碾壓膨脹土開裂規律及影響因素試驗研究

韋秉旭,高 兵,黃 震，黎正富

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410004)

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碾壓膨脹土開裂規律及影響因素試驗研究

韋秉旭,高 兵,黃 震，黎正富

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410004)

運用計算機圖像處理和編程技術，對不同壓實度、初始含水率和干濕循環次數影響下膨脹土的表面裂隙的特征進行了描述和定量分析，探討了壓實度、初始含水率和干濕循環次數對膨脹土開裂規律的影響。結果表明：節點個數、塊區個數、裂隙率和分形維數可以用來表征表面裂隙的開裂程度；隨著膨脹土壓實度的增大，裂隙的開裂程度減小；膨脹土的初始含水率為塑限含水率時開裂程度小于最佳含水率時的開裂程度；裂隙的開裂程度隨干濕循環次數的增加而增大，裂隙相關參數的變化率呈減小的趨勢，第1次干濕循環對膨脹土開裂的影響最大，第5、第6次干濕循環對開裂的影響甚微。

道路工程；膨脹土；圖像處理；干濕循環；開裂規律

0 引 言

膨脹土具有脹縮性、裂隙性和超固結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條件下膨脹土裂隙的萌生、發展和貫通，是造成土體松散、降雨入滲等導致土體強度降低的關鍵因素，是膨脹土邊坡滑塌的主要肇因[4]。因此，研究干濕循環條件下膨脹土裂隙的演化規律和影響因素，對于揭示膨脹土邊坡的破壞機制，以及采取合理的工程處治措施尤為重要。

現有對膨脹土裂隙性的研究，多停留于用數值方法模擬裂隙對邊坡穩定性的影響[5-6]及用統計方法描述裂隙與土的抗剪強度和變形特性間的關系[7-8]，存在不少假設和簡化，與實際工程差距較大。近年來，隨著計算機技術的發展，越來越多的研究者選擇運用圖像處理手段對裂隙進行觀測和定量分析。易順民，等[9]依據分形理論研究了膨脹土的裂隙面分維和裂隙網絡分維的力學特征，并指出裂隙力學效應與膨脹土抗剪強度有較好的相關性。袁俊平[10]利用遠距光學顯微鏡對自然條件下的重塑膨脹土的裂隙發育進行動態觀測，利用灰度熵表征裂隙的發育發展程度，指出膨脹土的強度指標與飽和度和裂隙度呈線性關系。張家俊，等[11]通過室內模擬試驗對反復干濕循環作用下的南陽膨脹土進行了裂隙演化規律研究，對矢量圖技術在膨脹土裂隙分析上的應用做出了嘗試。施斌，等[12]在試驗室內研究了黏性土龜裂的發育規律，同時分析了不同溫度的條件對表面裂縫網絡形成的影響及龜裂產生的機理。文獻[9-12]的研究基本上都集中在膨脹土裂隙網絡的定量分析方法，以及干濕循環作用下影響裂隙網絡的幾何特征和結構形態的相關因素方面，而針對膨脹土開裂規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，對不同狀態條件下黏性土干縮裂縫網絡進行了對比分析，探討了聚丙烯纖維對黏性土裂縫的抑制機理，其針對的多是農業和水利工程，通過將土樣制成飽和泥漿后，觀察干縮裂隙的形成和發展過程。但在公路工程中，膨脹土填料須達到一定的壓實度。因此，很有必要針對實際的碾壓膨脹土，分析其開裂規律及影響因素。

在公路路基修筑過程中，壓實度和初始含水率是路基填筑的兩個最主要控制指標。為此，筆者在室內試驗的基礎上，采用計算機圖像處理和編程技術，定量分析和描述了不同壓實度、初始含水率和干濕循環次數條件下的百色地區重塑膨脹土表面裂隙的幾何形態特征，探討了壓實度、初始含水率和干濕循環次數對膨脹土開裂規律的影響。

1 圖像處理

圖1(b)是利用由南京大學研究開發的顆粒及裂隙圖像識別與分析系統[14](PCAS1.0)對圖1(a)進行二值化和去雜點操作所得到的裂隙網絡圖，其中黑色為裂隙部分，白色為被裂隙“切割”成的膨脹土塊區部分。

圖1 裂隙網絡

為了對試件表面的裂隙結構形態進行定量分析和對比，本試驗對18個試件進行了以下裂隙相關參數的動態量測：

1)裂隙的節點個數N和裂隙的條數Nl，其中節點是指裂隙的交點，兩個相鄰節點之間為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)塊區的個數Na、各塊區的平均面積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D。

其中，所有跟面積或者長度相關的參數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雜度，筆者采用盒維數法計算其分維值，即在選定的試件的裂隙區圖像內，用不同尺度ε的方格網進行覆蓋，計算每一次覆蓋時裂隙所占有的格子數目N(ε)，依次類推，最后用式(2)求出分維值：

(2)

式中：a為常數，膨脹土裂隙網絡的分維值D越大，其表面裂隙的分布特征越復雜。

2 試驗方法

2.1 試樣制作

試驗用土為廣西百色地區膨脹土，其主要物理性質如表1。土樣經自然風干、搗碎后過2mm篩。根據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徑尺寸為22cm×22cm×6cm的玻璃容器中，制成壓實度分別為75%，80%，85%，厚度為20mm的土樣，表面用鋼尺抹平，共6組，每組3個平行試件。

表1 土樣物理性質

Table1Thephysicalpropertiesofsoil

性能指標數值性能指標數值 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28 0.005 mm 47.78 最佳含水率/% 17.4 自由膨脹率/% 79

2.2 試驗方案

本次試驗采用恒溫為70 ℃的烘箱對試件進行烘干，當在2 h內土的冷卻質量不再發生顯著變化時，即此次脫濕過程結束。脫濕結束后，用安裝在固定高度三腳架上的SONY DSC-W530光學數碼相機對典型試件表面進行圖像采集。為消除光線亮度不均勻性對采集效果的影響，采集時遮蓋住一切外部光源，僅采用多個方向的LED光源照明。干濕循環的增濕過程采用噴霧器灑水，為保證水霧不對土面造成沖刷，要求噴壺與土面保持0.5 m左右距離。均勻灑水，灑水的持續時間至少1 h以上，直至液限含水率(49.4%)為止，再將試件放進恒濕箱中密封保濕48 h左右，確保試件內部含水率分布均勻。同一組試件在以上相同的條件下進行6次干濕循環操作，測量結果取相應均值。

3 試驗結果分析

3.1 循環次數對開裂的影響規律

膨脹土試件表面裂隙相關參數會隨循環次數的增加而發生改變。以含水率為17.4%土樣為例，進行3個壓實度(75%，80%，85%)下裂隙參數與干濕循環次數的關系比較，結果見表2、表3。

表2 試件的裂隙網絡相關參數隨干濕循環次數的測量結果(壓實度為75%，80%，85%)

表3 試件的裂隙區塊相關參數隨干濕循環次數的測量結果(壓實度為75%，80%，85%)

表2為干濕循環作用下不同壓實度下的土樣表面裂隙網絡相關參數，其中土樣的表面裂隙節點個數、條數及總長度隨干濕循環次數的增加而增加，而裂隙的平均長度與之相反。表3給出了裂隙的區塊參數?？煽闯?，隨著土樣干濕循環次數的增加，區塊平均面積減小，而區塊個數、裂隙率和分形維數逐漸增大，裂隙網絡變得復雜；每一次干濕循環對裂隙的影響程度不同。第1次循環對土樣開裂的影響最為明顯，裂隙參數變化幅度最大，隨后的循環次數對開裂影響逐漸變小，表面裂隙趨于穩定。

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，其脫水過程中會產生失水收縮，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生收縮拉應力。當拉應力大于土體的抗拉強度時，裂隙便開始形成，隨著脫水的進行，土體不斷收縮，裂隙也不斷地擴大。當含水率低于縮限含水率時，土體停止失水收縮，裂隙不再擴大。脫水完成后，向土樣噴水至飽和，土體吸水膨脹導致干縮裂縫部分閉合。再次脫水時，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，從而在土體中產生新的含水率梯度，導致新的裂隙的產生。隨著循環次數的增加，這種過程周而復始，裂隙產生越來越多，土塊的個數也越來越多，尺寸也越來越小，同時較多裂隙貫穿于土體上下面。這樣，再次脫水時，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次循環不再產生新的裂隙。

第6次干濕循環后大部分裂隙參數比第5次干濕循環后的小，這是因為第5次循環后，整個土體特別是裂隙兩側的土體變得松散，裂隙周邊部分松散顆?；涞皆辛严吨?，填補了少量的裂隙，致使裂隙的節點個數、條數、平均寬度、塊區個數、裂隙率和分形維數的測量結果數值上變小。

3.2 壓實度對開裂的影響規律

為說明壓實度對開裂的影響，以含水率為17.4%的土樣為例，進行3個壓實度(75%，80%，85%)下裂隙參數的比較。

從表2、表3可看出，同一循環次數條件下，表面裂隙的節點個數、裂隙條數、總長度、寬度、塊區個數、裂隙率和分形維數均隨著壓實度的增大而減小，而塊區平均面積增大。以第6次循環的裂隙率為例，壓實度為75%，80%，85%的土塊的裂隙率分別為9.87%，7.28%，7.15%，壓實度增加10%，裂隙率減小了27.56%，這表明提高壓實度，可有效地減小土樣的開裂。

究其原因，壓實度增大后，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，壓實度越大的土體，土體上下層含水率梯度越小，相應的結構內部產生的拉應力也越小，使得開裂變得困難。另外，壓實度越大，土體的黏聚力也越大，而抗拉強度與抗剪強度中黏聚力部分相當，因此，壓實度越大，則土樣的抗拉強度也越大，土樣越不易開裂。

3.3 初始含水率對開裂的影響規律

為探討初始含水率對開裂的影響規律。以壓實度為75%的土樣為例，進行了兩個含水率(17.4%，21.4%)下裂隙的比較，結果見表4、表5。

表4 試件的裂隙網絡相關參數隨干濕循環次數的測量結果(含水率為17.4%，21.4%)

表5 試件的裂隙區塊相關參數隨干濕循環次數的測量結果(含水率為17.4%，21.4%)

從表4、表5可看出，在同一壓實度和循環次數的條件下，隨著初始含水率增大，土樣的表面裂隙的節點個數、總條數、總長度、平均寬度、塊區個數、裂隙率及裂隙網絡分形維數均減小。以裂隙率在第6次循環后的結果為例，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。

這是因為在壓實度相同的條件下，膨脹土體的初始含水率越高，其彈性模量越小，在干濕循環過程中，損失或者增加同樣的含水率，其收縮應力或者膨脹應力也越小，導致其開裂程度變小。

從以上研究可看出，裂隙網絡的節點個數越多，則裂隙條數越多，總長度越長，平均長度越小。而對塊區來說，區塊個數越多，其平均面積則越小。盡管描述表面裂隙的裂隙參數很多，且由于每個裂隙參數之間是相互關聯的，因此它們之間都具有其特殊的意義。對于一個裂隙網絡的參數，其裂隙的節點個數可以在一定程度上反映裂隙網絡的基本形態；塊區個數在反映塊區面積變化的同時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律，而分形維數的變化體現的是裂隙的復雜程度和不規則性。因此，對于二維裂隙網絡，其裂隙的節點個數、塊區個數、裂隙率和分形維數可以認為是定量描述二維表面裂隙形態結構和幾何特征的基本指標，可用來描述裂隙的開裂程度，與文獻[13]所得結論一致。

4 結 論

1)隨著循環次數的增加，土體的開裂程度變大。因此，為減小開裂對工程的影響，在采用膨脹土作為填料進行路基填筑時，應及時進行包蓋封閉。

2)同一含水率下，隨著壓實度的增大，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，盡可能的采用較大的壓實度。

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度，但路基運營后，經歷干濕循環其表面產生的裂隙也越多，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的控制含水率。

[1] 鄭健龍,楊和平.膨脹土處治理論、技術與實踐[M].北京：人民交通出版社,2004.

Zheng Jianlong,Yang Heping.Theory and Practice of Expansive Soil Treatment Technology[M].Beijing:China Communications Press,2004.

[2] 劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京：中國建筑工業出版社,1997. Liu Tehong.Expansive Soil Problems in Engineering Construction[M].Beijing:China Architecture & Building Press,1997.

[3] 孫長龍,殷宗澤,王福升,等.膨脹土性質研究綜述[J].水利水電科技進展,1995,15(6)：10-14. Sun Changlong,Yin Zongze,Wang Fusheng,et al.The review of expansive soil properties[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,1995,15(6):10-14.

[4] 韋秉旭.加筋膨脹土路堤穩定性數值模擬研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(6):1347-1352. Wei Bingxu.Numerical simulation of the stability of expansive soils embankment reinforced by Geogrid[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(6):1347-1352.

[5] 袁俊平,殷宗澤.考慮裂隙非飽和膨脹土邊坡入滲模型與數值模擬[J].巖土力學,2004,25(10)：1581-1586. Yuan Junping,Yin Zongze.Numerical model and simulation of expansive soils slope infiltration considered fissures[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(10):1581-1586.

[6] 姚海林,鄭少河,陳守義.考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩定分析[J].巖土工程學報,2001,23(5):606-609. Yao Hailin,Zheng Shaohe,Chen Shouyi.Analysis on the slope stability of expansive soils considering cracks and infiltration of rain[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2001,23(5):606-609.

[7] 楊和平,張銳,鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環脹縮變形及強度變化規律[J].巖土工程學報,2006,28(11):1936-1941. Yang Heping,Zhang Rui,Zheng Jianlong.Variation of deformation and strength of expansive soil during cyclic wetting and drying under loading condition[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(11) :1936-1941.

[8] 楊和平,肖奪.干濕循環效應對膨脹土抗剪強度的影響[J].長沙理工大學學報:自然科學版,2005,2(2):1-5. Yang Heping,Xiao Duo.The influence of alternate dry-wet effect on the strength characteristic of expansive soils[J].Journal of Changsha University of Science and Technology:Natural Science,2005,2(2):1-5.

[9] 易順民,黎志恒,張延中.膨脹土裂隙結構的分形特征及其意義[J].巖土工程學報,1995,21(3):294-298. Yi Shunmin,Li Zhiheng,Zhang Yanzhong.The fractal characteristics of fractures in expansion soil and its significance[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1995,21(3):294-298.

[10] 袁俊平.非飽和膨脹土的裂隙概化模型與邊坡穩定分析[D].南京：河海大學,2003. Yuan Junping.Generalized Model of Fissures Distribution & Slope Stability Analysis for Unsaturated Expansive Soils[D].Nanjing:HoHai University,2003.

[11] 張家俊,龔壁衛,胡波,等.干濕循環作用下膨脹土裂隙演化規律試驗研究[J].巖土力學,2011,32(9):2729-2734. Zhang Jiajun,Gong Biwei,Hu Bo,et al.Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(9) :2729-2734.

[12] 施斌,唐朝生,王寶軍,等.黏性土在不同溫度下龜裂的發展及機理討論[J].高校地質學報,2009,15(2):192-198. Shi Bin,Tang Chaosheng,Wang Baojun,et al.Development and mechanism of desiccation cracking of clayey soil under different temperatures[J].Geological Journal of China Universities,2009,15(2):192-198.

[13] 唐朝生,施斌,劉春,等.影響黏性土表面干縮裂縫結構形態的因素及定量分析[J].水利學報,2007,38(10):1186-1193. Tang Chaosheng,Shi Bin,Liu Chun,et al.Factors affecting the surface cracking in clay due to drying shrinkage[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38(10):1186-1193.

[14] 劉春,王寶軍,施斌,等.基于數字圖像識別的巖土體裂隙形態參數分析方法[J].巖土工程學報,2008,30(9):1383-1388. Liu Chun,Wang Baojun,Shi Bin,et al.Analytic method of morphological parameters of cracks for rock and soil based on image processing and recognition[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(9) :1383-1388.

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