濕干循環(huán)作用下膨脹土脹縮裂隙演化特征

李彥龍 汪自力 焦天藝

摘?要：壓實度是各類填筑工程施工中的關(guān)鍵指標(biāo)，自由膨脹率是衡量膨脹土膨脹性的核心指標(biāo)，探明壓實度、自由膨脹率與脹縮裂隙演化特征的關(guān)系對工程建設(shè)是必要的。選擇自由膨脹率分布于51%～115%的5種膨脹土并將其壓實度分別控制為85%、90%、95%和100%，研究其在歷經(jīng)4次濕干循環(huán)作用后的裂隙特征參數(shù)。研究結(jié)果表明：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(shù)，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;裂隙寬度的大幅減小是壓實度增大后表面裂隙率下降的主要原因;裂隙特征參數(shù)均會隨著自由膨脹率的增大而增大，尤其當(dāng)自由膨脹率達(dá)到強膨脹潛勢時，裂隙特征參數(shù)的增幅更為顯著。

關(guān)鍵詞：膨脹土;脹縮裂隙;壓實度;自由膨脹率;裂隙特征參數(shù)

中圖分類號：TU443?文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.015

Abstract：Compaction degree is the key parameter of all kinds of filling construction， and free swelling ratio is the core index to evaluate the expansibility of expansive soil. However， the relationship between swell-shrink cracks characteristic parameters and compaction degree and free swelling ratio is unknown. In view of this， five expansive soil samples with different swelling ratio distributed in 51%-115% were selected， and the samples compaction degree were controlled as 85%， 90%， 95% and 100% respectively， in order to obtain the relationship of the crack characteristic parameters with swelling ratio and compaction degree after four wet-dry cycles. The results indicate that increasing compaction degree can effectively inhibit the cracks length and width， especially for the samples with medium and high free swelling ratios and then the surface crack rate can be reduced effectively. The decrease of crack width is the main reason for the decrease of the surface crack rate after the increase of compactness， and the decrease of fracture length is the subordinate reason. Surface crack ratio， crack length， crack width and the crack number are increased with the increase of free swelling rate， especially when the free swelling rate reach as to strong swelling potential the increase of crack characteristic parameters is more significant.

Key words： expansion soil; crack; compaction degree; free swelling ratio; cracks characteristics

膨脹土中廣泛分布的裂隙會顯著影響土體的工程力學(xué)性能[1-2]，對膨脹土裂隙特征的研究是評價膨脹土工程力學(xué)性能的基礎(chǔ)性工作。膨脹土中的裂隙可分為脹縮裂隙和非脹縮裂隙[3]，學(xué)者們針對脹縮裂隙的演化特征開展了試驗研究[4-7]、理論分析[8-9]和數(shù)值模擬[10-11]，獲得了裂隙特征參數(shù)（表面裂隙率、裂隙長度、裂隙寬度和裂隙條數(shù)等）與初始含水量、濕干循環(huán)次數(shù)、脫濕時間以及脫濕溫度等因素之間的關(guān)系。然而，目前針對脹縮裂隙演化特征的研究仍存在以下不足之處：其一，壓實度是各種填筑工程施工中的關(guān)鍵指標(biāo)，針對壓實度大于85%的膨脹土的裂隙演化特征尚缺乏研究[12];其二，自由膨脹率（膨脹潛勢）是衡量膨脹土膨脹性的核心指標(biāo)，但裂隙特征參數(shù)與自由膨脹率之間的關(guān)系尚不明晰。鑒于此，筆者選擇自由膨脹率各異的土樣并將其壓實度分別控制為85%、90%、95%和100%，研究了其在歷經(jīng)多次濕干循環(huán)作用后裂隙特征參數(shù)的變化規(guī)律，以確定裂隙特征參數(shù)與壓實度和自由膨脹率的關(guān)系。

1?試驗方案

1.1?試驗土樣

所有土樣均取自南陽地區(qū)，依照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）和《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）開展了擊實試驗并測定了土樣的自由膨脹率，結(jié)果見表1。

1.2?試驗方案

通過噴水法將膨脹土的初始含水率控制為最優(yōu)含水率并悶料24 h，采用直徑79.8 mm、高40 mm的環(huán)刀，通過擊樣法制樣并將土樣的壓實度分別控制為85%、90%、95%和100%。由于膨脹土在歷經(jīng)3～4次濕干循環(huán)后裂隙的擴展已基本停止[13-14]，因此對土樣進行4次濕干循環(huán)并以第4次濕干循環(huán)后的裂隙特征作為研究對象。第1次濕干循環(huán)為處于最優(yōu)含水率的壓實土樣的脫濕過程，第2～4次濕干循環(huán)為人工噴霧增濕后再脫濕的過程。

增濕操作：增濕過程中使用氣壓噴壺噴水，每次均勻噴水約20 g，耗時3 min，噴水強度約為8.3 mm/h，使設(shè)計噴水強度在允許噴灌強度范圍之內(nèi)，保證土樣結(jié)構(gòu)不被破壞，并且在土表不產(chǎn)生洼水或徑流。一次噴水結(jié)束30 min后，土樣因增濕而產(chǎn)生的膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定，稱取質(zhì)量，拍照記錄，并再次噴水。重復(fù)上述步驟，直至土體裂縫完全閉合，增濕試驗結(jié)束[15]。

干燥操作：脫濕過程每隔8 h稱量一次，同時拍照記錄試樣表面形態(tài)。當(dāng)表面出現(xiàn)裂縫后，間隔時間縮短至4 h。當(dāng)12 h內(nèi)（連續(xù)3次測量）試樣質(zhì)量變化在0.3%內(nèi)時，認(rèn)為裂縫形態(tài)穩(wěn)定，干燥過程結(jié)束，開始增濕試驗[15]。

采用文獻[4]所介紹的圖像處理技術(shù)獲取土樣的裂隙特征參數(shù)，主要流程為：獲得裂隙開展圖片→灰度化處理→二值化處理→降噪處理→裂隙骨架化→獲取相關(guān)參數(shù)。為了消除環(huán)刀邊緣對土樣裂縫的影響，利用Photoshop軟件裁剪出試樣中央50.8 mm×50.8 mm的區(qū)域作為研究對象，分辨率為300 dpi，折合為0.085 mm/像素。

裂隙特征參數(shù)包括：①表面裂隙率，其值為裂隙面積與試樣表面積的比值;②裂隙總長度，所有裂隙長度之和;③裂隙平均寬度，裂隙總面積與裂隙總長度之比;④裂隙條數(shù)，土樣表面臨近的兩個端點、端點與節(jié)點或節(jié)點與節(jié)點之間的骨架線為一條裂隙。

2?試驗結(jié)果與分析

膨脹土土樣裂隙特征參數(shù)的試驗結(jié)果見表2，其中土樣的表面積為5 000 mm2。

2.1?表面裂隙率的變化規(guī)律

表面裂隙率與壓實度的關(guān)系如圖1所示，可以看出，所有土樣的表面裂隙率均隨壓實度的增大而減小。當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，土樣S1～S5表面裂隙率的減幅分別為54%、58%、59%、60%和62%，表明增大壓實度能顯著抑制膨脹土中裂隙的開展。

表面裂隙率與自由膨脹率的關(guān)系如圖2所示，可以看出，不同壓實度下土樣表面裂隙率整體上均隨著自由膨脹率的增大而增大，當(dāng)自由膨脹率超過90%（強膨脹潛勢）時，所有曲線都迅速上揚，表明當(dāng)自由膨脹率達(dá)到強膨脹潛勢時，膨脹土中的裂隙發(fā)育更為廣泛。值得注意的是，當(dāng)土樣的自由膨脹率從51%增大到115%時，100%壓實度的土樣表面裂隙率的增幅為38%，顯著小于其他壓實度下土樣表面裂隙率的增幅（85%、90%和95%壓實度下表面裂隙率的增幅分別為54%、66%和60%），由此表明隨著自由膨脹率的增大，土樣在中低壓實度下表面裂隙率的增幅比高壓實度下顯著。

2.2?裂隙總長度的變化規(guī)律

裂隙總長度與壓實度的關(guān)系如圖3所示，可以看出，所有土樣中裂隙總長度均隨壓實度的增加而減小。當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，土樣S1～S5中裂隙總長度的減幅分別為21%、22%、23%、24%和27%，表明增大壓實度能抑制裂隙長度。

裂隙總長度與自由膨脹率的關(guān)系如圖4所示，可以看出，不同壓實度下裂隙總長度均會隨著自由膨脹率的增加而增加。值得注意的是當(dāng)土樣的自由膨脹率從51%增加到115%時，100%壓實度下裂隙總長度的增幅僅為7%，明顯小于其它壓實度下裂隙總長度的增幅（85%、90%和95%壓實度下裂隙總長度的增幅分別為17%、16%和15%），表明隨著自由膨脹率的增加，土樣在中低壓實度下裂隙長度的增幅比高壓實度下顯著。

2.3?裂隙平均寬度的變化規(guī)律

裂隙平均寬度可以用來衡量裂隙的張開程度，裂隙平均寬度與壓實度的關(guān)系如圖5所示，可以看出，裂隙平均寬度均隨著壓實度的增大而減小。當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，土樣S1～S5裂隙平均寬度的減幅分別為45%、46%、47%、46%和47%，可見增大壓實度可以有效地減小裂隙寬度。

裂隙平均寬度與自由膨脹率的關(guān)系如圖6所示，可以看出，不同壓實度下裂隙平均寬度均隨著自由膨脹率的增大而增大，自由膨脹率從51%增大到115%，壓實度85%～100%的土樣中裂隙平均寬度的增幅分別為32%、43%、39%和29%。當(dāng)自由膨脹率大于90%（強膨脹潛勢）時，曲線小幅上揚，表明具有強膨脹潛勢的膨脹土中的裂隙在寬度上的發(fā)展較為強烈。

2.4?裂隙條數(shù)的變化規(guī)律

不同土樣表面裂隙條數(shù)與壓實度的關(guān)系如圖7所示，可以看出，裂隙條數(shù)整體上均隨壓實度的增大而減少，土樣S3、S4和S5所對應(yīng)曲線隨壓實度的減幅顯著地大于S1和S2所對應(yīng)的曲線。事實上，當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，土樣S3、S4和S5的減幅分別為29%、31%和33%，而土樣S1和S2的減幅卻僅為18%和19%。由此表明，增大壓實度對于抑制高自由膨脹率膨脹土中的裂隙數(shù)量較為有效。圖7?裂隙條數(shù)與壓實度的關(guān)系

表面裂隙條數(shù)與自由膨脹率的關(guān)系如圖8所示，可以看出，不同壓實度下土樣中的裂隙條數(shù)均會隨著自由膨脹率的增大而增大。圖9為不同壓實度下裂隙條數(shù)的減幅曲線，可以明顯地看出當(dāng)壓實度從85%增加到100%時，中、高自由膨脹率膨脹土中的裂隙數(shù)量的減幅得到大幅提升，表明增加壓實度能有效抑制中、高自由膨脹率膨脹土中裂隙數(shù)量的增加。

2.5?裂隙特征參數(shù)減幅的變化規(guī)律

當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，土樣表面裂隙率、裂隙總長度、裂隙總數(shù)量和裂隙平均寬度的減幅如圖10所示，可以看到表面裂隙率、裂隙總長度和裂隙平均寬度的減幅均隨著壓實度的增大而減小，而且土樣的自由膨脹率越大其減幅越大，表明對于具有高自由膨脹率的膨脹土，可通過增大壓實度來有效地減小其裂隙的擴展。當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，土樣S1～S5表面裂隙率的減幅分別為54%、58%、59%、60%和62%，裂隙總長度減幅分別為21%、22%、23%、24%和27%，裂隙平均寬度減幅為45%、46%、47%、46%和47%。表面裂隙率=裂隙總長度×裂隙平均寬度，可見增大壓實度引起表面裂隙率下降的主要原因是裂隙寬度的減小，其次才是裂隙長度的減小。從圖10還可以看出，當(dāng)壓實度從85%增大到100%時，裂隙總數(shù)量的減幅在自由膨脹率為85%（土樣S3）時發(fā)生了跳躍，表明壓實度的增大會顯著降低中、高自由膨脹率膨脹土中裂隙的數(shù)量。

3?裂隙特征參數(shù)的演化機理

膨脹土中脹縮裂隙的隨機性與土樣初始狀態(tài)的不均勻性有關(guān)，馬佳等[16]從斷裂力學(xué)的角度揭示了裂隙在長度和方向上的擴展機理，認(rèn)為裂隙的發(fā)展情況取決于開裂狀態(tài)方程和裂紋擴展判據(jù)?？估瓘姸仁桥蛎浲亮严栋l(fā)育的關(guān)鍵影響因子，當(dāng)拉應(yīng)力超過側(cè)向約束和土體自身的抗拉強度時，裂隙就會產(chǎn)生。呂海波等[17]和黃珂等[18]認(rèn)為增大壓實度（干密度）能有效增大土體的抗拉強度，不同土樣的裂隙特征參數(shù)均隨壓實度的增大而減小。學(xué)者們針對含水量、干密度、吸力和濕干循環(huán)等因素與膨脹土抗拉強度之間的關(guān)系開展了較多的研究[18-19]，但是針對衡量膨脹土脹縮性的關(guān)鍵性指標(biāo)—自由膨脹率的研究卻是匱乏的，目前尚難以從機理上揭示自由膨脹率與裂隙特征參數(shù)之間的關(guān)系。

4?結(jié)?論

在考慮壓實度和自由膨脹率雙因素影響的基礎(chǔ)上，研究了歷經(jīng)多次濕干循環(huán)作用后膨脹土脹縮裂隙的演化特征，得到了以下結(jié)論。

（1）增大壓實度能顯著地抑制裂隙在長度和寬度方向的開展并降低裂隙數(shù)量，尤其對抑制中、高自由膨脹率膨脹土中的裂隙數(shù)量和裂隙長度更為有效，進而有效地降低表面裂隙率。裂隙寬度減小是表面裂隙率隨壓實度的增大而下降的主要原因，裂隙長度的減小是次要原因。

（2）表面裂隙率、裂隙長度、寬度和數(shù)量均會隨著自由膨脹率的增大而增加，尤其當(dāng)自由膨脹率達(dá)到強膨脹潛勢時，裂隙特征參數(shù)的增幅更為顯著。

參考文獻：

[1]?程展林，龔壁衛(wèi).膨脹土邊坡[M].北京：科學(xué)出版社，2015：52-53.

[2]?殷宗澤，袁俊平，韋杰，等.論裂隙對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響[J].巖土工程學(xué)報，2012，34（12）：2155-2161.

[3]?陳善雄，戴張俊，陸定杰，等.考慮裂隙分布及強度的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利學(xué)報，2014，45（12）：1442-1449.

[4]?黎偉，劉觀仕，汪為巍，等.濕干循環(huán)下壓實膨脹土裂隙擴展規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報，2014，36（7）：1302-1308.

[5]?曹玲，王志儉，張振華.降雨-蒸發(fā)條件下膨脹土裂隙演化特征試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2016，35（2）：413-421.

[6]?王曉燕，姚志華，黨發(fā)寧，等.裂隙膨脹土細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（3）：92-100.

[7]?汪為巍，王榮，臧濛，等.膨脹土裂隙三維空間分布特征試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（6）：245-251.

[8]?WANYAN Y， ABDALLAH I， NAZARIAN S， et al. Moisture Content-Based Longitudinal Cracking Prediction and Evaluation Model for Low-Volume Roads over Expansive Soils[J].Journal of Materials in Civil Engineering， 2015， 27（10）：1-9.

[9]?吳珺華，楊松.基于濕變量的膨脹土初始裂隙模型及影響因素分析[J].土木工程學(xué)報，2016，49（4）：96-101.

[10]?SIMA J， JIANG M J， ZHOU C B. Numerical Simulation of Desiccation Cracking in A Thin Clay Layer Using 3D Discrete Element Modeling[J].Computers and Geotechnics， 2014， 56（3）：168-180.

[11]?VO T D， POUYA A， HEMMATI S， et al. Numerical Modelling of Desiccation Cracking of Clayey Soil Using A Cohesive Fracture Method[J].Computers and Geotechnics， 2017， 85（5）：15-27.

[12]?韋秉旭，黃震，高兵.壓實膨脹土表面裂隙發(fā)育規(guī)律及與強度關(guān)系研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42（1）：100-105.

[13]?張家俊，龔壁衛(wèi)，胡波，等.干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙演化規(guī)律試驗研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（9）：2729-2734.

[14]?楊和平，劉艷強，李晗峰.干濕循環(huán)條件下碾壓膨脹土的裂隙發(fā)展規(guī)律[J].交通科學(xué)與工程，2012，28（1）：1-5.

[15]?李文杰，張展羽，王策，等.干濕循環(huán)過程中壤質(zhì)黏土干縮裂縫的開閉規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（8）：126-132.

[16]?馬佳，陳善雄，余飛，等.裂土裂隙演化過程試驗研究[J].巖土力學(xué)，2007，28（10）：2203-2208.

[17]?呂海波，曾召田，葛若東，等.脹縮性土抗拉強度試驗研究[J].巖土力學(xué)，2013，34（3）：615-620，638.

[18]?黃珂，姜沖，陳慶，等.壓實膨脹土抗拉強度試驗研究[J].長江科學(xué)院院報，2017，34（6）：93-96.

[19]?董東，肖明貴，譚波，等.不同重塑膨脹土的抗拉強度實驗研究[J].土工基礎(chǔ)，2014，28（1）：98-100.

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