柴油污染粉質黏土干裂隙的特征

倪可，蔡奕，魏乾坤，劉志彬

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柴油污染粉質黏土干裂隙的特征

倪可1，蔡奕1，魏乾坤1，劉志彬2

(1. 同濟大學土木工程學院，上海，200092；2. 東南大學交通學院，江蘇南京，210096)

為了解油品滲漏污染問題對環境巖土工程實踐的影響，以0號柴油污染為例，研究油污粉質黏土干裂隙的特征規律。首先將不同含油率(0，4%，8%，12%)的柴油污染粉質黏土泥漿放入玻璃器皿中進行自然晾干，然后采用Photoshop和ArcGIS等軟件對不同含油率土樣的干裂隙進行數字圖像處理，獲取裂隙平均寬度、裂隙長度、面裂隙率和分形維數等參數。最后分析不同含油率條件下粉質黏土干裂隙發育規律，探討柴油對粉質黏土干裂隙形成與發展作用機理。研究結果表明：與未污染土相比，柴油污染土干裂隙發育較緩慢，且含油率越高，發育越慢；裂隙平均寬度和面裂隙率均隨含油率增加而逐漸減小；柴油進入土中會抑制較長裂隙的發展，形成較短的干裂隙，裂隙的開裂程度隨含油率增大而降低；干裂隙的分形維數隨含油率的增加而減小，分形維數越小，裂隙越不發育；土顆粒間的油膜表面張力和柴油高分子油鏈作用使得粉質黏土的黏聚力增強，抗拉強度增大，干裂隙發育程度低。

柴油；粉質黏土；裂隙；圖像處理；GIS

近年來，隨著加油站數量不斷增加及加油站設施的老化，油品滲漏問題日益突出。由于石油中存在各種烷烴、環烷烴、芳香烴，當油品滲漏進入到土中時會改變土類的材料性能，從而使得土的工程性質發生變化[1?2]，影響巖土工程環境。考慮到油品污染土的工程評價和二次利用，越來越多的學者開始注重其工程性質研究。KHOSRAVI等[3]發現隨著土中含油率(即柴油質量與干土質量的比值)增大，高嶺土的黏聚力變大，內摩擦角和壓縮系數減少。在對受乙醇汽油混合物污染的高嶺土的試驗中，MATTEO等[4]發現隨著汽油含油率增大，土樣的液限不斷減小，但始終大于未污染土的液限。另外，油污土的壓縮系數隨著含油率的增大而先減小后增大，其中當含油率為30%時壓縮系數最小。鄭天元等[5]利用室內擊實試驗研究了柴油污染對土的工程性質的影響，發現柴油污染對土的干密度影響顯著，最大干密度和最優含水率均隨含油率的增大而減小。李梅等[6]對柴油污染的砂土和壤土的滲透性能進行了研究，發現2種土壤在受到柴油污染后滲透性能均有所下降。周杏等[7]研究了柴油污染對上海地區粉質黏土的強度、滲透性和壓縮性影響，指出隨著柴油含量的增大，土的黏聚力先增大后減小，而內摩擦角、滲透系數和壓縮系數則先減小后增大，其轉折點均出現在含油率為0~8%處。土(特別是黏土)失水收縮會產生裂隙，這是一種常見現象。在全球變暖、城市熱島效應和旱澇災害日漸頻發的背景下，土體開裂現象日趨普遍[8]。裂隙的產生和閉合伴隨著土的收縮和膨脹，是土中水分、黏土礦物、有機質等物質之間物理、化學及生物作用的綜合表現，是一個復雜的動態過程[9]。當降水發生時，裂隙成為水運移的有利通道，將導致土體抗剪強度降低，造成邊坡失穩、地基破壞等工程事故[10?12]。正是由于干裂隙對土的工程性質有著重要影響，土的裂隙特征研究越來越受到重視[13]。對土體表面復雜裂隙形態進行定量化描述是研究裂隙的關鍵[8]。早期的裂隙定量分析以現場手工測量為主，但該方法工作效率較低，測量結果易受人為因素的干擾，精度較低[14]。隨著數碼攝影和計算機技術的發展與結合，基于圖像處理的裂隙統計分析方法更加可靠和方便[9]。袁俊平等[15]基于遠距光學顯微鏡觀測系統，將裂隙圖像的灰度熵作為裂隙發育程度的量度指標，為更好地認識裂隙發育規律發揮了重要作用。唐朝生等[14]根據計算機數字圖像處理技術，開發出裂隙圖像處理系統(CIAS)，對土體干縮裂隙網絡進行了定量分析。張家俊等[16]提出可以使用矢量圖技術提取及分析裂隙的幾何要素。目前，針對油品滲漏污染土工程性質研究大都是基于室內常規土工試驗(如壓縮、直剪、滲透等試驗)分析污染程度對土的力學性能的影響，對于污染土的干裂隙研究則較少。為了了解柴油污染粉質黏土的干裂發育過程，本文作者采用數碼攝像和計算機圖像處理技術，基于分形維數和面裂隙率等幾何參數定量地描述土的干裂隙特征，分析不同含油率下柴油污染土的裂隙發育規律，探討柴油在粉質黏土干裂隙形成發展過程中的作用，以便為今后油污土的再利用提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用土選用上海地區的粉質黏土，其工程性質如表1所示。0號柴油為城市加油站常見油品，是有刺激性氣味的淡黃色黏稠液體，不與水混溶，不易揮發。本研究采用該柴油作為污染物質，其性質指標見表2。

1.2 土樣制備

先將取來的試驗用土風干碾碎后過2 mm標準篩，分別稱取干土質量的0，4%，8%和12%的柴油與粉質黏土混合，配置成相應含油率的試驗油污土樣(共4類)。為了確保試驗結果的可靠性，本研究中，每類土樣均開展3組平行試驗。含油率為0時的土稱為素土，其余稱為油污土。因為含油率過大，加水后油會從土中分離出來，故本文選擇12%作為最大試驗含油率。充分攪拌后的土樣置于長×寬×高為20 cm×20 cm×3 cm的無蓋有機玻璃容器中，按液限配置土樣泥漿，充分震蕩攪拌均勻。在攪拌過程中速度要盡量緩慢，避免泥漿中進入氣泡從而影響試驗結果。再將裝土的容器置于密封絕緣塑料袋中靜置以確保泥漿沉積穩定，穩定后取出玻璃容器放置于室內自然晾干(溫度為15 ℃)。由于本研究的重點在于弄清表層油污土干裂隙，所以，泥漿試驗的厚度采用5 mm。

表1 試驗用土的工程性質

表2 試驗用柴油物理化學性質

Table1 2 Physical and chemical properties of diesel

1.3 裂隙圖像采集

試驗使用分辨率為3 264×2 448(800萬像素)的相機采集土的干縮裂隙圖像。晾干初期，每隔12 h照拍1次。在土樣出現干縮裂隙后，每隔6 h拍1次并測定土樣質量(精確至0.01 g)。當前、后2次試樣質量變化小于0.3%時，認為裂隙發育完全[17]，試驗結束。

采集圖像時，土樣放置在相機正下方固定位置，以保證所有照片高度一致。拍攝時使鏡頭主光軸與拍攝面保持垂直以真實地反映裂隙的形態，使圖像能真實記錄整個干燥過程，也避免因前、后圖像差異過大而影響試驗結果。由于閃光燈會造成拍攝曝光不均勻現象，要避免使用閃光燈[18]。

2 裂隙參數確定與提取

2.1 裂隙指標確定

裂隙的定量研究通常建立在對裂隙幾何參數的量測基礎之上[19]，因此，本研究使用裂隙平均寬度、裂隙長度、面裂隙率這3個常見幾何參數來反映油污土裂隙開裂狀況。裂隙寬度是指裂隙張開的寬度，在研究中將每條裂隙視為等寬度的，計算其平均值。裂隙平均寬度越大，裂隙對土體影響的范圍和深度越大。面裂隙率是裂隙面積與總面積的比值，定義為單位面積上的裂隙面積。該指標可以直觀反映出土的開裂程度，公式如下：

(2)

式中：為分形維數；為正方形網格的邊長；()為裂隙穿過的網格數目。

2.2 圖像預處理

通過圖像處理軟件Adobe Photoshop，對采集的裂隙圖像進行預處理。處理步驟分為裁剪、二值化、除噪等步驟。考慮到玻璃容器尺寸邊界對裂隙形態研究的影響，需對采集的圖像進行裁剪。依據以往的研 究[18?20]，應挑選成像質量較好且無干擾的土樣中央位置作為裁剪區域。本次研究通過多次試驗發現，選取圖像中間12 cm×12 cm部分(虛線框內部分)可以得到質量較好的裂隙圖像。再將裁剪后的彩色圖像轉為灰度圖像，選取適當的灰度閾值對圖像進行二值化處理。最后，對圖像進行除噪處理，即去除圖像中非裂隙區域的黑色雜點(噪點)。圖1所示為裂隙圖像預處理結果。

2.3 裂隙特征指標提取

鑒于GIS在水系和土顆粒形態上的應用[23?26]，本研究采用ArcGIS軟件提取土樣干裂隙的幾何參數并計算其分形維數。具體操作如下：首先，將預處理圖像導入ArcGIS中，利用ArcToolbox中柵格轉面功能將圖像矢量化，在矢量圖形中進行幾何計算，獲取裂隙面積和周長等幾何參數。再使用ArcToolbox創建魚網工具自動生成網格。根據式(2)，要計算裂隙分形維數，需設定網格單元從而確定裂隙穿過的網格數目。本研究中，選擇為2，3，…，16像素分別進行計算。為8和16像素時的網格創建結果見圖2。在ArcGIS中，將裂隙圖層和網格圖層進行疊加分析，統計不同設定網格下網格的數目，圖3所示為素土裂隙分形維數計算圖。從圖3可以看出：15個點的連線趨于1條直線，這說明裂隙具有很好的分形特征。圖3中直線斜率即為所求的分形維數。

(a) 裁剪前；(b) 裁剪后；(c) 二值化；(d) 除噪后

(a) 網格單元尺寸為16像素；(b) 網格單元尺寸為8像素

圖3 素土的裂隙分形維數計算圖

3 試驗結果與分析

3.1 油污土裂隙發育過程

裂隙的發育是一個復雜的動態過程。為了了解柴油污染對裂隙的發育過程的影響，本試驗對不同含油率土樣的干裂隙圖像特征進行研究。

主裂隙一般是在土失水干縮初期，從易產生應力集中的區域出現。這些應力集中區域有時也稱作微裂隙[27]或表面弱點[28?29]。隨著干燥持續進行，主裂隙在土體表面自由地伸展，在縱向深度上也不斷延伸。由于受相鄰裂隙的影響較小，主裂隙較易擴展，相對較長。次級裂隙從主裂隙中間部分產生，沿著主裂隙近似垂直方向發展。次級裂隙通常發育遲緩，易受相鄰主裂隙影響，其寬度比主裂隙的寬度小。

圖4和圖5所示分別為素土和含油率為8%油污土的裂隙發育過程。在風干過程中，素土產生的主、次裂隙如圖4(d)中標注所示。從圖4和圖5可以看出：在晾干24 h后，素土和油污土均沒有產生主裂隙；晾干30 h后，素土已產生主裂隙，將土樣表面切割成較大的區塊；油污土主裂隙在應力集中區域(如圖5(b)和(c)中箭頭所示)出現但不明顯；晾干90 h后，素土的主裂隙進一步發展，并已形成次級裂隙，最初主裂隙形成的較大區塊被進一步分割成較小區塊；油污土也產生明顯的主裂隙與次級裂隙。晾干120 h后，素土主、次裂隙變化不大；油污土則出現更多次級裂隙。再延長晾干時間，油污土主次裂隙的變化也不明顯。

通過比較發現，油污土裂隙發育趨勢和素土基本類似，大致可分為3個階段：初始發展階段、快速發展階段、緩慢發展階段。在初始發展階段，以產生主裂隙為主，其將土表面分成較大區塊。在快速發展階段，土表面主裂隙發展的同時產生較多次級裂隙并將其切割成較小區塊。在緩慢發展階段，土表面主、次級裂隙的數量與長度不再發生變化，但裂隙的寬度逐漸增大，直至達到最終穩定狀態。

不同含油率的土樣干裂隙在各時段的發育情況也不盡相同。隨著含油率增大，裂隙發展過程呈現減慢趨勢。在相同條件下，含油率小的粉質黏土干裂隙發展較快。在本次實驗條件下，素土的裂隙大約4 d到達穩定狀態，而含油率12%的油污土的裂隙需要6 d左右才能穩定。

3.2 不同含油率油污土裂隙幾何參數

圖6所示為晾干120 h后各含油率土樣干裂隙圖像，此時裂隙發育均已穩定。從圖6可以看出：當含油率較低(如含油率為0和4%)時，干縮裂隙多以順直長裂隙為主，被裂隙分割的區塊較大；而較高含油率下(如含油率8%和12%)，黏土干裂隙則以曲折短裂隙為主，被裂隙分割的區塊相比也較小。

圖7所示為不同含油率下裂隙平均寬度。從圖7可以看出：本研究中素土的裂隙平均寬度比油污土的大；當含油率從0增大到12%時，裂隙平均寬度從 2.09 mm逐漸減小至1.60 mm；含油率為8%的油污土干裂隙的平均寬度與含油率為4%的平均寬度減少了14.28%，變化幅度最大。從裂隙平均寬度可以看出：隨含油率增大，土體的開裂程度會降低。

隨著裂隙發育，主、次級裂隙的長度也不斷增大。為了說明不同含油率土樣各級裂隙長度的變化規律，本研究采用ArcGIS提取了主、次級裂隙的長度。結合試驗所用容器尺寸、圖像處理區域及裂隙寬度，本研究將裂隙分為3類：長裂隙(長度＞6 cm)、中等裂隙(長度為3~6 cm)及短裂隙(長度＜3 cm)。表3所示為晾干120 h后不同含油率條件下粉質黏土干裂隙分布情況。從表3可以看出：隨含油率增大，土樣的長裂隙數量減少，短裂隙數量增多，而中等裂隙數目呈現先增大后減小的趨勢；當含油率為12%時，只有中、短裂隙發育。

晾干時間/ h：(a) 24；(b) 30；(c) 90；(d) 120

晾干時間/ h：(a) 24；(b) 30；(c) 90；(d) 120

含油率/%：(a) 0；(b) 4；(c) 8；(d) 12

圖7不同含油率下裂隙平均寬度

面裂隙率從總體上反映土表面的開裂程度。圖8所示為含油率與面裂隙率的關系。從圖8可以看出：粉質黏土的面裂隙率隨含油率的增大逐漸減小；當含油率從4%增加到8%時，面裂隙率下降幅度最大；當含油率從8%提升到12%時，面裂隙率減小3.82%，幅度最小。其變化趨勢與裂隙平均寬度的變化趨勢大致相似，這也符合土體面裂隙率與裂隙平均寬度存在正相關性[14]這一結論。

表3 晾干120 h裂隙的分布

Table1 3 Fracture distribution after air drying 120 h

圖8 含油率與面裂隙率關系

3.3 不同含油率油污土裂隙分形維數

分形維數能夠評價土樣干裂隙發育程度，分形維數越大，則裂隙越發育。本研究通過分析干裂隙分形維數與含油率的關系，探究柴油含量對裂隙發育程度的影響。

通過試驗發現：隨著土樣中裂隙的不斷產生，裂隙的分形維數逐漸變大。很多研究表明，基質吸力是引起土體開裂的主要因素之一[27, 30]，而基質吸力與含水率密切相關。當含水率隨干縮時間的增長而降低時，非飽和土的基質吸力增加，進而使得土體中產生裂隙。現有研究[10, 31]發現土樣表面裂隙的分形維數隨含水率的降低而逐漸變大，失水量越大，裂隙越發育，干裂隙形態也變得越復雜、越不規則。圖9所示為晾干120 h(即裂隙發育穩定后)不同含油率土樣干裂隙的分形維數。從圖9可見：隨著含油率由0增加至12%，分形維數從1.54逐漸降低至1.50。本研究中，從不同含油率下土樣干裂隙分形維數可以看出，油污土的干縮裂隙發育程度比素土的低。這也從側面說明柴油在粉質黏土里能抑制開裂，阻礙裂隙發育。

結合裂隙的幾何形態，柴油的摻入會使得中小裂隙數目增多，裂隙發育程度降低，分形維數變小；而素土在晾干過程中易形成長裂隙，裂隙分布較雜亂，分形維數較大。此外，由于土體的完整性和均一性會隨裂隙發育被破壞，土體的抗剪強度會產生各向異性特征[13]。含油率越大，分形維數越小，粉質黏土裂隙發育程度越低。所以，與素土相比，裂隙發育程度較低的油污土在土體整體性上可得到一定程度加強，從而對土體的工程穩定性也有一定提升。

圖9 不同含油率油污土干裂隙分形維數(晾干120 h后)

4 機理分析

油污土干裂隙的產生和發育是一個十分復雜的過程。在未形成裂隙前，油污土是由土顆粒、水以及柴油組成的三相體；裂隙產生后，油污土屬于水、油、土顆粒以及氣體組成的四相體。本研究將從裂隙形成前、后各階段來討論柴油對粉質黏土干裂隙形成與發展的作用機理。

裂隙產生前，油污土是油、水及土組成的三相體。柴油的摻入使得粉質黏土的結構組成發生了變化，這對油污土材料性能影響較大[1?2]。由于土顆粒表面覆蓋油層，薄油膜引起的表面張力使得土粒間產生一定的吸力，增強了土顆粒間的聯結作用，從而導致油污土黏聚力增大，這與KHOSRAVI等[3]的研究結果一致。同時，柴油高分子的油鏈作用將土顆粒連接在一起形成網狀結構，增大了土顆粒之間的連接力，因此，油污土中的柴油使土的顆粒間作用力加強。依據Griffith破裂理論，MORRIS等[27]認為土粒間的孔隙可以看作是一種微裂隙，宏觀裂隙是由這些微裂隙在荷載作用下開裂擴展產生的。所以，與素土相比，孔隙率較小的油污土較難開裂。

隨著土樣持續晾干，裂隙產生。油污土處于非飽和狀態，使土中孔隙水壓力呈現負值，負孔隙水壓即為基質吸力。根據非飽和土力學，非飽和土的氣?液相交界面(結合水膜)的性質既不同于水的性質，也不同于氣體的性質，是影響這類土性質的關鍵因素。一般認為非飽和土中基質吸力的產生源于結合水膜的表面張力。隨著干燥過程的持續，土中基質吸力逐漸增大，使得土顆粒之間相互靠攏，進而造成孔隙比減小，宏觀上表現為土體積收縮。由毛細管模型可知，非飽和土的基質吸力取決于結合水膜的曲率半徑且與之成反比(水的表面張力在一般情況下可以認為不變)。而此曲率半徑主要又取決于土體孔隙。孔隙直徑越大，則結合水膜的曲率半徑也越大。柴油與土粒之間的相互作用使得油污土顆粒團聚，顆粒間及團粒內孔隙尺寸增大[32]，基質吸力較小，開裂后裂隙發育緩慢。

裂隙發育穩定后，隨著含油率增大，裂隙平均寬度逐漸減小，這可能是柴油高分子與土顆粒間的包裹、連接作用阻礙裂隙寬度擴大所致。隨著含油率變大，長裂隙數目減少，中短裂隙數量增多，這可能是由于柴油的存在增大了土的抗拉強度。當土的抗拉強度超過干燥收縮產生的拉應力時，土體難以產生干裂隙，所以，高含油率的油污土將以中短裂隙為主。干裂隙平均寬度減小，長裂隙數目減少，表明土表面開裂程度下降，所以，面裂隙率會隨含油率的增大而減小。此外，裂隙寬度越小，意味著水分散失通道越小，土體水分蒸發的速率越慢，土體越難失水；同時，失水過程中產生的拉應力越低[28]，越難產生裂隙，這會造成油污土裂隙發育進程比素土滯后，發育速度緩慢。

分形維數可以評價土樣干裂隙發育程度。隨著晾干時間增長，裂隙發展漸趨于穩定，分形維數逐漸增大。當干裂隙發育穩定后，其分形維數會隨著含油率增大而減小。這是因為隨著柴油進入土中，土的黏聚力增大，抗拉強度增大，裂隙較難發育；含油率越高，長裂隙較少，干裂隙發育程度降低，分形維數減小。因此，油污土干裂隙的發育程度與開裂程度隨含油率的變化呈現相同的趨勢。干裂隙發育程度和開裂程度較低的油污土與素土相比，在土體整體性和穩定性方面有了一定提高，今后可將油污土用于堤壩、路基、擋土墻回填、儲油罐基礎及停車場頂層鋪料，實現油污土工程再利用。

5 結論

1) 與素土干裂隙的發育趨勢相似，油污土干裂隙發育過程大致分為3個階段。油污土干裂隙發育進程明顯滯后于素土的干裂隙發育進程。隨著含油率增大，裂隙發展進程逐漸減慢。當含油率較小時，干裂隙多以順直的長裂隙為主，土體表面被切割形成較大區塊；當含油率較大時，干裂隙以曲折的短裂隙為主，土體表面被分割形成的區塊也較小。

2) 隨著柴油含量從0增加到12%，柴油污染土干裂隙平均寬度由2 mm減小至1.6 mm。隨柴油量的增大，面裂隙率逐漸減小，其變化趨勢與裂隙平均寬度的變化趨勢大體相似。隨含油率增大，油污土的長裂隙數量明顯減少，中短裂隙的數量增多。柴油污染土的開裂程度隨含油率增大而降低。

3) 隨著晾干進行，裂隙不斷發展并趨于穩定，分形維數逐漸增大。隨著含油率由0增加至12%，分形維數從1.54減小到1.50。分形維數越大，裂隙發育程度越高。油污土與素土相比，干裂隙的發育進程緩慢，發育程度較低。

4) 由于土顆粒間的油膜表面張力和柴油高分子的油鏈作用，油污土的黏聚力和抗拉強度增大，裂隙發育程度降低。因柴油入滲阻礙土體干裂隙的發展，使其在整體性、穩定性等方面有一定提升，今后可考慮將其應用于工程實踐中。

本次是針對油污土裂隙形態的初步研究，只涉及油污土表面裂隙發育特征。在今后的研究中，需進一步考慮油污土垂向裂隙發育特征，分析不同容器尺寸對油污土裂隙研究的影響。

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(編輯 陳燦華)

Characteristics of air-dried cracks of silty clay contaminated by diesel oil

NI Ke1, CAI Yi1, WEI Qiankun1, LIU Zhibin2

(1. School of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to figure out the effect of oil seepage pollution on environmental geotechnical engineering practice, the influence of No.0 diesel on air-dried cracks of clay soil was studied in the investigation. Firstly, laboratory tests were conducted to simulate the air-dried process of soil contaminated by diesel oil at different oil contents (0, 4%, 8% and 12%). Then, digital images of soil cracks were processed with softwares such as Photoshop and ArcGIS to obtain fractal dimension and common morphological parameters (e.g. average crack width, crack length and surface crack rate). Finally, the development trend of the cracks for different oil contents was analyzed and the mechanism of diesel oil acting on the fracture’s formation and development was discussed. The results show that crack development of oil-contaminated soil is similar to that of unpolluted soil. While diesel oil content increases, the development process of the cracks becomes slow. Moreover, both average crack width and surface crack rate decrease gradually with the increase of oil content. The presence of oil can hinder the formation of long cracks from running though the soil body and consequently promote the development of shorter fissures. Fractal dimension decreases with the increase of oil content, which means that fracture development is not good for the soil contaminated by diesel oil. Surface tension of oil film between soil particles and the polymer oil chains of diesel oil increases the cohesion and tensile strength of soil, and as a result, it makes cracks not easy to develop.

diesel oil; silty clay; crack; picture processing; GIS

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.028

TU44

A

1672?7207(2017)05?1335?09

2016?07?10；

2016?09?11

國家自然科學基金資助項目(41202192，41272311)；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目(2013-1792)；同濟大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(20132055) (Projects(41202192, 41272311) supported by the Natural National Science Foundation of China; Project (2013-1792) sponsored by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education; Project(20132055) supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities)

蔡奕，博士，副教授，從事土體工程性質研究；E-mail: caiyi@tongji.edu.cn