不同工况下填筑红粘土的开裂规律研究

2015-08-05李广权

黑龙江交通科技 2015年7期

李广权

(贵州路桥集团有限公司)

1 试验方法

1.1 试样制备

试验所用红粘土取自湖南某工地，按照土工试验规范标准测得相关的物理性质指标:容重2.539，液限60%，塑性指数27，最大干密度1.82，最佳含水率17.2%，自由膨胀率32.3%，粒径小于0.005 mm 的颗粒占44.64%，在0.005～0.075 mm 之间的颗粒占54.13%，大于0.075 mm 的颗粒占1.23%。将取回来的原状红粘土风干捣碎后过0.5 mm 筛，配制成初始含水率为最佳含水率(17.2%)的土样，密封闷料24 h，确保含水率均匀;倒入玻璃缸中，分两份:一份土样不作处理，另一份土样则在中间加铺一层窗纱，按压实度要求分别制成压实度为70%、75%、80%、85% 的40 cm ×40 cm×1.5 cm 红粘土试样。土样尺寸是根据实际工况按比例缩小，同时考虑到筋体材料拉伸性能和透水性能，故选择窗纱网代替土工格栅进行模拟试验。

1.2 试验方案

为加快红粘土试样的脱湿速率，将玻璃缸试件水平地放入烘箱中40 ℃恒温进行烘干，当质量变化稳定在0.5 g/h 范围内时停止烘干。脱湿过程结束后，采用佳能IXUS 310 HS 光学数码相机以固定距离对红粘土试样进行拍照，追踪裂隙的动态发展情况。拍照过程中用日光灯照明，同时挡住其他一切外部光源，消除光线对拍照效果的影响，保证每次的拍摄环境一致。用气压喷壶对试样模拟降雨增湿，密封闷料10 h 以上。再次进行脱湿，如此反复干湿循环0～5 次。

2 图像处理

运用Matlab 软件的图像处理功能，对红粘土开裂试样进行灰度化、二值化处理，然后进行矢量化计算得到红粘土表面裂隙参数。

为了对试样表面的裂隙结构形态进行定量分析和描述，本试验对土样的裂隙率进行了测量和计算，裂隙率为裂隙的面积与初始试件的总面积之比

式中:A1为裂隙的总面积，A 为试样的总面积。

3 试验结果分析

3.1 裂隙率随干湿循环次数的变化规律

各压实度的无筋和加筋红粘土试样，经历相应干湿循环次数结束后，运用Matlab 软件处理裂隙图像，得到的裂隙率的统计值分别见表1、表2。

表1 无筋红粘土试样各压实度的裂隙率统计

表2 加筋红粘土试样各压实度的裂隙率统计

在无筋和加筋情况下，各压实度下红粘土试样的裂隙率随干湿循环次数的增加呈上升的趋势。无筋试样在第0 次脱湿结束时，裂隙率都比较小，最大值为3.67%，最小值只有1.98%，加筋试样的裂隙率最大值为1.82%，最小值为0.75%。第1 次干湿循环后，各压实度下无筋红粘土试样的裂隙率分别增加了8.18%、8.03%、7.82%和7.48%，为第0次干湿循环下试样裂隙率的2 倍以上;加筋红粘土各压实度下的裂隙率增加了6.78%、6.34%、6.23%、4.73%。之后的干湿循环作用对土样裂隙率的影响比较小，增加的幅度不超过2.00%。可以看出，第1 次干湿循环作用对红粘土裂隙率的影响最大，随着干湿循环次数的增加，土样的裂隙率也有所提高，但是提高幅度越来越小。究其原因主要是烘干过程中土样上下层之间的温度差致使土样脱湿速率不一致，形成含水率梯度。在含水率梯度的作用下，下层土体约束了上层土体收缩变形，产生收缩拉应力，当收缩拉应力大于抗拉强度时，裂隙开始形成。随着脱湿过程的进行，红粘土表面裂隙不断发育，并最终趋于稳定。脱湿完成后，土样吸水饱和膨胀使之前的裂缝闭合，再次脱湿时，土体最先沿着之前的闭合裂缝开裂，同时又在含水率梯度的影响下，产生新裂隙。随着干湿循环作用次数的增加，裂隙网络越来越发达，土块尺寸越来越小，水分流失速率越快，土体内部含水率更易达到平衡状态，形成大的含水率梯度就越难，故之后的干湿循环作用对红粘土的各裂隙参数变化幅度很小。经统计分析，无筋红粘土试样的裂隙率随干湿循环次数的变化，与加筋红粘土试样有相似的规律。无筋红粘土与加筋红粘土试样裂隙率随干湿循环次数变化的曲线如图1、图2 所示。

图1 无筋红粘土裂隙率随干湿循环次数的变化规律

3.2 压实度对裂隙率的影响

为更加直观地描述红粘土试样的裂隙率随压实度的变化规律，描绘了裂隙率随压实度变化的曲线图，如图4、图5所示。

由表1、表2、图3 和图4 可以看出:经历相同干湿循环作用次数后的无筋红粘土试样和加筋红粘土试样的裂隙率随着压实度的提高都相应的减小。以第5 次循环的无筋红粘土裂隙率为例，压实度为70%、75%、80%、85%的土块的裂隙率分别为11.56%、11.13%、10.58%、9.75%，压实度增加10%，裂隙率减小了1.38%。表明了提高红粘土的压实度，可有效地抑制土样的开裂。究其原因，红粘土试样裂隙的发展主要是由于土体的膨胀和收缩引起的。提高压实度后，其内部颗粒结构的排列将会更加紧密，颗粒之间的孔隙将会减小，孔隙率减小，导致水分渗入到红粘土体内部变得十分困难，削弱了土体内部由于脱湿速率不均匀引起的收缩应力，使得开裂越来越困难。另外，压实度越高，土体的粘聚力也越大，而抗拉强度与抗剪强度中粘聚力部分相当，则土样的抗拉强度也越大，土样越不容易开裂。随着红粘土压实度的提高，虽然不能完全阻止红粘土裂隙的产生，但能从一定程度上抑制裂隙的发展。

图2 加筋红粘土裂隙率随干湿循环次数的变化规律

3.3 加筋对红粘土裂隙的影响

由表1 和表2 的数据对比可以看出加筋红粘土试样的裂隙率要比未加筋处理的低很多。第0 次干湿循环时，各个压实状态下的加筋红粘土裂隙率依次为1.82%、1.45%、1.13%、0.75%，未加筋的裂隙率依次为3.67%、3.24%、2.79%、1.98%，是未加筋土样裂隙率的2 倍以上;随着干湿循环的进行，加筋试样裂隙率下降的幅度比较均匀，下降幅度均在0.5%～1.5%之间。红粘土试样加筋后，裂隙率有了明显的减小，与提高土样压实度的效果相似，不能阻止裂隙的产生，但能一定程度的抑制裂隙发展。加筋后的土样与未加筋的土样内部颗粒结构没有发生很大的改变，所以水分入渗的难易程度和水分入渗的多少对裂隙率的变化影响不大。但是，在红粘土中加筋后，筋体材料和它包裹的红粘土形成一个新的整体，对土体内部的水分进行重分布;红粘土吸水膨胀后产生的膨胀力将由红粘土土体和筋体材料一起承担，加上土体颗粒与筋体材料产生的摩擦力，增大了土体的约束力，从而降低了土样的裂隙率。