气候环境影响下的膨胀土裂隙试验研究

陈晓静 陈 亮 李昆朋

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司， 南京 210000；2.河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

地质问题；李生林，秦素娟，等[9]对膨胀土的地质成因、物质组成和组织结构等进行了研究，介绍了DIPIX 图像处理系统在土体微结构定量研究中的应用等；Hailin Yao[10]进行了一系列膨胀土的物理、力学和化学性质试验；王国强[11]依据分形理论研究膨胀土裂隙的几何特征，研究裂隙发育程度与土体强度的关系；Hayroyan.S.H.分析了不同裂隙形态下的土体强度，认为裂隙发展将引起土体强度降低，不利于边坡稳定[12]；Kodikara等基于室内试验研究了含水率、裂隙发育程度等对土体抗剪强度的影响[13].上述研究都是将裂隙综合考虑，而在自然环境中，膨胀土边坡或地基所处的环境(环境温度、湿度、光照度等)在不断地发生变化，在不同的环境下，土体的蒸发速率并不相同，随着环境的变化，土体的裂隙开展规律如何变化，或环境变化对土体裂隙的开展规律有何影响并没有做细致的研究.本文通过在室外堆建的膨胀土试验模型，研究在自然环境下，随着周围环境的变化，膨胀土沿失水面的裂隙开展规律.

1 试验方案及模型的建立

在室外的自然环境中堆建一个方形的模型槽，并在模型槽中填筑压实一定量的膨胀土，膨胀土填筑完成后，将土样自然风干，在风干过程中每隔一段时间对土样表面进行拍照，每次拍照时相机距离土样表面相同的高度，同时对周围环境进行记录(主要包括周围环境温度、光照度以及环境湿度和土样表面湿度等)，截取照片中某一具有代表性的区域进行灰度处理，并计算裂隙面积占该区域的总面积，分析随时间变化，即随周围环境的变化，土体裂隙的开展变化情况.

试验所用的试验槽由有机玻璃盒搭建而成，高为50cm，长和宽均为100cm，为防止填土压实过程中试验槽变形，在试验槽上套上了一个三脚架，试验装置如图1所示.

图1 试验槽实物

试验所用土样取自南水北调中线工程河南新乡璐王坟段，将取来的土样在阳光下晾干后粉碎，将晾干后的粉碎土拌合均匀，测定混合土的风干含水率，然后根据试验所需含水率，用喷壶加水拌合均匀，装入黑色塑料袋中，放在温度稳定在10℃左右的地下室内，静置2d.本次试验所用土体的基本物理性质见表1.

表1 试验土样的基本物理性质

由于试验的模型尺寸有限，设计为边坡实际功效不大，而且用平面裂隙发展模型得到的裂隙发展规律，也可以应用到边坡上，因而填筑土体为长方体模型，不设计边坡.在试验模型的制作过程中，控制土体的初始含水率为30%，密度设定为2.09g/cm3，干密度为1.61g/cm3.模型分3层填筑击实而成(如图2所示).试验模型填筑完成后，开始进行裂隙观测试验，试验持续8d.

图2 填筑好的土样模型

2 土样表面裂隙开展状况

试验开始后分别于每日09：00、13：00 和19：00对土样表面进行拍照，为方便后续对裂隙照片进行处理，每次拍照时相机距离土样相同的高度和角度，截取土样表面某一典型区域进行分析，所截区域如图3所示，所截区域的尺寸为0.3m×0.3m.

图3 裂隙分析所截区域图

土样表面在不同时刻的裂隙开展状况如图4所示.为了分析环境变化对土体裂隙开展规律的影响，每隔一段时间对模型周围的环境进行测量，主要包括环境的温度、光照度、湿度以及土样表面的湿度.因模型所在的区域周围建筑物较为密集，在整个试验过程中，风速均较小，因此认为在本次试验的过程中风速是不变的，因此不对风速的变化对土体蒸发的影响进行分析.

图4 不同时刻土样表面裂隙发展状况(每日13：00的照片)

从图中可以看出，在试验开始的4h后(即2018年7月9日13：00)，土体表面已经产生了几条微小的裂隙；10h后，表面主要裂隙已经形成.此后的裂隙均是在此基础上发展逐渐变宽，直至7月16日观测完毕，土样表面的裂隙形状并未发生明显变化，只是在原有裂隙的基础上变宽，并没有形成新的裂隙.另外，从图中还可以看出，在7月14日之后，裂隙的宽度和形态从肉眼上已经很难看出明显的变化.

3 灰度方法对裂隙进行分析

为了更加清晰并定量地描绘裂隙随时间的变化规律，利用Matlab编程确定各像素点灰度值，将图4中的裂隙图像转换成灰度图像，如图5所示.并对灰度图像进行亮度和对比度的调整，以使得土体裂隙的细节充分凸显，如图6所示.

图5 裂隙土样的灰度图像

图6 亮度、对比度调整后的图像

经过上述处理后，如果仍有灰度值较高的其它图像干扰，则可以对照原始图像将干扰区域清除掉，同时对一些未显示或显示不充分的裂隙用画笔功能进行描绘.

之后采用阈值划分方法，将灰度图像转换为二元位图，即设置适当的灰度阈值，大于该阈值的显示为黑，小于该阈值的被设为白，纯黑对应灰度值为1，纯白对应灰度值为0.本文将灰度阈值选为128，即灰度值大于128的区域为裂隙，小于128的区域则是土体表面的其它部分，使得图像中只存在纯黑和纯白两种颜色.这样整个图像就是由0，1构成的“矩阵”图.此时，可从图片信息结果的平均值计算出或者从百分位值直接读出经处理的纯黑白图像中黑色区域所占的百分比.因这时的图像由纯黑和纯白两种元素组成，纯白色的亮度可以看成是255，纯黑色的亮度为0，根据平均值可计算出该图像的黑色元素所占的比例，设黑色元素所占的比例为x，则：平均值=[255(1-x)+0×x]/255，因此，黑色元素所占的比例即x=(255-平均值)/255，计算得该图黑色区域所占比例为8.65%，与直接读取百分位读数相同.即图6中裂隙约占整个区域面积的8.65%.

将不同时刻的裂隙图像分别进行灰度处理，并将各时刻裂隙图像的二元位图绘于图7中.从图中可以明显看出，随着时间的变化，在初期，土体会产生几条微裂隙，在微裂隙的基础上，会形成几条主要的裂隙，此后的裂隙会在这几条主裂隙的基础上变宽，并不会再有新裂隙的形成.由此可见，根据在蒸发过程中是否有新裂隙继续形成，可以将土体表面裂隙开展的过程分为两个阶段，第一阶段为裂隙的形成阶段，即土体会由无裂隙开展的土体在蒸发的作用下逐渐出现几条微裂隙，并在这几条微裂隙的基础上，逐渐形成裂隙最终的形态，此阶段过后，土体表面不再产生明显的新的裂隙.

图7 灰度处理后的二元位图

将经灰度处理后，各时间点拍得的裂隙照片的裂隙面积所占整个区域面积的百分数列于表2中.

表2 各时间点拍得的裂隙照片的裂隙百分数(%)

从表中可以看出，随着时间的变化，裂隙百分比逐渐增大，只是增加的速率有所减慢.虽然从肉眼上观看裂隙已无明显发展，但通过对图像的灰度处理发现，随着时间的进行和蒸发的继续，土体的裂隙宽度仍在缓慢地开展.

4 环境对裂隙发育的影响分析

本次蒸发试验共进行了8d，每天的环境变化趋势基本相同，环境温度、光照度以及空气湿度和土体表面湿度随时间的变化关系分别绘于图8～10 中.从图中可以看出，随着时间的变化，在13：00时环境温度最高，光照度在10：00至13：00间最大，对于湿度，在蒸发的初期，环境湿度明显小于土体表面的湿度，随着时间的推移，两者之间的差异逐渐减小，因此表面的蒸发速率会逐渐降低，裂隙产生的速率也将降低.

图8 环境温度随时间变化趋势

图9 光照度随时间变化趋势

图10 环境及土表面湿度随时间变化关系

图11 试验周期内湿度 随时间变化趋势

以24h为一个周期，将各周期内裂隙百分比随时间的变化趋势绘于图12中.从图中可以看出，在各周期内，不同时间段内，裂隙百分比随时间的变化速率并不相同，一般在09：00至13：00之间裂隙百分比随时间的变化趋势较快，即在该环境下，裂隙产生的速率较快，其次在13：00至19：00之间，裂隙的百分比也有的明显的变化，尤其在7月9日(第1d)，在该阶段裂隙百分比明显增大，该阶段的裂隙由几条微裂隙逐渐发展为裂隙最终的形态，所以裂隙有较大程度的发展.而在19：00至次日09：00之间，土体的裂隙百分比增加较小.

图12 各时间段下裂隙百分比随时间的变化规律

通过以上分析可知，随着环境的变化，裂隙的开展规律也在发生变化，蒸发是膨胀土胀缩性裂隙产生的主要原因，但蒸发环境是决定裂隙最终形态的主要因素，在膨胀土裂隙产生的过程中，裂隙开展的速率并不是随着时间单调变化的，裂隙开展的速率与周围环境直接相关.在某一环境下，裂隙开展到一定程度后会逐渐趋于稳定，如表2中所示，每天的19：00至次日09：00之间，虽然经历了较长的时间，土体表面的裂隙面积增加却较小，同时从图12中可以看出，在每天的09：00至次日09：00，裂隙增长的速率在逐渐减小并趋于稳定.但如果环境发生明显变化(温度升高，光照增强等有利于蒸发的变化)，如每天09：00至13：00之间，裂隙仍会快速开展，即环境向有利于裂隙开展方向的变化是裂隙再次开展的主要原因，如果环境不向有利于裂隙开展的方向发生明显变化，裂隙开展的速率将逐渐减小，并逐渐趋于稳定，如每天的19：00至次日09：00.因此，对于同一种土体，即使在相同的干湿循环次数下，如果蒸发过程中环境的变化趋势不同，最终的裂隙形态也应是不同的，从而导致土体的抗剪强度也不相同.因此，在研究干湿循环作用下产生的裂隙对土体抗剪强度的影响时，应注意控制周围的环境，使每个土样在蒸发的过程中经历相同的环境，否则，相同干湿循环次数下土样最终的裂隙开展程度未必是相同的，不同干湿循环次数的土样最终的裂隙开展程度可能却是相同的.

5 结 论

通过堆建的膨胀土模型，在自然环境下研究了沿失水面土体裂隙的开展规律，并通过灰度处理得到某一典型裂隙区域的裂隙面积占整个区域的比例，并分析随环境的变化，裂隙面积占整个区域的变化趋势，主要得到以下结论：

1)蒸发环境是决定裂隙最终形态的主要因素，在裂隙产生的过程中，裂隙开展的速率并不是随着时间单调变化的，而与周围环境直接相关.在某一环境下，裂隙开展到一定程度后会逐渐趋于稳定，但如果环境向有利于蒸发的方向发生明显变化，裂隙仍会快速开展.因此，在研究干湿循环作用下产生的裂隙对土体抗剪强度的影响规律时，应严格控制蒸发过程中环境的变化.

2)根据是否会有新裂隙继续产生，可将土体裂隙的开展过程分为两个阶段：第一阶段为裂隙的形成阶段，即土体会由无裂隙开展的土体在蒸发的作用下逐渐出现几条微裂隙，并在这几条微裂隙的基础上，逐渐形成裂隙最终的形态，此阶段过后，土体表面不再产生明显的新裂隙；第二阶段为裂隙的变宽阶段，即土体表面裂隙的基本形态形成后，此后裂隙的发展主要表现为逐渐变宽，并向土体内部开展，表面裂隙的形态已无明显变化，不会再有新裂隙的产生.