干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究
2020-06-22
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Journal ofEngineering Geology 工程地质学报 1004-9665/2011/19(4)一0478—05 干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究木 包惠明 魏雪丰 (桂林理工大学,土木与建筑工程学院摘要桂林541oo4) 通过膨胀土多次干湿循环的三轴和直剪实验,从试样裂隙率计算结果可以得出,三轴试样,经第1次循环,其表面裂 隙率增幅最大,2~4次循环增幅较大,第5次循环增幅较小。直剪试样,试样表面裂隙率经1~3次循环增幅较大,第4次循 环增幅较小,第5次循环以后试样表面裂隙率有所降低,但降低的幅度不大。总的说来,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土 试样表面裂隙率不断增大。 关键词膨胀土干湿循环裂隙分形 中图分类号:P642.13 文献标识码:A FRACTAL RESEARCH THE CRACK CHARACTERISTIC EXPANSIVE SoIL UNDER WETTING.DRY G CYCLE BA0 Huiming WEI Xuefeng (Guilin University ofTechnology,Guilin 541004) Abstract By means of the wetting—drying cycle tests of triaxial and direct—shear on the expansive soil.rI'Ile test inds thatf with first wetting—drying cycle triaxial test,the crack ratio in expansive soil sample surface is the largest increase,with second to fourth wetting—drying cycle,the crack ratio in expansive soil sample surface is the bigger in— crease.And the crack ratio in expansive soil sample surface is the little increase,with the wetting—drying cycle is more than five.And the same result is ifnds in the direct・shear test.All in all,With the number of times wetting-dr- ~ ying cycle increasingly,the crack ratio in expansive soil sample surface is constantly increasing. Key words Expansive soil,Witting—drying cycle,Crack,Fractal 对膨胀土的基本物理化学性质、变形特性及治理等 1 引 言 膨胀土是一种对环境湿度变化敏感,由强亲水 方面,而且多为针对1次胀缩而已。近年来,有些学 者开展了干湿循环研究,如崔激 ,徐彬 J,Bas— jma 刘松玉_6j,杨和平[ 等,但他们均多集中在膨 ,性矿物蒙脱石和伊利石等组成,具有多裂隙性、强胀 缩性和强度衰减性的高塑性黏土[ , ,其膨胀与收 缩的可逆性是其重要属性,外部荷载和含水量的变 化则是2个主要的外在因素。以前的研究多集中于 胀土的物理力学性质,针对膨胀土裂隙变化特点的 研究较少。本文根据膨胀土5次干湿循环试验,利 用分形理论描述膨胀土裂隙变化的特征,探讨膨胀 土性质变化的机理。 }收稿日期:2011—03—2O;收到修改稿日期:2011—06—10. 基金项目:国家自然科学基金项目(50868003)和广西自然科学基金项目(GKN 07109005—6) 第一作者简介:包惠明,从事边坡工程与道路工程教学与研究工作.Email:bhming@163.COm 19(4) 包惠明等:干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究 479 为了取得更好的对比性,分形维数计算所用裂隙图 2分形理论 美国IBM公司的数学家Benoit B.Mandelbrot (1975)在《自然界中的分形几何》一书中首次提出 了“分形(Fracta1)”这个新术语_8 J。分形几何可以 像与裂隙率计算所用图像一致。为此基于MATLAB 设计了专门的程序进行图像处理(图2)。 描述自然界不规则以及杂乱无章的现象和行为。分 形几何学主要概念是自相似性和分数维数。分形理 论也在膨胀土中应用_9,m』。 根据盒维数的基本定义,膨胀土试样表面裂隙 区的分维可用下式计算: D=lgN(£)/lg(1/L) 试验结果表明,lg(1/L)和lgN(L)之间存在很 好的线性关系,在双对数坐标系中对数据点 (1g(1/L),lgN(L))以最小二乘法进行线性拟合,所 得拟合曲线的斜率就是试样表面裂隙的分形维 数D。 显然随干湿循环次数的不断增加,利用该方法 可以获得不同循环次数下试样表面裂隙区的分维 值,由此可以得出膨胀土试样在整个干湿循环过程 中的裂隙分维变化规律。 3 图像处理 本次主要进行三轴试样和直剪试验,一共进行 5次干湿循环。所得到的膨胀土裂隙特征如下(图 1)o 根据膨胀土三轴试样和直剪试样的裂隙图像。 图1不同干湿循环次数(从左到右分别是第1~5次) 下膨胀土表面裂隙的特征 Fig.1 The surface crack characteristic of expansive soil sample under deferent wetting—drying cycle a.0次干;b.1次干;c.2次干;d.3次干;e.4次干;f.5次干 图2膨胀土试样表面裂隙的分维数程序计算框图 Fig.2 The calculation flow diagram of the expansive soil crack dimension 4膨胀土裂隙分维特征 4.1 三轴试样分维数计算 将三轴试样沿竖向等分为4个区,标记为A、B、 C、D,固定相距和焦距,用数码相机对每个试样的4 个区分别拍照,然后用Photoshop软件对数码照片进 行剪切处理,为了得到更好的对比结果,剪切时保证 每幅照片的像素和宽度相同。对处理后的照片使用 MATLAB编程计算每个试样不同区内的裂隙率,然 后求平均值,即得到膨胀土三轴试样实施干过程以 后试样表面裂隙的分形维数。不同干湿循环次数下 膨胀土三轴试样表面裂隙分形维数计算结果见 表1。 表1不同干湿循环次数下膨胀土三轴试样 表面裂隙分形维数计算结果 Table 1 The expansive soil surface crack dimension in the triaxial test sample under deferent wetting—drying cycle Journal ofEngineering Geology工程地质学报2011 表1中的计算结果为膨胀土三轴试样实施干过 程以后试样表面裂隙的分形维数。从实验过程可以 4.2直剪试样分形维数计算 直剪试验每组有4个试样,分别编号为1、2、3、 4,固定相距和焦距,用数码相机对每组(4个)试样 看出,饱和后试样表面的裂隙基本全部愈合,所以膨 胀土三轴试样实施湿过程以后试样表面裂隙的分形 维数为零。由表1中的计算数据可得,随干湿循环 次数的不断增加,试样表面裂隙的分形维数不断增 分别拍照,然后用Photoshop软件对数码照片进行剪 切处理,为了得到更好的对比结果,剪切时保证每幅 照片的像素和宽度相同。对处理后的照片使用 MATLAB编程计算每组(4个)试样的裂隙率,然后 大,第1次循环增幅最大,2~5次循环增幅较小。 不同干湿循环次数下膨胀土三轴试样最小二乘 法线性拟合曲线如图3所示。 图3不同干湿循环次数下膨胀土三轴试样 最小二乘法线性拟合曲线 Fig.3 The expansive soil surface crack dimension in the triaxial test sample under deferent wetting-drying cycle 1次干D=1.64;b.2次干D=1.66;c.3次干D=1.69: d.4次于D=1.70;e.5次干D=1.73 求平均值,即得到膨胀土直剪试样实施干过程以后 试样表面裂隙的分形维数。不同干湿循环次数下膨 胀土直剪试样表面裂隙分形维数计算结果见表2。 表2不同干湿循环次数下膨胀土直剪试样 表面裂隙分形维数计算结果 Table 2 The expansive soil suI'face crack dimension in the direct・-shear test sample under deferent wetting—,drying cycle 表2中的计算结果为膨胀土直剪试样实施干过 程以后试样表面裂隙的分形维数。由表2中的计算 数据可得,随干湿循环次数的不断增加,试样表面裂 隙的分形维数不断增大,第1次循环增幅最大,2~ 4次循环增幅较小,第5次循环以后试样表面裂隙 的分形维数有所降低,但降低的幅度不大,从整体上 来看,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土直剪试样 表面裂隙的分形维数不断增大。 不同干湿循环次数下膨胀土直剪试样最小二乘 法线性拟合曲线如图4所示。 5试验结果分析 根据表1和表2中的试验数据,以干湿循环次 数为横坐标、分形维数为纵坐标,绘制膨胀土三轴、 直剪试样表面裂隙的分形维数与循环次数的关系曲 线(图5、6)。 从图5、图6中的关系曲线可得,从整体上来 看,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土试样表面裂 隙的分形维数不断增大。从图5中的关系曲线变化 趋势可以得出,经第1次循环,膨胀土三轴试样表面 19(4) 包惠明等:干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究 481 b d 图4不同干湿循环次数下膨胀土直剪试样 最小二乘法线性拟合曲线 Fig.4 The expansive soil surface crack dimension in the direct.-shear test sample under deferent wetting・-drying cycle a.1次干D=1.02;b.2次干D:1.24;C.3次干D=1.40; d.4次于D=1.51;e.5次干D:1.73 岛 籁 鼎 0 1 2 3 4 5 6 循环次数/次 图5膨胀土三轴试样表面裂隙的分形维数 与循环次数的关系曲线 Fig.5 The relation cure between The expansive soil surface crack dimension in the triaxial test sample and the wetting—drying cycle times 裂隙的分形维数增幅最大,2~5次循环增幅较小。 口 籁 蝌 U l 2 3 4 5 6 循环次数/次 图6膨胀土直剪试样表面裂隙的分形维数 与循环次数的关系曲线 Fig.6 The relation ante between The expansive soil surface crack dimension in the direct—shear test sample and the times of wetting—drying cycle 同样,从图6中关系曲线变化趋势可以得出,膨胀土 直剪试样表面裂隙的分形维数经第1次循环后增幅 最大,2—4次循环增幅较小,第5次循环以后试样 表面裂隙的分形维数有所降低,但降低的幅度不大, 从整体上来看,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土 直剪试样表面裂隙的分形维数不断增大。 参考文献 [1]廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京:中国铁道出版 社,1984. 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Press of UnivemiW of Science and Technology of China,1995. 青藏高原东南缘第四纪工程地质概论 张永双,曲永新,赵希涛等著 内容提要 本书是一部系统介绍青藏高原东南缘第四纪工程地质问题和相关 研究方法的专著。作者根据当前青藏高原东南缘重大工程建设需求和 工程地质学发展趋势,提出加强第四纪地质与工程地质的高层次交叉研 究是当代工程地质学的重要发展方向。结合野外地质经验和亲身体会, 简明扼要地阐述了青藏高原东南缘区域地质背景、与工程地质研究密切 相关的第四纪地质学基本概念,以及实用的第四纪地质调查和研究方 法。从第四纪地质作用和地质演化研究人手,系统总结了青藏高原东南 缘第四纪地质作用的基本特征和典型第四纪沉积物的分布规律。采用 常规和非常规实验测试、数值模拟等技术手段,深入研究了青藏高原东 南缘具有地域特色的第四纪冰川堆积物、红色风化壳(红黏土)、河床深 厚覆盖层、湖相黏土等的发育特征和工程地质特性,以及相关工程地质 环境地质问题或地质灾害的形成机理。结合青藏高原东南缘地壳运动 异常活跃的特点,深入剖析了高山峡谷区地震地质灾害特征和内外动力 耦合作用的主要表现形式,指出了今后值得加强研究的方向。基于实际 调查资料和工程实例,初步提出了青藏高原东南缘第四纪工程地质学的理论框架,为重大工程地质问题研 究、减灾防灾和地质环境保护提供了有力的理论和技术支撑。 本书可供国土资源、水利水电、交通、城建、地震等部门从事工程地质、第四纪地质、灾害地质、岩土工程 等方面的科研和工程技术人员以及高等院校相关专业的师生参考。