兩處粘性土龜裂發(fā)展規(guī)律的實驗分析

施國棟，孫柏坤，廖振修

(安徽建筑大學土木工程學院，合肥230601)

摘要：通過對兩處粘土和粉質(zhì)粘土的室內(nèi)龜裂實驗，運用裂隙的統(tǒng)計方法和分形理論對不同溫度條件下形成粘性土龜裂的表面結(jié)構(gòu)特征進行了定量統(tǒng)計與分析，研究了龜裂發(fā)展與溫度之間的關系，實驗表明：龜裂的發(fā)育方式為三種，即極點推進式、平行推進式和環(huán)繞推進式；溫度對粘性土表面龜裂長度、節(jié)點個數(shù)、條數(shù)、裂隙率和分維值等參數(shù)有重要影響，且對粘土和粉質(zhì)粘土等不同土質(zhì)的影響具有一定的差異性。

關鍵詞：粘性土；溫度；龜裂；裂隙率；分維值

收稿日期：2014-11-08

基金項目：國家自然科學

作者簡介：施國棟(1980-)，男，講師，主要研究方向為工程地質(zhì)及地質(zhì)災害。

中圖分類號：TP391.41

Experimental Analysis of the Development Law of

Clayey Soil Cracks from Hefei's Two Areas

SHI Guo-dong,SUN Bai-kun，LIAO Zhen-xiu

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui, Hefei, 230601)

Abstract:By designing interior cracking experiments on clayey soil cracks from Hefei's two areas and silty clay soil, in which the quantitative statistical analysis of crack and fractal theory is applied to the structural characteristics of crack surface of clayey soil in various temperatures. The influence of temperature on crack development was revealed. The results show three ways of such development and a significant impact on the following parameters as length, number of nodes, number of fissure, fissure rate and fractal dimension of clay surface crack. Moreover, the influence differs in terms of clay and silty clay soil.

Key words:clayey soil; temperature; desiccation cracking; fissure rate; fractal dimension

1引言

粘性土體失水時常常會出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘性土的泥裂或裂隙。龜裂在自然界中普遍存在，它是影響土體強度、穩(wěn)定性及滲透性的重要因素[1-4]。對龜裂進行定量化描述是揭示土體龜裂發(fā)育機理及其演化規(guī)律的前提。龜裂的形成和發(fā)展具有極其復雜性，容易受到外界環(huán)境溫度、濕度等的影響，定量化程度較低。目前國內(nèi)外對龜裂的研究大多只停留在它表面形態(tài)學方面。

粘性土主要由親水性礦物組成，具有吸水膨脹、失水收縮的特性。在失水收縮時會產(chǎn)生張拉應力使土體產(chǎn)生龜裂，并隨著水分的丟失、含水量的降低而進一步發(fā)展，因此環(huán)境溫度的變化是龜裂發(fā)生的重要影響因素。

本文即是為了研究溫度對粘性土表面龜裂形態(tài)及發(fā)展演化規(guī)律的影響，借助101-2型電熱/鼓風恒溫干燥箱等儀器設備，設定不同的溫度條件，分別對合肥兩處粘土和粉質(zhì)粘土兩種類型的土樣進行龜裂模擬室內(nèi)實驗。將獲得的龜裂結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡進行定量分析及對比，結(jié)合分形理論分析粘性土龜裂的形成過程，得出龜裂網(wǎng)絡形態(tài)結(jié)構(gòu)的關鍵指標。

2采樣及實驗方法

2.1采樣

實驗中所采用的粘性土一共有兩種土樣，其中土樣1為安徽建筑大學土木樓北側(cè)(31°44'41.2''N，117°13'07.4''E)所取到的粘土，土樣2為合肥市肥西工業(yè)聚集區(qū)合肥駿馬機械廠(31°46'26.4''N，117°05'58.5''E)所取的粉質(zhì)粘土，通過實驗測定兩種土樣的物理性質(zhì)指標結(jié)果如表1所示，可判定兩種土樣均為膨脹土。

表1　兩種土樣的物理性質(zhì)指標

2.2實驗方法

將所取土樣通過上述恒溫干燥箱在105℃條件下烘干碾碎并過0.5mm細篩，放置在干燥箱中備用。稱取2000g土樣放置在寬30cm長45cm的矩形托盤內(nèi)，使土體均勻分布在托盤底部，厚度為2.4cm。為了使土顆粒與水充分混合，按90%的含水率配置試樣，使其處于流動狀態(tài)。

每種土樣配制了3個試樣，分別為試樣1、試樣2、試樣3，用保鮮膜將托盤頂部封住靜置12h，之后將三組試樣分別呈水平狀態(tài)放入烘箱中，調(diào)節(jié)烘箱的溫度，分別在40℃，50℃和60℃下恒溫干燥，干燥過程中定時稱重和拍照，在土樣表面出現(xiàn)龜裂后，加大拍照頻率。當試樣出現(xiàn)第一條龜裂紋時，在裂紋處取少量的土體進行含水量的測定。如果試樣的重量在兩個小時之內(nèi)無變化，即可認為干燥過程已經(jīng)完成，龜裂形態(tài)趨于穩(wěn)定。

3實驗結(jié)果處理

3.1圖片處理

拍攝龜裂相片時保證相機鏡頭平面與試樣呈平行關系，且每次拍攝時的相對位置保持一致，以便與前后相片進行對比分析。為防止邊緣效應對實驗結(jié)果的影響，對所有的圖片均進行剪切，除去邊緣細小龜裂紋，選擇圖片中心區(qū)域作為研究對象，并對其進行二值化處理。處理后黑色代表龜裂紋，白色代表塊區(qū)。

3.2龜裂參數(shù)

實驗中龜裂的量化參數(shù)描述包括龜裂的總長度L、條數(shù)Nl、節(jié)點數(shù)量Nn、平均長度La、寬度范圍W、試樣剛發(fā)生龜裂時的含水量ω等，這些量化參數(shù)統(tǒng)稱為龜裂網(wǎng)絡的度量指標。

4實驗結(jié)果與分析

4.1龜裂的發(fā)育方式

實驗中對所有試樣進行觀察，總結(jié)得出粘性土龜裂的三種發(fā)育方式。

極點推進式：以某一角點或試樣一側(cè)某處開始向內(nèi)部延伸出一條或幾條主裂隙，再由這幾條主裂隙延伸衍生出許多子裂隙向四周擴散。

平行推進式：龜裂從試樣兩側(cè)開始，然后逐漸向內(nèi)部延伸直至將中間部位完全切割。若兩側(cè)的龜裂發(fā)育時間大致相同，則兩側(cè)龜裂寬度也大致相同，若一側(cè)早于另一側(cè)則表現(xiàn)出早開裂一側(cè)龜裂寬度大。

環(huán)繞推進式：龜裂開始發(fā)育時沒有明顯的起始位置，始終均勻發(fā)展，在整個試樣四周均布的生長出細小裂隙，再由這些裂隙衍生出許多更小的裂隙，將試樣切割破碎。

4.2溫度對龜裂結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

由圖1可知土樣1的龜裂發(fā)育情況隨溫度的升高而密集，龜裂的寬度在不斷增大，最大寬度可達到16.1mm，并且龜裂的發(fā)育程度越復雜，塊區(qū)的面積越來越小。土樣2龜裂發(fā)育情況則不同，在低溫情況下龜裂發(fā)育越完全，塊區(qū)面積較小，隨溫度的升高，龜裂寬度由0.2mm增大到15.7mm。

圖1土樣1、2在各溫度條件下試樣表面的龜裂網(wǎng)絡

分析結(jié)果表明，溫度越高，龜裂發(fā)育歷時越短，龜裂的最終寬度越寬，龜裂剛發(fā)生時的含水量均接近于液限，但都比液限值略大一些。而對于兩種土樣龜裂的條數(shù)、節(jié)點數(shù)量、總長度和寬度等隨溫度的變化有一定的差異性。

當溫度從40℃升高到60℃，土樣1龜裂發(fā)育歷時由37h減小到29h，龜裂最大寬度(Wmax)可達16.3mm，龜裂條數(shù)(Nl)從33條增加到49條，節(jié)點數(shù)量(Nn)從39增大到50，龜裂的總長度(L)從287.1cm增大到409.2cm，平均長度(La)為8.54cm。剛發(fā)生龜裂時的含水量(ω)為39.6%略大于其液限值37.7%。相應的，土樣2龜裂發(fā)育歷時由39h減小到16h，龜裂最大寬度為11.9mm，龜裂條數(shù)從117條減小到54條，節(jié)點數(shù)量從183減小到75，龜裂總長度從602.3cm減小到376.8cm，平均長度為6.07cm。剛發(fā)生龜裂時的含水量為47.9%略大于其液限值46.6%(表2)。

表2　試樣龜裂網(wǎng)絡相關參數(shù)的測量結(jié)果

兩種土樣的差異性在于粘土龜裂總長度、條數(shù)和節(jié)點數(shù)目隨溫度升高而增大，粉質(zhì)粘土卻減?。徽惩笼斄哑骄L度隨溫度增大而減小，粉質(zhì)粘土卻增大。

4.3裂隙率及分維值

分形理論[5]在研究不規(guī)則形狀的量化分析方面具有重要意義，將其應用于土體龜裂研究中，可以反映出龜裂的不規(guī)則程度及復雜程度。為了更好的研究龜裂的發(fā)展規(guī)律，本文結(jié)合分形理論對龜裂網(wǎng)絡進行量化分析，采取兩個度量龜裂的綜合性指標，即裂隙率P和分維值D。

裂隙率P為龜裂的面積與土樣總面積之比。本文將圖片進行二值化處理后，裂隙率即為黑色部分面積與圖片總面積的比值。分維值D則采用“數(shù)格子法”確定，具體步驟是：(1)構(gòu)造邊長為ξ1的正方形網(wǎng)格將其覆蓋在龜裂開展的圖片上；(2)讀取與裂隙相交的正方形的個數(shù)N(ξ1)；(3)改變正方形網(wǎng)格的邊長為ξ2并讀取相應的N(ξ2)，依此類推；(4)整理并繪制出lgξi-lg N(ξi)的散點圖；然后進行最小二乘法擬合直線，該直線斜率的負值即為分維值[6]。

實驗測得結(jié)果如下，土樣1在40℃、50℃和60℃溫度時的裂隙率分別為14.34%、22.38%和25.80%，增長率為56.1%和15.3%；對應的分維值分別為3.32、3.84和4.06，增長率為15.7%和5.7%。相應的，土樣2在40℃、50℃和60℃溫度時的裂隙率分別為22.89%、24.68%和26.46%，增長率為7.8%和7.6%；對應的分維值分別為3.14、3.80和4.00，增長率為21.0%和5.3%(表2)。溫度相同時，土樣1的裂隙率小于土樣2，而分維值卻大于土樣2(圖2、圖3)。

分析結(jié)果知，土樣龜裂發(fā)育穩(wěn)定時的裂隙率和分維值都有隨溫度升高而增長的趨勢，龜裂表面結(jié)構(gòu)形態(tài)趨于復雜，但增長的幅度逐漸減小。且相同溫度條件下，粘土的裂隙率小于粉質(zhì)粘土、分維值卻大于粉質(zhì)粘土，由此可見，溫度對兩者的促進作用具有一定的差異性。

5結(jié)論

本文就溫度對粘土和粉質(zhì)粘土龜裂發(fā)展的影響進行了實驗分析，對龜裂表面結(jié)構(gòu)形態(tài)進行了量化分析，得出以下結(jié)論：

(1)土樣在失水過程中，龜裂的展開形態(tài)具有隨機性，但主要的發(fā)育方式可總結(jié)為三種，即極點推進式、平均推進式和環(huán)繞推進式。

(2)溫度越高，土樣失水越快，龜裂發(fā)育歷時越短，相應的最終寬度也越寬，而且剛發(fā)生龜裂時的含水量都接近于液限，都比液限值略大一些。

(3)粘土和粉質(zhì)粘土等不同土質(zhì)龜裂的條數(shù)、節(jié)點數(shù)量、總長度和寬度等隨溫度的變化關系具有一定的差異性。

(4)土樣龜裂發(fā)育穩(wěn)定時的裂隙率和分維值都有隨溫度升高而增長的趨勢，龜裂表面結(jié)構(gòu)形態(tài)越復雜，但增長的幅度逐漸減小。且相同溫度條件下，粘土的裂隙率小于粉質(zhì)粘土、分維值卻大于粉質(zhì)粘土。

參考文獻

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