干濕循環(huán)下新近系黏土雜巖裂隙演化研究

任 旺 ，王家鼎 ，卞小芮

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

隨著高鐵、重載鐵路的修建，越來越多的深開挖工程使得與新近系黏土雜巖有關(guān)的工程地質(zhì)問題日漸凸顯，引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-4]。而有關(guān)新近系黏土雜巖的命名，工程地質(zhì)方面的學(xué)者多直接稱之為硬黏土，未考慮成巖作用，而從沉積巖角度考慮，張曉蕾[5]將其命名為黏土雜巖，所以本文統(tǒng)一稱之為黏土雜巖。新近系黏土雜巖按照沉積環(huán)境可以劃分為兩大類：以還原環(huán)境為主的中新世湖積灰綠色裂隙化黏土雜巖和以氧化環(huán)境為主的褐黃色非裂隙化洪積黏土雜巖[6]。由于成巖時間較短，膠結(jié)較差，新近系黏土雜巖具有顯著的脹縮特性。在還原環(huán)境下形成的灰綠黏土雜巖含有以蒙脫石為主的黏土礦物，而蒙脫石是典型的膨脹性黏土礦物[6]?；揖G色黏土雜巖中蒙脫石的含量越高，預(yù)示著其膨脹能力越強(qiáng)。除了膨脹性，灰綠黏土雜巖還具有明顯的裂隙性，這是出現(xiàn)大量地質(zhì)工程問題的主要原因[7]。國內(nèi)外學(xué)者對不同地區(qū)、不同時代和不同成因黏土雜巖中宏觀裂隙的成因提出過不同的見解，可以概括為以下幾種：構(gòu)造作用、干濕縮脹作用、脫水收縮作用、差異壓密作用、卸荷作用、斜坡活動作用以及冰川作用等[8-11]。

關(guān)于黏土雜巖的裂隙性，有學(xué)者從力學(xué)角度、水-土耦合角度進(jìn)行了深度研究。張永雙等[12]、李濱等[13]認(rèn)為干濕循環(huán)作用對黏土雜巖的脹縮性、崩解性有顯著影響，弱化了土體強(qiáng)度。韓貝傳等[14]基于黏土雜巖裂隙的各向異性和方向性提出彈塑性損傷力學(xué)模型，指出坡腳開挖、卸荷等對裂隙進(jìn)而對邊坡穩(wěn)定的影響。王家鼎等[15]以呂梁山紅黏土圍巖段為例，探討了水-應(yīng)力耦合對紅黏土的位移場和應(yīng)力場的影響程度。在土體宏觀裂隙特征研究方面，易順民等[16]在膨脹土裂隙的分形特征研究中，指出分維與膨脹土強(qiáng)度指標(biāo)有很好的相關(guān)性。袁俊平等[17]利用光學(xué)顯微鏡觀測膨脹土的裂隙演變，并探討了將灰度熵作為膨脹土裂隙定量描述指標(biāo)的可行性；馬佳等[18]利用能夠精準(zhǔn)控制濕度條件的試驗裝置，研究了裂土裂隙演化的過程。關(guān)于土體裂隙演化的研究，目前采用的方式有手工描繪、壓汞實驗、掃描電子顯微鏡法、CT掃描、數(shù)碼攝影等[19]。手工描繪要求過高，易產(chǎn)生誤差。壓汞實驗定量分析孔徑分布，是一種優(yōu)秀的定量手段，但缺乏幾何特征。掃描電子顯微鏡法和CT掃描法成本過高，觀測過程中存在擾動，不利于推廣。隨著數(shù)碼產(chǎn)品的精度越來越高，采用數(shù)碼產(chǎn)品直接攝影成為一種成本低、時效快、擾動少的良好手段。

目前，現(xiàn)有的宏觀裂隙特征研究多集中于膨脹土且控制條件單一，反復(fù)干濕循環(huán)下的黏土雜巖宏觀裂隙演化規(guī)律研究卻鮮有嘗試。為此，本文以反復(fù)干濕循環(huán)下黏土雜巖宏觀裂隙演化規(guī)律為方向進(jìn)行研究。通過數(shù)碼攝影的方式獲取黏土雜巖的裂隙數(shù)字圖像，并利用Matlab軟件的圖像處理技術(shù)對裂隙進(jìn)行定量研究，提取裂隙信息，量化裂隙指標(biāo)，進(jìn)而對干濕循環(huán)下的宏觀裂隙演化規(guī)律進(jìn)行理論分析。

1 試驗方案

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)段地層上部主要為較薄新、老黃土，下部多為新近系黏土雜巖，包括灰黃色砂層和灰綠、黃綠、黑褐及紅色等各色黏土巖，局部地段基巖出露，其中灰綠色黏土雜巖層為主要地層，研究區(qū)典型工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Engineering geological section of the study area

1.2 試樣性質(zhì)

本次鉆機(jī)取樣，將樣品內(nèi)置于鐵皮桶中，在其外使用PVC管覆蓋并蠟封。在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)研究與X光衍射試驗。試樣基本物理指標(biāo)如表1所示，礦物成分見表2。

表1 試樣物理特性指標(biāo)Table 1 Physical characteristics of the soil samples

表2 礦物成分統(tǒng)計Table 2 Statistics of mineral compositions

1.3 試驗方案

將原狀巖土體制作成環(huán)刀樣，稱重記錄初始重量。為了模擬實際的日照溫度，將試樣放置在烘箱中55°恒溫條件下進(jìn)行烘干，在烘干48 h后每隔2 h進(jìn)行烘干樣的稱重，2次稱重結(jié)果不變即認(rèn)為烘干至完全狀態(tài)，即為完成1次脫濕。烘干后的試樣記錄重量數(shù)據(jù)，再采用水膜轉(zhuǎn)移法進(jìn)行增濕處理至初始含水率，增濕所需總水量為試樣初始重量與完全脫濕后重量的差值：每次用滴管在環(huán)刀頂?shù)酌婕拥攘壳也怀^3 g的水進(jìn)行試樣增濕，由于試樣脫濕后產(chǎn)生干縮變形，不利于從底面滴加水分，采取優(yōu)先在試樣與環(huán)刀之間的間隙處滴加水分，再滴加試樣的頂面。增濕過程需在3 d內(nèi)加完，每天滴加三分之一的總水量，且滴加過程保持連續(xù)。加水時，由外向內(nèi)呈螺旋紋路線將滴管內(nèi)蒸餾水均勻滴入環(huán)刀頂面，滴管高度不超過5 mm（防止土體出現(xiàn)因水滴重力產(chǎn)生的坑狀表面）。每天滴加完成后用保鮮膜包裹并放置保濕箱中，最后1次加水后將其放置在保濕箱中保濕24 h，此為完成1次增濕（圖2）。每完成1次脫濕、增濕過程后，都要對試樣頂面進(jìn)行數(shù)碼攝影，對巖土體進(jìn)行稱重以記錄裂隙演化情況。為了保證平行試驗過程中拍攝條件一致，需要保證拍攝的角度、距離及試樣位置一致，同時在拍攝時使用幕布遮擋住一切外界光源，僅使用日光燈進(jìn)行照明，以保證拍攝環(huán)境一致。

圖2 試驗流程圖Fig.2 Flow chart of the experiment

2 裂隙圖像處理

2.1 灰度化處理

通過Matlab軟件中的Rgb2gray 命令將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，見圖3（a），這個步驟可以去除大量與裂隙無關(guān)的信息，并利用Imhist函數(shù)求出圖像的灰度直方圖，處理結(jié)果如圖3（b）所示。根據(jù)灰度直方圖可知灰度等價在50左右時發(fā)生突變，故存在閾值T，將圖像分成大于T的像素群和小于T的像素群，以此將圖像內(nèi)容與背景區(qū)分開。

圖3 試樣裂隙灰度圖像Fig.3 Grayscale image of soil sample fissures

2.2 圖像二值去雜化

已有研究成果中，胡世昆[20]通過數(shù)字圖像的閾值判斷法獲取網(wǎng)狀裂隙和線性裂隙；厲榮宣[21]通過閾值分割實現(xiàn)了對零件表面裂紋識別及特征提取。本文根據(jù)灰度直方圖得到裂隙灰度閾值，調(diào)用Im2bw指令獲得裂隙二值化圖像（圖4）。由于照片噪聲的影響，會產(chǎn)生噪聲雜點，如圖4（a）中標(biāo)記處所示，雖然雜點面積較小但其數(shù)量較多，累積起來仍會對統(tǒng)計裂隙面積產(chǎn)生較大的影響，所以應(yīng)進(jìn)行去雜處理。

裂隙相較于雜點最大的區(qū)別在于裂隙是連通的，所以本文運(yùn)用Matlab軟件中的Bwlabel函數(shù)尋找連通區(qū)域，尋找到連通區(qū)域后，調(diào)用Regionprops函數(shù)對標(biāo)記的連通區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計，裂隙的面積要遠(yuǎn)大于雜點的面積，最后用Bwareaopen函數(shù)對雜點進(jìn)行刪除，見圖4（b）。由于圖像的拍攝角度、光線條件、系統(tǒng)噪聲等因素的影響，會在裂隙中產(chǎn)生細(xì)小的孔洞，這會影響裂隙面積的統(tǒng)計，為消除其帶來的影響，調(diào)用Bwmorph函數(shù)進(jìn)行孔洞的閉運(yùn)算，見圖4（d）。

圖4 裂隙二值化去雜圖像Fig.4 Binary declutter digital image of fissures

2.3 裂隙特征指標(biāo)

在上述試驗步驟的基礎(chǔ)上，對去雜閉運(yùn)算后裂隙圖像中的像素總數(shù)（px）進(jìn)行統(tǒng)計，得到裂隙的總面積。通過使用連通分量標(biāo)記單條裂隙，統(tǒng)計連通分量可以得到裂隙的條數(shù)。引入裂隙率 δf、裂隙相對面積作為衡量裂隙發(fā)育的特征指標(biāo)：

式中：Ai—第i條裂隙面積/px；

A—每次循環(huán)時試樣總面積/px；

Nl—裂隙總條數(shù)。

3 結(jié)果分析

本次試驗通過運(yùn)用Matlab圖像處理手段共進(jìn)行3組平行試驗，根據(jù)處理后的圖像從脫濕與增濕兩個角度進(jìn)行裂隙演化的定性分析；通過Matlab統(tǒng)計出的幾何特征值計算出裂隙率 δf、 裂隙相對面積并給出裂隙率與循環(huán)次數(shù)的擬合函數(shù)。

3.1 脫濕過程

按照前文所述的處理方法得到裂隙演化規(guī)律灰度圖（圖5）、二值化圖（圖6），根據(jù)式（1）（2）計算得出裂隙率、裂隙相對面積與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線（圖7、圖8）

圖5 脫濕過程裂隙演化規(guī)律圖Fig.5 Fracture evolution pattern in the drying process

圖6 脫濕過程裂隙演化二值化圖像Fig.6 Binarization image of fracture evolution in the drying process

圖7 裂隙率與脫濕次數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Relationship of the fissure rate and dehumidification times

圖8 干濕循環(huán)中的相對面積規(guī)律曲線Fig.8 Relative area rule curve in wetting and drying cycles

脫濕過程中含水率持續(xù)降低，土體會發(fā)生干縮現(xiàn)象并產(chǎn)生拉應(yīng)力，根據(jù)馬佳等[18]的研究可知：當(dāng)水平向凈應(yīng)力（ σx-ua） 等于抗拉強(qiáng)度t=-0.5(ua-uw)tanφb時，土體表層處于臨界開裂狀態(tài)。

當(dāng)水平向凈應(yīng)力大于土體抗拉強(qiáng)度時，土體結(jié)構(gòu)破壞形成裂隙。隨著土體裂隙的發(fā)育，干縮產(chǎn)生的水平向凈應(yīng)力不斷減小直至小于抗拉強(qiáng)度，至此裂隙不再發(fā)育保持穩(wěn)定。由圖5、圖6可以看出，在第1次脫濕過程中，試樣表面產(chǎn)生較少數(shù)量的細(xì)小裂隙，此時土體結(jié)構(gòu)完整，抗拉能力大于水平向凈應(yīng)力，大部分水平向凈應(yīng)力以勢能的形式儲存在土體中，而沒有以裂隙的形式進(jìn)行釋放；第2次脫濕時，水平向凈應(yīng)力勢能首先在中間部位釋放形成大的裂隙，此時裂隙率大幅增加，并且沿著大裂隙生長方向的四周形成了若干細(xì)小裂隙，土體結(jié)構(gòu)開始被裂隙分割成小塊狀；第3次脫濕時，中部大裂隙四周發(fā)育了許多細(xì)小裂隙，細(xì)小裂隙數(shù)增加迅速，但裂隙仍以中間大裂隙為主。結(jié)合圖7、圖8可以看出，雖然此時裂隙總面積在增加，但是裂隙條數(shù)的增加速率相對更快，導(dǎo)致裂隙的相對面積反而減小。

至此，在前3次干濕循環(huán)中，裂隙的演變規(guī)律是原有裂隙的繼續(xù)傳播發(fā)育。由圖5、圖6可以看出，在第4次、第5次脫濕過程中，裂隙不再沿著中間大裂隙的位置進(jìn)行發(fā)育。馬佳等[18]研究發(fā)現(xiàn)裂隙的演變要么是沿著原有裂隙繼續(xù)發(fā)育，要么是發(fā)育新裂隙。在本次試驗中，黏土雜巖第4次、第5次脫濕過程中的裂隙演變規(guī)律明顯屬于后者。根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，原有裂隙繼續(xù)發(fā)育對應(yīng)力場要求過高，土體應(yīng)力條件更容易形成新的大裂隙，所以此時土體表面轉(zhuǎn)而形成新的大裂隙。新的大裂隙位置隨機(jī)出現(xiàn)，這與土體各向異性有關(guān)。

在第4次、第5次脫濕過程中，土體已被裂隙分割成小塊狀，土體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，周圍塊狀的勢能釋放形成了新的大裂隙，由于是在有側(cè)限條件下，中間最早的大裂隙反而呈閉合狀，新增的裂隙分擔(dān)了部分干縮變形。結(jié)合圖7、圖8可以看出，在第4次、第5次脫濕過程中，裂隙率的增加速率基本趨于平緩，而相對面積仍呈下降狀。

為揭示裂隙率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，通過構(gòu)建δf與循環(huán)次數(shù)n的指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合：

式中：a、b、c—函數(shù)系數(shù)。

計算得到的a、b、c取值范圍分別為[-7.633 2，-5.390 88]，[-0.746 1，-0.638 04]，[1.528 35，2.393 86]。函數(shù)擬合結(jié)果如圖9所示，曲線先是呈指數(shù)式快速增加，然后增長速度變緩，最后慢慢趨于穩(wěn)定。由此可以得出，在第1次 到第 2次循環(huán)時，裂隙率變化最明顯，之后裂隙發(fā)育將土體切割成小塊狀，土體塊狀越小水分散失速率越快，拉應(yīng)力也越小。當(dāng)拉應(yīng)力小于土體的抗拉強(qiáng)度時將不再產(chǎn)生新的裂隙，裂隙面積最終趨于平衡狀態(tài)。

圖9 裂隙率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系擬合曲線Fig.9 Fitting curves of the fissures ratio with wetting and dring cycles

3.2 增濕過程

圖10為增濕過程中的土體表面變化，增濕過程中水分進(jìn)入裂隙，土體內(nèi)部的黏土礦物會發(fā)生吸水膨脹現(xiàn)象，膠結(jié)物被溶蝕，在有側(cè)限大氣壓下，土體試樣發(fā)生膨脹變形，使得裂隙趨于閉合。直到試樣恢復(fù)到初始含水率時，在表面發(fā)現(xiàn)仍有裂隙未閉合，這意味著在土體表面出現(xiàn)了不可逆的變形現(xiàn)象。張永雙等[6]研究發(fā)現(xiàn)，新近系黏土雜巖隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，其膨脹性能、持水能力也會隨之增加。而膨脹性能的增加會對干濕循環(huán)所帶來的不可逆變形量產(chǎn)生影響，使其隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。本次試驗中，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，土體原始結(jié)構(gòu)基本被破壞，在水的膠結(jié)作用、膨脹作用下，再次形成穩(wěn)定、均一的土體結(jié)構(gòu)，而土體試樣表面裂隙基本不可見，并且相比于原狀樣表面，表現(xiàn)出更均質(zhì)化（圖11）。

圖10 增濕次數(shù)增加的土體表面變化Fig.10 Surface changes in soil with the increasing wetting times

圖11 原狀土體表面（a）與5次循環(huán)后土體表面（b）Fig.11 （a） surface of the undisturbed soil and （b） surface of soil after 5 times of cycles

4 結(jié)論

（1）新近系灰綠色黏土雜巖在有側(cè)限大氣壓條件下，裂隙率與裂隙發(fā)育程度與脫濕次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，并且二者符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（2）隨著脫濕次數(shù)增加，土體表面先是在中間發(fā)育大裂隙，并沿著大裂隙四周發(fā)育細(xì)小裂隙，接著土體結(jié)構(gòu)遭到破壞后，土體表面不再沿著中間大裂隙發(fā)育而轉(zhuǎn)向生成新的大裂隙。

（3）在有側(cè)限大氣壓條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，土體表面出現(xiàn)不可逆形變，不可逆形變量隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而逐漸降低。當(dāng)循環(huán)到一定次數(shù)，這種累積形變基本消失。