膨脹土裂隙特征研究進展

黎 偉,劉觀仕,姚 婷

(中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430071)

膨脹土是一種主要由蒙脫石等親水性黏土礦物組成、具有明顯吸水膨脹和失水收縮特性的高塑性黏土[1]。與一般黏土相比,膨脹土具有膨脹性、裂隙性和超固結性[2]這3種特性。裂隙性與膨脹性、超固結性關系密切,當含水量降低時,膨脹土發生干縮導致土體開裂,而氣候干濕循環等作用導致裂隙進一步擴展;膨脹土在開挖過程中超固結應力的釋放也會導致裂隙擴展。裂隙一方面破壞了土體的完整性,另一方面產生滲流,加劇了膨脹土的脹縮和裂隙擴展,因此,裂隙性是影響膨脹土邊坡穩定的關鍵因素[3]。Terzaghi[4]最早注意到裂隙發育對土體強度的影響,指出裂隙是超固結黏土的結構特性,并指出裂隙對土體強度有重要影響。Gregory[5]進一步研究發現,倫敦黏土中存在的節理和裂隙是引起滑動的原因。Skempton[6]發現裂隙會引起應力集中,當應力超過黏土抗剪強度峰值時會導致土體破壞。在一般黏土裂隙研究的基礎上,孫長龍等[7-11]先后研究了裂隙對膨脹土強度、變形、滲透等的影響,并進一步研究了裂隙對膨脹土邊坡穩定性的影響。正是由于認識到裂隙對膨脹土物理力學性狀的重要影響,膨脹土裂隙特性及定性、定量描述方法等越來越多地受到人們的重視,獲得了多方面的研究進展。

1 膨脹土裂隙特征研究現狀

膨脹土裂隙特征研究主要從裂隙分類方法、裂隙量測方法、裂隙統計分析方法3個方面進行。

1.1 膨脹土裂隙分類方法

通常情況下,巖土體中產生的無明顯位移的斷裂叫做裂隙[12]。按照不同的標準,裂隙有很多分類方法,如按形成時期可以分為原生裂隙和次生裂隙;按寬度和規模可以分為微細觀裂隙和宏觀裂隙;按成因可以分為構造裂隙和非構造裂隙,構造裂隙按力學性質又可以分為剪性裂隙、張性裂隙及組合裂隙,非構造裂隙包括卸荷裂隙、脹縮裂隙、淋濾裂隙、風化裂隙、濕陷裂隙、凍融裂隙等[13]。非飽和膨脹土具有裂隙發育的特點,從成因來看,因黏土礦物含水量高而容易吸水膨脹和失水收縮,所形成的脹縮裂隙是最主要的裂隙類型[14];另外,因開挖卸荷或失穩滑動等作用形成的張性裂隙,因不均勻膨脹及沉降形成的剪性裂隙,因水力作用形成的淋濾裂隙,因地震等活動形成的構造裂隙等,也是膨脹土中常見的裂隙形式。由于膨脹土裂隙往往是由上述幾種外因共同作用產生,且各種因素作用產生的裂隙差別有時并不明顯,所以一般觀測到的裂隙是各種類型裂隙的共存,無法具體區別開來[3]。從膨脹土裂隙作為研究對象的角度而言,還可以分為原狀土裂隙和重塑土裂隙,前者如自然裂隙、邊坡新鮮開挖面產生的裂隙、原狀土室內模擬條件下產生的裂隙等,而重塑土裂隙包括原位條件下壓實土產生的裂隙,室內干縮、反復干濕循環、無荷載或有荷載等人工條件下產生的裂隙,或者多種人工條件組合下產生的裂隙。

切爾內紹夫[15]最先對一般黏土的裂隙進行了較系統的分類,即根據裂隙定向排列的相互關系將裂隙網絡分為系統裂隙網絡、多角形裂隙網絡和混亂裂隙網絡;而根據裂隙末端互相配置的性質和土體受裂隙切割的貫穿程度可以將裂隙網絡分為連續的裂隙格局、不連續的裂隙格局和片斷的裂隙格局。胡卸文等[16]通過對具有類似沖積和冰水沉積地質特征的5個地區裂隙性黏土的現場調查,總結出黏土裂隙發育的3種較為常見的模式,即平行斜列式、水平及斜列式和羽形排列式,但這種分類對其他地質成因土的適應性有待驗證。一般黏土的裂隙分類方法也能應用于非飽和膨脹土中,但對于非飽和膨脹土的特殊性,還需要針對性更強的裂隙分類方法。袁俊平[3]參照文獻[15]的分類方法,考慮膨脹土裂隙的復雜性及不確定性,在裂隙網絡分類中增加了隨機裂隙網絡這一新類型。

裂隙分類方法很多,側重點各有不同,且大部分分類方法以定性為主,缺乏明確的定量化手段或指標。由于膨脹土裂隙性與其典型的脹縮性和超固結性密切相關,在研究改進膨脹土裂隙分類方法時,宜結合其典型物理力學特性、應用目的及方法的實用性等方面來進行。

1.2 膨脹土裂隙量測方法

1.2.1 直接量測方法

直接量測方法是通過肉眼發現裂隙,采用鋼尺等工具量測其寬度和長度,使用羅盤或量角器等量測其產狀,通過素描等記錄裂隙分布情況,綜合得到對裂隙定性或半定量的記錄。如現場量測膨脹土坡面裂隙時,選擇大小為20cm×20cm的較平整坡面作為觀測試樣,把已繪制好網格線的透明塑料紙鋪在坡面上,用鉛筆按1∶1的比例繪制裂隙分布素描圖;開挖面裂隙量測時,選擇平坦、裂隙自然分布的區域,周圍釘上1m長標尺,采用手工素描結合拍照的方法進行裂隙形態的記錄與描述[3]。隨著技術的發展,越來越多的研究者采用數碼相機拍照來獲得更加清晰的裂隙圖像[17-18],而更多先進的儀器也被應用于裂隙量測,如計算機斷面成像技術法(CT法)、遠距光學顯微鏡觀測法。

CT法是利用CT機成像獲得相應區域的CT數來反映物質分布情況的一種方法[19],可以動態、定量、無損地量測巖土體微觀結構的發展變化。1986年,日本首先研制成功室內受壓巖樣彈性波CT機,對受壓巖樣內部裂紋發展過程進行研究并取得豐碩成果,標志著CT法被成功引入巖石力學領域[20],隨后被引入土力學領域。在國內,蒲毅彬[21]率先使用CT法研究凍土的結構性,盧再華等[22]則把CT法應用于膨脹土研究,對干濕循環條件下膨脹土脹縮裂隙的演化進行研究,提出了基于CT數的裂隙損傷變量及其隨累計干縮體變的變化規律。王軍[23]對干濕循環后的膨脹土樣進行多個切面的CT掃描,使用多平面重構技術,形成了三軸試樣的裂隙重構圖,以期實現裂隙圖像的三維可視化顯示,這一方法對膨脹土體內部裂隙的研究提供了一個有效的途徑。隨著對土體裂隙研究的發展,CT法已經逐漸成為了一種主流的裂隙觀測方法。然而CT法目前只能用于量測小尺寸室內土樣,無法應用于原位膨脹土,且存在設備較昂貴等不足。遠距光學顯微鏡法是另一種較新的量測方法,通過由遠距光學顯微鏡、三軸位移平臺、CCD攝像儀和視頻監視器組成的圖像采集系統進行裂隙試樣的觀測和圖像采集,可非接觸地、連續地、系統地觀測試樣在受荷狀態下的微觀結構變化情況[3]。袁俊平等[24-25]利用遠距光學顯微鏡對膨脹土試樣進行觀測,定量地對膨脹土表面裂隙進行了描述。該方法能夠實時獲得膨脹土表面裂隙發展的清晰圖像,便于后期圖像分析,不過跟現場數碼成像存在著相似的不足,即無法觀測到膨脹土內部裂隙的發展狀況。

1.2.2 間接量測方法

電阻率法和超聲波法均屬于間接量測方法。電阻率法利用測試電流通過土體時所呈現的電阻大小來間接反映土體的內部結構[26],應用該方法的前提是裂隙發育程度不一致的巖土體具有電阻率差。Archie[27]最早提出了僅適用于飽和無黏性土的電阻率模型,Waxman等[28]提出了適用于非飽和黏性土的電阻率模型。電阻率法也被應用于膨脹土,龔永康等[29]采用電阻率法對室內膨脹土裂隙的發育進行了研究,提出用電導率反映土體裂隙發育有一定的可行性,但對電極的大小、導線長度、土體類型等影響因素尚需進一步的探討和完善。Anna等[30]研究認為電阻率是監測一定范圍內土體裂隙動態發展的有價值工具。超聲波法一般采用超聲波脈沖透射法量測巖土體內的超聲波聲速[31],利用不同的超聲波聲速反映巖土體內部裂紋的發展狀況。趙明階等[32-33]利用超聲波法對巖石裂紋進行了研究,運用超聲波聲速定義了損傷變量,用其表述了巖石微裂紋的宏觀力學效果。超聲波法理論上可推廣到現場觀測,但目前尚處于研究階段,還未見到超聲波法應用于膨脹土裂隙量測的報道。

電阻率法和超聲波法有助于了解土體表面和內部的裂隙發育狀況,但還是必須結合直接量測方法進行標定或校核,且通過單一的指標如電阻率或者超聲波聲速等的變化無法對裂隙進行準確描述,將間接量測方法與直接量測方法相結合是一種發展趨勢。

1.2.3 裂隙深度量測方法

以上研究針對裂隙的平面量測比較多,對于混凝土中裂隙的深度常用鑿出法和鉆孔取芯法等量測[34],但上述方法能否應用于膨脹土尚未見到有關報道。Yesiller等[35]提到使用帶刻度的細鋼絲來量測黏土裂隙的深度,但可操作性欠佳。可以說暫時還沒有較為方便可靠的直接量測和描述方法,目前大多采用間接手段或建立模型對其進行量測和描述。Picornell等[36]開展了現場量測膨脹土收縮裂隙深度的研究,提出根據聲波通過土體表面時因裂隙而導致的時間增量來確定裂隙深度的方法。更多的研究從理論方面展開,如Morris等[37]建立了裂隙深度、土體特性和給定吸力分布之間的理論關系,提出了3種預測土體開裂深度的方法;Chertkov[38]提出利用表面裂隙平均間距來估算裂隙發育區深度以及裂隙最大深度;姚海林等[39]推導出膨脹土裂隙深度的表達式,求得在地下水位趨于無窮大時的裂隙擴展深度的極值;潘宗俊等[40]從理論分析著手,采用Mitchell公式和裂隙擴展深度方程確定安康地區膨脹土大氣影響深度和裂隙開展深度;李培勇等[41]得出了同時考慮土體有效黏聚力和有效內摩擦角等參數的非飽和膨脹土裂隙開展深度的線彈性理論關系式。以上通過理論推導得出的裂隙深度預測值往往包含了不少人為假設,與裂隙真實開展深度存在不同程度的差別,直接或間接量測裂隙深度方法的研究亟待深入。

1.3 膨脹土裂隙的統計分析方法

膨脹土裂隙可用影響其工程力學性質走向、傾角、寬度、深度、長度以及間距等主要幾何要素來度量。

1.3.1 基于人工量測的統計分析

裂隙的走向、傾向是膨脹土非常重要的裂隙幾何特征。在一般巖土體裂隙研究中,王景明等[42]和李志輝等[43]分別利用玫瑰花圖和赤平極射投影法對現場測得的裂隙走向(傾向)進行了統計,清晰地表示了裂隙走向(傾向)的優勢方向,但上述方法在膨脹土裂隙統計中未見應用報道。天然情況下膨脹土裂隙分布大多呈混亂型裂隙網絡,對裂隙的走向、傾角等方向性要素的量測較為繁雜。為了綜合反映裂隙的分布特征和影響,通常采用裂隙率作為裂隙度量分析指標[3]。裂隙率可以定義為單位面積上的裂隙面積,或單位面積上的裂隙長度,或單位面積上的分塊平均面積,以及單位面積上的分塊個數等[44]。以上定義的裂隙率都能通過一定方式來反映裂隙的發育程度,但問題在于如果僅基于人工量測或統計分析,一些微小裂隙往往被忽略,導致裂隙率的計算不夠精確。

1.3.2 基于圖像處理的統計分析

隨著數碼攝影和計算機技術的發展與結合,基于圖像處理的膨脹土裂隙統計分析方法可能更可靠和方便。研究者將獲取于光學顯微鏡、CT成像等的光柵圖像,采用各種圖像處理方法進行統計分析,如袁俊平等[24-25]利用灰度熵對裂隙圖像進行分析,結果表明裂隙圖像的灰度熵能很好地表征裂隙的發育程度,適合作為膨脹土裂隙發育程度的度量指標;尹小濤等[45]利用基于形態學的圖像處理技術對裂紋進行提取、幾何量測及空間描述,對于推動巖土工程CT圖像的定量化描述具有一定意義;李雄威等[17-18]通過室外數碼成像,基于Matlab軟件二值化像素統計方法對膨脹土表面裂隙的發展規律進行了分析;張家俊等[46]認為單純依靠分析裂隙的光柵圖像是很難具體計算出與裂隙各幾何要素有關的裂隙率的,提出使用矢量圖技術提取及分析裂隙的幾何要素,該方法具有無極縮放、不失真的優點。

1.3.3 分形幾何統計分析

分形幾何是另外一種統計分析方法。胡卸文等[47]研究了黏土體裂隙效應中存在的分形幾何現象,表明裂隙空間展布、極點分布以及土樣強度的尺寸效應均具有分形結構。易順民等[48]將分形理論應用于膨脹土裂隙結構的分形特征的研究中,結果表明,膨脹土裂隙網絡和裂隙形態特征具有很好的統計自相似性,膨脹土裂隙的力學效應特征同膨脹土的抗剪強度指標有很好的相關性。陳尚星[13]利用攝影確定膨脹土裂隙分維數,發現分維數隨裂隙密度和裂隙寬度的增大而增大,并用分形插值法很好地模擬了膨脹土裂隙的細部特征,并結合隨機網絡理論模擬了土體裂隙網絡。包惠明等[49]進一步研究了干濕循環條件下膨脹土裂隙的分形,計算不同循環次數下試樣表面裂隙區的分維數,獲得膨脹土試樣在整個干濕循環過程中的裂隙分維變化規律。目前,分形理論在巖土工程中的應用越來越廣泛,取得了很多的成果,不過大多數的研究僅限于分析巖土體裂隙的分形特征以及分維數與巖土體強度等的相關性,較少涉及基于分形理論的本構關系和強度理論等的研究。

1.3.4 其他分析方法

實際上,裂隙的開展和分布規律非常復雜,具有很強的不確定性,由此袁俊平[3]提出了一個非飽和膨脹土裂隙概化模型,將膨脹土裂隙分布簡化為水平剖面和豎直剖面2個方向不同裂隙網絡的疊加,即對水平剖面上的混亂型裂隙網絡進行等效均化處理,對豎直剖面上各向異性系統型裂隙網絡使用蒙特卡羅方法進行隨機模擬。這一模型為膨脹土裂隙研究開辟了一條有益的新思路。

2 展 望

膨脹土裂隙特征作為裂隙研究的基礎,對膨脹土邊坡穩定性研究有著重要的作用。綜合而言,目前的裂隙特征研究雖然取得了一些進展,但尚未獲得廣泛認同的關鍵成果,建議在以下幾個方面繼續開展研究:①開展裂隙深度量測、統計分析方法及裂隙深度與表面裂隙特征關系的研究;②加強裂隙特征的CT、數碼等圖像獲取方法及裂隙圖像信息處理方法的研究;③由于電阻率和超聲波法等裂隙間接量測方法實用方便,具有良好的前景,建議加強電阻率、超聲波聲速與膨脹土裂隙特征和物理力學性狀之間關系的研究。

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