裂縫照片，可以分析幾何形態(tài)，具有普遍應(yīng)用價(jià)值。曹玲等(2016)討論了在干濕循環(huán)條件下膨脹土的裂縫動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)首次干燥過程中初始含水率越高裂縫發(fā)育越明顯，并且干燥過程中膨脹土裂縫可以分割土體，導(dǎo)致應(yīng)力重分布與新裂縫的產(chǎn)生。駱趙剛等(2020)考慮了厚度效應(yīng)對(duì)膨脹土裂縫的形態(tài)影響，研究發(fā)現(xiàn)受到邊界條件影響，厚度較小的試樣裂縫長(zhǎng)度大，整體裂縫更具有復(fù)雜性，而大厚度試樣裂縫發(fā)育較為簡(jiǎn)單，單一裂縫寬度較寬。

結(jié)合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段對(duì)橡膠加筋膨脹土(ESR)的研究與膨脹土裂縫形態(tài)的研究較為孤立，面對(duì)摻加橡膠的膨脹土裂縫發(fā)育形態(tài)不得而知。土體開裂受到很多因素影響，土壤含水率、礦物成分與骨架結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境條件等對(duì)裂縫發(fā)育形態(tài)影響顯著(唐朝生等，2012；鄧鵬等，2021)。作為一種外摻和料，橡膠會(huì)直接改變膨脹土的土骨架結(jié)構(gòu)，影響膨脹土開裂過程中張拉應(yīng)力的分布，最終影響裂縫發(fā)育形態(tài)。試驗(yàn)土樣厚度是影響裂縫形態(tài)的最重要因素，因此本文制備摻加橡膠的(ESR)樣品與未使用橡膠改良的素膨脹土樣品各4個(gè)，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4種不同厚度樣品，探究在干燥條件下膨脹土裂縫形態(tài)發(fā)育的不同特征與厚度效應(yīng)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 膨脹土材料

本試驗(yàn)使用濰坊重塑膨脹土，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)測(cè)定了膨脹土的基本物理性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)使用自由膨脹率為71%，可將其劃分為弱膨脹土。膨脹土液限為51.66%，塑限為27.70%，是一種高液限黏土。試驗(yàn)過程中將重塑土烘干、碾碎過2mm篩，制備成土粉備用。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

1.2 廢棄輪胎橡膠

試驗(yàn)使用橡膠粉末產(chǎn)自中國(guó)四川德陽的輪胎處理廠。再生橡膠粉末生產(chǎn)過程如下：(1)去除輪胎鋼絲，使用破碎機(jī)將橡膠分為3～5cm的橡膠塊；(2)使用橡膠中碎機(jī)將橡膠塊破碎成10～20mm的橡膠碎粒；(3)使用橡膠細(xì)碎機(jī)將橡膠分為1～3mm或3～6mm的橡膠顆粒；(4)在常溫狀態(tài)使用纖維分選機(jī)將橡膠與輪胎中尼龍纖維分開；(5)使用橡膠細(xì)磨機(jī)將橡膠顆粒分為0.60～0.09mm的橡膠粉末。處理后橡膠粉末如圖1所示。

1.3 裂縫發(fā)育試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如表2所示，試驗(yàn)對(duì)比不同土層厚度與橡膠摻和對(duì)膨脹土裂縫發(fā)育帶來的影響，共設(shè)計(jì)4個(gè)素膨脹土樣品與4個(gè)ESR橡膠膨脹土樣品。兩組樣品分別按照15mm，25mm，35mm，50mm的梯度厚度制備，共計(jì)8組試驗(yàn)。試驗(yàn)過程根據(jù)方案，素土樣品使用重塑土粉，ESR樣品將20%橡膠粉末過篩后與土粉混合，配置至對(duì)應(yīng)含水率，靜置一晝夜，保持其水分分布均勻后備用。試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水率為過飽和，以保證其樣品制備的均勻平整，由于橡膠材料吸水量少，ESR樣品設(shè)計(jì)過飽和含水率相對(duì)較低(64%)。本試驗(yàn)使用膨脹土黏稠度較高，保證其有一定流動(dòng)性，配置樣品至含水率較高的過飽和狀態(tài)，在72%和64%含水率兩種狀態(tài)能將其制備為可以均勻、穩(wěn)定與平整樣品。樣品制備完成后使用振動(dòng)臺(tái)連續(xù)振動(dòng)10min，排出樣品內(nèi)部氣泡。

表2 兩種膨脹土樣品試驗(yàn)方案Table 2 Two test schemes for expansive soil samples

試驗(yàn)含水率選擇主要是膨脹黏土的高黏性影響，為制備成均勻一致的膨脹土樣品選用了過飽和并具有一定流動(dòng)性含水率的樣品。同時(shí)在試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)在開始干燥階段并未有裂縫產(chǎn)生，兩種樣品在第1道裂縫產(chǎn)生的含水率大致相同。將混合了橡膠的ESR樣品認(rèn)為是一種新的土樣，測(cè)定其液限為43.42%，兩種樣品按照液限加20%含水率的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)制備。在樣品制備過程中發(fā)現(xiàn)，低含水率難以制備成平整光滑土樣，而當(dāng)膨脹土處于表2兩種含水率下時(shí)，樣品的流動(dòng)性與黏性相似。本試驗(yàn)考慮土樣厚度效應(yīng)，以樣品厚度作為試驗(yàn)變量。

樣品制備完成后如圖2所示。將制備完試樣置于25°C環(huán)境箱中，保持其均勻一致的緩慢蒸發(fā)，監(jiān)測(cè)樣品重量得到樣品含水率變化。試驗(yàn)使用圖3所示裝置監(jiān)測(cè)，包括高精度相機(jī)、可調(diào)節(jié)支架與環(huán)形光源。設(shè)定環(huán)境箱在試驗(yàn)過程中相對(duì)濕度為70%，恒定速率通風(fēng)，共設(shè)計(jì)兩組平行對(duì)照試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到564h后觀察到相鄰兩組重量數(shù)據(jù)之間差值極小，試驗(yàn)停止。

2 裂縫演化理論

2.1 裂縫圖像處理

為定量分析試驗(yàn)過程中裂縫演化規(guī)律，首先將試驗(yàn)圖像在Photoshop分離出樣品土壤表面，試驗(yàn)過程中土壤與容器邊緣的裂縫也同樣認(rèn)為是土壤裂縫(圖4a)。如圖4b所示，將裂縫照片灰度處理排出其他顏色對(duì)數(shù)據(jù)影響。通過控制閾值將圖像轉(zhuǎn)化為僅存在黑白兩種像素圖片，以便于篩選出裂縫。按照照片像素比例與樣品直徑可統(tǒng)計(jì)出真實(shí)裂縫數(shù)值。具體轉(zhuǎn)換過程如下：

L=αLA

(1)

式中：α為長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)；LA為像素直徑；L為試樣直徑。

將圖片轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制裂縫后使用粒(孔隙)及裂縫圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(PCAS)處理裂縫數(shù)據(jù)，可以得到裂縫長(zhǎng)度、面積、平均寬度等裂縫參數(shù)。

2.2 分形理論與分形維數(shù)

分形理論(Fractal Theory)是指在自然界中廣泛存在的復(fù)雜對(duì)象的某一部分與其本身形狀像似，在工程中運(yùn)用廣泛。這一理論中，自身一部分與整體的相似性可以找到混亂系統(tǒng)中的一致性，這也同樣適用于巖土體裂縫研究。易順民等(1999)研究了黏性土體中的分形理論，認(rèn)為可以較好地使用盒維數(shù)統(tǒng)計(jì)裂縫的分形一致性，具體計(jì)算原理如下：

lnNi=A-Dhlnεi

(2)

式中：A為常量；Dh為分形維數(shù)；εi為圖像處理中尺寸；Ni為具有相似性個(gè)體數(shù)量。在裂縫研究使用盒維數(shù)分形統(tǒng)計(jì)，使用逐漸下降的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)分形維數(shù)，可以很好地統(tǒng)計(jì)裂縫發(fā)育的復(fù)雜性，量化裂縫發(fā)育階段，同時(shí)分形維數(shù)也與土的抗剪強(qiáng)度存在正相關(guān)性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 緩慢蒸發(fā)過程中試樣含水率變化

圖5描述了裂縫演化的546h過程中不同樣品含水率變化曲線，可以看到兩種膨脹土隨不同厚度的含水率變化曲線一致，都是隨著土層厚度增加含水率減小較慢，這是因?yàn)檩^厚的試樣水分更難蒸發(fā)導(dǎo)致。

由含水率變化可以比較清楚驗(yàn)證膨脹土的開裂過程。在試驗(yàn)中所有樣品在開始一段時(shí)間都沒有產(chǎn)生裂縫，這在含水率圖中表現(xiàn)為含水率降低緩慢，此時(shí)樣品與空氣接觸面積較小，圖中描述為階段一。隨著含水率逐漸下降，膨脹土表面逐漸產(chǎn)生裂縫，含水率變化進(jìn)入階段二。在這一階段，隨著不同樣裂縫形態(tài)展開，樣品與空氣接觸面積不同，產(chǎn)生不同程度的失水加速。在圖中表現(xiàn)為斜率變大，并且不同樣品間斜率存在差異。此外，可以觀察到橡膠樣品的R1-R4相較于C1-C4在二階段過程中斜率更大，這是因?yàn)橄鹉z樣品在試驗(yàn)中表現(xiàn)出了更多的裂縫，導(dǎo)致膨脹土失水速率增加。隨著土體整體含水率的逐漸下降，膨脹土進(jìn)入含水率變化三階段，此時(shí)由于膨脹土內(nèi)部含水率較少，整體含水率降低速度較慢。

由試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種膨脹土失水的過程都可以由Boltzmann曲線很好地?cái)M合，曲線表達(dá)式為：

(3)

式中：ω為含水率；t為時(shí)間；A1，A2和t0為3個(gè)擬合參數(shù)。Boltzmann曲線可以很好地描述兩個(gè)階段A1和A2之間變化過程，圖5中使用擬合參數(shù)如表3所示，R2擬合度較高，驗(yàn)證了這一經(jīng)驗(yàn)擬合方程的有效性。Boltzmann函數(shù)是一種常見的擬合曲線，常用于兩種狀態(tài)的躍遷過程，本文中含水率變化存在初始值與最終縮限值，適用于此函數(shù)擬合。

3.2 ESR與素膨脹土裂縫演化過程

圖6描述了8個(gè)樣品在不同含水率時(shí)形態(tài)變化，可以較為直接地了解不同樣品在不同階段的裂縫形態(tài)以及整體隨含水率降低的裂縫發(fā)育過程。首先對(duì)比不同厚度的C1-C4、R1-R4，都可以發(fā)現(xiàn)裂縫形態(tài)存在著明顯差異。擁有較小土層厚度的膨脹土樣品，其裂縫發(fā)育都呈現(xiàn)出明顯的更密集，裂縫演化過程中分割出的土塊較小的特點(diǎn)，同樣可以看到裂縫的總長(zhǎng)度也是隨著厚度增加逐漸減小，這與駱趙剛等(2020)的研究結(jié)果一致。

對(duì)比ESR樣品與素膨脹土來看，可以發(fā)現(xiàn)在近似含水率下，ESR樣品的裂縫發(fā)育更為明顯，樣品裂縫由單一的孤立裂縫逐漸發(fā)育連接，最后構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)兩種樣品來說，ESR樣品的裂縫更為密集，而裂縫寬度較小。尤其是在含水率未降至最低時(shí)，即在實(shí)際工程中存在一定含水率狀態(tài)時(shí)ESR樣品相較于素土更為發(fā)育。觀察存在一定含水率樣品時(shí)，可以觀察到ESR的裂縫發(fā)育明顯更為均勻細(xì)碎，同時(shí)可以觀察到素土裂縫發(fā)育過程的最大裂縫寬度更大。橡膠的加入會(huì)明顯改變裂縫發(fā)育形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)圖6a中樣品隨著厚度增加有著明顯內(nèi)聚的趨勢(shì)，即裂縫向環(huán)狀發(fā)育趨勢(shì)，而圖6b中的ESR樣品裂縫都趨向于多邊形演化，樣品向內(nèi)聚趨勢(shì)減小，裂縫發(fā)育更為均勻。上述現(xiàn)象是因?yàn)橄鹉z粉末在膨脹土中減小了膨脹土的黏聚力c，也同樣抑制了膨脹土的脹縮特性，兩者共同作用改變了裂縫發(fā)育形態(tài)。

3.3 膨脹土裂縫總長(zhǎng)度、面積

圖7為干燥裂縫演化過程中裂縫總長(zhǎng)度變化?？梢园l(fā)現(xiàn)對(duì)于素膨脹土的C1-C4，單一含水率下存在先增加后減小的過程，并且最終的裂縫長(zhǎng)度相似。這一現(xiàn)象是因?yàn)楸驹囼?yàn)使用膨脹土黏聚力較高，在試驗(yàn)中較薄的C1本身重量輕，受到底邊界影響小，整體呈向中心收縮趨勢(shì)，導(dǎo)致四周產(chǎn)生較大裂縫而長(zhǎng)度數(shù)值不高。隨著厚度逐漸增加，邊界對(duì)裂縫發(fā)育影響明顯，膨脹土存在多個(gè)收縮核心，裂縫發(fā)育較多。當(dāng)厚度足夠大時(shí)，底邊界對(duì)上部裂縫影響較小，膨脹土趨向于單一裂縫擴(kuò)大，并逐漸展開趨勢(shì)。

圖7b描述了ESR的裂縫發(fā)育長(zhǎng)度，可以明顯發(fā)現(xiàn)隨厚度下降現(xiàn)象，這是因?yàn)镋SR黏性低、收縮特性小，收到拉應(yīng)力時(shí)會(huì)變成多個(gè)收縮核心開裂，當(dāng)厚度增加時(shí)，底邊界同樣不會(huì)影響到上表面裂縫發(fā)育，導(dǎo)致裂縫發(fā)育更為均勻一致。對(duì)比圖7a與圖7b可以發(fā)現(xiàn)，ESR裂縫總長(zhǎng)度明顯更高，說明ESR裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育更為豐富。

圖8描述了兩種土裂縫發(fā)育過程中總面積，可以發(fā)現(xiàn)隨著土層深度增加，裂縫總面積也逐漸上升。裂縫總面積增長(zhǎng)速度近似于線性增長(zhǎng)，并且由圖8a可以發(fā)現(xiàn)不同厚度對(duì)素膨脹土裂縫總面積影響較大，說明素膨脹土受到厚度效應(yīng)影響嚴(yán)重。對(duì)比圖8b可以發(fā)現(xiàn)，ESR一方面裂縫總面積遠(yuǎn)小于素膨脹土，另一方面，4種厚度膨脹土面積雖然存在一定程度的厚度效應(yīng)，但整體變化不大，說明ESR能在多種厚度的裂縫演化中保持一定穩(wěn)定性。

3.4 膨脹土裂縫分形維數(shù)變化

裂縫的分形維數(shù)的計(jì)算過程是首先提取出裂縫的骨架，然后針對(duì)裂縫骨架計(jì)算分形維數(shù)。這樣做的好處是既考慮了裂縫的長(zhǎng)度與平面分布，又能定量分析裂縫形態(tài)，其數(shù)值代表了裂縫網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。圖9是8組試驗(yàn)樣品隨含水率變化的裂縫分形維數(shù)變化，8組樣品最終分形維數(shù)都處于1.4～1.5之間，隨著含水率變化在初期變化較大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。同樣可以發(fā)現(xiàn)，C1-C4的分形維數(shù)，在相鄰兩組之間的變化較大，但R1-R4分形維數(shù)變化幅度較小，說明ESR的裂縫形態(tài)變化更具有同一性，可以改良素膨脹土裂縫發(fā)育差異性大的不良工程特性。裂縫發(fā)育同一性的工程應(yīng)用是從預(yù)測(cè)裂縫角度分析，自然界膨脹土的裂縫的寬度與分布極為極不均勻，并存在明顯厚度效應(yīng)，本次試驗(yàn)可以看到ESR的裂縫發(fā)育在不同厚度具有同一性，不論是在滲流驗(yàn)算與邊坡穩(wěn)定分析中，都能具有更好的表現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本文考慮了膨脹土裂縫發(fā)育的厚度效應(yīng)，使用再生橡膠改良膨脹土脹縮性，觀察不同厚度下兩種膨脹土的裂縫發(fā)育規(guī)律，從含水率、裂縫發(fā)育形態(tài)、裂縫長(zhǎng)度與面積及裂縫發(fā)育分形維數(shù)考慮，驗(yàn)證了再生橡膠對(duì)膨脹土不良裂縫發(fā)育改良的有效性，結(jié)果如下：

(1)在膨脹土裂縫演化過程中含水率變化分為3階段。由于開裂導(dǎo)致與空氣接觸面積增加，在第2階段含水率下降迅速。膨脹土的開裂失水過程可以很好地用Boltzmann曲線擬合。

(2)在膨脹土裂縫演化過程中存在明顯厚度效應(yīng)，素膨脹土土樣厚度越大，裂縫發(fā)育越明顯。ESR可以有效約束厚度效應(yīng)，其裂縫演化形態(tài)更趨向于均一化而不受外部邊界條件影響，在同一含水率下，ESR的裂縫面積有明顯減小。

(3)素膨脹土受到厚度效應(yīng)影響，其裂縫總長(zhǎng)度隨厚度增加存在先增加后減小現(xiàn)象。ESR可以有效約束膨脹土厚度效應(yīng)，減小裂縫總長(zhǎng)度。

(4)膨脹土隨著厚度變化的分形維數(shù)最終會(huì)穩(wěn)定在1.4～1.5之間。未添加橡膠樣品受到厚度影響，每級(jí)厚度之間分形維數(shù)變化較大；ESR分形維數(shù)變化更具有整體性，裂縫演化較為規(guī)律。