_干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

文章编号：1000－7598 (2011) 09－2729－06

干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

张家俊1, 2，龚壁卫2，胡 波2，周小文1，王 军1, 2

（1. 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点试验室，广州 510640；2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点试验室，武汉 430010）

摘 要：对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验研究。试验中采用烘干法模拟脱湿过程，采用抽气饱和法模拟饱和过程。在脱湿过程中，定时对土样进行称重、定点拍照，以记录裂隙发育状况。利用矢量图技术对裂隙照片进行矢量化处理，以提取裂隙的各种几何要素，继而进行裂隙度计算。裂隙度变化规律分析结果表明，影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率，而是含水率梯度，而脱湿速率的空间分布、土块渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素；膨胀土裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育，主要体现在裂隙总面积与总长度的增加，但此作用有限，裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止；反复干湿循环会使土体产生范性变形，该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系，其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏，裂隙越发育，土体范性变形量越大。 关 键 词：膨胀土；干湿循环；裂隙演化规律；裂隙度；矢量图 中图分类号：TU 443 文献标识码：A

Study of evolution law of fissures of expansive clay

under wetting and drying cycles

ZHANG Jia-jun，GONG Bi-wei，HU Bo2，ZHOU Xiao-wen1，WANG Jun1, 2

1, 2

2

（1. State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China）

Abstract: In the present investigation, laboratorial test is conducted to study the evolution law of the fissures of Nanyang expansive clay under wetting and drying cycles. Oven drying method and vacuum saturating method are employed to simulate the drying and wetting process respectively. In order to record the development of fissures, the specimen is weighed and photographed regularly during the drying process. By employing the vector diagram technology to vectorize the fissures photos; the geometric characters of fissures are extracted before calculating the fissures ratios. Study of the regularity of fissures ratios changes proves that: the essential factor that influences the stretching degree of fissures is not water content, but the gradient of water content, which is mainly governed by the spatial distribution of desorption rate, the permeability characteristic of clod and the size of clod. Under wetting and drying cycles, the fissures of expansive clay will develop gradually, and it is mainly represented by the increase of total area and total length of fissures, but the role of wetting and drying cycles is limited, the development of fissures will cease when it comes to a certain degree due to the undersize of the clods. Expansive soil mass will encounter plastic deformation under wetting and drying cycles; this plastic deformation is not relevant to the swell-shrink characteristics of expansive clay, the development of fissures and the damage of soil mass integrity are the direct causes of this plastic deformation; a higher degree of fissures development gives rise to a more significant plastic deformation.

Key words: expansive clay; wetting and drying cycles; evolution law of fissures; fissures ratio; vector diagram

1 前 言

南水北调中线工程总干渠全长1 432 km，渠道沿线地质条件复杂，其中，穿越膨胀岩（土）渠道累计长约340余公里，因此，膨胀岩（土）渠坡的

稳定是南水北调中线工程中的一个重要岩土工程研究课题。

膨胀土体的裂隙性对其工程性质影响极大。一方面，裂隙的存在破坏土体的整体性，使其强度大为削弱；另一方面，裂隙也加剧了大气对土体的影

收稿日期：2010-01-28

基金项目：国家自然科学基金资助（No. 51008035）；水利部岩土力学与工程重点实验室开放基金（No. G07-02）。

第一作者简介：张家俊，男，1984年生，硕士研究生，主要从事特殊土性质的研究工作。E-mail: cynisam@hotmail.com

2730 岩 土 力 学 2011年

响，使水分的入侵与土体的风干更为剧烈[1]。因此，研究裂隙的演化规律及其对膨胀土体工程性质的影响，将有助于揭示膨胀土边坡失稳破坏机制，同时，也为制订膨胀土边坡处理措施奠定基础。

在有关膨胀土裂隙研究方面，国内学者曾作了很多尝试，并取得了不少有意义的成果，如：易顺民等[2]利用分形理论研究膨胀土裂隙的分形特征，并指出分维与膨胀土强度指标有很好的相关性；袁俊平等[3]利用光学显微镜对膨胀土进行观测，并探讨了以灰度熵作为膨胀土裂隙定量描述指标的可行性；马佳等[4]利用能精确控制湿度的试验装置，研究了裂土裂隙演化的过程，并对试验结果进行了理论分析。然而，对反复干湿循环下膨胀土裂隙开展演化规律的研究至今仍鲜有报道，同时，从裂隙图像提取裂隙信息的技术仍不甚完善。为此，本文尝试采用光栅图像矢量化技术对裂隙图像进行处理，根据提取的相关裂隙信息，对反复干湿循环作用下的膨胀土裂隙开展演化规律进行探索。

抽气饱和，抽气时间及浸泡时间均控制为4 h和 10 h，饱和完成后，重新进行脱湿，如此反复5次，以模拟反复干湿循环过程。

3 裂隙定量评价方法

3.1 裂隙度的定义与应用及裂隙图像处理手段

裂隙的走向、倾角、宽度、深度、长度、及其分布密度等几何要素均与膨胀土土体的工程性质密切相关。针对以上几何要素，前人曾提出了以裂隙面积率、裂隙长度比与土块平均面积比等为定义的裂隙度表达方法[5]：

nl

δf=

∑Ai

i=1

A

（1）

δf=

l （2） d

δf=δf=

∑li

i=1

nl

A

（3）

2 试验方案

2.1 试样制备

试验用样采自南水北调中线工程南阳现场试验段，为中膨胀土，土样具体物理特性见表1。土样经风干碾碎后过2 mm筛，制样含水率与干密度控制为25.4%与1.6 g/cm3，采用击样法一次成型，制成高为2 cm，直径为6.18 cm重塑样，尔后采用真空饱和法进行饱和，抽气时间控制为4 h，试样在真空下浸泡时间控制为10 h。

表1 试样物理特性指标

Table 1 Indices for physical characteristics of specimen

自由膨胀率

液限

液限

塑限

缩限 Ws /%

塑性指数 IP17

IP10

Ad

（4） A

δf=

nd

（5） A

式中：δf为裂隙度；l为裂隙的平均长度；d为裂隙的平均间距；li为第i条裂隙的长度；nl为裂隙的总条数；A为统计试样面积；Ad为被裂隙分割所成小土块的平均面积；nd为裂隙将土体分割成小土块的总数；Ai为第i条裂隙所占面积。

过去在研究裂隙性状时，主要依靠现场素描或拍照，随着影像技术的发展，光学显微镜与CT扫描技术相继出现，使裂隙观测技术向微观与无损探测迈进一大步。目前，裂隙成像技术虽然已经比较成熟，但在裂隙度计算上仍然存在困难。

CT图像、光学显微镜影像和数码相机照片均属于光栅图像，而光栅图像则是由通常称为像素的小方格或点排列的矩形栅格组成。以往处理裂隙图像的方法主要是先将图像二值化，而后进行灰度熵计算[3]，或者统计黑色像素数量[6]，进而得出裂隙量化指标。然而，这类处理手段仅能得到有关裂隙发育程度的单一指标，并不能很全面地描述裂隙的具体性状，例如：对于裂隙所占总面积相等的两膨胀土样，其裂隙总长度就有可能不同；或者对于裂隙面走向与主应力方向夹角接近45°的土样，其土体强度会因此而大幅下降，哪怕土体中仅有此一条裂隙。因此，笔者认为，对裂隙发育程度的评价不

δ ef WL17 /% WL10 /% Wp /%

79 51.0 40.3 19.7 11.06 31.3 20.6

2.2 试验方案

本次试验采用低温（70 ℃）烘干法模拟膨胀土土体脱湿过程，烘干时间控制为6 h。烘干过程中，分别于试验开始后10、20、30 min、1、2、3、4、6 h将土样取出称重并对土样顶面进行拍照。

为保证裂隙图像拍摄距离、位置及环境的一致性，特别制作一个能固定相机及土样的架子，以保证拍摄的距离及土样位置一致，同时拍摄时遮挡住一切外界光源，仅用日光灯进行照明，以保证拍摄环境一致。

脱湿过程结束后，将土样装进饱和器重新进行

2731第9期 张家俊等：干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

能以单一指标进行，对不同问题应配合不同指标进行分析，例如：在研究裂隙对膨胀土体渗透性的影响时，应着重关注裂隙的面积占土样截面积的比例及裂隙开展深度；在讨论裂隙对膨胀土体吸水膨胀速率的影响时，应充分考虑被裂隙切割后土体的比表面积；而在探讨裂隙对膨胀土体强度的影响时，则应重点分析土体裂隙倾角分布与主应力方向的关系。

笔者认为，单纯依靠分析裂隙的光栅图像是很难具体计算出与裂隙各几何要素有关的裂隙度的，而矢量图技术则能为此问题提供有效的解决方法。 3.2 矢量图的特点及其应用

矢量图是由轮廓和填充组成的图像，其构造原理与光栅图完全不同，它克服了光栅图所固有的缺陷，具有无级缩放、不失真的优点，并可以方便地对图像进行编辑修改[7]。同时，矢量图中包含有大量有关图形轮廓的数据，如长度、倾角和面积等，因此，采用适当的软件将裂隙光栅图像矢量化，而后配合相应矢量图处理软件（如：AutoCAD）便能对裂隙信息进行提取，实现裂隙量化指标的计算。 3.3 裂隙度计算方案

彩色图像比黑白图像更能反映事物的细节，但过多的色彩会对光栅图像的矢量化造成困难，因此在进行矢量化处理之前，首先利用图像处理软件Photoshop将裂隙光栅图像进行二值化，即将图像中裂隙部分用黑色表示，其余无关部分用白色表示。为保证处理效果的一致性，容差固定在16，原裂隙照片见图1，处理效果见图2。

得到二值化裂隙图像后，接着便进行矢量化。根据所求裂隙度的不同，生成不同种类矢量图，在计算与面积有关裂隙度时，沿黑白像素交界生成轮廓线，在计算与长度有关裂隙度时，沿黑像素中心生成中心线。两种矢量图具体形态见图3、4。与二值化相同，为保证矢量化效果的一致性，处理过程中保持所有参数不变。

以上矢量图均为.dxf格式，利用AutoCAD可以进行各种处理。对轮廓线矢量图，建立围绕裂隙轮廓的面域，而后便可提取裂隙面积、形心等各种参数。对中心线矢量图，无需再作处理，便可直接提取裂隙长度等各种参数。

图4 中心线矢量图

Fig.4 Vectorgram of centerline

图2 二值化后裂隙图像

Fig.2 Image of fissures after binarization

图3 轮廓线矢量图 Fig.3 Vectorgram of outline

4 试验成果分析

图5中裂隙面积率按照式（1）计算所得，图6中裂隙长度比按照式（3）计算所得，图7中裂隙平均宽度由裂隙总面积除以裂隙总长度计算所得，图8中土块平均面积由土块总面积除以土块个数计算

图1 原裂隙照片

Fig.1 Original photo of fissures

所得，图9中试样总面积是以环刀内径为参照直接在照片上量取的，图10中土净面积是由试样总面积减去裂隙总面积所得。

2732 岩 土 力 学 2011年

4.1 脱湿过程中裂隙演化机制

图5可见，在脱湿过程中裂隙总面积的变化存在一个峰值。峰值过后，裂隙面积率明显下降，并在接近缩限含水率时趋于稳定。

在烘箱内，土样脱湿速率的空间分布是不均匀的，试样上部因为与热空气直接接触所以其脱湿速率要远高于下部。试验前，试样含水率分布是均匀的。试验开始后，由于脱湿速率空间分布的不均匀，因此，试样上下层间逐渐形成一个上低下高的含水率梯度。同时因为土样渗透性较差，土体在短时间内难以将该含水率梯度自我平衡，所以在脱湿速率空间分布不变的情况下，该含水率梯度只会逐渐增大。众所周知，膨胀土有湿胀干缩的特性，因此，在含水率梯度的作用下，试样内出现上部受拉，下部受压的应力分布情况。当上部拉应力超过土块抗拉强度时，裂隙便随之产生。裂隙产生后，为试样下部水分散失提供良好通道，大大提高了其脱湿速率，与此同时，土体上部由于含水率已经较低，所以其水分散失亦趋于缓慢，因此，在试验后期试样脱湿速率的空间分布出现逆转，含水率梯度逐步降低，含水率分布趋于均匀。随着试样下部的干缩，试样上部由受拉转变为受压，裂隙被压缩，裂隙面积因而减少。

同时，由图6、7可见，裂隙长度比与裂隙平均宽度在脱湿过程中均存在峰值现象，而平均宽度的峰值与残余值的差别远比裂隙长度比的要大。这说明裂隙面积的减少主要是由裂隙缩窄造成的。而在裂隙缩窄的过程中，部分宽度较小的裂隙出现闭合现象，从而造成长度裂隙度的轻微下跌。

以往，岩土工程学者在现场研究膨胀土裂隙的开展规律时，往往得到裂隙度与土体含水率成单调线性相关的结论[6]。从表面上看，似乎与上述结论有所冲突，但若深究之，两者其实并无矛盾。在工地现场，科研人员采集裂隙图像的位置乃土体表面，随后与之相联系的含水率也是采集自浅层土体，而对深层土体则少有关注。研究表明，深层土体含水率对大气变化的响应较浅层土体要迟缓得多[8]。正是因为深层土体含水率的这种相对稳定性，所以在现场环境下，浅层含水率的变化实际上反映的就是土体含水率梯度的变化。

由此可见，影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率，而是含水率梯度，而脱湿速率的空间分布以及土体渗透特性则是决定含水率梯度大小的关键因素。

4.2 反复干湿循环过程中裂隙演化机制

由图5可见，在第1次循环过程中，裂隙面积

率峰值出现较早，随着干湿循环次数的增加，峰值对应的含水率逐步后移，同时峰值与残余值也在逐步提高，但增长幅度则逐步下降。如图6所示，随着干湿循环次数的增加，裂隙长度比的变化规律与裂隙面积率是类似的，但其增长幅度比裂隙面积率更为显著。图7则表明，裂隙平均宽度在干湿循环过程中的变化规律与前两者恰好相反。随着干湿循环的进行，裂隙平均宽度在逐步下跌。

将完成脱湿过程的土样重新饱和后，裂隙便会愈合，但这并不意味着裂隙消失，因为裂隙的愈合并不能使裂隙处土体的抗拉强度得到恢复。因此，当土样再次经历脱湿过程时，原有的已愈合的裂隙将会首先张开，同时由于其抗拉性能已经遭到破坏，张开更为容易，因此，其张开时刻对应的土体含水率梯度会比以往要低。张开后的裂隙面将成为新的临空面，临空面的产生将改变脱湿速率的空间分布，含水率梯度的方向与分布也会随之而作出调整，当调整后的含水率梯度所引起的拉应力大于土体抗拉强度时，新的裂隙便会产生。这就是土体裂隙总长度在干湿循环作用下不断增长的原因。

8.07.0裂隙面积率/% 6.05.04.03.02.01.00.0

28.0

24.0

20.0

16.0 12.0 8.0含水率/%

4.0N=1N=2N=3 N=4 N=5

图5 干湿循环下裂隙面积率变化曲线

Fig.5 Curves of fissures area ratio changes under

wetting & drying cycles

0.240.20裂隙长度比/(1/mm) 0.160.120.080.04

0.00

28.024.020.016.0 12.0含水率/%

8.04.00.0N=1N=2N=3 N=4 N=5

图6 干湿循环下裂隙长度比变化曲线

Fig.6 Curves of fissures length ratio changes under

wetting & drying cycles

2733第9期 张家俊等：干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

0.6裂隙平均宽度/mm 0.50.40.30.20.1

0.0

28.0 24.0 20.016.012.0N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 起的拉应力大部分以势能的形式储存在土体内，而没有以产生裂隙的形式释放，因此，裂隙的总面积会相对较小。但由于土体干缩产生的变形高度集中在仅有的几条裂隙上，因此，即使是裂隙的总面积较小，裂隙的平均宽度也会较大。随着裂隙的发育，土体结构逐渐遭到破坏，干缩引起的拉应力亦逐渐得到释放，裂隙总面积因而增加。但新增的裂隙同

8.04.0时也分担了部分干缩产生的变形，因此，出现了裂

隙总面积增加，但裂隙平均宽度却下降的现象。

由此可见，裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育，主要体现在裂隙总面积与总长度随着干湿循环次数的增加而增加，但干湿循环的作用有限，裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止。

4.3 反复干湿循环过程中土体变形特性分析

由图9可见，试样总面积随着含水率下降而下降，并且在到达缩限含水率附近时趋于稳定，与此同时，试样达到收缩稳定后的面积随着干湿循环次数的增加而增加，该现象说明反复干湿循环会使土体产生范性变形。如图10中所示，由土样总面积扣除裂隙面积所得的土块净面积与含水率的相关关系没有因为干湿循环次数增加而改变。此现象表明，裂隙与膨胀土土体在反复干湿循环作用下产生的范性变形密切相关。

在反复干湿循环作用下，裂隙逐步发育，土体的破坏也逐渐累积，使土体趋于松弛，于是土体发生范性变形，同时该范性变形也随着反复干湿循环而逐步累积。对于完整土块，裂隙的出现并没有影响其胀缩特性。由此可见，土体的范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系，其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏。裂隙越发育，土体范

含水率/%

图7 干湿循环下裂隙平均宽度变化曲线

Fig.7 Curves of fissures average width changes under

wetting & drying cycles

然而，干湿循环的作用是有限的，亦即土体裂隙不会无限发育。裂隙的存在相当于是把土体切割成多个小土块，土块的尺寸越小，水分散失路径就越短，水分平衡就越快，土块内部要出现较高含水率梯度就越困难，这也就意味着脱湿过程中产生的拉应力越低。同时，土块的抗拉强度是有效黏聚力与基质吸力的函数，因此，可以认为，在各次脱湿过程中土块的抗拉强度与含水率的对应关系不变。所以，当土体裂隙发育到一定程度后，脱湿过程中产生的拉应力将会低于土块的抗拉强度，至此，裂隙的发育将会停止。从图8可见，土块的平均面积随着干湿循环次数的增加而逐步下降并趋向一个定值，可见当土块尺寸减少到一定程度后便难以继续减少。这就说明了为何在随着干湿循环次数的增加，裂隙总长度的增长幅度会逐步下跌并趋向于稳定。

6.0土块平均面积/mm2 5.04.03.0

土块平均面积 [9]

性变形量越大。

3 0002 9502 900试样面积/mm2 2 8502 8002 7502 7002 6502 600

28.0

24.0

20.0

16.0 12.0 8.0含水率/%

4.0N=1N=2N=3 N=4 N=52.01.00.0

1

2

3循环次数

4

5

图8 干湿循环下土块平均面积变化曲线 Fig.8 Curves of clods’average area changes

under wetting & drying cycles

裂隙的长度与面积之间存在一定的联系。裂隙总长度越小，土体整体结构性越强。此时由干缩引

图9 干湿循环下试样面积变化曲线 Fig.9 Curves of area changes of specimen

under wetting & drying cycles

2734 岩 土 力 学 2011年

3 0002 9502 900土净面积/mm2 2 8502 8002 7502 7002 6502 6002 550

28.0

24.0

参 考 文 献

N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 20.0 16.0 12.0

含水率/%

8.04.0

图10 干湿循环下土净面积与含水率关系曲线

Fig.10 Relation curve of water content & net area of soil

under wetting & drying cycles

5 结论与展望

（1）影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率，而是含水率梯度，而脱湿速率的空间分布、土体渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素。

（2）裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育，主要体现在裂隙总面积与总长度的增加，但干湿循环的作用有限，裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止。

（3）反复干湿循环会使土体产生范性变形，该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系，其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏，裂隙越发育，土体范性变形量越大。

在本次试验中，笔者对矢量图技术在膨胀土裂隙分析上的应用做出了尝试。试验结果表明，矢量图技术在提取及分析裂隙几何要素上具有很大的优势，将土体物理特性直接结合裂隙几何要素进行分析能更深刻地揭示裂隙对膨胀土体的影响。但就实现裂隙矢量化分析而言，本文所用方法仍略显复杂，而且难以实现程序化计算。地理信息系统（GIS）为实现此目的提供了一个可能的途径。

GIS是3S技术的其中一个组成部分，是以空间数据为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机服务系统。图形分析是GIS一个重要组成部分，并且GIS同时兼容矢量数据结构和栅格数据结构，更重要的是GIS能实现栅格矢量的相互换算[10]。因此，在往后的裂隙研究中，可以尝试利用GIS对裂隙图像进行处理，如若成功将能够实现光栅图像矢量化与裂隙几何要素提取的无缝整合，同时GIS的数据库功能和决策功能也可以实现裂隙信息的批量分析和管理。

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