干濕循環作用下膨脹土裂隙發育規律及影響因素

譚 波, 徐 良, 2, 倪秋奕, 潘政安, 李亞奇

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院; b.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2.海安市城建開發投資集團有限公司，江蘇 南通 226000;3.廣西師范大學 教育學部, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

在膨脹土邊坡失穩破壞現象中發現, 有中、弱膨脹土的邊坡比有強膨脹土的邊坡破壞更為嚴重的情況, 這往往與膨脹土裂隙發育密切相關[1]。當中、弱膨脹土邊坡裂隙發育程度大于強膨脹土, 或者裂隙發育深度更深形成較大滑面時, 則導致更為嚴重的邊坡滑塌現象, 說明膨脹土邊坡滑塌的危害性與裂隙發育更為緊密, 而有時膨脹土脹縮強弱等級與裂隙發育程度并不一致[2]。因此, 研究膨脹土裂隙發育規律及控制因素很有必要。

國內外學者針對膨脹土裂隙發育展開了大量的研究[3-9]。殷宗澤等[10]認為, 裂隙發育是膨脹土邊坡失穩的重要原因, 其失穩機理在于, 膨脹土在經歷干濕循環后裂隙發育, 降低了土體強度; 許錫昌等[11]認為環境溫度是影響膨脹土開裂的外部因素之一, 初始含水率和干密度是影響膨脹土開裂的重要內部因素; 冷挺等[12]認為干濕循環次數和含水率是膨脹土裂隙發育的主要影響因素; 劉平等[13]考慮溫度、蒸發速率、鹽分等因素的影響, 從微觀角度研究和探索土的干縮開裂機理; Dixon等[14]認為由于受核廢料衰變過程中產生的熱量影響, 在一定區域中會形成溫度梯度, 造成水分運移, 從而造成膨潤土的不均勻干縮甚至開裂; 李國維等[15]認為膨脹土裂隙沿深度方向的開裂速率與大氣溫度和大氣濕度分別呈現正、負相關關系; 李彥龍等[16]認為增大壓實度能有效地抑制裂隙在長度和寬度上的開展并減少裂隙條數, 尤其是對具有中、高自由膨脹率的膨脹土, 進而有效地降低表面裂隙率; 趙艷林等[17]認為除縮限外, 其余脹縮性指標隨干濕循環次數的增加發生衰減; 董東等[18]認為, 裂隙發育影響膨脹土的強度, 裂隙發育的膨脹土抗拉強度低于裂隙不易發育的膨脹土的抗拉強度; 董晉鵬等[19]認為,無論試樣裂隙充填與否,其抗拉強度都受裂隙傾角的影響, 隨著裂隙傾角的增加, 充填與非充填試樣的抗拉強度逐漸呈現下降趨勢。上述大多是基于一種土樣進行研究, 很少有對幾種土樣進行對比研究，這樣就難以解釋膨脹土脹縮強弱等級與裂隙發育程度不一致的現象, 使得預測膨脹土邊坡滑塌程度的問題缺乏理論指導和依據。

本文以廣西寧明灰黑色膨脹土、寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土4種典型膨脹土為研究對象, 通過開展干濕循環下的裂隙發育試驗, 采用CT掃描、圖像數字處理等技術手段, 并結合土性指標分析、土體微觀結構分析、宏觀力學指標分析, 探索膨脹土裂隙發育的影響和控制因素, 從不同的角度揭示膨脹土裂隙發育規律, 以期為今后膨脹土工程判別方法中合理考慮土體裂隙性提供參考依據。

1 裂隙觀測試驗與定量描述

1.1 試驗用土

試驗用土樣分別取自南友高速公路寧明出口支線的寧明灰黑色膨脹土和灰白色膨脹土，南寧外環線五塘鎮的K20+200—K29+700路段南寧膨脹土，以及隆百高速公路四塘互通百色膨脹土。4種土樣基本土性見表1[2]，對比其膨脹勢: 百色膨脹土>南寧膨脹土>寧明灰白色膨脹土>寧明灰黑色膨脹土。

表1 試驗膨脹土的基本土性

1.2 干濕循環條件下的裂隙發育試驗

土樣經風干碾碎后過2 mm篩, 初始含水率控制為10%, 干密度控制為1.55 g/cm3, 制備10份三軸試樣, 其底面積為61.8 mm2, 高度為125 mm。采用室內方法對試樣進行增濕與脫濕, 用抽氣法進行飽和增濕, 增濕過程為12 h，然后將其置于恒溫恒濕箱(溫度105 ℃，濕度65%)中進行風干脫濕，由于試樣24 h脫濕后裂隙發育達到穩定, 故設置脫濕時間為24 h。從試樣的飽和增濕至風干脫濕為1次干濕循環, 對1次干濕循環后的試樣再抽氣飽和再失水即為2次干濕循環, 依此類推。考慮到土體在自然條件下經歷多次干濕循環后一般會開裂破碎, 查閱相關文獻，共進行5次無約束條件下的干濕循環室內試驗來觀測土體隨干濕循環次數的裂隙發育規律。本次試驗的缺陷在于：4種土樣在相同的控制環境下進行干濕變化, 由于土性的差異, 每種土樣的水分變化是不一樣的，而裂隙發育程度與水分變化之間是相關的[4]。因此, 本次試驗對于裂隙發育程度的判斷是僅基于相同環境變化條件, 并非基于含水率變化條件，該試驗方法評判出來的發育程度與工程實際更為接近, 可作為參考依據。

1.3 CT掃描試驗

使用桂林市某醫院放射科亞螺旋CT掃描儀(圖1)對每次風干脫濕后的三軸試樣進行橫向斷面掃描, 獲得內部裂隙發育圖像。其分辨率為1 μm, 觀測精度為5 μm, 掃描斷面間距為2.5 mm, 每個試樣每次共獲得20張CT縱斷面圖像。

圖1 亞螺旋CT掃描儀

1.4 裂隙定量描述

裂隙定量描述的目的是尋找合適的指標用以描述裂隙發育的幾何特征。目前, 以平面裂隙率作為膨脹土裂隙發育量化指標的應用較為普遍,不少學者已通過數碼相機高清拍照觀測和計算機圖像數字化處理技術來獲取膨脹土裂隙率指標[20]，但平面裂隙率不能描述裂隙向土體內部的發育情況。因此, 本文提出基于CT掃描技術下的體積裂隙率

式中:Pv為體積裂隙率;vi為每條裂隙所占的體積;V為試樣的總體積。由于很難實現非常精準的測量, 可通過平面裂隙近似得到體積裂隙率, 提出以下近似計算公式

式中：δi為斷面裂隙率;hi為斷面間距。斷面間距越小, 計算結果越接近于裂隙體積與總體積的比, 而斷面裂隙率可通過CT掃描所獲得的斷面裂隙圖像并借助MATLAB圖像處理功能計算分析得到, 處理流程見圖2。可見, 以體積裂隙率作為裂隙定量描述指標較以往的平面裂隙率更加全面。

圖2 斷面裂隙率計算程序圖

2 膨脹土裂隙發育試驗結果及分析

通過CT掃描獲得寧明灰黑色膨脹土、寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土和百色膨脹土4種土樣在歷經不同干濕循環條件下的斷面裂隙圖像(圖3～6,掃描間距2.5 mm,其中CT縱斷面掃描圖像均為中間斷面),試樣的體積裂隙率數據經處理后得到圖7。

圖3 寧明灰黑膨脹土不同干濕循環條件下裂隙發展

圖4 寧明灰白膨脹土不同干濕循環條件下裂隙發展

圖5 南寧膨脹土不同干濕循環條件下裂隙發展

圖6 百色膨脹土不同干濕循環條件下裂隙發展

圖7 膨脹土不同干濕循環下的體積裂隙率

寧明灰黑膨脹土、寧明灰白膨脹土、百色膨脹土干濕循環下的體積裂隙率均隨干濕循環次數增加呈增大的趨勢, 南寧膨脹土除第4次干濕循環過程中的體積裂隙率偏小外, 整體呈增長趨勢。4種膨脹土干濕循環下的體積裂隙率大小比較為: 寧明灰黑膨脹土>百色膨脹土>南寧膨脹土>寧明灰白膨脹土, 而對比4種膨脹土的基本土性(表1), 膨脹勢比較為: 百色膨脹土>南寧膨脹土>寧明灰白膨脹土>寧明灰黑膨脹土, 其中, 寧明灰黑膨脹土為弱膨脹土, 體積裂隙率卻較其他3種膨脹土大, 與膨脹勢越大裂隙越發育的結論不完全一致, 說明膨脹勢反映膨脹土裂隙發育程度是不全面的, 膨脹土裂隙發育規律可能與其他影響因素有關。

3 膨脹土裂隙發育影響因素分析

3.1 基本土性指標及物理化學性質指標

從描述土性的基本指標、顆粒組成、礦物成分以及物理-化學性質指標來分析與裂隙發育程度的相關規律。目前所用到的描述膨脹土的基本土性指標, 描述脹縮變形的如比表面積、體積收縮率、自由膨脹率指標, 描述膨脹土的物理-化學性質指標如蒙脫石含量可能與裂隙發育程度無明顯相關性。寧明灰黑色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著比表面積的增大而減小, 但寧明灰白色膨脹土無此規律。寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著體積收縮的增大而減小, 但寧明灰黑色膨脹土無此規律。寧明灰白色膨脹土、寧明灰黑色膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著自由膨脹率的增大而增大, 但南寧膨脹土無此規律。寧明灰白色膨脹土、南寧膨脹土、百色膨脹土的體積裂隙率隨著蒙脫石的增大而減小, 但寧明灰黑色膨脹土無此規律。

3.2 微觀結構特征

微觀物質成分與微觀結構特征是巖土內在的固有屬性, 是控制膨脹土特殊工程性質的決定性因素, 與脹縮特性有著密切關系。根據譚羅榮等[21]對膨脹土微觀結構特征與工程、力學性質間的關系的研究, 本文針對上述4種重塑膨脹土試樣進行了電鏡掃描，結果如圖8所示, 并通過分析其微觀結構形態與特征, 探尋微觀結構特征與裂隙發育的規律。各類膨脹土電鏡圖像的微觀結構形態與特征分析見表2。

表2 膨脹土的微觀結構形態及特征

圖8 膨脹土掃描電鏡圖

3.3 抗拉強度指標

通常情況下土體的抗拉強度比較小, 實際工程中很少涉及, 但對于膨脹土而言, 該指標對于控制裂隙發育具有十分重要的意義。目前, 土體抗拉強度指標的測試存在一定困難, 也沒有專門用于測試土體抗拉強度的試驗儀器。本文采用劈裂試驗進行4種膨脹土抗拉強度測試, 考慮到土體含水率對其強度的影響, 將4種土樣按初始含水率為10%、干密度為1.55 g/cm3擊實制樣, 制樣圓柱體底面積為63.5 mm2, 高度為101 mm。劈裂試驗在自動馬歇爾試驗儀上進行, 加載速率為50 mm/min, 測定精密度為10 N, 試樣以恒定的速率加載直至破壞。土體抗拉強度σt為

σt=2P/(πhd),

式中:P為徑向所施加的最大荷載,h、d分別為圓柱體試樣的高度和直徑。每組4個試樣, 按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)要求處理誤差, 結果見表3。

表3 膨脹土抗拉強度與體積裂隙率的關系

土體含水率過高或過低時, 其抗拉強度值很低，影響測試精度, 故試樣含水率可在10%～18%內選取[18]。本次試驗采用土樣含水率為10%，基本位于4種土的縮限附近, 可代表脫水后土體的最終狀態, 因而考察10%含水率下4種土的抗拉強度與膨脹土的裂隙發育程度的關系，得到的規律見圖9。

圖9 不同干濕循環次數的膨脹土抗拉強度與體積裂隙率的關系

第1和第5次干濕循環下膨脹土裂隙發育可分別代表裂隙的初始開裂程度和最終開裂程度。可見，寧明灰黑膨脹土抗拉強度小, 體積裂隙率最大, 裂隙發育程度大; 寧明灰白膨脹土抗拉強度大, 體積裂隙率最小, 裂隙發育程度小, 說明重塑膨脹土抗拉強度與裂隙發育程度有較好的相關性。體積裂隙率Pv與膨脹土的抗拉強度σt呈良好的對數關系, 即

Pv=Elnσt+F,

其中:E、F為試驗參數。

4 結 論

本文針對廣西4種典型膨脹土進行干濕循環條件下的裂隙發育試驗, 通過裂隙觀測與定量描述方法, 對比4種膨脹土裂隙發育程度與脹縮強弱等級有不完全一致的現象, 并結合土性指標、土體微觀結構、宏觀力學指標分析研究膨脹土裂隙發育規律和影響控制因素, 得到以下結論:

(1)通過觀測膨脹土干濕循環下的裂隙發育, 并提出體積裂隙率作為量化指標, 定量描述膨脹土裂隙發育規律。在干濕循環作用下, 4種膨脹土體積裂隙率均隨干濕循環次數增加而增加, 比表面積、體積收縮、自由膨脹率、蒙脫石含量等指標與膨脹土脹縮強弱程度有關。

(2)膨脹土微觀結構特征是裂隙發育的重要影響因素, 不同的微觀結構特征裂隙發育程度有所不同, 閉式絮凝狀結構的裂隙發育程度最大。

(3)重塑膨脹土宏觀抗拉強度與裂隙發育程度呈良好的相關性, 抗拉強度大, 裂隙發育程度小, 較低含水率(10%)下的抗拉強度與干濕循環試驗下得到的初次裂隙率和最終裂隙率均呈較好的對數關系:Pv=Elnσt+F, 可為今后膨脹土裂隙發育程度的預測提供參考依據。

本文從不同角度揭示了膨脹土變形規律, 但關于裂隙發育的內在機理仍需要進一步開展相關研究。