孫德安，黃丁俊

（上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072）

1 引 言

膨脹土的工程病害問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外巖土工程問(wèn)題中亟待解決的難題。究其原因，是因?yàn)樵谂蛎浲恋念w粒組成中伊利石和蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物占主導(dǎo)地位，氣候變化、雨水滲入、地下水位變化等多重作用下膨脹土?xí)?jīng)歷多次吸水膨脹、水分蒸發(fā)的情況，在多次干濕循環(huán)的過(guò)程中土樣的持水能力和變形特性會(huì)受到一定程度的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)干濕循環(huán)下膨脹土的水力-力學(xué)特性進(jìn)行了研究，呂海波等[1]對(duì)膨脹土進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨脹土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減。但國(guó)內(nèi)外對(duì)干濕循環(huán)下膨脹土的持水性和變形特性研究還較少。

非飽和土的土水特性可用于推算抗剪強(qiáng)度、滲透性、擴(kuò)散、吸附等一系列性質(zhì)[2]，它是非飽和土的基本水力-力學(xué)特性之一。土樣會(huì)隨著脹縮循環(huán)產(chǎn)生塑性變形，改變其水力-力學(xué)性質(zhì)。因此，本文對(duì)經(jīng)過(guò)不同次數(shù)干濕循環(huán)的壓實(shí)南陽(yáng)膨脹土進(jìn)行以下試驗(yàn)：（1）采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法[3－4]測(cè)量了不同吸力下膨脹土的含水率和孔隙比等一系列土水特性，得出不同干濕循環(huán)次數(shù)下的土-水特征曲線和孔隙比。（2）用圖像分析法處理每次烘干后試樣的上表面照片，得出每次烘干后試樣的收縮率和裂隙開(kāi)展率。通過(guò)以上兩種方法的結(jié)合，研究多次干濕循環(huán)對(duì)低膨脹性非飽和土水力-力學(xué)性質(zhì)的影響。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及儀器裝置

試驗(yàn)所用材料為南陽(yáng)膨脹土，取自南水北調(diào)中線南陽(yáng)段南陽(yáng)市臥龍區(qū)臥姜溝鄉(xiāng)，取土深度為4 m。南陽(yáng)膨脹土的礦物組成主要有石英、長(zhǎng)石以及約10%伊利石和6%蒙脫石，基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。從表中可知，南陽(yáng)膨脹土屬于低膨脹性土。蒸汽平衡法使用裝置為蒸汽平衡保濕器，保濕器底部所用的飽和鹽溶液和對(duì)應(yīng)吸力值，見(jiàn)表2[4]。在干濕循環(huán)過(guò)程中，吸濕飽和采用疊式飽和器固定土試樣后放入密閉容器內(nèi)抽真空飽和，脫濕干燥采用烘箱在105 ℃條件下烘干。

表1 南陽(yáng)膨脹土的物理參數(shù)Table 1 Physical indexes of Nanyang expansive soil

表2 飽和鹽溶液及對(duì)應(yīng)吸力值（20 ℃）Table 2 Saturated salt solution and corresponding suction(20 ℃)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

采用面積為30 cm2、高2 cm 的環(huán)刀作為制樣模具，用液壓千斤頂將膨脹土壓實(shí)，制成干密度為1.5 g/cm3，含水率為18%的試樣。干濕循環(huán)一次過(guò)程中吸濕飽和脫濕烘干各24 h，干濕循環(huán)過(guò)程見(jiàn)表3。飽和和烘干后分別測(cè)量試樣高度，并在光線充足環(huán)境下距離試樣固定高度處拍攝試樣表面照片。

表3 干濕循環(huán)過(guò)程Table 3 Drying-wetting cycles

飽和鹽溶液蒸汽平衡法能較好地控制高吸力，常用作測(cè)定高吸力下的土-水特征曲線。將上述經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)的土試樣置于底部裝在表2 所列的飽和鹽溶液蒸汽平衡保濕器中，密封后置于約20°常溫下進(jìn)行蒸汽平衡。60 d 后土樣達(dá)到吸力平衡，取出2塊土樣，一塊烘干法測(cè)量含水率，另一塊用不規(guī)則土樣排石蠟法測(cè)量土樣的體積[5]，以此計(jì)算不同吸力條件下土樣的孔隙比、飽和度等數(shù)據(jù)。

圖像分析處理可用于普通方法難處理的復(fù)雜問(wèn)題。將之前飽和后和烘干后的試樣照片存為JPG 格式，并用Matlab 數(shù)值分析軟件對(duì)其分析處理。

3 飽和鹽溶液蒸汽平衡試驗(yàn)結(jié)果

圖1為不同干濕循環(huán)后的試樣含水率w 與吸力S 的關(guān)系。試樣在相同初始干密度和含水率條件下，脫濕和吸濕過(guò)程試樣平衡含水率隨吸力值上升而下降；土-水特征曲線隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而下移，說(shuō)明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體持水能力有所下降。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，曲線下移量減少，甚至重合在一起，這是因?yàn)橥两Y(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，土水特性的敏感性降低，干濕循環(huán)的影響變小。圖2為不同干濕循環(huán)次數(shù)下飽和度Sr與吸力S 關(guān)系的土-水特征曲線。在相同初始干密度和含水率下，用飽和度表示的土水特征曲線隨循環(huán)次數(shù)增加也而下移，且下移幅度隨著次數(shù)增多而逐漸減小。圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)下孔隙比e 與吸力S 的關(guān)系。相同吸力下孔隙比隨循環(huán)次數(shù)增加而變大，且增大幅度逐漸減小。這說(shuō)明循環(huán)次數(shù)增加，土樣的孔隙比增加，結(jié)構(gòu)變松散，但孔隙增加幅度逐漸減小。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)后的含水率與吸力關(guān)系Fig.1 Water content vs.suction relations after drying-wetting cycles

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)后的飽和度和吸力關(guān)系Fig.2 Degree of saturation vs.suction relations after drying-wetting cycles

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)后的孔隙比和吸力關(guān)系Fig.3 Void ratio vs.suction relations after drying-wetting cycles

綜上所述，相同初始條件下土樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加（1～3 次），在相同吸力下含水率下降、飽和度下降、孔隙比增大、持水能力下降；循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加（3～6 次），土樣與之前（1～3 次）相比，變化趨勢(shì)不變，但變化幅度大為降低，部分區(qū)域甚至重疊。說(shuō)明干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，土樣的土-水特性變化已趨于平緩或不變化。

試樣在干濕循環(huán)過(guò)程中，先經(jīng)過(guò)了吸水飽和，土顆粒旋轉(zhuǎn)膨脹，排列方向改變；再進(jìn)行烘干，原排列無(wú)法復(fù)原，產(chǎn)生新的裂隙。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙增多，從而影響土水特性。對(duì)比圖1～3中的(a)圖與(b)圖，干濕循環(huán)對(duì)膨脹土影響較大，且對(duì)吸濕曲線影響更大。原因是脫濕過(guò)程，土樣先經(jīng)過(guò)了吸水飽和，土體顆粒膨脹填充了新舊裂隙，干濕循環(huán)前后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本不變。

4 干濕循環(huán)過(guò)程中土樣圖像處理分析

4.1 土樣表面圖像的獲取

4.1.1 飽和過(guò)程

試樣裝入環(huán)刀里放入水中抽真空飽和24 h，在相同高度處拍攝試樣照片，并測(cè)量試樣高度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，試樣新增干縮裂縫在飽和后會(huì)愈合，表觀上與初始狀態(tài)無(wú)明顯區(qū)別，干濕循環(huán)對(duì)抽氣飽和過(guò)試樣的影響不明顯，土樣圖像處理分析主要針對(duì)烘干后的試樣。

4.1.2 烘干過(guò)程

試樣在105 ℃烘箱內(nèi)放置24 h 后取出，在相同高度處拍攝試樣上表面的照片，以保證拍攝照片中環(huán)刀所占面積相同，并測(cè)量試樣高度。為防止圖像中無(wú)關(guān)內(nèi)容對(duì)后續(xù)圖片閾值分割工作造成影響，使用圖像處理軟件把獲得的制樣后及1～6 次循環(huán)脫濕后共7 副照片中的環(huán)刀外部分用黑色進(jìn)行覆蓋。以第3 次干濕循環(huán)烘干樣為例，見(jiàn)圖4。

圖4 經(jīng)3 次干濕循環(huán)后的烘干試樣表面圖像Fig.4 Oven dry specimen after 3rd drying-wetting cycles

4.2 收縮及裂隙面積提取

圖像處理工具為Matlab。對(duì)照片使用二值化處理時(shí)，采用不同的閾值分割處理會(huì)得到不同長(zhǎng)、寬的裂隙。這里采用使裂隙周?chē)a(chǎn)生零散黑點(diǎn)最少的閾值。經(jīng)過(guò)調(diào)整后采用的閾值見(jiàn)表4。收縮面積率εA和裂隙面積率 εC定義如下：

式中：A0為試樣烘干前面積（環(huán)刀內(nèi)面積）；A1為試樣烘干后面積（含裂隙）；AS為收縮面積；AC為表面裂隙面積。以上數(shù)據(jù)均可由Matlab 程序讀取。

4.3 收縮及裂隙開(kāi)展面積變化

將試樣圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后，可以更直觀地看出試樣收縮和裂隙開(kāi)展過(guò)程，如圖5 所示。從圖中可見(jiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的收縮越來(lái)越劇烈，裂縫開(kāi)展越來(lái)越長(zhǎng)，寬度加大，小裂隙逐步發(fā)展、合并成大裂隙。裂隙主要為環(huán)向裂隙，而徑向裂隙分布零散且寬度較小，相對(duì)不明顯。1～3 次過(guò)程中，收縮與裂隙開(kāi)展劇烈，4～6 次循環(huán)收縮與裂隙開(kāi)展減緩，變形趨于穩(wěn)定。這與上節(jié)中提到的孔隙比隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)相一致。

二值化后的圖像經(jīng)Matlab 分析處理后，得到試樣的收縮面積率 εs和裂隙面積率εC，見(jiàn)表5。由表可見(jiàn)，1～2 次循環(huán)試樣面積收縮最劇烈，即1 次循環(huán)的收縮率為1.53%，2 次循環(huán)為5.56%，2 次循環(huán)收縮面積率為1 次的3.63 倍。總體來(lái)看，6 次循環(huán)后收縮面積率為1 次的4.54 倍，裂隙面積率為3.19 倍。

圖5 0～6 次干濕循環(huán)后脫濕過(guò)程二值化后圖像Fig.5 Image binarization after 0-6 wetting-drying cycles

表5 不同循環(huán)次數(shù)收縮和裂隙面積率對(duì)比Tables 5 Shrinkage and crack area ratio for different cycles

圖6為收縮面積率 εA和裂隙面積率εC與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣收縮面積和裂隙面積不斷增加，曲線呈上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不斷減緩，裂隙面積增加變少。并且試樣收縮于3 次循環(huán)基本達(dá)到穩(wěn)定，裂隙于5次循環(huán)基本達(dá)到穩(wěn)定，收縮先于裂隙達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 面積率與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Curves of area ratio vs.cycle number

試樣表面與中部含水率的不同，形成了含水率梯度，干濕循環(huán)脫濕過(guò)程中試樣不均勻收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力。試樣抗拉強(qiáng)度小于收縮拉應(yīng)力時(shí)形成裂隙，試樣吸濕飽和時(shí)裂隙膨脹愈合。再次脫濕時(shí)，愈合處首先裂開(kāi)，產(chǎn)生新臨空面。新臨空面因不均勻收縮產(chǎn)生新的裂隙和收縮，使得原有裂隙不斷積累，延伸。這使得裂隙和收縮面積隨干濕循環(huán)面積不斷增加。由于試驗(yàn)所用的膨脹土屬于低膨脹性土，在6 次循環(huán)過(guò)程中，并未產(chǎn)生大貫通性裂隙。

4.4 收縮變形的方向性

試樣在干濕循環(huán)過(guò)程中呈現(xiàn)三維變化，徑向收縮、裂縫開(kāi)展，高度同時(shí)減小。用式（3）可求得試樣烘干收縮前后高度相對(duì)變化率：

式中：εv為試樣高度相對(duì)變化率；h0為試樣烘干前高度；h1為試樣烘干后高度。

圖7為試樣高度相對(duì)變化率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系，高度相對(duì)變化率εv=1.86%～3.3%。從圖6 可見(jiàn)，試樣脫濕烘干前后徑向收縮面積率εA=1.53%～7%。烘干前后的面積可以用直徑表示：

式中：εr為試樣徑向變化率；D0、D1分別為試樣烘干前、后直徑。試樣烘干前后直徑變化量與原試樣直徑相比較小，因此 εA≈2εr，根據(jù)收縮面積率可得試樣徑向變化率為0.77%～3.50%。

圖6 的面積收縮率 εA除以2 即為徑向變化率εr，比較圖6 的面積收縮率和圖7 的試樣高度相對(duì)變化率可知，1～2 次時(shí)試樣烘干前后徑向變化率 εr小于高度相對(duì)變化率 εv，即εr＜ εv；3～6 次時(shí)試樣烘干前后徑向變化率 εr大于高度相對(duì)變化率 εv，說(shuō)明南陽(yáng)膨脹土的收縮特性具有各向異性。

圖7 烘干前后高度相對(duì)變化率Fig.7 Relative difference in height before and after

5 結(jié) 論

（1）試樣隨干濕循環(huán)次數(shù)增加（1～3 次），含水率下降，持水能力下降，飽和度降低，孔隙比增加。干濕循環(huán)增加到一定次數(shù)后（3～6 次），上述變化趨勢(shì)不變，但變化幅度減小。

（2）試樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，收縮與裂隙開(kāi)展增加，但增加幅度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，且收縮先于裂隙趨于穩(wěn)定。

（3）膨脹土的持水能力與宏觀變形隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)累積效應(yīng)，但累積效應(yīng)隨次數(shù)增加而減弱。

（4）壓實(shí)膨脹土的徑向變形大于高度方向變形。

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