桂林重塑紅粘土裂隙發(fā)育特性研究

張炳暉，劉 磊，劉寶臣，曾慶建，謝艷華，曹賢發(fā)

(1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；4.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

紅粘土在我國南方地區(qū)大面積分布，被作為路基常規(guī)填筑材料。在南方亞熱氣候降雨和高溫交替形成的干濕循環(huán)環(huán)境中，會顯著影響壓實粘土的開裂程度[1]。干濕循環(huán)下，壓實粘土干燥裂縫的面積率、長度與寬度會隨含水率變化[2]。紅粘土裂隙的存在增大了土體的失水幾率，隨著失水量的增大，紅粘土裂隙率呈逐漸增加的趨勢[3]，而微小裂隙就可以使粘土路基滲透系數(shù)增加10倍以上，稍大裂隙能使路基滲透系數(shù)提高100倍以上[4]，顯著降低了土體的抗?jié)B性能，加劇了雨水的入滲，使土體強度顯著降低[5- 6]。因此，紅粘土對環(huán)境的濕、熱變化非常敏感，作為路基填料時，普遍存在路基沉陷、縱裂、淺層滑塌等病害[7]，造成了巨大的危害和損失。深入研究重塑紅粘土在干濕循環(huán)條件下的裂隙特性，對解決紅粘土地區(qū)道路病害問題極為必要。

我國研究人員在紅粘土的脹縮性、水理性、裂隙性等方面取得了較多成果和突破，而對重塑紅粘土在干濕循環(huán)作用下的裂隙發(fā)育特性有待進(jìn)一步研究。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以桂林地區(qū)重塑紅粘土為研究對象，通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合裂隙分形特征，探究了桂林重塑紅粘土在干濕循環(huán)條件下的裂隙發(fā)育特性。

1 干濕循環(huán)試驗方案

1.1 試驗用土

紅粘土試驗用土取自桂林市區(qū)，為典型紅褐色碳酸鹽巖殘坡積土。對試驗用土進(jìn)行了土的顆粒比重試驗、顆粒分析試驗、液塑限試驗和擊實試驗，得到了試驗用土的物理性質(zhì)指標(biāo)，見表1。原狀土含水率35%，密度1.85 g/cm3。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

結(jié)合本地工程實例，本試驗分別選取最優(yōu)含水率28%及28%±3%為初始含水率ω，分別選取最大干密度ρd為1.35、1.40 g/cm3和1.45 g/cm3。將取回土樣風(fēng)干碾碎處理后過2 mm篩，制備含水率分別為25%、28%、31%的土料，密封養(yǎng)護24 h后，采用靜力壓樣法制備干密度分別為1.35、1.40 g/cm3和1.45 g/cm3，直徑為6.18 cm、高為2 cm的重塑環(huán)刀試樣，每組試樣6個，共9組，制完后置于恒溫保濕箱內(nèi)養(yǎng)護保存。

1.3 干濕循環(huán)試驗

取出恒溫保濕箱內(nèi)完好試樣，將其置于105 ℃烘箱脫濕，烘干時間控制在8 h，直至試樣含水率達(dá)到10%后，停止脫濕，對脫濕后試樣進(jìn)行定點拍攝，獲取裂隙數(shù)字圖像。為避免人為操作誤差，固定每次裂隙圖像的拍攝位置、距離、拍攝角度，并遮擋外界光源。拍攝完成后，將試樣放入飽和器，抽氣時間2 h，加水飽和24 h，飽和完成以備下一循環(huán)烘干脫濕裂隙圖像拍照。本試驗共進(jìn)行5次干濕循環(huán)。

2 試驗成果分析方法

2.1 裂隙圖像處理方法

在裂隙圖像處理方面，徐彬[8]等采用數(shù)字圖像進(jìn)行研究；李雄威[9]等將裂隙圖像二值化處理后進(jìn)行研究。本試驗將裂隙圖像通過直方圖閾值法轉(zhuǎn)化為二值圖像，轉(zhuǎn)化過程中受到圖像噪聲的影響，會產(chǎn)生分布于全圖的雜點，雜點影響裂隙參數(shù)統(tǒng)計的精確度，通過面積篩選等手段去除二值圖像中全局部分的雜點形成去雜后裂隙圖像[10]，消除裂隙圖像中的細(xì)小毛刺并進(jìn)行骨骼化處理[11]，最終得到裂隙骨骼圖像進(jìn)行研究。裂隙圖像處理過程見圖1。

圖1 裂隙圖像處理過程

2.2 裂隙指標(biāo)分析方法

本次重塑紅粘土裂隙發(fā)育特性研究主要選取裂隙率、分形維數(shù)、裂隙總長度以及裂隙平均寬度等指標(biāo)，選取像素單位px作為裂隙面積、長度單位。

(1)裂隙率。裂隙率計算公式如下

(1)

式中，δf為裂隙率；Ai為第i條裂隙的面積；A為總面積。

(2) 裂隙分形維數(shù)。土體裂隙分布符合分形特征[12]，裂隙分形維數(shù)體現(xiàn)了裂隙的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大，裂隙越復(fù)雜。目前，對裂隙結(jié)構(gòu)分形特征多采用盒維法的分形方法進(jìn)行研究[13-14]。本文采用差分盒維數(shù)對裂隙圖像進(jìn)行二值化處理。在Matlab環(huán)境中，通過編寫程序構(gòu)造像素盒子覆蓋裂隙，統(tǒng)計像素盒子的數(shù)量得到盒維數(shù)Nδ(F)，繪制lnNδ(F)-lnδ的散點圖(δ為盒邊長)，并采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程的斜率即分形維數(shù)D，公式如下

(2)

式中，F(xiàn)為n維實數(shù)空間上總體試驗樣品統(tǒng)計量Rn上任意非零有界數(shù)集。

(3)裂隙總長度。利用Matlab軟件對裂隙圖像進(jìn)行骨骼化處理，得到單像素寬度的裂隙骨骼，并消除骨骼圖像中存在的細(xì)小毛刺，得到裂隙總長度。

(4)裂隙平均寬度。裂隙平均寬度W體現(xiàn)了裂隙張開的程度，為裂隙面積A與裂隙長度L之比。

3 試驗成果分析

3.1 裂隙率變化

桂林重塑紅粘土試樣第1次干濕循環(huán)后無明顯表面裂隙，從第2次干濕循環(huán)開始裂隙發(fā)育逐漸明顯，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加裂隙繼續(xù)擴展，裂隙率也隨之增大。裂隙的產(chǎn)生屬于張拉破壞，在第2次干濕循環(huán)中裂隙產(chǎn)生后，平行于裂隙方向的應(yīng)變能繼續(xù)積聚，垂直于裂隙方向的應(yīng)變能得到釋放，當(dāng)張拉應(yīng)力場強度增長超過土體的抗拉強度時，會產(chǎn)生新的裂縫，土體表面會在干濕循環(huán)過程中重復(fù)此過程直到裂隙發(fā)育達(dá)到穩(wěn)定。這一過程中土體的裂隙部分加劇了水分流通，張拉應(yīng)力場發(fā)展也更為快速且劇烈[15]，導(dǎo)致裂隙率大幅增長。

干濕循環(huán)下試樣裂隙率變化見圖2。從圖2可知，5次干濕循環(huán)過程中，所有試樣的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，隨初始含水率的增加而減小。其中，初始含水率ω為25%、28%的試樣裂隙率增長較大，且都存在大幅度增長階段；初始干密度ρ為1.35 g/cm3和1.40 g/cm3的試樣在第2次和第3次干濕循環(huán)裂隙率增長較快，2次的平均增長速率在36.4%～39.4%之間，在第3次裂隙率達(dá)到72.8%～78.8%之間，第4次達(dá)到92.9%～94.9%之間，之后裂隙發(fā)育逐漸趨于穩(wěn)定；初始干密度ρ為1.45 g/cm3的試樣正好與初始干密度ρ為1.35 g/cm3和1.40 g/cm3的試樣表現(xiàn)相反，在第2次和第3次干濕循環(huán)裂隙率增長緩慢，增長速率在16.8%以下，而在第4次到第5次干濕循環(huán)裂隙率增長速度加快，2次的平均增長速率在37.4%～38.3%之間，在第4次裂隙率達(dá)到63.2%～64.6%之間，在這個階段裂隙得到充分發(fā)育，并有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，只是試樣邊緣已經(jīng)開始出現(xiàn)水解現(xiàn)象，給裂隙的統(tǒng)計帶來較大的誤差，因此結(jié)束試驗。

從圖2還可以看出，初始含水率ω為25%、28%的試樣裂隙率隨試樣干密度的增大，最終裂隙率減小，但初始含水率ω為31%的試樣表現(xiàn)并不明顯。出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因為隨土樣的干密度的提高，壓實度變大，孔隙率減小，加濕過程中，僅少量水分進(jìn)入土體內(nèi)部。脫濕過程中，由土體含水率梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力小，土體裂隙發(fā)育減弱[16]。此外，土體干密度大，其粘聚力相應(yīng)增大，土體也不易開裂。可以認(rèn)為，提高土體的壓實度可以有效減少土體的開裂。

采集該養(yǎng)殖場病死雞的病料組織，進(jìn)行細(xì)菌學(xué)診斷，常規(guī)染色鏡檢沒有發(fā)現(xiàn)致病菌存在。將病料粉碎處理接種到常見的幾種培養(yǎng)基上，也沒有出現(xiàn)致病菌生長。采集上述病死雞5份法氏囊病變組織，將其粉碎后，充分研磨，向其中加入適量生理鹽水，經(jīng)過2 000國際單位的青霉素和鏈霉素處理后，離心處理15 min，取上層清液，作為待檢抗原，與法氏囊標(biāo)準(zhǔn)陽性血清做瓊脂擴散試驗[2]，將制備好的平皿加蓋放置于濕盒中37 ℃反應(yīng)48 h，作用48 h后，在陰性對照組和陽性對照組合格的前提下，抗原孔和抗體孔前出現(xiàn)一條清晰的沉淀線。結(jié)合實驗室診斷結(jié)果最終確診為雞傳染性法氏囊病。

圖2 干濕循環(huán)下裂隙率變化

3.2 裂隙分形維數(shù)變化

為便于分析比較，曲線圖縱坐標(biāo)起點設(shè)為1.0，橫坐標(biāo)初始值為第2次干濕循環(huán)。桂林重塑紅粘土試樣干濕循環(huán)下裂隙分形維數(shù)變化見圖3。從圖3可知，試樣裂隙分形維數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，隨干密度ρ和初始含水率ω的增大而減小。第1次干濕循環(huán)中，試樣未出現(xiàn)裂隙，裂隙分形維數(shù)為0；第2次干濕循環(huán)中，裂隙初步產(chǎn)生并逐步擴展，但此次干濕循環(huán)裂隙分形維發(fā)展幅度極大，數(shù)值已均超出1.0，速度極快，已發(fā)展至87.7%～98.0%，此現(xiàn)象主要由分形維數(shù)定義導(dǎo)致，表明裂隙開始產(chǎn)生；而在第3次至5次干濕循環(huán)中，裂隙分形維數(shù)繼續(xù)升高，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 干濕循環(huán)下裂隙分形維數(shù)變化

對比分析干濕循環(huán)下裂隙分形維數(shù)變化和裂隙率變化表明，同一初始含水率、初始干密度的試樣，從第2次干濕循環(huán)開始直至第5次干濕循環(huán)結(jié)束，整個過程中，分形維數(shù)的變化和裂隙率的變化自第2次干濕循環(huán)裂隙產(chǎn)生開始就十分相似和接近。對裂隙率和裂隙分形維數(shù)進(jìn)行PEARSON相關(guān)性分析，得到兩者PEARSON相關(guān)系數(shù)為0.992，說明兩者存在明顯的相關(guān)性，即從第2次干濕循環(huán)開始，隨裂隙率增加裂隙分形維數(shù)增大，試樣表面裂隙分布的復(fù)雜程度也同步增加，且兩者增長幅度相似。

3.3 裂隙總長度變化

干濕循環(huán)下試樣裂隙總長度變化見圖4。從圖4可知，在本試驗選取的干密度及初始含水率范圍內(nèi)，試樣的裂隙總長度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，部分試樣的裂隙總長度在某次干濕循環(huán)過程存在大幅上升現(xiàn)象，其原因是由于裂隙區(qū)域的張拉應(yīng)力場發(fā)展速度快且比較劇烈。相同干密度、初始含水率為31%的試樣，其土體的張拉應(yīng)力場強度較難突破抗拉強度，裂隙總長度增長最小。總體上，裂隙總長度與初始含水率及干密度之間未表現(xiàn)出整體性規(guī)律，但大致規(guī)律可以分為3種：

(1)在干濕循環(huán)過程中，裂隙總長度表現(xiàn)為前期迅速增加，后期逐漸趨向平穩(wěn)，表明裂隙在前幾次干濕循環(huán)過程已經(jīng)基本發(fā)育完全，在后期干濕循環(huán)中基本無新裂隙出現(xiàn)，裂隙面積的增大僅體現(xiàn)在裂隙寬度和深度方向。這種變化規(guī)律集中體現(xiàn)在初始含水率低于或等于最優(yōu)含水率的試樣，包括干密度ρ=1.35 g/cm3，初始含水率ω=25%、28%的試樣；ρ=1.40 g/cm3，ω=25%、28%的試樣；ρ=1.45 g/cm3，ω= 25%、28%的試樣。

(2)在干濕循環(huán)過程中，裂隙總長度增長幅度很小，后期存在稍大長幅，表明裂隙在前幾次干濕循環(huán)中發(fā)育不明顯，在觀測圖中為很淺的細(xì)短裂隙，在后期干濕循環(huán)中裂隙總長度有稍大增長，裂隙面積增大。這種變化規(guī)律體現(xiàn)在較低的干密度且初始含水率大于最優(yōu)含水率的試樣，如ρ=1.35 g/cm3、ω=31%和ρ=1.40 g/cm3、ω=31%的試樣。

(3)在整個干濕循環(huán)試驗過程中，裂隙總長度增長不明顯，僅在第2次干濕循環(huán)中，試樣產(chǎn)生了裂隙，但在隨后的干濕循環(huán)中，裂隙長度增長甚微。這種變化規(guī)律體現(xiàn)在較高的干密度且初始含水率大于最優(yōu)含水率的試樣，如ρ=1.45 g/cm3、ω=31%的試樣。

圖4 干濕循環(huán)下裂隙總長度變化

3.4 裂隙平均寬度變化

干濕循環(huán)下試樣裂隙平均寬度變化見圖5。從圖5可知，全部試樣在第1次干濕循過程中未出現(xiàn)裂隙，在第2次干濕循環(huán)中，除ρ=1.45 g/cm3、ω=8%試樣外，其他試樣均裂隙平均寬度增長速度最快，增長幅度最大。其中，ρ=1.40 g/cm3、ω=28%試樣和ρ=1.45 g/cm3、ω=25%試樣裂隙平均寬度出現(xiàn)峰值。在第3至第5次干濕循環(huán)中，試樣均出現(xiàn)裂隙平均寬度減小的現(xiàn)象，其主要原因為微裂縫發(fā)育所致[17]。總體上，在本試驗選取的干密度及初始含水率范圍內(nèi)，裂隙平均寬度與初始含水率及干密度之間未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性。

圖5 干濕循環(huán)下裂隙平均寬度變化

4 結(jié) 論

本文對干濕循環(huán)作用下桂林重塑紅粘土的裂隙發(fā)育特性進(jìn)行研究，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，選取裂隙率、分形維數(shù)、裂隙總長度及裂隙平均寬度等指標(biāo)展開研究分析，得出結(jié)論如下：

(1)在第1次干濕循環(huán)過程中，試樣僅環(huán)向收縮，裂隙于第2次干濕循環(huán)出現(xiàn)。整體上，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面裂隙發(fā)育，裂隙率、分形維數(shù)、裂隙總長度增大，而裂隙平均寬度發(fā)展無明顯規(guī)律，在干濕循環(huán)過程中存在增大后減小的現(xiàn)象。

(2)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣裂隙率隨初始含水率的增加而減小，分形維數(shù)隨干密度和初始含水率增大而減小，而裂隙總長度、裂隙平均寬度與初始含水率、干密度之間未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

(3)試樣的裂隙率、分形維數(shù)隨干密度及初始含水率增加而降低，且在循環(huán)過程中干密度較高的試樣較晚出現(xiàn)裂隙率大幅增長，說明在試驗干密度和含水率范圍內(nèi)，通過提高土體的壓實度可有效減少紅粘土的開裂。當(dāng)含水率超過土體最優(yōu)含水率達(dá)到31%時，表面裂隙發(fā)育不顯著，降低裂隙效果較明顯。

(4)裂隙率及分形維數(shù)較好的反映了裂隙發(fā)育情況，從第2次干濕循環(huán)開始直至第5次干濕循環(huán)結(jié)束，兩者之間具有較好的相關(guān)性，PEARSON相關(guān)系數(shù)為0.992，可以考慮用分形維數(shù)的大小來衡量試樣表面裂隙分布的復(fù)雜程度。