干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究*

冷 挺 唐朝生 施 斌

LENG Ting TANG Chaosheng SHI Bin



干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究*

冷 挺 唐朝生 施 斌

裂隙性是膨胀土的典型工程地质特性之一，对其工程性质有重要影响，直接或间接地导致各种工程问题。通过对重塑膨胀土开展室内干湿循环试验，对获得的裂隙数字图像采用图像处理技术进行一系列预处理操作，提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量化指标，定量描述裂隙的形态特征，分析干湿循环过程中压实膨胀土的裂隙发育规律。结果表明：含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素。随着含水率的减小，重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。表面裂隙率、裂隙条数和总长度随含水率的减小逐渐增加，绝对收缩率随含水率减小而增大，而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律； 随干湿循环次数的增加，裂隙进一步发育，裂隙条数、裂隙总长度、表面裂隙率增加，绝对收缩率总体增大，但裂隙平均宽度存在减小的现象，这与后期发育的大量微裂隙有关。

膨胀土 干湿循环裂隙 数字图像处理 定量分析

LENG Ting TANG Chaosheng SHI Bin

0 引 言

膨胀土是一种粒度分散性高，成分以膨胀性黏土矿物(蒙脱石，伊利石/蒙脱石，绿泥石/蒙脱石，高岭石/蒙脱石等膨胀性混层矿物)为主(曲永新等， 2002)，对干湿气候变化异常敏感的高塑性黏土。在自然环境中，膨胀土经历降雨、蒸发和温度变化等发生反复胀缩，在内应力作用下原生裂隙扩展、新裂隙产生，形成更为复杂的裂隙网络(刘祖德等， 1993； 卢再华等， 2002)。裂隙网络的形成和发展破坏土体的完整性，弱化土体的结构强度，降低土体的承载力，增加土体的压缩性，导致地表建筑和结构因土体不均匀压缩发生倾斜甚至开裂； 同时，裂隙的发展增大土体内部的贯通程度，使土体的渗透性能急剧增加，对堤坝、水库、垃圾填埋场和核废物处置库中防渗屏障产生危害(Albrecht et al.， 2001)； 此外，雨水可以通过裂隙快速入渗土体内部，加深入渗深度，加速膨胀土边坡失稳，诱发滑坡等灾害(姚海林等， 2001)； 裂隙还会增加土体的风化深度，加重坡面水土流失，破坏生态环境。近年来，受全球气候变化影响，极端干湿性气候频发，掌握干湿循环条件下膨胀土裂隙的发育规律，对膨胀土工程设计和安全预警有重要意义。

膨胀土裂隙发展过程中相互贯通、连接，形成一定的网络结构，对裂隙网络进行数字化处理，确定裂隙量化指标并获取其量化参数，是当前裂隙研究的重要内容(唐朝生等， 2013)。许多学者围绕膨胀土裂隙展开了一系列研究，尤其是在膨胀土裂隙网络的定量分析方面，取得了丰富的研究成果。裂隙定量研究的早期阶段往往对裂隙进行现场手工测量，通过制作一些专业的测量工具获得裂隙网络的几何形态参数。如Zeinel et al.(1971)以及Inoue(1993)通过计算测量标尺与裂隙的交点个数对裂隙的长度进行估算； Dasog et al.(1993)利用细线沿裂隙的发展方向测量裂隙的长度； Ringrose et al.(1996)在前人的基础上，发展了一种更为简便可靠的裂隙测量工具。随着计算机技术和数字图像处理技术的快速发展，裂隙网络定量分析有了更高效、精确的分析方法。卢再华等(2002)利用CT技术对重塑膨胀土干湿循环过程中裂隙的演化进行了研究，观察了裂隙网络的形成过程，分析了基于CT数据的裂隙损伤变量随干缩体变的变化规律。袁俊平等(2004)通过远距光学显微镜观察膨胀土自然风干条件下裂隙发育过程，发现裂隙图像的灰度熵能很好地表征裂隙发育程度，提出将其作为评价膨胀土裂隙发育程度的量度指标。唐朝生等(2007)利用图像处理技术，定量分析了裂隙网络节点个数、条数、总长度、宽度等几何形态参数在干燥过程中的演化规律。李雄伟等(2009)利用数字图像处理技术分析了膨胀土裂隙的分形维数与裂隙率的关系。上述研究成果对更好地认识裂隙发育规律发挥了重要作用，但关于干湿循环条件下膨胀土裂隙的发育特征还缺乏系统研究。

本文以重塑膨胀土为研究对象，通过开展室内干湿循环试验，采用数字图像处理技术，对干湿循环过程中一定含水率下获得的裂隙图像进行处理。根据多个裂隙量度指标对裂隙网络的几何形态结构进行描述。通过对比，分析了干湿循环次数对裂隙发育特征的影响，并探讨了裂隙发育机理。

1 材料和试验方法

1.1 试验材料

本试验所用膨胀土取自南京市浦口区，取土深度为0.1～0.5m，初始含水率约33%，初始干密度为1.3～1.43g·cm-3，根据室内土工试验得出其基本物理性质指标(表1)。

表1 膨胀土样的基本物理和水理性质

Table1 Physical and hydrological properties of expansive soil

比重Gs液限WL/%塑限WP/%塑性指数IP/%粒度≤2mm/%自由膨胀率/%最大干密度ρd/g·cm-3最优含水率Wopt/%2.7363.725.338.457.1731.6918.3

1.2 试样制备及试验方法

将取回的土样烘干碾碎，并过1mm的筛。在粉碎的土样中加入适量的水充分搅拌，控制其初始含水率为25%。将土样装入塑料袋密封48h，使土样中的水分分布均匀。然后称取适量的土样，倒入环刀中，采用千斤顶压实，试样的直径为61.8mm，高20mm，初始干密度为1.3g·cm-3，初始饱和度为48.15%。

本次试验共设计了3次干湿循环，在干燥过程中分别设定了7个含水率控制点： 25%、23%、21%、19%、17%、15%和13%。设置好拍照装置，通过架杆等固定好数码相机，将试样置于相机正下方中心位置，确保相机取景方向垂直于试样表面。在每个含水率控制点使用该套装置对膨胀土试样表面进行拍照，获得高质量的裂隙照片。对应试验路径(图1)。

图1 干湿循环试验路径示意图

首先将压制好的试样密封保存，其初始含水率为25%，将其他剩余试样置于多孔板上，在室温条件下进行干燥(温度： 22±3℃)，每间隔一定时间对试样进行称重，根据重量变化计算含水率，每当试样的含水率达到上述控制点时，使用数码相机对试样进行拍照。这是第1个干湿循环。

将试样重新装入环刀，上下分别放置滤纸和透水石，并通过夹具夹紧 (图2)，然后浸入水中，使试样在有侧限条件下饱和一个星期。之后再将试样取出，在室内进行干燥，同第1次干湿循环，在含水率到达控制点时用数码相机对试样进行拍照。此为第2次干湿循环。重复上述过程开展第3次干湿循环。

图2 试样饱和装置示意图

2 数字图像处理与定量分析

2.1 数字图像处理

图3 图像预处理过程

2.2 裂隙定量分析

根据裂隙图像表现出的形态结构特征，提出以下裂隙指标对裂隙进行定量分析(唐朝生等， 2007)：

(1)表面裂隙率：土样平面上裂隙面积占土样总面积的比率。表面裂隙率反映出土体整体的开裂程度。

(2)裂隙条数：裂隙骨架上临近两个端点或节点之间及节点与端点之间的骨架线为一条裂隙。裂隙条数反映出土体裂隙发育的数目大小。

(3)裂隙总长度：根据裂隙骨架计算的所有裂隙长度之和。对于每条裂隙，通过累积相邻骨架像素间的距离来计算其长度，将所有裂隙的长度相加得到裂隙总长度。

(4)裂隙平均宽度：裂隙总面积与裂隙总长度之比。该指标用于衡量裂隙发育的张开程度。

(5)绝对收缩率：收缩后土样总面积的减少量与初始土样总面积之比，用直径D、D1可表示为：

其中， D为初始土样直径，D1为收缩后土样直径。

由于试验第1次干湿循环未产生明显裂隙，故取第2、 3次干湿循环时的裂隙照片进行数字图像处理和定量分析。

3 裂隙量化结果与分析

根据上述提出的裂隙量化指标，利用数字图像处理技术，对第2、3次干湿循环条件下获得的裂隙图像进行了定量分析。表2 为两次干湿循环各量化指标的具体数值结果，进一步绘制了相同含水率和不同循环次数下各量度指标曲线(图4)。

从图4a可以看出，除第2次干湿循环含水率25%的数据点和第3次干湿循环中含水率13%的数据点存在明显离散外，压实膨胀土样在干燥过程中第3次干湿循环后的裂隙率普遍较第2次干湿循环大，说明随着干湿循环次数的增加，膨胀土中裂隙进一步发育。此外，发现随含水率降低，裂隙率有逐渐增大的趋势。在此试验中，干湿循环次数和含水率是影响膨胀土开裂过程的两个主要因素，共同对土体裂隙的产生和发展产生作用。数据点出现波动，与裂隙率的计算方法有关，因为在干燥过程中试样发生整体性向心收缩，导致裂隙宽度减小。图4e结果显示，试样在第3次干湿循环中表现出较好的规律，土体绝对收缩率随含水率减小逐渐增大，说明干燥过程中土体进一步向中心收缩。第2次干湿循环过程绝对收缩率浮动较大，但含水率在13%～17%时同样表现出绝对收缩率随含水率减小而增大的规律。总体上来说，第3次干湿循环的绝对收缩率较第2次干湿循环大，说明土体在第3次干湿循环时进一步收缩。

图4 第2、3次干湿循环裂隙定量分析结果

表2 第2、 3次干湿循环条件下对应裂隙的定量分析结果

Table2 Quantitative analysis of cracks during second and third W-D circle

含水率/%25232119171513第2次干湿循环裂隙率/%6.612.732.584.694.824.815.11裂隙条数16101416252426裂隙总长度/mm279.63186.75193.46327.12325.47320.45296.95裂隙平均宽度/mm1.910.920.901.020.981.111.23绝对收缩率/%7.9512.5311.538.541.953.579.99第3次干湿循环裂隙率/%2.632.674.905.545.455.604.04裂隙条数25292935384549裂隙总长度/mm426.12398.34357.72427.81638.35679.14510.92裂隙平均宽度/mm0.450.491.010.850.580.560.49绝对收缩率/%4.355.126.316.8014.9814.8715.60

图4b、图4c中也可看出，裂隙条数和裂隙总长度总体随干湿循环次数的增加而增加。在第3次干湿循环中，裂隙条数随含水率减小基本呈线性递增，相关系数达0.956(图5)。增加一次饱和-干燥过程时，膨胀土中裂隙条数在各个含水率下均有增加，增值为 9～23条，增幅为52%～190%，该过程中土体裂隙进一步发育，微裂隙逐渐增多。卢再华等(2002)已通过CT试验证实了这一点。该过程中，由于原有裂隙进一步延伸和次生微裂隙的逐渐发育，土样裂隙的总长度明显增加。而从图4d可知，土样再经历一次干湿变化后，裂隙的平均宽度变小，与唐朝生等(2007)得到的结果相同，主要是微裂隙数量增加所致(图6)。

图5 第3次循环裂隙条数与含水率曲线

图6 含水率25%两次干湿循环土体裂隙发育情况

非饱和土的土-水特征曲线表征了土吸力和土体水分之间的关系，土体在经历由干到湿和由湿到干的循环过程时，土-水特征曲线并不完全吻合，中间存在一个滞回圈(Fredlund， 1997)。不同循环次数下的土水特征曲线不同，土体吸力随干湿循环发生变化，土体内部应力也随之改变，土颗粒之间结构发生变化(唐朝生等， 2007)。干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形并不是完全可逆的，存在可恢复和不可恢复两种变形，膨胀土相对体积膨胀率和相对体积收缩率随干湿循环次数增加而减小(唐朝生等， 2011)。导致裂隙平均宽度第2次循环大于第3次循环的原因可能是膨胀土再经历一次干湿变化后，其内部的土结构和应力场发生了变化，土体的湿胀干缩性能减弱，在饱和时会存在一定程度上的闭合，干燥条件下收缩量小于原闭合的部分，体现为裂隙的平均宽度减小。陈亮等(2013)采用高精度卡尺直接量测的方法测量了膨胀土膨胀收缩后的应变变化，发现随干湿循环次数的增加，土样的体积存在减小趋势。土样总体体积的减小，土结构的调整，也可能导致裂隙变“窄”。

4 结 论

本文基于提出的裂隙量化指标，采用数字图像处理技术对干湿循环过程中重塑膨胀土的裂隙发育进行了定量分析，总结了干湿循环过程中裂隙发育规律，探讨了干湿循环对膨胀土裂隙发育过程的影响，得到以下结论：

(1)膨胀土干湿循环过程中形成相互交织的裂隙网络，根据其形态特征提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量度指标进行量化描述。

(2)在干燥过程中，随着含水率的减小，重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。具体表现在表面裂隙率、裂隙条数、总长度和绝对收缩率随含水率的减小逐渐增加，而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律，主要是因为干燥过程中土块和试样整体都发生了收缩变形，导致裂隙宽度甚至裂隙面积出现波动。

(3)重塑膨胀土裂隙发育受干湿循环影响较大。随干湿循环次数的增加，裂隙发育程度显著增加，表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度增加，绝对收缩率整体增大，但裂隙平均宽度存在减小的现象，这与后期发育的大量微裂隙有关。

(4)数字图像处理技术为土体裂隙定量分析提供了快捷准确的途径，能够获得良好的裂隙量化结果。进一步开发适合土体裂隙分析的数字图像处理技术，提高图像分析效率和准确性，发展土体裂隙三维图像分析技术，将能更加精确和全面实现对土体裂隙的分析。

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0863- 08

QUANTIFING DESICCATION CRACK BEHAVIOUR OF REMOLDED EXPANSIVE SOIL DURING WETTING-DRYING CIRCLES

Desiccation cracking is one of the typical engineering geological characteristics of expansive soil and has a major impact on engineering properties of expansive soils. It can lead to many engineering geological problems directly or indirectly. After indoor wetting-drying circle tests on remolded expansive soil， obtained crack digital images are disposed by a series of pre-processing operations with the image processing technique. A series of parameters are propose to describe the morphological structure of the desiccation crack pattern quantitatively. It includes the crack ratio of surface， crack number， total crack length， average crack width and absolute shrinkage ratio. And the impact of wetting-drying circles on characteristics of expansive soil crack development are analyzed. The results show that wetting-drying cycles and moisture content are some significant factors affecting the development of expansive soil desiccation cracks. With decreasing moisture content， there is an increasing trend of the development of remolded expansive soil cracks overall. The surface crack ratio， number of cracks and total length increase with decreasing moisture content and absolute shrinkage ratio grows greater， but there is no obvious regularity between average crack width and water content. Desiccation cracks develop further with increasing wetting-drying circles and the numbers of cracks， total crack length and surface crack ratio increase， and absolute shrinkage ratio increases in the mass. Nevertheless， there is a reduced phenomenon on average crack width， which is related to the development of micro-cracks later．

Expansive soil， Wetting-drying cycle， Desiccation crack digital image processing， Quantitative analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.015

2016-04-12;

2016-08-17.

优秀青年科学基金项目(41322019)，国家自然学科基金项目(41572246)，国家自然科学基金重点项目(41230636)，中央高校基本科研业务费专项资金，“青蓝工程”资助.

冷挺(1991-)，男，硕士生，主要从事工程地质方面研究. Emial: nju_langting16@163.com

简介： 唐朝生(1980-)，男，博士，教授，主要从事工程地质和环境岩土工程方面的研究工作. Email: tangchaosheng@nju.edu.cn

P642.13+9

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