干湿循环作用下膨胀土开裂和收缩特性试验研究*

叶万军，万　强，申艳军，杨更社，董西好，王　铭

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)



干湿循环作用下膨胀土开裂和收缩特性试验研究*

叶万军，万强，申艳军，杨更社，董西好，王铭

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

膨胀土的变形特性包括裂隙性和胀缩性，其中开裂和收缩特性对于膨胀土边坡变形研究具有重要的作用。取陕西汉中十天高速公路边坡膨胀土进行室内干湿循环试验，研究不同干湿循环次数下脱湿过程中膨胀土的开裂、收缩特性，观察脱湿完全后裂隙的扩展特性，探讨收缩的方向性随干湿循环次数和初始含水率的变化规律。结果表明：前2次干湿循环脱湿过程中，裂隙与收缩开展剧烈；脱湿过程中裂隙面积率先增大后减小，第1次干湿循环的裂隙面积率峰值最小，且出现时间较早；脱湿过程中收缩面积率先增大，后趋于平缓，随着干湿循环次数的增加，收缩面积率逐渐增大直至第三次干湿循环趋于稳定，前2次干湿循环其差值最大；随着干湿循环次数的增加，试样的变形量逐渐增大，收缩比开裂更早趋于稳定；裂隙的宽度和长度近似正态分布，裂隙面积概率随着裂隙面积增加逐渐减小；膨胀土的收缩具有明显的各向异性性质，初始含水率越高，各向异性表现越明显。

膨胀土；干湿循环；裂隙；收缩；面积率；各向异性

0　引　言

膨胀土及其工程问题一直是国内外关注的重大问题，膨胀土有3个主要特性[1-2]，即胀缩性、裂隙性、超固结性。膨胀土变形特性包括胀缩变形和开裂变形，初始裂隙的产生为雨水入侵提供了有力条件，加剧了膨胀土的裂隙和胀缩发育，反复的干湿循环使得膨胀土裂隙和胀缩进一步发展[3-6]。

国内外专家对膨胀土做过大量的干湿循环试验研究[7-11]，姚海林、郑少河等(2002)[12]应用线弹性力学理论研究膨胀土的裂隙性，给出了裂隙扩展的弹性力学解。杨和平、张锐等(2006)[13]对宁明原状膨胀土进行有荷载条件下的干湿循环试验，揭示膨胀土的胀缩变形过程其实并不完全可逆，荷载对膨胀土的胀缩幅度和强度衰减有抑制效果。黎伟、刘观仕等(2014)[14]以膨胀土平面裂隙为研究对象，使用数码摄影获取多次湿干循环下的裂隙扩展图像，采用优化和改进的裂隙图像处理及裂隙特征提取方法，分析所获得的膨胀土裂隙各特征参数。刘华强、殷宗泽等(2014)[15]观测了干湿循环过程中膨胀土裂缝的开展现象，揭示了裂缝的开展使膨胀土强度降低。易顺民等(1999)[16]揭示了膨胀土裂隙网络与裂隙形态特征两者之间具有很好的统计自相似性，并且分维定量地描述膨胀土裂隙的力学效应特征。综上所述，目前国内外学者虽然对膨胀土裂隙扩张的力学解、特征参数、开展现象等做过大量的研究，对收缩特性也做过大量的定性和定量的研究，但同时对不同干湿循环次数下膨胀土开裂和收缩特性进行对比分析的很少，对膨胀土开裂的几何特征及收缩变形的定量与方向性研究较少。因此，有必要对干湿循环作用下膨胀土的开裂和收缩特性进行深入的研究。

文中通过干湿循环试验，分析汉中膨胀土脱湿过程中的裂隙性和收缩性；借助Matlab软件定量描述不同干湿循环次数下脱湿过程中裂隙面积率、收缩面积率的变化，并将两者做比较；借助AutoCAD定量描绘脱湿完全后裂隙的开裂的宽度、长度、面积指标的分布状况；验证汉中膨胀土收缩的各向异性，研究初始含水率与膨胀土的收缩方向性的关系。

1　试验设计

1.1试验土样

试验用土取自汉中石天高速公路膨胀土边坡，呈灰白、灰绿、蛋青等不同的颜色，硬塑-可塑状，含铁锰质胶膜及铁锰质小结核，黏性较强，属中膨胀土。试样主要物理参数见表1.

表1　试样的基本物理性质指标

1.2试样制备

土样经风干碾碎后过2 mm筛，制成高2 cm，直径6.18 cm环刀样重塑样。开展不同干湿循环次数脱湿过程中裂隙面积率和收缩面积率变化试验和脱湿完全开裂的宽度、长度、面积指标的分布状况试验，并论证膨胀土方向性试验，制成目标含水率和干密度为20.9%，1.65 g/cm3的重塑土。其中探究几何因子和初始含水率关系新试验中，制备目标初始含水率为10%，14%，18%，22%，26%，30%，34%的试样，试样采用击样法一次成形。每个试验按照相同的条件设置3组，3组试验同时进行，结果取试验平均值。

1.3干湿循环

在室内对试样进行增湿与脱湿模拟膨胀土干湿循环过程。采用真空饱和法进行饱和增湿，增湿到35%，将试样置于试样饱和器中，在抽气饱和过程中，饱和器将限制试样的膨胀变形，保持密度不变，试样在真空下浸泡增湿时间控制为12 h.试样在电热恒温干燥箱内采用低温(60 ℃)烘干法模拟膨胀土脱湿过程，烘干时间控制为12 h，脱湿到含水率4%认为脱湿完全，误差控制在±0.5%，从试样的饱和增湿至风干脱湿为一次干湿循环，如此反复循环，以模拟膨胀土的多次干湿循环过程。在烘干脱湿过程中，将试样取出对脱湿0.5，1，2，3 h及以后后每隔1h的试样进行拍照，并称重计算其此时含水率。图1为试样在0次和1～5次干湿循环脱湿0.5 h的图片。

图1　干湿循环的土样Fig.1　Soil samples of wetting-drying cycles (a) N=0　(b) N=1，T=0.5 h　(c) N=2，T=0.5 h (d)N=3,T=0.5 h　(e) N=4,T=0.5 h　(f)N=5,T=0.5 h

2　干湿循环对裂隙和收缩的影响

2.1表面裂隙和收缩定性评价

从图1观察到，1～2次干湿循环过程中，裂隙的总长度与总面积均在逐渐增大，前两次干湿循环升幅最为明显，第3次干湿循环后增速变缓，到第5次干湿循环时裂隙最大。在前两次干湿循环过程中边缘与环刀逐渐脱离，试样收缩面积逐渐增大，到第3次干湿循环时逐渐趋于稳定。脱湿过程中试样表面先出现小裂隙，而后逐渐张开，宽度加大，小裂隙逐渐发展贯通合并成大裂隙，在试验进行至0.5～1 h，裂隙的张开程度达到最大，裂缝开展越来越大，之后裂隙闭合，裂隙以径向裂隙主，环向裂隙分布较零散且宽度较小。

2.2干湿循环对裂隙面积率和收缩面积率的影响

2.2.1评价方法

裂隙的走向、宽度、长度、深度等几何要素均与膨胀土的工程性质有很大关系，综合以上要素，提出裂隙面积率、收缩面积率指标对膨胀土裂隙和收缩特性进行定量评价，其中裂隙面积率为表面裂隙面积与试样原始表面面积的比值，收缩面积率为表面收缩面积与试样原始表面面积的比值。式(1)为裂隙面积率公式，式(2)为收缩面积率公式。

(1)

(2)

式(1)(2)中εC为裂隙面积率；AC为表面裂隙面积；A0为试样烘干前面积；εA为收缩面积率；AS为收缩面积；A1为试样烘干后面积(含裂隙)。以上数据都可以通过Matlab软件读取，通过换算得到裂隙面积率和收缩面积率。

2.2.2图像处理技术

为获得裂隙和收缩的定量信息，采用Matlab软件对图像进行矢量化处理。对照片使用二值化处理时，采用不同的阈值分割处理会得到不同长、宽的裂隙。将试样图像经过二值化处理，可以看出试样裂隙和收缩开展的过程，并且能够得出试样裂隙和收缩面积。图2为二值化处理后的试样。

2.2.3裂隙和收缩特征的定量分析

为了定量描述膨胀土脱湿过程中裂隙和收缩特性，绘制裂隙面积率、收缩面积率与含水率的关系曲线，如图3，4所示。图5为裂隙面积率和收缩面积率随着干湿循环次数的关系曲线。

图3　脱湿过程中裂隙面积率的变化曲线Fig.3　Change curve of the area ration of crack in the dehumidifying praess

图4　脱湿过程收缩面积率的变化曲线Fig.4　Change curve of the area ration of shrinkage in the dehumidifying process

图5　面积率与循环次数关系曲线Fig.5　Curves of area ratio and cycle number

从图3中可以看出，在脱湿过程中试样裂隙面积率先增大后减小，存在峰值。在第一次干湿循环脱湿过程中，裂隙面积率峰值出现较早，且峰值强度最小，第一次峰值为5.2%，2～5次峰值都在7%～8%，相差较大。脱湿到4%时的裂隙面积率随着干湿循环次数的增加逐渐增大。

从图4中可以看出，在脱湿过程中试样收缩面积率先增大，含水率低于24%逐渐趋于稳定。随着干湿循环次数的增加，稳定后的收缩面积率逐渐增大，且在前2次干湿循环之间差值最大，2～3次次之，3～5次变化最小。

从图5中可见，随着干湿循环次数的增加，试样的变形越来越大，收缩面积率先增大后趋于稳定，裂隙面积率逐渐增加。收缩比开裂更早趋于稳定。

分析认为：第1次干湿循环脱湿过程中，土体表面脱水速率比下部快，表面开始收缩，下部抑制表面收缩，试样表面抗拉强度小于收缩拉应力，于是试样表面形成较小的网状裂隙。到第2次干湿循环试样已有裂隙，增湿过程水分进入裂隙中，减弱了下部土体对上部的抑制，同时原有裂隙使得脱湿速率加快，试样开始全面收缩和开裂，这解释了第1次脱湿和第2次脱湿裂隙面积率、收缩面积率相差较大的原因。到第3次干湿循环，原有裂隙不断积累、延伸，试样损伤程度进一步加大，快到达极限，收缩增大不明显了。侧向应力不变，水分进入裂隙通道一定程度上还是加大了裂隙面积率，故试样的总体变形逐渐增大。到第5次干湿循环，试样总变形量达到最大。同时试样在同一脱湿过程中，试样裂隙先增大，收缩力的产生会对试样侧面施加了一个侧应力，导致裂隙开始减小，这解释了脱湿过程中裂隙面积率先增大后减小的现象。因第1次干湿循环裂隙损伤较小，进入裂隙的水分有限，故其脱湿裂隙面积率峰值比后几次都较小且早。试样脱湿过程中收缩面积率先增大，后由于疲劳达到极限，收缩逐渐趋于稳定。

3　膨胀土的开裂规律及裂缝定量描述

将未进行干湿循环的环刀试样在电热恒温干燥箱内调至60 ℃烘烤12 h，模拟膨胀土脱湿干裂过程，烘烤后对饼状试样进行拍照。土样开裂一般都是以Y和I型开始的，随着脱湿的时间的增加，细小裂隙开始从Y和I型裂隙开始延伸成网状，并逐渐扩大。当脱湿完全后，裂隙稳定，形成许多多边形，其中以四边形为主。用AutoCAD软件对裂隙其进行描绘，从而得出相应的裂隙宽度、长度、面积，对其进行统计，描绘出其分布如图6～8所示。

图6　裂缝宽度分布图Fig.6　Width distribution

图7　裂缝长度分布Fig.7　Length distribution

图8　裂缝面积分布Fig.8　Area distribution

从图6和图7可以看出，随着裂隙宽度和长度的增大，其概率呈现先增大后减小的趋势，都服从正态分布。宽度在2～3 mm之间达到最大概率33.9%，长度在1.5～2.0 mm之间达到最大概率24.1%，两者的最小值和最大值概率都很小。从图8可以看出裂隙面积在0～2 cm2之间为最大概率33%，随着裂隙面积的增大，其概率逐渐减小，裂隙面积在16～18 cm2之间概率最小，几乎为0.

4　膨胀土径向和竖向收缩量分析

膨胀土在脱湿过程中变形呈现三维变化，径向收缩，高度同时减小。对目标含水率为20.9%的试样进行不同干湿循环次数下的脱湿试验，并得出试样的径向、竖向最终收缩率，图4脱湿到4%时的收缩面积率可以作为参考，试样烘干收缩前后高度相对变化率为式(3)，高度相对变化率为试样烘干收缩前后高度变化量与原始高度的比值。

(3)

式中εV为试样高度相对变化率；h0为试样烘干前高度；h1为试样烘干后高度。

得出高度相对变化率εV= 1.8%～3.4%.从图5可见，试样脱湿烘干前后径向收缩面积变化率εA= 1.2%～6.3%.烘干前后收缩面积变化率用式(4)表示。

(4)

式中εA为试样收缩面积变化率；εr为试样径向变化率；D0，D1分别为试样烘干前、后直径。试样烘干前后直径变化量与原试样直径相差不大，故εA=2εr，根据收缩面积率可以推算出试样径向变化率为0.6%～3.15%.图9为径向、高度变化率与干湿循环次数的关系曲线图。

图9　径向、高度变化率与干湿循环次数的关系曲线图Fig.9　Relationship of wetting-drying cycles and relative difference height and radial direction

比较图9的径向变化率、高度相对变化率和干湿循环次数关系可知，1～3次时试样烘干前后径向变化率εr小于高度相对变化率εV，即εr<εV；3～5次时εr>εV，说明汉中膨胀土脱湿过程的收缩特性具有各向异性。

为进一步定量的探索汉中膨胀土的收缩的方向性，引用Bronswijk[17]评价膨胀土变形的各向异性的几何因子rs，几何因子为通过试样干燥前后的体积、高度2个变量借助公式运算来评价膨胀土变形的方向性的一种指标，即式(5)

(5)

式中VS与 VO分别为土干燥后与干燥前的体积；ZS与ZO分别为干燥后与干燥前的高度。rs=3表示各向同性收缩，rs≠3表示各向异性收缩，rs<3以竖向变形为主，rs>3以径向变形为主。

制备目标初始含水率为10%，14%，18%，22%，26%，30%，34%的环刀试样，放入电热恒温干燥箱，以此开展未干湿循环下的脱湿新试验，温度控制为60 ℃，烘干时间控制为12h，烘干结束后测量其高度，所得结果取3次试验平均值。综合所得数据和图4绘制出初始含水率与几何因子的关系曲线如图10所示。

图10　初始含水率与几何因子的关系曲线图Fig.10　Relationship of the initial moisture content and the geometrical factor

从图10上可以看出，几何因子都在3以上，这与上述的汉中膨胀土各向异性描述符合。随着含水率的增加，几何因子在初始含水率10%～14%先增加，之后逐渐减小，但都大于3，表明径向变形为主，含水率达到26%时接近3，并随着初始含水率的增加，其几何因子逐渐靠近3，说明随着初始含水率的增加，试样越接近饱和，试样的收缩逐渐变为各向同性。

5　结　论

1)膨胀土脱湿变形分为开裂变形与收缩变形，对膨胀土干湿循作用下裂隙和收缩定性评价，干湿循环1～2次过程中裂隙与收缩开展剧烈，到第3次干湿循环后收缩逐渐趋于稳定，裂隙稍有增加；

2)提出裂隙面积率、收缩面积率指标借助Matlab软件对膨胀土裂隙和收缩特性进行定量评价。随着干湿循环次数的增加，裂隙面积率不断增大，收缩面积率逐渐增大直至第三次干湿循环趋于稳定，且都在前2次干湿循环之间差值最大，随着干湿循环次数的增加，试样的总变形逐渐增大，收缩比开裂更早趋于稳定。在脱湿过程中裂隙面积率先增大后减小，第1次干湿循环过程中其峰值比后几次都较小且早，收缩面积率先增大后逐渐趋于稳定；

3)膨胀土的开裂特征以Y和I型逐渐向外延伸成网状，多以四边形为主，用AutoCAD对裂隙其进行描绘，从而绘出相应的裂隙宽度、长度、面积分布规律图，裂隙的宽度和长度分布接近正态分布，裂隙面积概率随着裂隙面积增大逐渐减小；

4)汉中膨胀土收缩特性具有各向异性，初始含水率越大，几何因子逐渐减小接近于3，代表试样的收缩越接近各向同性。

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Cracking and shrinking properties of expansive soil under wetting-drying cycles

YE Wan-jun，WAN Qiang，SHEN Yan-jun,YANG Geng-she，DONG Xi-hao，WANG Ming

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

The deformation characteristics of expansive soil include crack and swell-shrink,the cracking and shrinking characteristics for the research of the deformation in expansive soil slope play an important role.Taking expansive soil of slope in ten days highway in Hanzhong city in shanxi province to do the test of wetting-drying cycles indoor,studying cracking and shrinking properties of expansive soil in the dehumidifying process under different wetting-drying cycles,observing the extensional features of crack after dehumidifying completely,to explore the direction of the shrinkage varying with wetting-drying cycles and the initial moisture content.The results showed that:in 2 times of dehumidifying process under wetting-drying cycles，crack and shrinkage develop acute.The area ratio of crack increases in dehumidifying process firstly，then decreases，it is minimum and appears earlier in the first wetting-drying cycle.The area ratio of shrinkage increases firstly in dehumidifying process，then tends to stable，the area ratio of shrinkage increases gradually with the increase of wetting-drying cycles，it doesn’t tend to be stable until the third wetting-drying cycle,and the change is the biggest in 1-2 wetting-drying cycles.With the increasing of wetting-drying cycles，the deformation of specimen gradually increases,shrinkage earlier than crack tends to be stable.The width and length of crack appear to be normal distribution，the probability of the cracking area with the increasing of the cracking area decreases.The shrinkage of expansive soil has obvious anisotropy,the higher the initial moisture content is,the more apparent anisotropy becomes.

expansive soil;wetting-drying cycles;crack;shrinkage;the area ratio;anisotropy

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0414

1672-9315(2016)04-0541-07

2016-05-10责任编辑：李克永

陕南地区高速公路膨胀土边坡预防性养护技术研究项目(14-13k)；国家自然科学基金(41172262)；教育部新世纪人才支持计划项目(No.NCET-12-1044)；陕西省重点科技创新团队计划(No.2014KCT-30)

叶万军(1976-)，男，陕西丹凤人，博士，教授，E-mail:63451400@qq.com

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