陳曉靜 陳 亮 李昆朋

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司， 南京 210000；2.河海大學 土木與交通學院， 南京 210098)

地質(zhì)問題；李生林，秦素娟，等[9]對膨脹土的地質(zhì)成因、物質(zhì)組成和組織結(jié)構(gòu)等進行了研究，介紹了DIPIX 圖像處理系統(tǒng)在土體微結(jié)構(gòu)定量研究中的應用等；Hailin Yao[10]進行了一系列膨脹土的物理、力學和化學性質(zhì)試驗；王國強[11]依據(jù)分形理論研究膨脹土裂隙的幾何特征，研究裂隙發(fā)育程度與土體強度的關(guān)系；Hayroyan.S.H.分析了不同裂隙形態(tài)下的土體強度，認為裂隙發(fā)展將引起土體強度降低，不利于邊坡穩(wěn)定[12]；Kodikara等基于室內(nèi)試驗研究了含水率、裂隙發(fā)育程度等對土體抗剪強度的影響[13].上述研究都是將裂隙綜合考慮，而在自然環(huán)境中，膨脹土邊坡或地基所處的環(huán)境(環(huán)境溫度、濕度、光照度等)在不斷地發(fā)生變化，在不同的環(huán)境下，土體的蒸發(fā)速率并不相同，隨著環(huán)境的變化，土體的裂隙開展規(guī)律如何變化，或環(huán)境變化對土體裂隙的開展規(guī)律有何影響并沒有做細致的研究.本文通過在室外堆建的膨脹土試驗模型，研究在自然環(huán)境下，隨著周圍環(huán)境的變化，膨脹土沿失水面的裂隙開展規(guī)律.

1 試驗方案及模型的建立

在室外的自然環(huán)境中堆建一個方形的模型槽，并在模型槽中填筑壓實一定量的膨脹土，膨脹土填筑完成后，將土樣自然風干，在風干過程中每隔一段時間對土樣表面進行拍照，每次拍照時相機距離土樣表面相同的高度，同時對周圍環(huán)境進行記錄(主要包括周圍環(huán)境溫度、光照度以及環(huán)境濕度和土樣表面濕度等)，截取照片中某一具有代表性的區(qū)域進行灰度處理，并計算裂隙面積占該區(qū)域的總面積，分析隨時間變化，即隨周圍環(huán)境的變化，土體裂隙的開展變化情況.

試驗所用的試驗槽由有機玻璃盒搭建而成，高為50cm，長和寬均為100cm，為防止填土壓實過程中試驗槽變形，在試驗槽上套上了一個三腳架，試驗裝置如圖1所示.

圖1 試驗槽實物

試驗所用土樣取自南水北調(diào)中線工程河南新鄉(xiāng)璐王墳段，將取來的土樣在陽光下晾干后粉碎，將晾干后的粉碎土拌合均勻，測定混合土的風干含水率，然后根據(jù)試驗所需含水率，用噴壺加水拌合均勻，裝入黑色塑料袋中，放在溫度穩(wěn)定在10℃左右的地下室內(nèi)，靜置2d.本次試驗所用土體的基本物理性質(zhì)見表1.

表1 試驗土樣的基本物理性質(zhì)

由于試驗的模型尺寸有限，設(shè)計為邊坡實際功效不大，而且用平面裂隙發(fā)展模型得到的裂隙發(fā)展規(guī)律，也可以應用到邊坡上，因而填筑土體為長方體模型，不設(shè)計邊坡.在試驗模型的制作過程中，控制土體的初始含水率為30%，密度設(shè)定為2.09g/cm3，干密度為1.61g/cm3.模型分3層填筑擊實而成(如圖2所示).試驗模型填筑完成后，開始進行裂隙觀測試驗，試驗持續(xù)8d.

圖2 填筑好的土樣模型

2 土樣表面裂隙開展狀況

試驗開始后分別于每日09：00、13：00 和19：00對土樣表面進行拍照，為方便后續(xù)對裂隙照片進行處理，每次拍照時相機距離土樣相同的高度和角度，截取土樣表面某一典型區(qū)域進行分析，所截區(qū)域如圖3所示，所截區(qū)域的尺寸為0.3m×0.3m.

圖3 裂隙分析所截區(qū)域圖

土樣表面在不同時刻的裂隙開展狀況如圖4所示.為了分析環(huán)境變化對土體裂隙開展規(guī)律的影響，每隔一段時間對模型周圍的環(huán)境進行測量，主要包括環(huán)境的溫度、光照度、濕度以及土樣表面的濕度.因模型所在的區(qū)域周圍建筑物較為密集，在整個試驗過程中，風速均較小，因此認為在本次試驗的過程中風速是不變的，因此不對風速的變化對土體蒸發(fā)的影響進行分析.

圖4 不同時刻土樣表面裂隙發(fā)展狀況(每日13：00的照片)

從圖中可以看出，在試驗開始的4h后(即2018年7月9日13：00)，土體表面已經(jīng)產(chǎn)生了幾條微小的裂隙；10h后，表面主要裂隙已經(jīng)形成.此后的裂隙均是在此基礎(chǔ)上發(fā)展逐漸變寬，直至7月16日觀測完畢，土樣表面的裂隙形狀并未發(fā)生明顯變化，只是在原有裂隙的基礎(chǔ)上變寬，并沒有形成新的裂隙.另外，從圖中還可以看出，在7月14日之后，裂隙的寬度和形態(tài)從肉眼上已經(jīng)很難看出明顯的變化.

3 灰度方法對裂隙進行分析

為了更加清晰并定量地描繪裂隙隨時間的變化規(guī)律，利用Matlab編程確定各像素點灰度值，將圖4中的裂隙圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，如圖5所示.并對灰度圖像進行亮度和對比度的調(diào)整，以使得土體裂隙的細節(jié)充分凸顯，如圖6所示.

圖5 裂隙土樣的灰度圖像

圖6 亮度、對比度調(diào)整后的圖像

經(jīng)過上述處理后，如果仍有灰度值較高的其它圖像干擾，則可以對照原始圖像將干擾區(qū)域清除掉，同時對一些未顯示或顯示不充分的裂隙用畫筆功能進行描繪.

之后采用閾值劃分方法，將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二元位圖，即設(shè)置適當?shù)幕叶乳撝担笥谠撻撝档娘@示為黑，小于該閾值的被設(shè)為白，純黑對應灰度值為1，純白對應灰度值為0.本文將灰度閾值選為128，即灰度值大于128的區(qū)域為裂隙，小于128的區(qū)域則是土體表面的其它部分，使得圖像中只存在純黑和純白兩種顏色.這樣整個圖像就是由0，1構(gòu)成的“矩陣”圖.此時，可從圖片信息結(jié)果的平均值計算出或者從百分位值直接讀出經(jīng)處理的純黑白圖像中黑色區(qū)域所占的百分比.因這時的圖像由純黑和純白兩種元素組成，純白色的亮度可以看成是255，純黑色的亮度為0，根據(jù)平均值可計算出該圖像的黑色元素所占的比例，設(shè)黑色元素所占的比例為x，則：平均值=[255(1-x)+0×x]/255，因此，黑色元素所占的比例即x=(255-平均值)/255，計算得該圖黑色區(qū)域所占比例為8.65%，與直接讀取百分位讀數(shù)相同.即圖6中裂隙約占整個區(qū)域面積的8.65%.

將不同時刻的裂隙圖像分別進行灰度處理，并將各時刻裂隙圖像的二元位圖繪于圖7中.從圖中可以明顯看出，隨著時間的變化，在初期，土體會產(chǎn)生幾條微裂隙，在微裂隙的基礎(chǔ)上，會形成幾條主要的裂隙，此后的裂隙會在這幾條主裂隙的基礎(chǔ)上變寬，并不會再有新裂隙的形成.由此可見，根據(jù)在蒸發(fā)過程中是否有新裂隙繼續(xù)形成，可以將土體表面裂隙開展的過程分為兩個階段，第一階段為裂隙的形成階段，即土體會由無裂隙開展的土體在蒸發(fā)的作用下逐漸出現(xiàn)幾條微裂隙，并在這幾條微裂隙的基礎(chǔ)上，逐漸形成裂隙最終的形態(tài)，此階段過后，土體表面不再產(chǎn)生明顯的新的裂隙.

圖7 灰度處理后的二元位圖

將經(jīng)灰度處理后，各時間點拍得的裂隙照片的裂隙面積所占整個區(qū)域面積的百分數(shù)列于表2中.

表2 各時間點拍得的裂隙照片的裂隙百分數(shù)(%)

從表中可以看出，隨著時間的變化，裂隙百分比逐漸增大，只是增加的速率有所減慢.雖然從肉眼上觀看裂隙已無明顯發(fā)展，但通過對圖像的灰度處理發(fā)現(xiàn)，隨著時間的進行和蒸發(fā)的繼續(xù)，土體的裂隙寬度仍在緩慢地開展.

4 環(huán)境對裂隙發(fā)育的影響分析

本次蒸發(fā)試驗共進行了8d，每天的環(huán)境變化趨勢基本相同，環(huán)境溫度、光照度以及空氣濕度和土體表面濕度隨時間的變化關(guān)系分別繪于圖8～10 中.從圖中可以看出，隨著時間的變化，在13：00時環(huán)境溫度最高，光照度在10：00至13：00間最大，對于濕度，在蒸發(fā)的初期，環(huán)境濕度明顯小于土體表面的濕度，隨著時間的推移，兩者之間的差異逐漸減小，因此表面的蒸發(fā)速率會逐漸降低，裂隙產(chǎn)生的速率也將降低.

圖8 環(huán)境溫度隨時間變化趨勢

圖9 光照度隨時間變化趨勢

圖10 環(huán)境及土表面濕度隨時間變化關(guān)系

圖11 試驗周期內(nèi)濕度 隨時間變化趨勢

以24h為一個周期，將各周期內(nèi)裂隙百分比隨時間的變化趨勢繪于圖12中.從圖中可以看出，在各周期內(nèi)，不同時間段內(nèi)，裂隙百分比隨時間的變化速率并不相同，一般在09：00至13：00之間裂隙百分比隨時間的變化趨勢較快，即在該環(huán)境下，裂隙產(chǎn)生的速率較快，其次在13：00至19：00之間，裂隙的百分比也有的明顯的變化，尤其在7月9日(第1d)，在該階段裂隙百分比明顯增大，該階段的裂隙由幾條微裂隙逐漸發(fā)展為裂隙最終的形態(tài)，所以裂隙有較大程度的發(fā)展.而在19：00至次日09：00之間，土體的裂隙百分比增加較小.

圖12 各時間段下裂隙百分比隨時間的變化規(guī)律

通過以上分析可知，隨著環(huán)境的變化，裂隙的開展規(guī)律也在發(fā)生變化，蒸發(fā)是膨脹土脹縮性裂隙產(chǎn)生的主要原因，但蒸發(fā)環(huán)境是決定裂隙最終形態(tài)的主要因素，在膨脹土裂隙產(chǎn)生的過程中，裂隙開展的速率并不是隨著時間單調(diào)變化的，裂隙開展的速率與周圍環(huán)境直接相關(guān).在某一環(huán)境下，裂隙開展到一定程度后會逐漸趨于穩(wěn)定，如表2中所示，每天的19：00至次日09：00之間，雖然經(jīng)歷了較長的時間，土體表面的裂隙面積增加卻較小，同時從圖12中可以看出，在每天的09：00至次日09：00，裂隙增長的速率在逐漸減小并趨于穩(wěn)定.但如果環(huán)境發(fā)生明顯變化(溫度升高，光照增強等有利于蒸發(fā)的變化)，如每天09：00至13：00之間，裂隙仍會快速開展，即環(huán)境向有利于裂隙開展方向的變化是裂隙再次開展的主要原因，如果環(huán)境不向有利于裂隙開展的方向發(fā)生明顯變化，裂隙開展的速率將逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，如每天的19：00至次日09：00.因此，對于同一種土體，即使在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，如果蒸發(fā)過程中環(huán)境的變化趨勢不同，最終的裂隙形態(tài)也應是不同的，從而導致土體的抗剪強度也不相同.因此，在研究干濕循環(huán)作用下產(chǎn)生的裂隙對土體抗剪強度的影響時，應注意控制周圍的環(huán)境，使每個土樣在蒸發(fā)的過程中經(jīng)歷相同的環(huán)境，否則，相同干濕循環(huán)次數(shù)下土樣最終的裂隙開展程度未必是相同的，不同干濕循環(huán)次數(shù)的土樣最終的裂隙開展程度可能卻是相同的.

5 結(jié) 論

通過堆建的膨脹土模型，在自然環(huán)境下研究了沿失水面土體裂隙的開展規(guī)律，并通過灰度處理得到某一典型裂隙區(qū)域的裂隙面積占整個區(qū)域的比例，并分析隨環(huán)境的變化，裂隙面積占整個區(qū)域的變化趨勢，主要得到以下結(jié)論：

1)蒸發(fā)環(huán)境是決定裂隙最終形態(tài)的主要因素，在裂隙產(chǎn)生的過程中，裂隙開展的速率并不是隨著時間單調(diào)變化的，而與周圍環(huán)境直接相關(guān).在某一環(huán)境下，裂隙開展到一定程度后會逐漸趨于穩(wěn)定，但如果環(huán)境向有利于蒸發(fā)的方向發(fā)生明顯變化，裂隙仍會快速開展.因此，在研究干濕循環(huán)作用下產(chǎn)生的裂隙對土體抗剪強度的影響規(guī)律時，應嚴格控制蒸發(fā)過程中環(huán)境的變化.

2)根據(jù)是否會有新裂隙繼續(xù)產(chǎn)生，可將土體裂隙的開展過程分為兩個階段：第一階段為裂隙的形成階段，即土體會由無裂隙開展的土體在蒸發(fā)的作用下逐漸出現(xiàn)幾條微裂隙，并在這幾條微裂隙的基礎(chǔ)上，逐漸形成裂隙最終的形態(tài)，此階段過后，土體表面不再產(chǎn)生明顯的新裂隙；第二階段為裂隙的變寬階段，即土體表面裂隙的基本形態(tài)形成后，此后裂隙的發(fā)展主要表現(xiàn)為逐漸變寬，并向土體內(nèi)部開展，表面裂隙的形態(tài)已無明顯變化，不會再有新裂隙的產(chǎn)生.