干湿循环作用下温度效应对膨胀土收缩规律研究

李志国，刘 兴

(1.湘西自治州交通规划办公室，湖南 吉首 416000；2.湘西自治州交通建设工程造价管理站,湖南 吉首 416000)

干湿循环作用下温度效应对膨胀土收缩规律研究

李志国1，刘 兴2

(1.湘西自治州交通规划办公室，湖南 吉首 416000；2.湘西自治州交通建设工程造价管理站,湖南 吉首 416000)

在不同设定温度下，对膨胀土进行一系列干湿循环试验，基于图像处理软件PCAS的应用，对膨胀土试样裂隙图片进行定量采集研究，获取试件表面的裂隙参数，探讨温度对干湿循环作用下膨胀土裂隙收缩开裂规律的影响。研究结果表明：①膨胀土的裂隙率、分形维数随着干湿循环次数的增加而逐渐增加，最后渐趋稳定；②在前3次干湿循环作用下，膨胀土的裂隙率、分形维数变化幅度最大；温度高的变化幅度比温度低的大；③在相同的循环次数下，温度较高的膨胀土的裂隙率、分形维数比温度低的大;④经过6次干湿循环作用后，膨胀土的裂隙变化渐趋稳定。

道路工程；膨胀土；干湿循环；温度效应；收缩规律

0 引言

膨胀土性质不同于一般黏性土，它是一种典型的裂隙性土，在干燥环境条件下很容易因失水收缩而导致在试件表面形成纵横交错的裂隙网络。裂隙的形成对土体实际工程造成巨大的影响，各种工程问题也随之产生。如裂隙会降低土体的承载力，土体的压缩性增强，地基产生不均匀沉降变形，使建筑坍塌破坏；裂隙的存在为土体水分的流动形成通道，土体的渗透性也因此成倍的增大，水工结构物的稳定性和功能性大大降低；除此之外，裂隙对膨胀土边坡稳定性具有重大的约束作用，它导致边坡的安全系数快速减小，诱使滑坡等各种工程灾害的发生。综上所述，膨胀土的裂隙问题涉及的范围大、领域广。

目前国内外学者对有关膨胀土收缩开裂的研究颇多，主要集中在两个方面：裂隙图像参数的定量化探讨和裂隙对土体工程性质造成的影响。唐朝生等[1,2]通过开展一系列干燥试验，实时监测试样的含水率变化及表面裂隙的演化过程，基于数字图像处理技术的运用，对裂隙图像进行二值化处理后分析，获取了表面裂隙率和分形维数等裂隙网络几何形态参数，进而反映膨胀土收缩开裂过程及其温度效应；周东等[3]以南宁市河流冲击相粘土为研究对象，观察分析土样干缩裂缝的结构特征和变化规律，探讨了环境温湿度对粘土干缩裂缝结构形态的影响；易顺民等[4]对膨胀土裂隙图片数据进行定量采集，得到了综合指标裂隙度，它反映了裂隙的总体几何分布，认为裂隙图像的灰度熵可以准确地分析膨胀土裂隙的发育情况；卢再华等[5]应用MATLAB软件中的图像处理功能定量统计了膨胀土开裂图像的表面裂隙率，并分析了裂隙率与含水率的关系，为膨胀土裂隙规律的研究提供了一个有效的借鉴；马佳等[6]基于室内干湿循环试验的基础，运用二值化的数值统计分析技术，在裂隙率实质概念的基础上创造性地提出膨胀性岩土裂隙率的定量表达方法，同时进一步探讨了裂隙发育程度与土体强度之间的变化关系。现阶段研究的一些方法难以完全地反映裂缝网络的特质，测量结果一般与真实值相差较大，关于干湿循环作用下温度效应对膨胀土体干缩裂缝结构和形态的影响鲜有报导。

针对相关研究的不足，本文为了研究干湿循环作用下温度效应对对膨胀土收缩规律的影响，在控制试验温度条件下，开展一系列的室内干湿循环试验，基于数字图像处理技术的应用，定量化探讨膨胀土在干湿循环过程中表面裂隙网络等参数的形态学特征，进而分析温度效应对膨胀土收缩开裂的影响规律，实验研究所取得的成果对加强认识膨胀土的开裂机理及指导膨胀土地区的土体工程实践具有重要指导意义。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用土取自海南澄迈膨胀土，取土深度为地表以下1.5～2.0 m(当地大气影响深度约1.5 m)，呈灰白色。土样取回经室内风干后粉碎，其基本物理力学性质见表1。

表1 土样的物理性质试验结果

1.2 试验方案及过程

为了分析干湿循环作用温度效应对膨胀土干缩裂缝表面结构的影响，作为基础研究，本文以初始饱和状态的膨胀土泥浆试样为研究对象，究其原因是泥浆试样结构框架较为简单，易于制备采样，试验结果具有较好的重复规律性，便于对实验结果进行整理分析。试验中共配制6个样品，每个样品有3个平行试件，称取一定量风干后的膨胀土，并碾碎通过2 mm筛，之后称取一定量的筛下膨胀土粉末，放置于200 mm×200 mm×20 mm的玻璃器皿中，然后在里面加入适量的蒸馏水，进而充分搅拌均匀后并用密封袋对器皿密封，静置24 h后放入恒温恒湿箱中进行干燥脱水过程。最后将3组试样分别水平放入20、30、40、50、60、70 ℃的烘箱中恒温脱水，土样失水过程中定期用实验仪器对土样进行称重和拍照，当土样开始出现干缩裂缝后，加快拍照的频率，如果膨胀土泥浆土样质量在2 h 之内没有发生改变，则认为土样失水工作已完成，干缩裂缝的形态也趋于恒定。

2 图片处理和测量参数

2.1 图片处理技术

拍摄图片时相机位置应架设在图样的正上方，并且需时刻确保相机与土样的相对距离关系保持不变，以便于前后图片的对比分析工作处理起来较为简洁。采集完裂隙图像之后，利用由南京大学自主开发的颗粒及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)对图1a进行二值化和去杂点操作，得到图1b，图中黑色的部分为裂隙，白色的为被裂隙“切割”而成的块区。

a)裂缝稳定后最终形态 b)二值化和去杂后的裂隙 图1 裂缝稳定后最终形态及二值化和去杂后的裂隙

2.2 干缩裂缝参数

2.2.1 裂隙率

在膨胀土工程实践中，在采集实体工程现场裂缝时，干缩裂缝的定量化描述通常包括裂缝的深度、长度、宽度、间距等，统称为干缩裂缝的度量指标。但这些定量化描述指标在实际操作过程中获取较为复杂，为总体分析裂缝的分布规律，本文采用裂隙率这个基本指标，其定义为裂缝的面积与土样总面积的比值。基于上述图片处理技术的运用，裂隙率即是处理过后黑白图片中黑色部分的像素数目与图片总像素数目的比值。

2.2.2 分形维数

分形理论是建立在统计区域分布规律上的一种基础数学方法，一般广泛应用于岩土体裂隙的孔隙分布情况、渗流特质属性、结构变化特征等方面分析，确保能真实反映膨胀土干缩裂缝的不规则发育情况和裂缝网络的复杂特性。

3 试验数据和分析

表2是不同温度影响下膨胀土样失水稳定后干缩裂缝的相关量测数据。从表中数据可以看出，随着温度的增加，土样失水至稳定状态时所需要的时间明显减少，这就代表温度越高的同时土样水分蒸发的速率也明显加快。同时，土样失水开裂的初始含水量随温度的升高而逐渐增大，而土样失水开裂至稳定时的含水量则随着温度升高而逐步降低，环境温度的升高导致土样逐渐失去水分，土样的持水能力与环境温度有关联。随着试验温度的升高，土样失去水分达到平衡稳定状态时的裂缝率和分维数都有增大的趋势。

表2 不同温度下干缩裂缝稳定时相关参数测量结果

在不同的试验温度条件下，通过对膨胀土试样进行一系列干湿循环试验，每次干湿循环后采集到到的裂隙图像进行二值化处理，得到的不同温度下分形维数和裂隙率随干湿循环次数的变化规律如图2、图3。从两图可以看出，膨胀土的裂缝随着循环次数的增加，不管在何种温度条件下，膨胀土的裂隙率、分形维数会随着增加，最后渐趋稳定。膨胀土裂隙的演化基本可以分为4个阶段：

图2 不同温度下分形维数随干湿循环次数的变化规律

图3 不同温度下裂隙率随干湿循环次数的变化规律

第1阶段，称为裂缝形成期：随着土中水分的蒸发，首先在试样表面含水量相对小的部位出现数条互不相连的短裂缝，然后这些短裂缝不断延伸发展并相交，形成第1阶段的裂缝网络，将这一阶段的裂缝称为主裂缝，形成的网络称为主裂缝网络，它构成了试样最终裂缝图像的骨架，并将试样分割成若干较大的初级区块，主要发生在第1次干湿循环脱湿完成后。

第2阶段，称为裂缝发展期：在主裂缝网络形成的同时或者形成后期，主裂缝上开始出现分叉，形成次一级的裂缝。随着试样干缩试验过程的持续进行，在次一级的裂缝上会产生更次一级的干缩裂缝，重复上述过程，同时将试样表面划分为面积更小的次一级区块，在理想状态下，这些区块的最终面积大小应近似相等。这个阶段主要发生在第2次、第3次干湿循环完成后。

第3阶段，称为裂缝稳定期：裂缝的条数不再发展，裂缝网络的形态已定形，但裂缝的宽度仍不断增大；被分割的块区都处于稳定状态，形状基本不变，但面积仍不断缩小。主要发生在第4次～第6次干湿循环完成后。

第4阶段，称为裂缝固定期：虽然土中的含水量还在不断减少，但裂缝的宽度已不发生变化，每一条裂缝和裂缝网络已完全固定。经过6次干湿循环后，裂缝就开始固定，不再继续发展、或者裂缝的发展难以察觉基本可以忽略。

同时，从图2、图3中可以看出膨胀土的分形维数、裂隙率在第1次干湿循环后变化幅度最大，第2次、第3次干湿循环，变化幅度慢慢变小，在经过4次干湿循环之后，基本不再变化。不管在何种温度条件，总体的干湿循环裂隙变化规律都基本相同。在相同的温度下，膨胀土在温度较高的条件下，裂隙发育的更加充分，裂隙率、分形维数也就越大。当试件在高温环境下，上层失水率比较低温度下要快，这样形成的含水率梯度就要大，因此高温环境下产生的裂缝比低温的要大，裂隙发展的更加充分，从而无论经历几次干湿循环，高温环境下的裂隙率和分形维数要比低温环境下的大。

4 结论

膨胀土裂隙的产生对土体工程性质有重要影响，并导致各种工程问题。本文综合考虑温度效应和干湿循环两个因素研究膨胀土干缩开裂的影响，得到主要结论如下：

1)土样失水稳定后的干缩裂缝开展形态具有不确定性，不受环境温度影响，随着试验环境温度升高，膨胀土主要裂隙参数裂隙率以及分形维数逐渐减少。

2)膨胀土的裂缝随着循环次数的增加，不管在何种温度条件下，膨胀土的裂隙率、分形形维数会随着增加，最后渐趋稳定。

3)本研究课题还可以深入研究，有关裂缝发生和发展的温度效应还有许多课题需要进一步开展，如在温度更高或更低或极端温度下的裂缝发展机理，不均匀温度场中土的裂缝发展过程等。

4)本文研究成果对更进一步地认识膨胀土的开裂机理以及指导膨胀土地区的土体工程实践具有一定的指导意义。

[1] 唐朝生，施斌，刘春，等.粘性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析[J].岩土工程学报，2007,29(5):743-749.

[2] 唐朝生，施斌，刘春，等． 影响黏性土表面干缩裂缝结构形态的因素及定量分析[J]． 水利学报，2007，38( 10).

[3] 周东，孙义刚，乐观永，等.环境因素对膨胀土边坡温度场影响的模型试验[J]． 广西大学学报( 自然科学版)，2011，36( 4) : 654-657．

[4] 易顺民，黎志恒，张延中.膨胀土裂隙结构的分形特征及其意义[J]． 岩土工程学报，1999，21( 3) : 294-298．

[5] 卢再华，陈正汉，蒲毅彬． 膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT试验研究[J]． 岩土力学，2002，23( 4) : 417 - 422.

[6] 马佳，陈善雄，余飞，等.裂土裂隙演化过程试验研究[J]． 岩土力学，2007，28( 10) : 2203-2208.

[7] 施斌，唐朝生，王宝军，等.粘性土在不同温度下龟裂的发展及其机理讨论[J].高校地质学报，2009,15(2)：192-198.

2016-11- 18

李志国(1979- )，男，工程师，一直从事公路桥梁建设相关工作。

1008-844X(2017)02-0056-03

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