張 浩，張凌凱

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆，烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆，烏魯木齊 830052)

新疆地處亞歐大陸腹地，屬于典型的干旱、半干旱地區(qū)，降水稀少，存在嚴(yán)重的資源型缺水問題[1]。基于此，新疆建設(shè)了一批長距離輸水明渠工程。例如北疆供水一期工程，該工程31.6%的區(qū)域經(jīng)過膨脹土區(qū)域，在季節(jié)氣溫交替變化及渠道歷年夏季通水、冬季停水的運(yùn)行方式共同作用下[2]，土體表面和內(nèi)部常常發(fā)育大量錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)[3-4]，渠基土逐漸劣化，尤其在黏粒含量較高的膨脹土中，這種現(xiàn)象更加普遍和典型，裂隙對土體的工程性質(zhì)有重要影響[5-6]，是許多工程地質(zhì)問題的直接或間接原因[7]。在膨脹土災(zāi)害頻發(fā)的背景下，膨脹土經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)條件下劣化機(jī)理等問題引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注[8-10]。

對于裂隙性指標(biāo)，冷挺等[11]、杜澤麗[12]對膨脹土進(jìn)行干濕循環(huán)處理，提出一系列裂隙量化指標(biāo)，分析了不同含水率和不同循環(huán)次數(shù)對裂隙發(fā)育的影響。袁俊平等[13]利用光學(xué)顯微鏡對膨脹土裂隙變化進(jìn)行定量觀測，認(rèn)為裂隙圖像的灰度熵可以很好的表示裂隙發(fā)育程度，可作為裂隙發(fā)育評(píng)價(jià)指標(biāo)。唐朝生等[14]對室內(nèi)不同土體進(jìn)行干燥試驗(yàn)，利用圖像處理技術(shù)對裂隙圖像進(jìn)行預(yù)處理，提出了一整套裂隙網(wǎng)絡(luò)度量指標(biāo)體系，在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度探討了裂隙的分布特征。TANG 等[15]為研究溫度、干濕循環(huán)等對土體裂隙的影響，開發(fā)了裂隙圖形分析系統(tǒng)(CIAS)，試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度、土體厚度及干濕循環(huán)等因素對土體裂隙的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。VELDE[16]通過分析裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)，對裂隙夾角進(jìn)行計(jì)算，并綜合拓?fù)鋵W(xué)方法，選取歐拉數(shù)對裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行衡量。TOLLERNAAR 等[17]研究了在不同的初始和邊界條件下對黏土干縮開裂的影響。ZHU 等[18]對土樣進(jìn)行干濕循環(huán)，利用三維顯微鏡和壓汞儀揭示土樣的粗糙度和微孔特性。上述研究對評(píng)價(jià)裂隙發(fā)展發(fā)揮了重要作用，有著一整套的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但存在著表達(dá)不夠直觀等問題，需用多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)共同來評(píng)價(jià)裂隙的連通性。

關(guān)于裂隙性與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系方面，曾鈴等[19]開展了室外裂隙原位試驗(yàn)及試樣直剪試驗(yàn)，拍攝不同干濕循環(huán)次數(shù)下裂隙圖像，構(gòu)建抗剪強(qiáng)度與裂隙參數(shù)關(guān)系模型。劉華強(qiáng)等[20]、蔡正銀等[21]、張晨等[22]以及LU 等[23]進(jìn)行了干濕循環(huán)、凍融循環(huán)作用下試樣表面裂隙演化規(guī)律試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)、凍融循環(huán)作用下土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)均隨裂隙發(fā)育程度增加而降低，裂隙參數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)分為迅速增長、緩慢增長、趨于平緩3 個(gè)階段。研究表明，循環(huán)作用下膨脹土的抗剪強(qiáng)度損失主要來源于循環(huán)作用產(chǎn)生的裂隙，并提出了描述循環(huán)作用下試樣表面裂隙發(fā)育過程的量化參數(shù)。苗勝軍等[24]通過開展循環(huán)加卸載轉(zhuǎn)單調(diào)加載試驗(yàn)和疲勞破壞試驗(yàn)，揭示循環(huán)荷載下泥質(zhì)石英粉砂巖的變形和力學(xué)響應(yīng)特征。LI 等[25]采用通過模擬補(bǔ)水季節(jié)性凍土區(qū)的實(shí)際凍結(jié)邊界條件，利用凍融試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究淺層膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性。

在微觀物理機(jī)制方面，王永東[26]、戴張俊等[27]利用掃描電鏡(Scan Electric Microscopy, SEM)研究不同土樣的微觀圖像，并對圖像進(jìn)行定量分析，得到土粒的形狀特征參數(shù)，探究不同土樣的微觀參數(shù)與宏觀工程特性之間的聯(lián)系。郭金喜[28]通過掃描電鏡技術(shù)，研究了脫濕過程中試樣表面和斷面的微觀形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑、微觀裂隙的變化，直觀地反應(yīng)試樣的微觀變化。HIROAKI 等[29]采用納米焦點(diǎn)X 射線CT、X 射線衍射結(jié)合三維顯微結(jié)構(gòu)分析，研究了不同溶脹性能的致密蒙脫石在不同干密度時(shí)的顯微結(jié)構(gòu)。ZENG 等[30]利用掃描電子顯微鏡(SEM)，壓汞法(MIP)和氮吸附(NA)技術(shù)對兩種延吉泥巖的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)。結(jié)果表明干濕-凍融循環(huán)使重塑的黃棕色泥巖的孔隙更加混亂和平坦，由于裂縫和大孔隙的形成導(dǎo)致聚集體內(nèi)部孔隙體積的增加。梁維云等[31]、張意江等[32]學(xué)者通過壓汞試驗(yàn)、顯微觀測與SEM 掃描電鏡試驗(yàn)，研究了膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)與壓縮特性之間的關(guān)系，揭示了土體的微觀機(jī)理。胡傳林等[33]對 C-S-H 微觀力學(xué)性能進(jìn)行解析和設(shè)計(jì)，提高水泥基材料宏觀力學(xué)性能。CHANG 等[34]利用掃描電鏡和X 射線衍射試驗(yàn)分析了酸雨循環(huán)干濕后膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)和礦物組成的變化。探討酸雨和干濕循環(huán)對膨脹土膨脹變形和裂隙發(fā)育的影響機(jī)理。

綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者在膨脹土剪切特性及微觀機(jī)理方面的研究已取得明顯進(jìn)展，但以裂隙為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將宏觀力學(xué)特性，細(xì)觀裂隙描述以及微觀機(jī)理闡釋三個(gè)角度分析膨脹土經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)的剪切特性的劣化機(jī)理研究較少。鑒于此，本文從裂隙性指標(biāo)、宏觀力學(xué)性質(zhì)與裂隙的關(guān)系以及微觀機(jī)理三個(gè)方面展開研究，通過實(shí)時(shí)拍攝不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下試樣裂隙擴(kuò)展圖像，基于裂隙圖像特征參數(shù)對各階段裂隙進(jìn)行定量化描述，并提出新的裂隙性指標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建膨脹土的宏觀力學(xué)性質(zhì)與裂隙參數(shù)關(guān)系模型，并通過電鏡掃描觀察微觀結(jié)構(gòu)變化，闡述其物理機(jī)制變化。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨脹土取自北疆供水一期工程總干渠某挖方段的黃色泥巖，具有強(qiáng)膨脹性，顏色呈土黃色，帶有少量青色雜質(zhì)，具有較好的代表性。取一定質(zhì)量土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，該土粒的不均勻系數(shù)Cu為33，曲率系數(shù)Cc為0.33，屬于不良級(jí)配。采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)測定最優(yōu)含水率和最大干密度，基本物理性質(zhì)如表1 所示。X 射線衍射譜如圖1 所示，測定膨脹土的礦物成分如表2 所示。

圖1 膨脹土X 線衍射圖譜Fig.1 X - ray diffraction pattern of Expansive Soil

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Index of basic physical properties of expansive soil

表2 膨脹土礦物成分及含量 /(%)Table 2 Mineral composition and content of expansive soil

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試樣制備

先將膨脹土自然風(fēng)干24 h，重復(fù)碾壓，并過2 mm 土工篩，以18.9%的含水率，1.60 g·cm-3的干密度為制樣標(biāo)準(zhǔn)，用噴壺向干土樣中加水，拌合均勻后放入密封袋，并密封于保濕缸內(nèi)靜置2 天。48 h 之后用土盒盛取土樣，進(jìn)行含水率的校核。試樣通過輕型擊實(shí)法制備高20 mm，直徑61.8 mm 的重塑環(huán)刀樣。

1.2.2 循環(huán)方案

表3 為試驗(yàn)方案示意表，由表可知，干濕-凍融循環(huán)分為干濕循環(huán)和凍融循環(huán)兩部分：① 干濕循環(huán)，濕潤過程采用抽氣飽和法模擬渠基土濕潤過程(試樣抽氣2 h，浸泡10 h)，干燥過程參考北疆供水一期渠道沿線地溫分布，確定干燥階段邊界溫度為40 ℃，干燥過程在烘箱中進(jìn)行12 h，約烘干至天然含水率14.8%；② 凍融循環(huán)，凍結(jié)和融化階段均在GDJ/YH-225 L 高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行，溫度及持續(xù)時(shí)間分別對應(yīng)-20 ℃，24 h和20 ℃，24 h。試驗(yàn)共進(jìn)行9 次循環(huán)。

表3 試驗(yàn)方案示意表Table 3 Test plan schematic table

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 細(xì)觀裂隙圖像處理

試樣過篩碾碎后通過輕型擊實(shí)法制備高20 mm，直徑61.8 mm 的重塑環(huán)刀樣。將膨脹土試樣共進(jìn)行干濕-凍融循環(huán)9 次。用鐵架臺(tái)將數(shù)碼相機(jī)固定，確保相機(jī)取景方向垂直于試樣表面，并固定相機(jī)鏡頭與膨脹土試樣之間的間距，拍攝試樣干濕-凍融循環(huán)1 次、3 次、5 次、7 次、9 次的裂隙圖像。

由于裂隙與土塊的差異體現(xiàn)在色彩上，不能直接用于數(shù)據(jù)分析，需要進(jìn)行一系列的預(yù)處理操作。裂隙圖像的預(yù)處理包含3 個(gè)步驟，見圖2 所示：① 二值化處理，選取一個(gè)合適的灰度閾值，使裂隙和土塊分別以黑色和白色圖像顯示，實(shí)現(xiàn)裂隙與試樣二者的分離；② 降噪處理，由于土樣中常常存在雜質(zhì)，圖像經(jīng)過二值化處理后，土塊的白色區(qū)域內(nèi)存在孤立黑點(diǎn)或黑色小塊，孤立黑點(diǎn)或黑色小塊會(huì)對后期的定量分析結(jié)果產(chǎn)生誤差；③ 指標(biāo)提取，通過對裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行骨架化處理，根據(jù)膨脹土裂隙的分布密度、長度、寬度、條數(shù)等裂隙圖像的主要構(gòu)成要素，選取裂隙率、裂隙長度及裂隙條數(shù)等[14]裂隙相關(guān)定量參數(shù)，上述相關(guān)操作在Image-J 圖像處理軟件中實(shí)現(xiàn)。

圖2 裂隙處理過程Fig.2 Fracture treatment process

1.3.2 宏觀抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，對經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)1 次、3 次、5 次、7 次、9 次試樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，每組四個(gè)試樣，軸向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，操作步驟均嚴(yán)格按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)要求執(zhí)行，并計(jì)算其抗剪強(qiáng)度參數(shù)，建立干濕-凍融循環(huán)作用下膨脹土裂隙參數(shù)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)間的關(guān)系曲線。

1.3.3 微觀掃描顆粒試驗(yàn)

將1 次、3 次、5 次、7 次、9 次干濕-凍融循環(huán)后的膨脹土環(huán)刀試樣放置烘箱中，待其完全烘干后，選取具有代表性的新鮮面作為掃描面并切片制樣，對試樣表面進(jìn)行真空離子束濺射噴金鍍膜。將試驗(yàn)試樣分別放大250 倍、1000 倍、2000 倍、4000 倍、8000 倍和10 000 倍，定性分析土體微觀結(jié)構(gòu)圖像，利用 Image-J 軟件對放大10 000 倍的SEM 微觀圖像進(jìn)行二值化、顆粒識(shí)別等預(yù)處理，如圖3 所示，揭示干濕-凍融循環(huán)作用對顆粒微觀結(jié)構(gòu)及顆粒間孔隙的影響規(guī)律。

圖3 SEM 圖像微觀結(jié)構(gòu)處理Fig.3 SEM image microstructure processing

1.3.4 試驗(yàn)流程

圖4 為膨脹土的干濕-凍融循環(huán)試驗(yàn)流程，首先將膨脹土按照最優(yōu)含水率，天然干密度制環(huán)刀樣，采用抽氣飽和法模擬濕潤過程，干燥過程在烘箱中進(jìn)行，凍結(jié)和融化階段均在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)共進(jìn)行9 次循環(huán)。在應(yīng)變控制式直剪儀上進(jìn)行直剪試驗(yàn)，其次利用image-J進(jìn)行裂隙指標(biāo)提取，建立膨脹土裂隙參數(shù)和抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線，最后使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀掃描，揭示顆粒結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，具體試驗(yàn)流程如圖4 所示。

圖4 膨脹土的干濕-凍融循環(huán)試驗(yàn)流程Fig.4 Drying-wetting-freezing-thawing cycle test flow of expansive soil

2 裂隙性指標(biāo)的提出

2.1 裂隙性指標(biāo)的評(píng)價(jià)

表4 為膨脹土裂隙評(píng)價(jià)指標(biāo)，表面裂隙率Rsc定義為裂隙面積與 試樣面積A之比，該指標(biāo)從總體上反映了土體的開裂程度，但不能反應(yīng)裂隙的分布[13]；裂隙條數(shù)Nseg定義為各裂隙條數(shù)Ni相加，該指標(biāo)反映了土體的土體的裂隙的多少，但存在量度指標(biāo)單一的問題[14]；裂隙總長度Lsum[14]及裂隙平均長度Wav[19]定義為各裂隙長度Li相加及總長度Lsum與裂隙條數(shù)Nseg的比值，該指標(biāo)可反映土體的裂隙的成長情況，但存在表達(dá)不夠直觀的問題；裂隙相交點(diǎn)數(shù)En定義為各裂隙點(diǎn)數(shù)Ei相加，該指標(biāo)一定程度上反映了土體的破碎程度，但不能反應(yīng)裂隙發(fā)展[19]；長徑比C定義為裂隙總長度Lsum與試樣初始直徑D之比，該指標(biāo)可以客觀的比較不同尺寸試樣裂隙的相對長度，但對同尺寸試樣裂隙無法直觀描述[35]。故本文提出了一種新的可描述裂隙連通性的新指標(biāo)。

2.2 裂隙指標(biāo)變化規(guī)律

圖5 為裂隙指標(biāo)隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線，由圖5 可知，第一行由左向右依次為表面裂隙率、裂隙條數(shù)以及裂隙總長度，第二行左向右依次為裂隙平均長度、裂隙相交點(diǎn)數(shù)以及長徑比，六個(gè)裂隙評(píng)價(jià)指標(biāo)均為第一次干濕-凍融循環(huán)增長幅度最大，增長幅度分別達(dá)到48%、58%、36%、63%、41%以及36%，隨后經(jīng)過循環(huán)的土樣裂隙也有增加，但增長幅度均小于第一次，循環(huán)到達(dá)第5 次時(shí)，裂隙發(fā)育達(dá)到最終程度的85%、88%、90%、102%、87%以及90%，第5 次之后，土樣裂隙發(fā)展趨于穩(wěn)定，其中裂隙平均長度略有下降。

2.3 新指標(biāo)的提出及變化分析

總結(jié)各類膨脹土裂隙性評(píng)價(jià)指標(biāo)，難以對膨脹土裂隙進(jìn)行全面的連通性描述，為了更好描述膨脹土裂隙的連通性，建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，故通過相交點(diǎn)數(shù)和裂隙條數(shù)來定義裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性，Q的關(guān)系式如式(1)所示：

式中：En為相交點(diǎn)數(shù)；Nseg為裂隙條數(shù)。Q的取值范圍為 0≤Q<1 當(dāng)Q等于零時(shí)，表明所有裂隙均為獨(dú)立的個(gè)體，沒有相交；而Q趨近于1 時(shí)，表明絕大部分裂隙相互連接成相互貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙分布更為復(fù)雜。

圖6 為不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土裂隙變化規(guī)律，由左向右依次為第1 次、3 次、5 次、7 次、9 次循環(huán)后裂隙圖像。由圖6 可知：① 裂隙發(fā)育在第一次干濕-凍融循環(huán)后有較大變化，隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，第五次循環(huán)后裂隙的增長幅度逐漸減小，裂隙發(fā)育逐漸趨于穩(wěn)定；② 試樣主裂隙首先在土樣下表面出現(xiàn)，裂隙寬度增加，伴隨大量的微小裂隙的發(fā)展，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，發(fā)育的裂隙為沿著主裂紋周邊生成的微小裂隙。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)試樣表面裂隙圖像Fig.6 Surface crack images of samples with different cycles

圖7 為Q隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線圖像，Q隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，第1 次干濕-凍融循環(huán)下Q變化最為顯著，而后變化速度變緩，第5 次之后，Q值發(fā)展趨于穩(wěn)定。

圖7 裂隙指標(biāo)Q隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.7 Curve of fracture indexQchanging with dryingwetting-freezing-thawing cycles

分析原因可知：隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體開裂程度增加。張拉應(yīng)力是影響膨脹土裂隙發(fā)育的重要影響因子，干濕-凍融循環(huán)過程中張拉應(yīng)力在土體中的分布并不均勻，當(dāng)張拉應(yīng)力大于土顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度時(shí)，土體就會(huì)產(chǎn)生裂隙。再次進(jìn)行抽氣飽和后，裂隙逐漸消失，當(dāng)再次進(jìn)行干濕-凍融循環(huán)時(shí)，消失的裂隙會(huì)首先產(chǎn)生，新的裂隙會(huì)在原有的裂隙的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，在干濕-凍融循環(huán)進(jìn)行到一定程度時(shí)，裂隙發(fā)育程度增大，試樣被裂隙割裂成多個(gè)小土塊，土塊的尺寸越小，含水率更容易達(dá)到平衡，土塊內(nèi)部要出現(xiàn)較高含水率就越困難，當(dāng)土體裂隙發(fā)育到一定程度時(shí)，土體產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于土體的抗剪強(qiáng)度，土體將不再產(chǎn)生裂隙，故第五次循環(huán)以后較難產(chǎn)生新的裂隙。

3 宏-細(xì)-微觀力學(xué)機(jī)制研究

從膨脹土的宏觀-細(xì)觀-微觀角度，建立裂隙參數(shù)與剪切強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系曲線、裂隙參數(shù)與微觀指標(biāo)關(guān)系曲線以及剪切強(qiáng)度指標(biāo)與微觀指標(biāo)的關(guān)系曲線，分析膨脹土在干濕-凍融循環(huán)條件下的劣化機(jī)理。研究思路如圖8 所示。

圖8 宏-細(xì)-微觀研究思路Fig.8 Macro-mesoscopic-micro research ideas

3.1 強(qiáng)度特性與裂隙指標(biāo)的關(guān)系(宏觀?細(xì)觀)

3.1.1 剪切強(qiáng)度指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

圖9 為強(qiáng)度參數(shù)c、φ與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線，由圖9 可知，隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)N增長，膨脹土試樣的裂隙逐漸發(fā)展，膨脹土的強(qiáng)度逐漸降低，其中，膨脹土的黏聚力c值隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)N增加而不斷衰減，第一次循環(huán)后強(qiáng)度衰減幅度最大，降幅達(dá)到初值的50%，經(jīng)5 次干濕循環(huán)后，黏聚力的降幅已達(dá)初值的65%，在經(jīng)歷第五次循環(huán)后，黏聚力c逐漸趨向于一穩(wěn)定值；內(nèi)摩擦角φ受干濕-凍融循環(huán)的影響不大，基本處于一穩(wěn)定值，在5.37°～6.59°之間振蕩，基本上不受干濕-凍融循環(huán)作用影響。

圖9 強(qiáng)度參數(shù)c、φ與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線Fig.9 The relationship between strength parameterscandφand the number of drying-wetting-freezing-thawing cycles

為了預(yù)測干濕-凍融循環(huán)次數(shù)N對膨脹土抗剪強(qiáng)度c、φ的影響，對圖9 中變化規(guī)律進(jìn)行擬合，具體擬合函數(shù)關(guān)系式如下：

分析原因可得：① 膨脹土試樣經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)作用，土體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，破壞土體整體性，試樣抗剪強(qiáng)度降低，黏聚力隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢，而后變化變緩最終趨于穩(wěn)定，黏聚力主要組成部分為膠結(jié)力，干濕-凍融循環(huán)過程中膨脹土試樣含水率反復(fù)變化以及凍脹力通常會(huì)導(dǎo)致顆粒間膠結(jié)力的破壞，膠結(jié)力作為相鄰?fù)馏w顆粒之間的相互吸引力，隨著土中孔隙的形成，相鄰分子間的相互作用力逐漸減小，故黏聚力顯著降低；② 經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)膨脹土的內(nèi)摩擦角有一定的變化，但變化基本穩(wěn)定在一個(gè)穩(wěn)定值，影響內(nèi)摩擦角大小的主要是表面摩擦力和土粒之間的鑲嵌作用而產(chǎn)生的咬合力，取決于土體本身，因此，內(nèi)摩擦角隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的變化很小。

3.1.2 黏聚力c與Q之間的關(guān)系

上述研究表明，裂隙影響土體剪切強(qiáng)度主要通過影響膨脹土的黏聚力c，故建立膨脹土黏聚力c與裂隙參數(shù)Q的關(guān)系曲線開展深入研究，圖10 為Q與 黏聚力c之間的關(guān)系曲線，由圖10 可知：膨脹土裂隙的發(fā)育對膨脹土的強(qiáng)度影響十分顯著，裂隙參數(shù)Q與 黏聚力c擬合變化曲線呈線性變化，即膨脹土試樣裂隙參數(shù)Q增加，黏聚力c呈持續(xù)減少趨勢。

圖10Q與 黏聚力c之間的關(guān)系曲線Fig.10 The relation curve betweenQandc

通過數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與裂隙參數(shù)的關(guān)系，關(guān)系式為：

分析原因可得：隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增多，土體內(nèi)部不斷經(jīng)歷濕潤-干燥-凍結(jié)-融化，水分不斷遷移，導(dǎo)致裂隙的數(shù)量隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而且裂隙的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致膠結(jié)物的減少，最終導(dǎo)致膨脹土試樣的黏聚力隨著裂隙參數(shù)Q的增加而減小。

3.2 裂隙指標(biāo)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系(細(xì)觀?微觀)

將試驗(yàn)試樣分別放大250 倍、1000 倍、2000 倍、4000 倍、8000 倍和10 000 倍獲得掃描電鏡結(jié)果，經(jīng)比較，取放大2000 倍圖像進(jìn)行定性分析，取放大10 000 倍圖像進(jìn)行定量分析。

3.2.1 掃描電鏡結(jié)果的定性分析

圖11 為不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土放大2000 倍的圖像，由圖11 可知，未進(jìn)行過干濕-凍融循環(huán)的試樣微觀層面相對平整，微觀顆粒主要為較大的聚集體，局部黏粒組呈平層片狀，較大的集聚體間主要呈面-面接觸形式，微觀結(jié)構(gòu)相對牢固。隨著干濕-凍融循環(huán)的進(jìn)行，土體孔隙和結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，部分較大土粒聚集體經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)逐漸分離變小，原有緊密結(jié)構(gòu)消失，顆粒破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)許多新的微小裂隙，局部薄片狀顆粒卷曲，粒間孔隙貫通，微觀土體結(jié)構(gòu)整體變得松散。

圖11 不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土放大2000 倍的圖像Fig.11 The image of expansive soil magnified 2000 times under different drying-wetting-freezing-thawing cycles

3.2.2 微觀結(jié)構(gòu)定量分析

通過Image-J 軟件對不同循環(huán)次數(shù)的土樣的SEM 圖像進(jìn)行微觀信息處理，量化不同循環(huán)次數(shù)下的土體顆粒形態(tài)變化，限于篇幅，僅展示試樣歷經(jīng) 0，1 次干濕-凍融循環(huán)后在放大10 000 倍下的 SEM 微觀圖像，圖12 為不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土放大10000 倍圖像，其結(jié)果如表5 所示。由表5 可知，微觀結(jié)構(gòu)在干濕-凍融循環(huán)作用下，顆?？倲?shù)逐漸增多，但顆?？偯娣e及顆粒平均尺寸等微觀指標(biāo)逐漸減小，由于干濕-凍融循環(huán)的作用，含水率反復(fù)變化，水分在試樣內(nèi)部反復(fù)遷移，反復(fù)沖刷試樣內(nèi)部以及原有孔隙，以及凍融循環(huán)的凍脹作用，較大的土粒聚集體經(jīng)過循環(huán)逐漸分離變小，逐漸形成新的孔隙，循環(huán)次數(shù)達(dá)到5 次時(shí)，試樣顆?；緟?shù)逐漸趨于穩(wěn)定，在土粒間的黏聚力大于張拉應(yīng)力，顆粒將不再破碎，試樣表面將不會(huì)再產(chǎn)生裂隙，且由于進(jìn)行微觀掃描試驗(yàn)需將試樣進(jìn)行完全風(fēng)干操作，易破壞試樣的原有微觀結(jié)構(gòu)，存在細(xì)小誤差，因此干濕-凍融循環(huán)條件下微觀結(jié)構(gòu)的影響有待進(jìn)一步研究。

圖12 不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土放大10 000 倍圖像Fig.12 The image of expansive soil magnified 10 000 times under different drying-wetting-freezing-thawing cycles

表5 微觀定量分析Table 5 Microquantitative analysis

3.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

為確定各微觀參數(shù)對裂隙指標(biāo)的影響程度，引入灰色關(guān)聯(lián)度的概念[36]?；疑P(guān)聯(lián)度計(jì)算步驟如下所示。

1)確定參考序列和比較序列

選取裂隙參數(shù)Q為參考序列，選取顆?？倲?shù)、顆?？偯娣e等微觀參數(shù)為對比序列：

2)無量綱化處理

式中：i=1, 2, ···,n；k=1, 2, ···,m。

3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中：k=1, 2,···,m；j=1, 2,···,n，n為被評(píng)價(jià)對象的個(gè)數(shù)； ρ為分辨系數(shù)。

4) 關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

式中， γi為關(guān)聯(lián)度。

各微觀參數(shù)與裂隙參數(shù)Q的平均關(guān)聯(lián)度如表6所示，各微觀參數(shù)與Q的平均關(guān)聯(lián)度在0.67～0.78之間，由大到小排序?yàn)轭w?？倲?shù)、顆?？偯娣e、顆粒平均周長、顆粒面積占比及顆粒平均尺寸，故顆?？倲?shù)及顆?？偯娣e為影響裂隙參數(shù)Q的主要因素。

表6 微觀參數(shù)平均關(guān)聯(lián)度Table 6 Average correlation degree of micro parameters

3.2.4 裂隙指標(biāo)與微觀定量指標(biāo)之間的關(guān)系

圖13 為裂隙指標(biāo)與微觀指標(biāo)之間的關(guān)系曲線，根據(jù)各微觀參數(shù)與裂隙指標(biāo)的平均關(guān)聯(lián)度，選擇顆?？倲?shù)及顆?？偯娣e與裂隙指標(biāo)Q進(jìn)行擬合，由圖13 可知，① 隨Q的增加，顆粒總數(shù)呈持續(xù)增大趨勢，而顆?？偯娣e呈持續(xù)減小的趨勢；②Q與顆?？倲?shù)及顆?？偯娣e擬合變化曲線不是單純的線性變化，指數(shù)函數(shù)擬合效果良好，分別呈凹形與凸形的拋物線變化。

圖13 裂隙指標(biāo)Q與微觀指標(biāo)之間的關(guān)系曲線Fig.13 The relation curve between fracture indexQand microscopic index

對圖13 中變化規(guī)律進(jìn)行擬合，具體擬合函數(shù)關(guān)系式如下：

分析原因可得，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，反復(fù)的飽和與烘干使土體破碎，水分不斷遷移致使粗顆粒變細(xì)，導(dǎo)致顆?？倲?shù)增多。在該過程中，土體中孔隙作為水分不斷遷移路徑，水分反復(fù)沖刷原有孔隙，可溶性礦物溶解被孔隙間的水帶走，使土粒間被架空，形成新的孔隙，孔隙總面積增加，粒間接觸面積逐步減小；凍融循環(huán)中，試樣不斷地經(jīng)歷著形成冰晶和融化兩個(gè)過程，凍結(jié)時(shí)，自由水凝結(jié)成冰，體積膨脹，致使小孔隙變大；融化階段，團(tuán)聚體間的中孔隙隨著凍融次數(shù)的增加而增多，并逐漸貫通產(chǎn)生為細(xì)觀層面的裂縫。

3.3 剪切指標(biāo)與微觀參數(shù)之間的關(guān)系(宏觀?微觀)

圖14 為剪切強(qiáng)度指標(biāo)與微觀指標(biāo)之間的關(guān)系曲線，由圖14 可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，顆?？倲?shù)增加，顆粒總面積減小，黏聚力呈逐漸減少的趨勢，擬合變化曲線呈凹形的拋物線變化，而內(nèi)摩擦角受微觀結(jié)構(gòu)的影響不大，基本處于穩(wěn)定值。

圖14 剪切強(qiáng)度指標(biāo)與微觀指標(biāo)之間的關(guān)系曲線Fig.14 The relationship curve between shear strength index and microscopic index

對圖14 中變化規(guī)律進(jìn)行擬合，具體擬合函數(shù)關(guān)系式如下：

顆?？倲?shù)：

顆?？偯娣e：

圖15 為未循環(huán)及干濕-凍融循環(huán)直剪機(jī)理示意圖，由圖15 可知，隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，顆?？倲?shù)增多但顆?？偯娣e減少，微小裂隙隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸貫通成中大孔隙，黏聚力主要組成部分為膠結(jié)力，為土顆粒之間的相互吸引力，顆粒總數(shù)的增加以及顆?？偯娣e的減小導(dǎo)致形成新的滲流通道，土體反復(fù)遭受濕潤-干燥-凍結(jié)-融化，土體細(xì)小致密的黏土礦物反復(fù)脹縮，加快其周圍土體結(jié)構(gòu)損傷，介孔粗化貫通，膨脹土的凝膠物質(zhì)逐漸溶解，膠結(jié)力減小，導(dǎo)致土顆粒之間的相互吸引力逐漸減小，黏聚力逐漸減小。內(nèi)摩擦角主要是表面摩擦力和土粒之間的鑲嵌作用而產(chǎn)生的咬合力以及土顆粒的棱角性，微觀結(jié)構(gòu)的變化對內(nèi)摩擦角影響不大，始終保持在一個(gè)穩(wěn)定值。

圖15 未循環(huán)及干濕-凍融循環(huán)直剪機(jī)理示意圖Fig.15 Schematic diagram of non-cycle and drying-wetting-freezing-thawing cycle direct shear mechanism

4 結(jié)論

本文以北疆供水一期工程為研究背景，通過對膨脹土進(jìn)行宏觀力學(xué)特性試驗(yàn)，細(xì)觀裂隙性試驗(yàn)及微觀機(jī)理試驗(yàn)，從宏-細(xì)-微觀分析了北疆膨脹土在干濕-凍融循環(huán)條件下的劣化機(jī)理，可得以下結(jié)論：

(1) 膨脹土裂隙經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)裂隙發(fā)育是一個(gè)持續(xù)的過程，隨循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙率、裂隙條數(shù)、裂隙總長度及平均寬度等裂隙參數(shù)均呈先快速增加，隨后速度變緩，最終趨于穩(wěn)定的規(guī)律。通過用相交點(diǎn)數(shù)與裂隙條數(shù)提出一種新的裂隙評(píng)價(jià)指標(biāo)Q，可來評(píng)價(jià)整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性，Q值越大說明裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性越好，Q隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

(2) 關(guān)于宏觀力學(xué)特性與細(xì)觀裂隙闡述方面，膨脹土試樣經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)后，裂隙不斷增加，其抗剪強(qiáng)度隨著裂隙參數(shù)Q的增加而降低，抗剪強(qiáng)度的變化由黏聚力的變化而決定，內(nèi)摩擦角幾乎沒有改變，擬合得到裂隙參數(shù)Q與黏聚力的關(guān)系曲線，其擬合變化曲線呈線性關(guān)系，隨著裂隙參數(shù)Q的增加黏聚力減小

(3) 微觀機(jī)理方面，掃描電鏡結(jié)果表明，經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)后，土體孔隙和結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，土顆粒團(tuán)聚體經(jīng)過循環(huán)逐漸分離變小，顆粒破損嚴(yán)重，顆?？倲?shù)逐漸增多，顆粒所占面積、顆?？偯娣e及顆粒平均尺寸逐漸減小，故裂隙產(chǎn)生逐漸增多；裂隙參數(shù)Q與各微觀參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度均大于0.67，其中顆?？倲?shù)及顆?？偯娣e為主要影響因素；微觀結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致土顆粒之間的相互吸引力逐漸減小，黏聚力逐漸變小，內(nèi)摩擦角變化不大。