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谭 波, 徐 良, 2, 倪秋奕, 潘政安, 李亚奇
(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院; b.广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004;2.海安市城建开发投资集团有限公司，江苏 南通 226000;3.广西师范大学 教育学部, 广西 桂林 541004)
在膨胀土边坡失稳破坏现象中发现, 有中、弱膨胀土的边坡比有强膨胀土的边坡破坏更为严重的情况, 这往往与膨胀土裂隙发育密切相关[1]。当中、弱膨胀土边坡裂隙发育程度大于强膨胀土, 或者裂隙发育深度更深形成较大滑面时, 则导致更为严重的边坡滑塌现象, 说明膨胀土边坡滑塌的危害性与裂隙发育更为紧密, 而有时膨胀土胀缩强弱等级与裂隙发育程度并不一致[2]。因此, 研究膨胀土裂隙发育规律及控制因素很有必要。
国内外学者针对膨胀土裂隙发育展开了大量的研究[3-9]。殷宗泽等[10]认为, 裂隙发育是膨胀土边坡失稳的重要原因, 其失稳机理在于, 膨胀土在经历干湿循环后裂隙发育, 降低了土体强度; 许锡昌等[11]认为环境温度是影响膨胀土开裂的外部因素之一, 初始含水率和干密度是影响膨胀土开裂的重要内部因素; 冷挺等[12]认为干湿循环次数和含水率是膨胀土裂隙发育的主要影响因素; 刘平等[13]考虑温度、蒸发速率、盐分等因素的影响, 从微观角度研究和探索土的干缩开裂机理; Dixon等[14]认为由于受核废料衰变过程中产生的热量影响, 在一定区域中会形成温度梯度, 造成水分运移, 从而造成膨润土的不均匀干缩甚至开裂; 李国维等[15]认为膨胀土裂隙沿深度方向的开裂速率与大气温度和大气湿度分别呈现正、负相关关系; 李彦龙等[16]认为增大压实度能有效地抑制裂隙在长度和宽度上的开展并减少裂隙条数, 尤其是对具有中、高自由膨胀率的膨胀土, 进而有效地降低表面裂隙率; 赵艳林等[17]认为除缩限外, 其余胀缩性指标随干湿循环次数的增加发生衰减; 董东等[18]认为, 裂隙发育影响膨胀土的强度, 裂隙发育的膨胀土抗拉强度低于裂隙不易发育的膨胀土的抗拉强度; 董晋鹏等[19]认为,无论试样裂隙充填与否,其抗拉强度都受裂隙倾角的影响, 随着裂隙倾角的增加, 充填与非充填试样的抗拉强度逐渐呈现下降趋势。上述大多是基于一种土样进行研究, 很少有对几种土样进行对比研究，这样就难以解释膨胀土胀缩强弱等级与裂隙发育程度不一致的现象, 使得预测膨胀土边坡滑塌程度的问题缺乏理论指导和依据。
本文以广西宁明灰黑色膨胀土、宁明灰白色膨胀土、南宁膨胀土、百色膨胀土4种典型膨胀土为研究对象, 通过开展干湿循环下的裂隙发育试验, 采用CT扫描、图像数字处理等技术手段, 并结合土性指标分析、土体微观结构分析、宏观力学指标分析, 探索膨胀土裂隙发育的影响和控制因素, 从不同的角度揭示膨胀土裂隙发育规律, 以期为今后膨胀土工程判别方法中合理考虑土体裂隙性提供参考依据。
1.1 试验用土
试验用土样分别取自南友高速公路宁明出口支线的宁明灰黑色膨胀土和灰白色膨胀土，南宁外环线五塘镇的K20+200—K29+700路段南宁膨胀土，以及隆百高速公路四塘互通百色膨胀土。4种土样基本土性见表1[2]，对比其膨胀势: 百色膨胀土>南宁膨胀土>宁明灰白色膨胀土>宁明灰黑色膨胀土。
表1 试验膨胀土的基本土性
1.2 干湿循环条件下的裂隙发育试验
土样经风干碾碎后过2 mm筛, 初始含水率控制为10%, 干密度控制为1.55 g/cm3, 制备10份三轴试样, 其底面积为61.8 mm2, 高度为125 mm。采用室内方法对试样进行增湿与脱湿, 用抽气法进行饱和增湿, 增湿过程为12 h，然后将其置于恒温恒湿箱(温度105 ℃，湿度65%)中进行风干脱湿，由于试样24 h脱湿后裂隙发育达到稳定, 故设置脱湿时间为24 h。从试样的饱和增湿至风干脱湿为1次干湿循环, 对1次干湿循环后的试样再抽气饱和再失水即为2次干湿循环, 依此类推。考虑到土体在自然条件下经历多次干湿循环后一般会开裂破碎, 查阅相关文献，共进行5次无约束条件下的干湿循环室内试验来观测土体随干湿循环次数的裂隙发育规律。本次试验的缺陷在于：4种土样在相同的控制环境下进行干湿变化, 由于土性的差异, 每种土样的水分变化是不一样的，而裂隙发育程度与水分变化之间是相关的[4]。因此, 本次试验对于裂隙发育程度的判断是仅基于相同环境变化条件, 并非基于含水率变化条件，该试验方法评判出来的发育程度与工程实际更为接近, 可作为参考依据。
1.3 CT扫描试验
使用桂林市某医院放射科亚螺旋CT扫描仪(图1)对每次风干脱湿后的三轴试样进行横向断面扫描, 获得内部裂隙发育图像。其分辨率为1 μm, 观测精度为5 μm, 扫描断面间距为2.5 mm, 每个试样每次共获得20张CT纵断面图像。
图1 亚螺旋CT扫描仪
1.4 裂隙定量描述
裂隙定量描述的目的是寻找合适的指标用以描述裂隙发育的几何特征。目前, 以平面裂隙率作为膨胀土裂隙发育量化指标的应用较为普遍,不少学者已通过数码相机高清拍照观测和计算机图像数字化处理技术来获取膨胀土裂隙率指标[20]，但平面裂隙率不能描述裂隙向土体内部的发育情况。因此, 本文提出基于CT扫描技术下的体积裂隙率
式中:Pv为体积裂隙率;vi为每条裂隙所占的体积;V为试样的总体积。由于很难实现非常精准的测量, 可通过平面裂隙近似得到体积裂隙率, 提出以下近似计算公式
式中：δi为断面裂隙率;hi为断面间距。断面间距越小, 计算结果越接近于裂隙体积与总体积的比, 而断面裂隙率可通过CT扫描所获得的断面裂隙图像并借助MATLAB图像处理功能计算分析得到, 处理流程见图2。可见, 以体积裂隙率作为裂隙定量描述指标较以往的平面裂隙率更加全面。
图2 断面裂隙率计算程序图
通过CT扫描获得宁明灰黑色膨胀土、宁明灰白色膨胀土、南宁膨胀土和百色膨胀土4种土样在历经不同干湿循环条件下的断面裂隙图像(图3～6,扫描间距2.5 mm,其中CT纵断面扫描图像均为中间断面),试样的体积裂隙率数据经处理后得到图7。
图3 宁明灰黑膨胀土不同干湿循环条件下裂隙发展
图4 宁明灰白膨胀土不同干湿循环条件下裂隙发展
图5 南宁膨胀土不同干湿循环条件下裂隙发展
图6 百色膨胀土不同干湿循环条件下裂隙发展
图7 膨胀土不同干湿循环下的体积裂隙率
宁明灰黑膨胀土、宁明灰白膨胀土、百色膨胀土干湿循环下的体积裂隙率均随干湿循环次数增加呈增大的趋势, 南宁膨胀土除第4次干湿循环过程中的体积裂隙率偏小外, 整体呈增长趋势。4种膨胀土干湿循环下的体积裂隙率大小比较为: 宁明灰黑膨胀土>百色膨胀土>南宁膨胀土>宁明灰白膨胀土, 而对比4种膨胀土的基本土性(表1), 膨胀势比较为: 百色膨胀土>南宁膨胀土>宁明灰白膨胀土>宁明灰黑膨胀土, 其中, 宁明灰黑膨胀土为弱膨胀土, 体积裂隙率却较其他3种膨胀土大, 与膨胀势越大裂隙越发育的结论不完全一致, 说明膨胀势反映膨胀土裂隙发育程度是不全面的, 膨胀土裂隙发育规律可能与其他影响因素有关。
3.1 基本土性指标及物理化学性质指标
从描述土性的基本指标、颗粒组成、矿物成分以及物理-化学性质指标来分析与裂隙发育程度的相关规律。目前所用到的描述膨胀土的基本土性指标, 描述胀缩变形的如比表面积、体积收缩率、自由膨胀率指标, 描述膨胀土的物理-化学性质指标如蒙脱石含量可能与裂隙发育程度无明显相关性。宁明灰黑色膨胀土、南宁膨胀土、百色膨胀土的体积裂隙率随着比表面积的增大而减小, 但宁明灰白色膨胀土无此规律。宁明灰白色膨胀土、南宁膨胀土、百色膨胀土的体积裂隙率随着体积收缩的增大而减小, 但宁明灰黑色膨胀土无此规律。宁明灰白色膨胀土、宁明灰黑色膨胀土、百色膨胀土的体积裂隙率随着自由膨胀率的增大而增大, 但南宁膨胀土无此规律。宁明灰白色膨胀土、南宁膨胀土、百色膨胀土的体积裂隙率随着蒙脱石的增大而减小, 但宁明灰黑色膨胀土无此规律。
3.2 微观结构特征
微观物质成分与微观结构特征是岩土内在的固有属性, 是控制膨胀土特殊工程性质的决定性因素, 与胀缩特性有着密切关系。根据谭罗荣等[21]对膨胀土微观结构特征与工程、力学性质间的关系的研究, 本文针对上述4种重塑膨胀土试样进行了电镜扫描，结果如图8所示, 并通过分析其微观结构形态与特征, 探寻微观结构特征与裂隙发育的规律。各类膨胀土电镜图像的微观结构形态与特征分析见表2。
表2 膨胀土的微观结构形态及特征
图8 膨胀土扫描电镜图
3.3 抗拉强度指标
通常情况下土体的抗拉强度比较小, 实际工程中很少涉及, 但对于膨胀土而言, 该指标对于控制裂隙发育具有十分重要的意义。目前, 土体抗拉强度指标的测试存在一定困难, 也没有专门用于测试土体抗拉强度的试验仪器。本文采用劈裂试验进行4种膨胀土抗拉强度测试, 考虑到土体含水率对其强度的影响, 将4种土样按初始含水率为10%、干密度为1.55 g/cm3击实制样, 制样圆柱体底面积为63.5 mm2, 高度为101 mm。劈裂试验在自动马歇尔试验仪上进行, 加载速率为50 mm/min, 测定精密度为10 N, 试样以恒定的速率加载直至破坏。土体抗拉强度σt为
σt=2P/(πhd),
式中:P为径向所施加的最大荷载,h、d分别为圆柱体试样的高度和直径。每组4个试样, 按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)要求处理误差, 结果见表3。
表3 膨胀土抗拉强度与体积裂隙率的关系
土体含水率过高或过低时, 其抗拉强度值很低，影响测试精度, 故试样含水率可在10%～18%内选取[18]。本次试验采用土样含水率为10%，基本位于4种土的缩限附近, 可代表脱水后土体的最终状态, 因而考察10%含水率下4种土的抗拉强度与膨胀土的裂隙发育程度的关系，得到的规律见图9。
图9 不同干湿循环次数的膨胀土抗拉强度与体积裂隙率的关系
第1和第5次干湿循环下膨胀土裂隙发育可分别代表裂隙的初始开裂程度和最终开裂程度。可见，宁明灰黑膨胀土抗拉强度小, 体积裂隙率最大, 裂隙发育程度大; 宁明灰白膨胀土抗拉强度大, 体积裂隙率最小, 裂隙发育程度小, 说明重塑膨胀土抗拉强度与裂隙发育程度有较好的相关性。体积裂隙率Pv与膨胀土的抗拉强度σt呈良好的对数关系, 即
Pv=Elnσt+F,
其中:E、F为试验参数。
本文针对广西4种典型膨胀土进行干湿循环条件下的裂隙发育试验, 通过裂隙观测与定量描述方法, 对比4种膨胀土裂隙发育程度与胀缩强弱等级有不完全一致的现象, 并结合土性指标、土体微观结构、宏观力学指标分析研究膨胀土裂隙发育规律和影响控制因素, 得到以下结论:
(1)通过观测膨胀土干湿循环下的裂隙发育, 并提出体积裂隙率作为量化指标, 定量描述膨胀土裂隙发育规律。在干湿循环作用下, 4种膨胀土体积裂隙率均随干湿循环次数增加而增加, 比表面积、体积收缩、自由膨胀率、蒙脱石含量等指标与膨胀土胀缩强弱程度有关。
(2)膨胀土微观结构特征是裂隙发育的重要影响因素, 不同的微观结构特征裂隙发育程度有所不同, 闭式絮凝状结构的裂隙发育程度最大。
(3)重塑膨胀土宏观抗拉强度与裂隙发育程度呈良好的相关性, 抗拉强度大, 裂隙发育程度小, 较低含水率(10%)下的抗拉强度与干湿循环试验下得到的初次裂隙率和最终裂隙率均呈较好的对数关系:Pv=Elnσt+F, 可为今后膨胀土裂隙发育程度的预测提供参考依据。
本文从不同角度揭示了膨胀土变形规律, 但关于裂隙发育的内在机理仍需要进一步开展相关研究。
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