干湿循环对合肥地区膨胀土渗透特性的影响

张 锐， 黄 明

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水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粘土［1］。随着城市化的迅速发展，城区不透水面积的面积不断升高，导致了径流系数和洪峰流量也随之上升。合肥地区膨胀土粘粒含量达63～68%，其中又以亲水性次生粘土矿物伊利石和高岭石为主，导致膨胀土具有吸水能力强，膨胀变形大，在长江中下游的气候特征下，干湿循环的特性极易使膨胀土胀缩形成裂隙并不断发育，最终大孔隙和贯穿的裂隙为水分快速运移提供了通道，降低了城市膨胀土的蓄水能力，对排水管网造成了冲击，增加了城市内涝的发生几率。目前的研究多集中于对膨胀土的基本物理化学性质，变形特性及治理等方面［2－3］，针对裂隙的发育也仅仅是对土质结构稳定性的研究或只是一次胀缩而已，而美国，新加坡，法国等已经通过改良城区膨胀土性质来实现径流源头削减，从而减小洪峰流量［4－6］。目前，对膨胀土裂隙与渗透系数的研究很少，本文通过对试验区域的膨胀土渗透性能和膨胀土特性进行现场调查和采样，分析在干湿循环的条件下膨胀土裂隙的发育规律，并采用MATLAB软件计算裂隙度，定量的分析在不同裂隙度下渗透系数的变化。这为城市裸膨胀土裂隙的周期性变化和控制提供了准确预测，都具有指导意义，也可为城市用地规划提供科学依据。

1 试验设计

1．1 试验用土

试验用土为位于合肥市东南方安徽建筑大学校园膨胀土，其基本性质见表1。

表1 土样基本物理性质

从表1看，土质为强可塑性，塑性指数介于7至15，为中等可塑性粘土［7］。

1．2 试验方法与步骤

（1）将土样在105℃下烘干6h以上，敲碎，过0．5mm筛；经多次试验确定压实厚度为2cm，压实度为75%，称取土样300g并加水68ml，控制含水率为18．46%；将含有土样和水的烧杯密封，过夜（大于12h），使土样中含水率渗透均匀。

（2）将密封的土样平铺到钢板上，均匀混合，在满足压实度的要求下逐层压入内径61．8mm，高20mm的不锈钢环刀内，保证土样表面平整和密度均匀。

（3）本次试验采用低温烘干法（105℃）模拟膨胀土土体的脱湿过程，烘干时间控制为6个小时。烘干过程中，分别在试验10分钟、20分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时、4小时、6小时 对土样进行称重并且对土样的顶端进行定点拍照。为保证裂隙图像拍摄距离、位置及环境的一致性，不影响图像二值化后的结果，制作一个能够定点拍摄何保证位置相同装置，拍照时保证周围环境不变，仅仅用日光灯照明。

（4）脱湿过程结束后，将土样装进叠式饱和器进行抽气饱和，抽气时间为4h，并抽气结束后恢复至大气压下浸泡10小时，饱和完成后，重复步骤3）完成一次循环。

（5）采用相同含水率和压实度按步骤1）制样，逐层压入内径61．8mm，高40mm的不锈钢环刀内，重复步骤3）一次烘干6小时，拍照，真空抽气，静置过夜，隔天采用TST－55型渗透仪和变水头供水装置测定样品的稳定下渗系数（KT）。

1．3 图像处理

图1（a）为经历5次干湿循环后试验用样的最终形态，从图1（b）上看出，边界的存在使得膨胀土在吸水时受到束缚，在失水时其黏力影响土的收缩，使得试样周边的裂纹有些不规则，不适宜納为裂隙度的计算，如图1（c）所示，最后应用灰度值表进行定量分析裂隙的发育状况。

图1 试样终态

利用MATLAB进行图像的处理和相应比较，通过对初始图片的读入，提取，二值化，中值滤波等措施［8－11］，最终转化为如图2（e）所示，具体实现过程为:

（1）调用imread函数，将真彩图像转换成数字图像并读入MATLAB中，如图2（a）

（2）编程取圆并调用rgb2gray函数，将剪切过得的数字图像转换成灰度图像，如图2（b）

（3）调用im2bw函数，将灰度图像转换成二值图像（黑点为裂隙，灰度为0；白点为未开裂部分，灰度为1），如图2（c）；

（4）调用imfilter函数，对图像进行中值滤波处理，如图2（d）；

（5）调用imhist函数，柱状图统计（X轴为频数统计的小区间的中点，Y轴为小区间的频数）如图2（e）

2 试验结果与分析

2．1 试验结果

图2（e）为试样图片最终处理结果，x轴均分为10份，0为黑，1为白，反应了裂隙的发育程度，本次研究主要统计0．6～1．0间各段频数的和。

2．2 结果分析

2．2．1 试样的初期含水率随干湿次数的变化规律

图3中试样均为真空饱和后静置相同时间开始测样，由于第1次为制样后不经过真空饱和直接烘干得到，即起始点纵坐标为试样原始含水量；随着干湿次数的增加，试样每经历一次循环，由于裂隙的发育，内部空隙率的增大，致使含水率下降，并且从试样1和3可以得出，经历过4次干湿循环，试样的含水率变化逐渐趋于平稳。

图3 干湿循环对试样含水量的影响

2．2．2 裂隙发育与干湿循环次数的关系

实验通过统计频数来定量描述试样随着干湿循环次数的增加，裂隙的发育情况，0表示小区间内都为黑像素点，1表示都为灰像素点，由于一些干扰的，离散的，不规律的黑像素点，考虑到统计方法的特点和裂隙本省的发育特性，本次分析只取0．6～1四个区间出现的频数的和来评价。由图4可知，频数和整体趋势是下降的，其中在第2次和第4次出现小幅度回升，但是从其柱状图结果分析，是一些分散的裂隙扩张、贯通，成线型，由点成面，0．6～1区域内频数显著增加；并且在干湿开始阶段下降较快，后逐渐缓和，这是由于裂隙在前三次干湿循环后，裂隙整体形态变化不大，只是在区间内相互转换。

图4 干湿循环对裂隙发育的影响

2．2．3 膨胀土稳渗系数和裂隙发育程度与干湿循环次数的关系

通过在不同水头下测定的高度差，运用变水头渗透系数计算公式来计算渗透系数:

计算表明，重复试验5次基本控制允许差值在10%以内。

图5 干湿循环对稳定下渗系数和裂隙发育的影响

由图5可以看出，样品A和B稳定下渗系数和频数和与干湿循环次数的关系基本一致（其中横坐标1对应未真空饱和即烘干的第一次试验），稳定下渗系数随着循环次数的增加整体趋势是下降的，在3～5次循环后有所回升，从0．6～1．0频数和的变化趋势来看，主要是由于一些小的贯通裂隙提供了通道，从而增加了膨胀土的通透性，并且大于样品其他非裂隙部分渗透性能的下降，但是随着试验的进行，在没有形成大的裂隙通道前，膨胀土的渗透系数进一步下降。

3 结论

在测定稳定渗透系数的过程中，发现当裂隙处于初期形态，宽度窄，未形成有效贯穿时，遇水后由于吸水膨胀可恢复一定的渗透能力，如若任其发展，裂隙过度发展时，水直接通过已形成的大直径上下贯穿通道通过土柱，致使水击穿膨胀土的时间大幅下降，膨胀土也失去了其缓冲雨流的作用。

随着膨胀土干湿的不断循环，导致裂隙不断发育，原土质的含水能力不断下降，降低了城市在雨期中膨胀土的蓄水能力，不利于消减城市降雨径流，因此，适当的在长期干旱时期提高城市膨胀土的含水率，可以抑制裂隙的发育，提高防涝的能力。另外，还可为进一步通过模拟降雨，较为精确的计算膨胀土发育地区降雨的下渗量，为该类地区排水设计提供参考依据。

1 崔可锐，毛由田．岩土工程实用手册［M］．北京:化学工业出版社，2007．

2 慕现杰，张小平．干湿循环条件下膨胀土力学性能实验研究［J］．岩土力学，2008（11）:564－567．

3 崔可锐，郑永龙，赵星伟．干湿循环效应对合肥工业大学南区膨胀土强度特性的影响［J］．地基与基础，2010（06）:810－812．

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7 李干．粘土的塑性指数及其测量方法［J］．云南建材，1988（02）:34－35．

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9 Venkataramana K，Hanumantha R B，Singh D N，etal．Some investigations on cracking characteristics of soils［A］．Proceedings of the IACMAG:Geomechanics in the Emergifng Social ＆ Technological Age［C］．Goa，India:IACMAG，2008:1532－1538．

10 王家文，李仰军．MATLAB7．0图行图像处理［M］．北京:国防工业出版社，2006．

11 袁西霞，岳建华，赵贤任．MATLAB在中值滤波改进算法中的应用［J］．广东工业大学学报，2007（07）:33－36．