黎 偉,劉觀仕,姚 婷

(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071)

膨脹土是一種主要由蒙脫石等親水性黏土礦物組成、具有明顯吸水膨脹和失水收縮特性的高塑性黏土[1]。與一般黏土相比,膨脹土具有膨脹性、裂隙性和超固結(jié)性[2]這3種特性。裂隙性與膨脹性、超固結(jié)性關(guān)系密切,當(dāng)含水量降低時(shí),膨脹土發(fā)生干縮導(dǎo)致土體開(kāi)裂,而氣候干濕循環(huán)等作用導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展;膨脹土在開(kāi)挖過(guò)程中超固結(jié)應(yīng)力的釋放也會(huì)導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展。裂隙一方面破壞了土體的完整性,另一方面產(chǎn)生滲流,加劇了膨脹土的脹縮和裂隙擴(kuò)展,因此,裂隙性是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[3]。Terzaghi[4]最早注意到裂隙發(fā)育對(duì)土體強(qiáng)度的影響,指出裂隙是超固結(jié)黏土的結(jié)構(gòu)特性,并指出裂隙對(duì)土體強(qiáng)度有重要影響。Gregory[5]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),倫敦黏土中存在的節(jié)理和裂隙是引起滑動(dòng)的原因。Skempton[6]發(fā)現(xiàn)裂隙會(huì)引起應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)黏土抗剪強(qiáng)度峰值時(shí)會(huì)導(dǎo)致土體破壞。在一般黏土裂隙研究的基礎(chǔ)上,孫長(zhǎng)龍等[7-11]先后研究了裂隙對(duì)膨脹土強(qiáng)度、變形、滲透等的影響,并進(jìn)一步研究了裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響。正是由于認(rèn)識(shí)到裂隙對(duì)膨脹土物理力學(xué)性狀的重要影響,膨脹土裂隙特性及定性、定量描述方法等越來(lái)越多地受到人們的重視,獲得了多方面的研究進(jìn)展。

1 膨脹土裂隙特征研究現(xiàn)狀

膨脹土裂隙特征研究主要從裂隙分類方法、裂隙量測(cè)方法、裂隙統(tǒng)計(jì)分析方法3個(gè)方面進(jìn)行。

1.1 膨脹土裂隙分類方法

通常情況下,巖土體中產(chǎn)生的無(wú)明顯位移的斷裂叫做裂隙[12]。按照不同的標(biāo)準(zhǔn),裂隙有很多分類方法,如按形成時(shí)期可以分為原生裂隙和次生裂隙;按寬度和規(guī)?？梢苑譃槲⒓?xì)觀裂隙和宏觀裂隙;按成因可以分為構(gòu)造裂隙和非構(gòu)造裂隙,構(gòu)造裂隙按力學(xué)性質(zhì)又可以分為剪性裂隙、張性裂隙及組合裂隙,非構(gòu)造裂隙包括卸荷裂隙、脹縮裂隙、淋濾裂隙、風(fēng)化裂隙、濕陷裂隙、凍融裂隙等[13]。非飽和膨脹土具有裂隙發(fā)育的特點(diǎn),從成因來(lái)看,因黏土礦物含水量高而容易吸水膨脹和失水收縮,所形成的脹縮裂隙是最主要的裂隙類型[14];另外,因開(kāi)挖卸荷或失穩(wěn)滑動(dòng)等作用形成的張性裂隙,因不均勻膨脹及沉降形成的剪性裂隙,因水力作用形成的淋濾裂隙,因地震等活動(dòng)形成的構(gòu)造裂隙等,也是膨脹土中常見(jiàn)的裂隙形式。由于膨脹土裂隙往往是由上述幾種外因共同作用產(chǎn)生,且各種因素作用產(chǎn)生的裂隙差別有時(shí)并不明顯,所以一般觀測(cè)到的裂隙是各種類型裂隙的共存,無(wú)法具體區(qū)別開(kāi)來(lái)[3]。從膨脹土裂隙作為研究對(duì)象的角度而言,還可以分為原狀土裂隙和重塑土裂隙,前者如自然裂隙、邊坡新鮮開(kāi)挖面產(chǎn)生的裂隙、原狀土室內(nèi)模擬條件下產(chǎn)生的裂隙等,而重塑土裂隙包括原位條件下壓實(shí)土產(chǎn)生的裂隙,室內(nèi)干縮、反復(fù)干濕循環(huán)、無(wú)荷載或有荷載等人工條件下產(chǎn)生的裂隙,或者多種人工條件組合下產(chǎn)生的裂隙。

切爾內(nèi)紹夫[15]最先對(duì)一般黏土的裂隙進(jìn)行了較系統(tǒng)的分類,即根據(jù)裂隙定向排列的相互關(guān)系將裂隙網(wǎng)絡(luò)分為系統(tǒng)裂隙網(wǎng)絡(luò)、多角形裂隙網(wǎng)絡(luò)和混亂裂隙網(wǎng)絡(luò);而根據(jù)裂隙末端互相配置的性質(zhì)和土體受裂隙切割的貫穿程度可以將裂隙網(wǎng)絡(luò)分為連續(xù)的裂隙格局、不連續(xù)的裂隙格局和片斷的裂隙格局。胡卸文等[16]通過(guò)對(duì)具有類似沖積和冰水沉積地質(zhì)特征的5個(gè)地區(qū)裂隙性黏土的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,總結(jié)出黏土裂隙發(fā)育的3種較為常見(jiàn)的模式,即平行斜列式、水平及斜列式和羽形排列式,但這種分類對(duì)其他地質(zhì)成因土的適應(yīng)性有待驗(yàn)證。一般黏土的裂隙分類方法也能應(yīng)用于非飽和膨脹土中,但對(duì)于非飽和膨脹土的特殊性,還需要針對(duì)性更強(qiáng)的裂隙分類方法。袁俊平[3]參照文獻(xiàn)[15]的分類方法,考慮膨脹土裂隙的復(fù)雜性及不確定性,在裂隙網(wǎng)絡(luò)分類中增加了隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)這一新類型。

裂隙分類方法很多,側(cè)重點(diǎn)各有不同,且大部分分類方法以定性為主,缺乏明確的定量化手段或指標(biāo)。由于膨脹土裂隙性與其典型的脹縮性和超固結(jié)性密切相關(guān),在研究改進(jìn)膨脹土裂隙分類方法時(shí),宜結(jié)合其典型物理力學(xué)特性、應(yīng)用目的及方法的實(shí)用性等方面來(lái)進(jìn)行。

1.2 膨脹土裂隙量測(cè)方法

1.2.1 直接量測(cè)方法

直接量測(cè)方法是通過(guò)肉眼發(fā)現(xiàn)裂隙,采用鋼尺等工具量測(cè)其寬度和長(zhǎng)度,使用羅盤或量角器等量測(cè)其產(chǎn)狀,通過(guò)素描等記錄裂隙分布情況,綜合得到對(duì)裂隙定性或半定量的記錄。如現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)膨脹土坡面裂隙時(shí),選擇大小為20cm×20cm的較平整坡面作為觀測(cè)試樣,把已繪制好網(wǎng)格線的透明塑料紙鋪在坡面上,用鉛筆按1∶1的比例繪制裂隙分布素描圖;開(kāi)挖面裂隙量測(cè)時(shí),選擇平坦、裂隙自然分布的區(qū)域,周圍釘上1m長(zhǎng)標(biāo)尺,采用手工素描結(jié)合拍照的方法進(jìn)行裂隙形態(tài)的記錄與描述[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的研究者采用數(shù)碼相機(jī)拍照來(lái)獲得更加清晰的裂隙圖像[17-18],而更多先進(jìn)的儀器也被應(yīng)用于裂隙量測(cè),如計(jì)算機(jī)斷面成像技術(shù)法(CT法)、遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡觀測(cè)法。

CT法是利用CT機(jī)成像獲得相應(yīng)區(qū)域的CT數(shù)來(lái)反映物質(zhì)分布情況的一種方法[19],可以動(dòng)態(tài)、定量、無(wú)損地量測(cè)巖土體微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。1986年,日本首先研制成功室內(nèi)受壓巖樣彈性波CT機(jī),對(duì)受壓巖樣內(nèi)部裂紋發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究并取得豐碩成果,標(biāo)志著CT法被成功引入巖石力學(xué)領(lǐng)域[20],隨后被引入土力學(xué)領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi),蒲毅彬[21]率先使用CT法研究?jī)鐾恋慕Y(jié)構(gòu)性,盧再華等[22]則把CT法應(yīng)用于膨脹土研究,對(duì)干濕循環(huán)條件下膨脹土脹縮裂隙的演化進(jìn)行研究,提出了基于CT數(shù)的裂隙損傷變量及其隨累計(jì)干縮體變的變化規(guī)律。王軍[23]對(duì)干濕循環(huán)后的膨脹土樣進(jìn)行多個(gè)切面的CT掃描,使用多平面重構(gòu)技術(shù),形成了三軸試樣的裂隙重構(gòu)圖,以期實(shí)現(xiàn)裂隙圖像的三維可視化顯示,這一方法對(duì)膨脹土體內(nèi)部裂隙的研究提供了一個(gè)有效的途徑。隨著對(duì)土體裂隙研究的發(fā)展,CT法已經(jīng)逐漸成為了一種主流的裂隙觀測(cè)方法。然而CT法目前只能用于量測(cè)小尺寸室內(nèi)土樣,無(wú)法應(yīng)用于原位膨脹土,且存在設(shè)備較昂貴等不足。遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡法是另一種較新的量測(cè)方法,通過(guò)由遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡、三軸位移平臺(tái)、CCD攝像儀和視頻監(jiān)視器組成的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行裂隙試樣的觀測(cè)和圖像采集,可非接觸地、連續(xù)地、系統(tǒng)地觀測(cè)試樣在受荷狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)變化情況[3]。袁俊平等[24-25]利用遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行觀測(cè),定量地對(duì)膨脹土表面裂隙進(jìn)行了描述。該方法能夠?qū)崟r(shí)獲得膨脹土表面裂隙發(fā)展的清晰圖像,便于后期圖像分析,不過(guò)跟現(xiàn)場(chǎng)數(shù)碼成像存在著相似的不足,即無(wú)法觀測(cè)到膨脹土內(nèi)部裂隙的發(fā)展?fàn)顩r。

1.2.2 間接量測(cè)方法

電阻率法和超聲波法均屬于間接量測(cè)方法。電阻率法利用測(cè)試電流通過(guò)土體時(shí)所呈現(xiàn)的電阻大小來(lái)間接反映土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[26],應(yīng)用該方法的前提是裂隙發(fā)育程度不一致的巖土體具有電阻率差。Archie[27]最早提出了僅適用于飽和無(wú)黏性土的電阻率模型,Waxman等[28]提出了適用于非飽和黏性土的電阻率模型。電阻率法也被應(yīng)用于膨脹土,龔永康等[29]采用電阻率法對(duì)室內(nèi)膨脹土裂隙的發(fā)育進(jìn)行了研究,提出用電導(dǎo)率反映土體裂隙發(fā)育有一定的可行性,但對(duì)電極的大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度、土體類型等影響因素尚需進(jìn)一步的探討和完善。Anna等[30]研究認(rèn)為電阻率是監(jiān)測(cè)一定范圍內(nèi)土體裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)展的有價(jià)值工具。超聲波法一般采用超聲波脈沖透射法量測(cè)巖土體內(nèi)的超聲波聲速[31],利用不同的超聲波聲速反映巖土體內(nèi)部裂紋的發(fā)展?fàn)顩r。趙明階等[32-33]利用超聲波法對(duì)巖石裂紋進(jìn)行了研究,運(yùn)用超聲波聲速定義了損傷變量,用其表述了巖石微裂紋的宏觀力學(xué)效果。超聲波法理論上可推廣到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),但目前尚處于研究階段,還未見(jiàn)到超聲波法應(yīng)用于膨脹土裂隙量測(cè)的報(bào)道。

電阻率法和超聲波法有助于了解土體表面和內(nèi)部的裂隙發(fā)育狀況,但還是必須結(jié)合直接量測(cè)方法進(jìn)行標(biāo)定或校核,且通過(guò)單一的指標(biāo)如電阻率或者超聲波聲速等的變化無(wú)法對(duì)裂隙進(jìn)行準(zhǔn)確描述,將間接量測(cè)方法與直接量測(cè)方法相結(jié)合是一種發(fā)展趨勢(shì)。

1.2.3 裂隙深度量測(cè)方法

以上研究針對(duì)裂隙的平面量測(cè)比較多,對(duì)于混凝土中裂隙的深度常用鑿出法和鉆孔取芯法等量測(cè)[34],但上述方法能否應(yīng)用于膨脹土尚未見(jiàn)到有關(guān)報(bào)道。Yesiller等[35]提到使用帶刻度的細(xì)鋼絲來(lái)量測(cè)黏土裂隙的深度,但可操作性欠佳?？梢哉f(shuō)暫時(shí)還沒(méi)有較為方便可靠的直接量測(cè)和描述方法,目前大多采用間接手段或建立模型對(duì)其進(jìn)行量測(cè)和描述。Picornell等[36]開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)膨脹土收縮裂隙深度的研究,提出根據(jù)聲波通過(guò)土體表面時(shí)因裂隙而導(dǎo)致的時(shí)間增量來(lái)確定裂隙深度的方法。更多的研究從理論方面展開(kāi),如Morris等[37]建立了裂隙深度、土體特性和給定吸力分布之間的理論關(guān)系,提出了3種預(yù)測(cè)土體開(kāi)裂深度的方法;Chertkov[38]提出利用表面裂隙平均間距來(lái)估算裂隙發(fā)育區(qū)深度以及裂隙最大深度;姚海林等[39]推導(dǎo)出膨脹土裂隙深度的表達(dá)式,求得在地下水位趨于無(wú)窮大時(shí)的裂隙擴(kuò)展深度的極值;潘宗俊等[40]從理論分析著手,采用Mitchell公式和裂隙擴(kuò)展深度方程確定安康地區(qū)膨脹土大氣影響深度和裂隙開(kāi)展深度;李培勇等[41]得出了同時(shí)考慮土體有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角等參數(shù)的非飽和膨脹土裂隙開(kāi)展深度的線彈性理論關(guān)系式。以上通過(guò)理論推導(dǎo)得出的裂隙深度預(yù)測(cè)值往往包含了不少人為假設(shè),與裂隙真實(shí)開(kāi)展深度存在不同程度的差別,直接或間接量測(cè)裂隙深度方法的研究亟待深入。

1.3 膨脹土裂隙的統(tǒng)計(jì)分析方法

膨脹土裂隙可用影響其工程力學(xué)性質(zhì)走向、傾角、寬度、深度、長(zhǎng)度以及間距等主要幾何要素來(lái)度量。

1.3.1 基于人工量測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析

裂隙的走向、傾向是膨脹土非常重要的裂隙幾何特征。在一般巖土體裂隙研究中,王景明等[42]和李志輝等[43]分別利用玫瑰花圖和赤平極射投影法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的裂隙走向(傾向)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),清晰地表示了裂隙走向(傾向)的優(yōu)勢(shì)方向,但上述方法在膨脹土裂隙統(tǒng)計(jì)中未見(jiàn)應(yīng)用報(bào)道。天然情況下膨脹土裂隙分布大多呈混亂型裂隙網(wǎng)絡(luò),對(duì)裂隙的走向、傾角等方向性要素的量測(cè)較為繁雜。為了綜合反映裂隙的分布特征和影響,通常采用裂隙率作為裂隙度量分析指標(biāo)[3]。裂隙率可以定義為單位面積上的裂隙面積,或單位面積上的裂隙長(zhǎng)度,或單位面積上的分塊平均面積,以及單位面積上的分塊個(gè)數(shù)等[44]。以上定義的裂隙率都能通過(guò)一定方式來(lái)反映裂隙的發(fā)育程度,但問(wèn)題在于如果僅基于人工量測(cè)或統(tǒng)計(jì)分析,一些微小裂隙往往被忽略,導(dǎo)致裂隙率的計(jì)算不夠精確。

1.3.2 基于圖像處理的統(tǒng)計(jì)分析

隨著數(shù)碼攝影和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與結(jié)合,基于圖像處理的膨脹土裂隙統(tǒng)計(jì)分析方法可能更可靠和方便。研究者將獲取于光學(xué)顯微鏡、CT成像等的光柵圖像,采用各種圖像處理方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如袁俊平等[24-25]利用灰度熵對(duì)裂隙圖像進(jìn)行分析,結(jié)果表明裂隙圖像的灰度熵能很好地表征裂隙的發(fā)育程度,適合作為膨脹土裂隙發(fā)育程度的度量指標(biāo);尹小濤等[45]利用基于形態(tài)學(xué)的圖像處理技術(shù)對(duì)裂紋進(jìn)行提取、幾何量測(cè)及空間描述,對(duì)于推動(dòng)巖土工程CT圖像的定量化描述具有一定意義;李雄威等[17-18]通過(guò)室外數(shù)碼成像,基于Matlab軟件二值化像素統(tǒng)計(jì)方法對(duì)膨脹土表面裂隙的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了分析;張家俊等[46]認(rèn)為單純依靠分析裂隙的光柵圖像是很難具體計(jì)算出與裂隙各幾何要素有關(guān)的裂隙率的,提出使用矢量圖技術(shù)提取及分析裂隙的幾何要素,該方法具有無(wú)極縮放、不失真的優(yōu)點(diǎn)。

1.3.3 分形幾何統(tǒng)計(jì)分析

分形幾何是另外一種統(tǒng)計(jì)分析方法。胡卸文等[47]研究了黏土體裂隙效應(yīng)中存在的分形幾何現(xiàn)象,表明裂隙空間展布、極點(diǎn)分布以及土樣強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)均具有分形結(jié)構(gòu)。易順民等[48]將分形理論應(yīng)用于膨脹土裂隙結(jié)構(gòu)的分形特征的研究中,結(jié)果表明,膨脹土裂隙網(wǎng)絡(luò)和裂隙形態(tài)特征具有很好的統(tǒng)計(jì)自相似性,膨脹土裂隙的力學(xué)效應(yīng)特征同膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有很好的相關(guān)性。陳尚星[13]利用攝影確定膨脹土裂隙分維數(shù),發(fā)現(xiàn)分維數(shù)隨裂隙密度和裂隙寬度的增大而增大,并用分形插值法很好地模擬了膨脹土裂隙的細(xì)部特征,并結(jié)合隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論模擬了土體裂隙網(wǎng)絡(luò)。包惠明等[49]進(jìn)一步研究了干濕循環(huán)條件下膨脹土裂隙的分形,計(jì)算不同循環(huán)次數(shù)下試樣表面裂隙區(qū)的分維數(shù),獲得膨脹土試樣在整個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程中的裂隙分維變化規(guī)律。目前,分形理論在巖土工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,取得了很多的成果,不過(guò)大多數(shù)的研究?jī)H限于分析巖土體裂隙的分形特征以及分維數(shù)與巖土體強(qiáng)度等的相關(guān)性,較少涉及基于分形理論的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度理論等的研究。

1.3.4 其他分析方法

實(shí)際上,裂隙的開(kāi)展和分布規(guī)律非常復(fù)雜,具有很強(qiáng)的不確定性,由此袁俊平[3]提出了一個(gè)非飽和膨脹土裂隙概化模型,將膨脹土裂隙分布簡(jiǎn)化為水平剖面和豎直剖面2個(gè)方向不同裂隙網(wǎng)絡(luò)的疊加,即對(duì)水平剖面上的混亂型裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效均化處理,對(duì)豎直剖面上各向異性系統(tǒng)型裂隙網(wǎng)絡(luò)使用蒙特卡羅方法進(jìn)行隨機(jī)模擬。這一模型為膨脹土裂隙研究開(kāi)辟了一條有益的新思路。

2 展 望

膨脹土裂隙特征作為裂隙研究的基礎(chǔ),對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究有著重要的作用。綜合而言,目前的裂隙特征研究雖然取得了一些進(jìn)展,但尚未獲得廣泛認(rèn)同的關(guān)鍵成果,建議在以下幾個(gè)方面繼續(xù)開(kāi)展研究:①開(kāi)展裂隙深度量測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析方法及裂隙深度與表面裂隙特征關(guān)系的研究;②加強(qiáng)裂隙特征的CT、數(shù)碼等圖像獲取方法及裂隙圖像信息處理方法的研究;③由于電阻率和超聲波法等裂隙間接量測(cè)方法實(shí)用方便,具有良好的前景,建議加強(qiáng)電阻率、超聲波聲速與膨脹土裂隙特征和物理力學(xué)性狀之間關(guān)系的研究。

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