粒度組成對紅黏土干縮裂隙影響

何岱洵, 張家明, 陳 茂, 龍鄖鎧

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 昆明 650500)

紅黏土是熱帶、亞熱帶重要的特殊土，是母巖經(jīng)歷炎熱多雨氣候作用后形成的風(fēng)化產(chǎn)物，因富含游離氧化鐵等膠結(jié)物，表觀上呈紅色[1]。紅黏土廣泛分布于我國廣西、湖南以及云貴地區(qū)[2]，有極強(qiáng)水敏性[3]，對干燥比較敏感[4]，失水易導(dǎo)致其干縮開裂。紅黏土干縮裂隙十分發(fā)育，在水利、土木以及巖土等領(lǐng)域誘發(fā)大量災(zāi)害。湖南郴寧高速公路紅黏土路堤干縮開裂，導(dǎo)致其強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低[5]。貴州人工開挖形成的邊坡紅黏土裂隙普遍發(fā)育，易引發(fā)塌陷[6]。貴州安順老海子水庫因紅黏土防滲襯砌旱季干縮開裂，導(dǎo)致濕季水庫蓄水初期大量滲漏[7]。2010-2013年，昆明連續(xù)4年大旱，紅黏土失水后干縮裂隙顯著發(fā)育，導(dǎo)致了多起高壓輸電線鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉降[8]。由于紅黏土路塹邊坡干縮開裂，云南武倘尋高速公路施工期間邊坡穩(wěn)定性降低，受到強(qiáng)降雨后經(jīng)常失穩(wěn)。

黏性土干縮裂隙影響因素研究不僅是土體干縮開裂機(jī)理研究的核心內(nèi)容，而且還是干縮裂隙調(diào)控機(jī)理研究的重要內(nèi)容。到目前為止，已經(jīng)報道了關(guān)于土樣厚度[9]、干濕循環(huán)次數(shù)[9]、土質(zhì)成分[9]、溫度[10-11]和聚丙烯纖維[9]對黏性土干縮裂隙的形成演化及表面幾何形態(tài)影響的研究成果。紅黏土干縮裂隙影響因素研究主要集中于干濕循環(huán)次數(shù)[12-14]，對影響?zhàn)ば酝笼斄训钠者m性環(huán)境要素，如粒度組成的影響還十分缺乏[11]，有待深入開展試驗研究。

氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，云南地區(qū)的干旱化趨勢將持續(xù)加重，干旱事件的發(fā)生頻次將繼續(xù)增加，影響范圍逐漸擴(kuò)大，災(zāi)害程度增強(qiáng)[15-17]。據(jù)此預(yù)測，云南地區(qū)紅黏土干縮裂隙及其誘發(fā)的災(zāi)害將會更加普遍、突出。因此，為了探討粒度組成對云南紅黏土干縮裂隙發(fā)育特征的影響，本文以昆明呈貢地區(qū)紅黏土為研究對象，制備初始飽和泥漿樣，進(jìn)行室內(nèi)干燥試驗，分析粒度組成對紅黏土水分蒸發(fā)，干縮裂隙的形成和演化，表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。試驗結(jié)果對深入理解紅黏土干縮開裂機(jī)理及紅黏土地區(qū)工程防災(zāi)減災(zāi)有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料是昆明呈貢地區(qū)二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組灰?guī)r上覆紅黏土，取樣點深度1.7 m，無植被根系，避免了根系和先期自然干縮開裂的影響。其基本物理性質(zhì)見表1，黏粒(<5 μm)的XRD測試結(jié)果見表2。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)

表2 紅黏土黏粒(<5 μm)的礦物成分

1.2 試驗方法

試驗步驟如下：(1) 將取回的土樣在室內(nèi)風(fēng)干、碾碎；(2) 用土工篩將土樣篩分成3個粒組：1 mm

1.3 圖像處理

使用南京大學(xué)施斌教授團(tuán)隊設(shè)計的顆粒及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)(PCAS)[11]對采集到的圖像進(jìn)行處理分析，以試樣C1的末期圖像為例對圖像處理基本流程進(jìn)行闡述和說明。(1)裁剪中間區(qū)域：由于受到器壁的影響，邊壁周圍的裂隙相比中間區(qū)域而言雜亂破碎程度更加明顯，為降低邊壁對圖像處理結(jié)果產(chǎn)生的影響、提升圖像處理精準(zhǔn)度，選擇圖像居中位置700×700像素的區(qū)域進(jìn)行研究，真實尺寸160.7 mm×160.7 mm，即分辨率為4.36/像素；(2)灰度圖像：對彩色圖像進(jìn)行灰度處理后獲得的圖像；(3)圖像二值化：設(shè)定相應(yīng)的閾值，將灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎讏D像，黑色部分為裂隙，白色部分為塊區(qū)；(4)消除雜點：由于受到試樣雜質(zhì)和圖像噪點等因素的影響[19]，圖像經(jīng)二值化處理后塊區(qū)中出現(xiàn)一些相對獨立的小黑點，這并不屬于裂隙；由于裂隙往往會貫穿整個試樣土層，這導(dǎo)致玻璃容器底部會存在一定的漏光現(xiàn)象，進(jìn)而在裂隙中出現(xiàn)相對獨立的白色區(qū)域，這并不屬于塊區(qū)。所以要借助于相應(yīng)的軟件將這些雜點去除掉；(5)通過經(jīng)除雜處理的二值化圖像獲取裂隙、塊區(qū)的統(tǒng)計參數(shù)(圖2)。

圖1 干縮裂隙試驗裝置

圖2 圖像處理流程

1.4 測量指標(biāo)

本研究測量指標(biāo)：(1) 初始開裂時間TIC(表面裂隙剛出現(xiàn)的時刻)，裂隙條數(shù)穩(wěn)定時間TNI，裂隙長度穩(wěn)定時間TL，表面裂隙率穩(wěn)定時間TRSC，干燥完成時間TF。因圖像誤差以及處理誤差，試樣末期圖像處理所得的表面裂隙率均存在微小波動，故以最后時刻圖像的表面裂隙率為基準(zhǔn)，表面裂隙率差值剛好小于0.1%時所對應(yīng)的時刻為TRSC。(2) 不同時刻試樣的含水率w及蒸發(fā)速率Re(單位時間中的失水質(zhì)量，g/h)，試樣的初始含水率wINI，初始臨界含水率wIC(TIC對應(yīng)的含水率)以及最終含水率wTF(TF對應(yīng)的含水率)。(3) 裂隙交點數(shù)Nn和裂隙條數(shù)NI，裂隙節(jié)點包括端點與交點，其中交點指的是3條及多于3條裂隙的交叉點，兩個相鄰的節(jié)點之間為1條裂隙[19]。(4) 裂隙總長度L，裂隙平均長度La，裂隙平均寬度W。(5) 土塊數(shù)Na，土塊平均面積Sav，土塊最大面積Smax。(6) 表面裂隙率Rsc，平均干縮厚度HTF，表面裂隙率是裂隙總面積與試樣初始總面積的比值，平均干縮厚度是TF對應(yīng)時刻多個土塊厚度的平均值。(7)表面裂隙的分形維數(shù)D，軟件采用盒維法計算得出[18]。

需要說明的是，與面積、長度有關(guān)的參數(shù)都是通過軟件PCAS統(tǒng)計黑色像素點的個數(shù)、白色像素點的個數(shù)來確定的，也可以基于圖像分辨率計算實際物理面積或長度。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅黏土的水分蒸發(fā)過程

蒸發(fā)速率Re與干燥時間的關(guān)系稱為蒸發(fā)曲線，含水率w與干燥時間的關(guān)系稱為干燥曲線[18]。4組紅黏土樣的蒸發(fā)曲線形狀總體相似，根據(jù)蒸發(fā)速率Re隨干燥時間的變化趨勢，可分為4個階段：增速率階段(Ⅰ)，常速率階段(Ⅱ)，減速率階段(Ⅲ)和穩(wěn)定階段(Ⅳ)。Ritchie[20]、Ritchie和Burnett[21]將土體水分蒸發(fā)過程劃分為2個階段：常速率階段和減速率階段。Idso等[22]、唐朝生等[23]將蒸發(fā)曲線進(jìn)一步細(xì)化為3個階段：常速率階段(初期恒定階段)、減速率階段(衰減階段)、殘余階段(消滯階段或滯緩階段)。本研究的劃分方案與3個階段的劃分方案相比，增加了增速率階段(Ⅰ)。無論是在自然條件下，還是室內(nèi)干燥試驗?zāi)M環(huán)境中，土體溫度都是緩慢升高，蒸發(fā)速率隨之緩慢增加。因此，增速率階段是存在的，將蒸發(fā)曲線細(xì)化為4個階段更貼切自然環(huán)境(圖3)。

常速率階段歷時最長，是蒸發(fā)曲線的重要組成部分。4組試樣的蒸發(fā)曲線在各階段歷時和蒸發(fā)速率方面略有不同，比如C1，S1，S2，S3常速率階段歷時分別為17 h，18 h，19 h，21 h，說明常速率階段歷時隨粒徑減小而增長，隨粒徑分布范圍變大而減短。C1和S1的最大蒸發(fā)速率為14 g/h，S2和S3的最大蒸發(fā)速率為15 g/h，C1，S1，S2，S3常速率階段的平均蒸發(fā)速率依次為12.33 g/h，11.68 g/h，12.20 g/h，11.96 g/h，說明蒸發(fā)速率與粒徑、粒徑分布范圍的關(guān)系不明顯。

圖3 紅黏土的水分蒸發(fā)曲線和干燥曲線

基于蒸發(fā)曲線和干燥曲線計算發(fā)現(xiàn)，C1，S1，S2，S3在常速率階段的蒸發(fā)份額分別為61.65%，62.58%，70.03%，74.03%，這是因為常速率階段歷時逐漸增長，這也說明常速率階段是蒸發(fā)曲線的重要組成部分。4組試樣的干燥曲線形狀總體相似，即在干燥初期，試樣含水率與干燥時間幾乎呈直線關(guān)系，隨后干燥曲線趨于平緩，最后干燥曲線幾乎水平。由表3看出，4組試樣的干燥完成時間TF和最終含水率wTF差異不大，TF介于35～36 h，wTF介于2.66%～2.75%。

2.2 紅黏土干縮裂隙的形成和演化過程

為了合理描述紅黏土裂隙的形成和演化過程，根據(jù)紅黏土干縮裂隙形成和發(fā)展的特點，將裂隙的形成與演化分成5個階段，各個階段分別由初始開裂時間TIC、裂隙條數(shù)穩(wěn)定時間TNI、裂隙長度穩(wěn)定時間TL、表面裂隙率穩(wěn)定時間TRSC(表3)進(jìn)行劃分。

第1階段，裂隙孕育階段：即干燥起時—TIC。試樣含水量逐漸下降，質(zhì)量不斷減小。土體從表面到內(nèi)部失水收縮，土顆粒進(jìn)行非均勻運動，相互聚攏、分離。第2階段，裂隙形成階段：即TIC—TNI。土樣表面逐漸出現(xiàn)孤立的裂隙，裂隙沿著端點延長、彎曲，最終與相鄰裂隙近似垂直相交并把土體分割成一塊塊較大的初始塊區(qū)，最初形成的裂隙為主裂隙，主裂隙相交形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)為初始裂隙網(wǎng)絡(luò)。子裂隙從主裂隙中近似垂直衍生，并與相鄰裂隙相交將土塊進(jìn)一步分割成次級塊區(qū)，更次一級的子裂隙也會從子裂隙中衍生，并將土體分割成更次一級塊區(qū)，直至裂隙不再衍生。第3階段，裂隙條數(shù)穩(wěn)定階段：即TNI—TL。裂隙不再衍生次級裂隙，數(shù)量保持穩(wěn)定。裂隙繼續(xù)延伸、寬度繼續(xù)增大。第4階段，裂隙長度穩(wěn)定階段：即TL—TRSC。裂隙長度保持穩(wěn)定，裂隙網(wǎng)絡(luò)已基本定型，裂隙寬度仍繼續(xù)增大。第5階段：表面裂隙率穩(wěn)定階段，即TRSC—TF。表面裂隙率不再增大，裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及土塊分布已固定，土體含水量繼續(xù)減小直至穩(wěn)定，最終蒸發(fā)速率為零。如表3和圖4所示，4組試樣干縮裂隙形成演化過程差異最顯著的是裂隙形成階段。其中S1與S3的形成過程類似，S2與S1，S3略有不同，S1，S3的裂隙形成階段歷時介于8.0～8.5 h，S2的裂隙形成階段歷時為6.5 h，比S1，S3短。此外，S1和S3的主裂隙、子裂隙、次子裂隙、更次子裂隙的先后衍生現(xiàn)象比S2顯著。因此，S1，S3的主裂隙及裂隙等級比S2明顯。

表3 出現(xiàn)裂隙和裂隙穩(wěn)定時的時間及對應(yīng)含水率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖4 不同粒度組成紅黏土的典型干縮裂隙

天然粒組樣C1的干縮裂隙形成過程與集中粒組樣S1，S2，S3的差異更明顯，C1的裂隙形成期僅5.5 h，裂隙形成有集中爆發(fā)的現(xiàn)象。由圖5看出，C1在1 h內(nèi)就形成很多短小、孤立的主裂隙，2 h內(nèi)主裂隙快速衍生出很多子裂隙，而S1在4 h內(nèi)僅形成6條長大主裂隙，3 h內(nèi)主裂隙衍生出一些子裂隙，但數(shù)目不及C1。因此，C1的主裂隙、裂隙衍生現(xiàn)象及裂隙等級都沒有集中粒組樣明顯。C1的另一個顯著特征是干縮裂隙向上卷曲，產(chǎn)生“煎餅效應(yīng)”[24]，這種現(xiàn)象在野外也很常見。這是因為表層土體首先發(fā)生水分蒸發(fā)、土顆粒相互靠攏和體積收縮，一旦豎向裂隙形成，土體內(nèi)部水分同時向土體表面和裂隙壁面?zhèn)鬏敗⒄舭l(fā)，在這種雙重水分傳輸機(jī)制作用下，裂隙壁面形成“上大下小”的非均勻張拉應(yīng)力場[24]。此外，C1的粒徑分布范圍廣，非均勻性強(qiáng)，泥漿在沉漿過程中發(fā)生粒度分異，造成粒度在豎向上不均勻。非均勻的張拉應(yīng)力場和粒度分布都將有利于干縮裂隙向上卷曲。

表面裂隙率RSC與含水率w的關(guān)系稱為開裂曲線[10]。由圖6看出，集中粒組樣S1，S2，S3的開裂曲線相近，可分為3個階段，在初始階段，RSC隨含水率減小而緩慢線性增加，隨后RSC快速增加，最后RSC逐漸趨于穩(wěn)定，試驗完成后，S1，S2，S3的表面裂隙率分別為12.9%，12.9%，12.6%。說明粒徑對表面裂隙率的影響不明顯。天然粒組樣C1的開裂曲線明顯不同于集中粒組樣，可分為2個階段，即隨含水率減小，C1的RSC首先快速線性增大，然后緩慢線性增加并趨于穩(wěn)定，試驗完成后的RSC為25.6%，是集中粒組樣的2倍。說明粒徑分布范圍越大，分布非均勻性越強(qiáng)，則土體的表面裂隙率越大。

2.3 紅黏土表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)

2.3.1 裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 干縮裂隙的相交形式有“T”形、“Y”形和“十”形，以前兩者居多。由表4看出，S1的裂隙參數(shù)與S3相當(dāng)，S2的裂隙交點數(shù)、裂隙條數(shù)、裂隙總長度比S1，S3大，但裂隙平均長度、裂隙平均寬度比S1，S3小。C1的裂隙交點數(shù)、裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均寬度和表面裂隙率比S1，S2，S3大，裂隙平均長度比S1，S3小。從微觀上看，上述裂隙參數(shù)的差異與土體的非均質(zhì)性有關(guān)，其中粒度組成的不均勻性是土體不均勻性的重要方面，非均質(zhì)性對裂隙發(fā)育過程和裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)特征均有重要影響[24]，不均勻性還是導(dǎo)致土體龜裂的重要因素之一[11]。

圖5 C1和S1的干縮裂隙形成過程

圖6 試樣的開裂曲線

若選用表面裂隙率來評價土體干縮開裂程度，表面裂隙率越大，開裂程度越強(qiáng)烈。天然粒組樣C1的RSC是集中粒組樣的2倍，說明粒度分布范圍和粒度分布非均勻性越大，紅黏土開裂程度將會越高。S3，S2，S1的表面裂隙分形維數(shù)D依次增大，說明裂隙邊壁逐漸折曲成鋸齒狀，邊壁越來越粗糙，這是由于土粒粒徑逐漸增大造成的。C1的D值介于集中粒組樣之間。

2.3.2 土塊分布 土塊形狀有三邊形、四邊形和多邊形，裂隙條數(shù)Nl與裂隙交點數(shù)Nn之比在1.822～1.970，表明以四邊形土塊居多[18]。S1，S3的土塊相關(guān)參數(shù)比較接近，S1，S3的土塊數(shù)比S2少，土塊平均面積、土塊最大面積比S2大。C1的土塊數(shù)、土塊平均面積、土塊最大面積是集中粒組樣的2.38～3.52倍、0.22～0.36倍、0.21～0.29倍。S1，S2，S3的平均干縮厚度逐漸減小，說明紅黏土顆粒粒徑越小，豎向干縮量越大。C1的平均干縮厚度為7.45 mm，比S1，S2，S3都小，說明粒徑分布范圍越大，分布非均勻性越強(qiáng)，則紅黏土豎向干縮量越大(表5)。

表4 干縮裂隙的相關(guān)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

表5 土塊的相關(guān)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

3 結(jié) 論

(1) 不同粒組試樣的蒸發(fā)曲線、干燥曲線總體相似，蒸發(fā)曲線可分為4個階段，其中常速率階段是重要組成部分；不同試樣的蒸發(fā)曲線在各階段歷時和蒸發(fā)速率方面略有差異；常速率階段歷時隨粒徑減小而增長，隨粒徑分布范圍變大而減短，蒸發(fā)速率與粒徑、粒徑分布范圍的關(guān)系不明顯。

(2) 不同粒組試樣的干縮裂隙形成演化過程可分為5個階段，其中差異最顯著的是裂隙形成階段；集中粒組樣在裂隙形成階段歷時、不同等級裂隙先后衍生關(guān)系方面存在差異；天然粒組樣的干縮裂隙在短時間內(nèi)爆發(fā)形成，主裂隙、裂隙衍生現(xiàn)象、裂隙等級沒有集中粒組樣明顯，干縮裂隙向上卷曲；集中粒組樣的開裂曲線分為3段，天然粒組樣則分為2段。

(3) 天然粒組樣的裂隙交點數(shù)、裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均寬度、表面裂隙率、土塊數(shù)比集中粒組樣大，裂隙平均長度、土塊平均面積、土塊最大面積比集中粒組樣小；粒徑分布范圍越大，分布非均勻性越強(qiáng)，表面裂隙率越大，豎向干縮量越大；粒徑減小，裂隙的分形維數(shù)減小，豎向干縮量增大。

(4) 粒徑分布范圍和分布非均勻性顯著影響紅黏土的水分蒸發(fā)過程，干縮裂隙的形成和演化，表面干縮裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)，而粒徑的影響不顯著。