張 銳， 黃 明

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

膨脹土是一種對(duì)環(huán)境濕度變化敏感，由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石和伊利石等組成，具有多裂隙性，強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性粘土［1］。隨著城市化的迅速發(fā)展，城區(qū)不透水面積的面積不斷升高，導(dǎo)致了徑流系數(shù)和洪峰流量也隨之上升。合肥地區(qū)膨脹土粘粒含量達(dá)63～68%，其中又以親水性次生粘土礦物伊利石和高嶺石為主，導(dǎo)致膨脹土具有吸水能力強(qiáng)，膨脹變形大，在長(zhǎng)江中下游的氣候特征下，干濕循環(huán)的特性極易使膨脹土脹縮形成裂隙并不斷發(fā)育，最終大孔隙和貫穿的裂隙為水分快速運(yùn)移提供了通道，降低了城市膨脹土的蓄水能力，對(duì)排水管網(wǎng)造成了沖擊，增加了城市內(nèi)澇的發(fā)生幾率。目前的研究多集中于對(duì)膨脹土的基本物理化學(xué)性質(zhì)，變形特性及治理等方面［2－3］，針對(duì)裂隙的發(fā)育也僅僅是對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究或只是一次脹縮而已，而美國(guó)，新加坡，法國(guó)等已經(jīng)通過(guò)改良城區(qū)膨脹土性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)徑流源頭削減，從而減小洪峰流量［4－6］。目前，對(duì)膨脹土裂隙與滲透系數(shù)的研究很少，本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的膨脹土滲透性能和膨脹土特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和采樣，分析在干濕循環(huán)的條件下膨脹土裂隙的發(fā)育規(guī)律，并采用MATLAB軟件計(jì)算裂隙度，定量的分析在不同裂隙度下滲透系數(shù)的變化。這為城市裸膨脹土裂隙的周期性變化和控制提供了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，都具有指導(dǎo)意義，也可為城市用地規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土為位于合肥市東南方安徽建筑大學(xué)校園膨脹土，其基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)

從表1看，土質(zhì)為強(qiáng)可塑性，塑性指數(shù)介于7至15，為中等可塑性粘土［7］。

1．2 試驗(yàn)方法與步驟

（1）將土樣在105℃下烘干6h以上，敲碎，過(guò)0．5mm篩；經(jīng)多次試驗(yàn)確定壓實(shí)厚度為2cm，壓實(shí)度為75%，稱取土樣300g并加水68ml，控制含水率為18．46%；將含有土樣和水的燒杯密封，過(guò)夜（大于12h），使土樣中含水率滲透均勻。

（2）將密封的土樣平鋪到鋼板上，均勻混合，在滿足壓實(shí)度的要求下逐層壓入內(nèi)徑61．8mm，高20mm的不銹鋼環(huán)刀內(nèi)，保證土樣表面平整和密度均勻。

（3）本次試驗(yàn)采用低溫烘干法（105℃）模擬膨脹土土體的脫濕過(guò)程，烘干時(shí)間控制為6個(gè)小時(shí)。烘干過(guò)程中，分別在試驗(yàn)10分鐘、20分鐘、30分鐘、1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)、4小時(shí)、6小時(shí) 對(duì)土樣進(jìn)行稱重并且對(duì)土樣的頂端進(jìn)行定點(diǎn)拍照。為保證裂隙圖像拍攝距離、位置及環(huán)境的一致性，不影響圖像二值化后的結(jié)果，制作一個(gè)能夠定點(diǎn)拍攝何保證位置相同裝置，拍照時(shí)保證周圍環(huán)境不變，僅僅用日光燈照明。

（4）脫濕過(guò)程結(jié)束后，將土樣裝進(jìn)疊式飽和器進(jìn)行抽氣飽和，抽氣時(shí)間為4h，并抽氣結(jié)束后恢復(fù)至大氣壓下浸泡10小時(shí)，飽和完成后，重復(fù)步驟3）完成一次循環(huán)。

（5）采用相同含水率和壓實(shí)度按步驟1）制樣，逐層壓入內(nèi)徑61．8mm，高40mm的不銹鋼環(huán)刀內(nèi)，重復(fù)步驟3）一次烘干6小時(shí)，拍照，真空抽氣，靜置過(guò)夜，隔天采用TST－55型滲透儀和變水頭供水裝置測(cè)定樣品的穩(wěn)定下滲系數(shù)（KT）。

1．3 圖像處理

圖1（a）為經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后試驗(yàn)用樣的最終形態(tài)，從圖1（b）上看出，邊界的存在使得膨脹土在吸水時(shí)受到束縛，在失水時(shí)其黏力影響土的收縮，使得試樣周邊的裂紋有些不規(guī)則，不適宜納為裂隙度的計(jì)算，如圖1（c）所示，最后應(yīng)用灰度值表進(jìn)行定量分析裂隙的發(fā)育狀況。

圖1 試樣終態(tài)

利用MATLAB進(jìn)行圖像的處理和相應(yīng)比較，通過(guò)對(duì)初始圖片的讀入，提取，二值化，中值濾波等措施［8－11］，最終轉(zhuǎn)化為如圖2（e）所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:

（1）調(diào)用imread函數(shù)，將真彩圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并讀入MATLAB中，如圖2（a）

（2）編程取圓并調(diào)用rgb2gray函數(shù)，將剪切過(guò)得的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，如圖2（b）

（3）調(diào)用im2bw函數(shù)，將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像（黑點(diǎn)為裂隙，灰度為0；白點(diǎn)為未開(kāi)裂部分，灰度為1），如圖2（c）；

（4）調(diào)用imfilter函數(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波處理，如圖2（d）；

（5）調(diào)用imhist函數(shù)，柱狀圖統(tǒng)計(jì)（X軸為頻數(shù)統(tǒng)計(jì)的小區(qū)間的中點(diǎn)，Y軸為小區(qū)間的頻數(shù)）如圖2（e）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2（e）為試樣圖片最終處理結(jié)果，x軸均分為10份，0為黑，1為白，反應(yīng)了裂隙的發(fā)育程度，本次研究主要統(tǒng)計(jì)0．6～1．0間各段頻數(shù)的和。

2．2 結(jié)果分析

2．2．1 試樣的初期含水率隨干濕次數(shù)的變化規(guī)律

圖3中試樣均為真空飽和后靜置相同時(shí)間開(kāi)始測(cè)樣，由于第1次為制樣后不經(jīng)過(guò)真空飽和直接烘干得到，即起始點(diǎn)縱坐標(biāo)為試樣原始含水量；隨著干濕次數(shù)的增加，試樣每經(jīng)歷一次循環(huán)，由于裂隙的發(fā)育，內(nèi)部空隙率的增大，致使含水率下降，并且從試樣1和3可以得出，經(jīng)歷過(guò)4次干濕循環(huán)，試樣的含水率變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 干濕循環(huán)對(duì)試樣含水量的影響

2．2．2 裂隙發(fā)育與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)通過(guò)統(tǒng)計(jì)頻數(shù)來(lái)定量描述試樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙的發(fā)育情況，0表示小區(qū)間內(nèi)都為黑像素點(diǎn)，1表示都為灰像素點(diǎn)，由于一些干擾的，離散的，不規(guī)律的黑像素點(diǎn)，考慮到統(tǒng)計(jì)方法的特點(diǎn)和裂隙本省的發(fā)育特性，本次分析只取0．6～1四個(gè)區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)的和來(lái)評(píng)價(jià)。由圖4可知，頻數(shù)和整體趨勢(shì)是下降的，其中在第2次和第4次出現(xiàn)小幅度回升，但是從其柱狀圖結(jié)果分析，是一些分散的裂隙擴(kuò)張、貫通，成線型，由點(diǎn)成面，0．6～1區(qū)域內(nèi)頻數(shù)顯著增加；并且在干濕開(kāi)始階段下降較快，后逐漸緩和，這是由于裂隙在前三次干濕循環(huán)后，裂隙整體形態(tài)變化不大，只是在區(qū)間內(nèi)相互轉(zhuǎn)換。

圖4 干濕循環(huán)對(duì)裂隙發(fā)育的影響

2．2．3 膨脹土穩(wěn)滲系數(shù)和裂隙發(fā)育程度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

通過(guò)在不同水頭下測(cè)定的高度差，運(yùn)用變水頭滲透系數(shù)計(jì)算公式來(lái)計(jì)算滲透系數(shù):

計(jì)算表明，重復(fù)試驗(yàn)5次基本控制允許差值在10%以內(nèi)。

圖5 干濕循環(huán)對(duì)穩(wěn)定下滲系數(shù)和裂隙發(fā)育的影響

由圖5可以看出，樣品A和B穩(wěn)定下滲系數(shù)和頻數(shù)和與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系基本一致（其中橫坐標(biāo)1對(duì)應(yīng)未真空飽和即烘干的第一次試驗(yàn)），穩(wěn)定下滲系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加整體趨勢(shì)是下降的，在3～5次循環(huán)后有所回升，從0．6～1．0頻數(shù)和的變化趨勢(shì)來(lái)看，主要是由于一些小的貫通裂隙提供了通道，從而增加了膨脹土的通透性，并且大于樣品其他非裂隙部分滲透性能的下降，但是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在沒(méi)有形成大的裂隙通道前，膨脹土的滲透系數(shù)進(jìn)一步下降。

3 結(jié)論

在測(cè)定穩(wěn)定滲透系數(shù)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂隙處于初期形態(tài)，寬度窄，未形成有效貫穿時(shí)，遇水后由于吸水膨脹可恢復(fù)一定的滲透能力，如若任其發(fā)展，裂隙過(guò)度發(fā)展時(shí)，水直接通過(guò)已形成的大直徑上下貫穿通道通過(guò)土柱，致使水擊穿膨脹土的時(shí)間大幅下降，膨脹土也失去了其緩沖雨流的作用。

隨著膨脹土干濕的不斷循環(huán)，導(dǎo)致裂隙不斷發(fā)育，原土質(zhì)的含水能力不斷下降，降低了城市在雨期中膨脹土的蓄水能力，不利于消減城市降雨徑流，因此，適當(dāng)?shù)脑陂L(zhǎng)期干旱時(shí)期提高城市膨脹土的含水率，可以抑制裂隙的發(fā)育，提高防澇的能力。另外，還可為進(jìn)一步通過(guò)模擬降雨，較為精確的計(jì)算膨脹土發(fā)育地區(qū)降雨的下滲量，為該類地區(qū)排水設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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