干湿循环下新近系黏土杂岩裂隙演化研究

2021-09-16王家鼎卞小芮

水文地质工程地质 2021年5期

任旺，王家鼎，卞小芮

（1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100）

随着高铁、重载铁路的修建，越来越多的深开挖工程使得与新近系黏土杂岩有关的工程地质问题日渐凸显，引起国内外学者的关注[1-4]。而有关新近系黏土杂岩的命名，工程地质方面的学者多直接称之为硬黏土，未考虑成岩作用，而从沉积岩角度考虑，张晓蕾[5]将其命名为黏土杂岩，所以本文统一称之为黏土杂岩。新近系黏土杂岩按照沉积环境可以划分为两大类：以还原环境为主的中新世湖积灰绿色裂隙化黏土杂岩和以氧化环境为主的褐黄色非裂隙化洪积黏土杂岩[6]。由于成岩时间较短，胶结较差，新近系黏土杂岩具有显著的胀缩特性。在还原环境下形成的灰绿黏土杂岩含有以蒙脱石为主的黏土矿物，而蒙脱石是典型的膨胀性黏土矿物[6]。灰绿色黏土杂岩中蒙脱石的含量越高，预示着其膨胀能力越强。除了膨胀性，灰绿黏土杂岩还具有明显的裂隙性，这是出现大量地质工程问题的主要原因[7]。国内外学者对不同地区、不同时代和不同成因黏土杂岩中宏观裂隙的成因提出过不同的见解，可以概括为以下几种：构造作用、干湿缩胀作用、脱水收缩作用、差异压密作用、卸荷作用、斜坡活动作用以及冰川作用等[8-11]。

关于黏土杂岩的裂隙性，有学者从力学角度、水-土耦合角度进行了深度研究。张永双等[12]、李滨等[13]认为干湿循环作用对黏土杂岩的胀缩性、崩解性有显著影响，弱化了土体强度。韩贝传等[14]基于黏土杂岩裂隙的各向异性和方向性提出弹塑性损伤力学模型，指出坡脚开挖、卸荷等对裂隙进而对边坡稳定的影响。王家鼎等[15]以吕梁山红黏土围岩段为例，探讨了水-应力耦合对红黏土的位移场和应力场的影响程度。在土体宏观裂隙特征研究方面，易顺民等[16]在膨胀土裂隙的分形特征研究中，指出分维与膨胀土强度指标有很好的相关性。袁俊平等[17]利用光学显微镜观测膨胀土的裂隙演变，并探讨了将灰度熵作为膨胀土裂隙定量描述指标的可行性；马佳等[18]利用能够精准控制湿度条件的试验装置，研究了裂土裂隙演化的过程。关于土体裂隙演化的研究，目前采用的方式有手工描绘、压汞实验、扫描电子显微镜法、CT扫描、数码摄影等[19]。手工描绘要求过高，易产生误差。压汞实验定量分析孔径分布，是一种优秀的定量手段，但缺乏几何特征。扫描电子显微镜法和CT扫描法成本过高，观测过程中存在扰动，不利于推广。随着数码产品的精度越来越高，采用数码产品直接摄影成为一种成本低、时效快、扰动少的良好手段。

目前，现有的宏观裂隙特征研究多集中于膨胀土且控制条件单一，反复干湿循环下的黏土杂岩宏观裂隙演化规律研究却鲜有尝试。为此，本文以反复干湿循环下黏土杂岩宏观裂隙演化规律为方向进行研究。通过数码摄影的方式获取黏土杂岩的裂隙数字图像，并利用Matlab软件的图像处理技术对裂隙进行定量研究，提取裂隙信息，量化裂隙指标，进而对干湿循环下的宏观裂隙演化规律进行理论分析。

1 试验方案

1.1 研究区概况

研究区段地层上部主要为较薄新、老黄土，下部多为新近系黏土杂岩，包括灰黄色砂层和灰绿、黄绿、黑褐及红色等各色黏土岩，局部地段基岩出露，其中灰绿色黏土杂岩层为主要地层，研究区典型工程地质剖面如图1所示。

图1 研究区工程地质剖面示意图Fig.1 Engineering geological section of the study area

1.2 试样性质

本次钻机取样，将样品内置于铁皮桶中，在其外使用PVC管覆盖并蜡封。在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行物理力学性质研究与X光衍射试验。试样基本物理指标如表1所示，矿物成分见表2。

表1 试样物理特性指标Table 1 Physical characteristics of the soil samples

表2 矿物成分统计Table 2 Statistics of mineral compositions

1.3 试验方案

将原状岩土体制作成环刀样，称重记录初始重量。为了模拟实际的日照温度，将试样放置在烘箱中55°恒温条件下进行烘干，在烘干48 h后每隔2 h进行烘干样的称重，2次称重结果不变即认为烘干至完全状态，即为完成1次脱湿。烘干后的试样记录重量数据，再采用水膜转移法进行增湿处理至初始含水率，增湿所需总水量为试样初始重量与完全脱湿后重量的差值：每次用滴管在环刀顶底面加等量且不超过3 g的水进行试样增湿，由于试样脱湿后产生干缩变形，不利于从底面滴加水分，采取优先在试样与环刀之间的间隙处滴加水分，再滴加试样的顶面。增湿过程需在3 d内加完，每天滴加三分之一的总水量，且滴加过程保持连续。加水时，由外向内呈螺旋纹路线将滴管内蒸馏水均匀滴入环刀顶面，滴管高度不超过5 mm（防止土体出现因水滴重力产生的坑状表面）。每天滴加完成后用保鲜膜包裹并放置保湿箱中，最后1次加水后将其放置在保湿箱中保湿24 h，此为完成1次增湿（图2）。每完成1次脱湿、增湿过程后，都要对试样顶面进行数码摄影，对岩土体进行称重以记录裂隙演化情况。为了保证平行试验过程中拍摄条件一致，需要保证拍摄的角度、距离及试样位置一致，同时在拍摄时使用幕布遮挡住一切外界光源，仅使用日光灯进行照明，以保证拍摄环境一致。

图2 试验流程图Fig.2 Flow chart of the experiment

2 裂隙图像处理

2.1 灰度化处理

通过Matlab软件中的Rgb2gray 命令将彩色图像转换成灰度图像，见图3（a），这个步骤可以去除大量与裂隙无关的信息，并利用Imhist函数求出图像的灰度直方图，处理结果如图3（b）所示。根据灰度直方图可知灰度等价在50左右时发生突变，故存在阈值T，将图像分成大于T的像素群和小于T的像素群，以此将图像内容与背景区分开。

图3 试样裂隙灰度图像Fig.3 Grayscale image of soil sample fissures

2.2 图像二值去杂化

已有研究成果中，胡世昆[20]通过数字图像的阈值判断法获取网状裂隙和线性裂隙；厉荣宣[21]通过阈值分割实现了对零件表面裂纹识别及特征提取。本文根据灰度直方图得到裂隙灰度阈值，调用Im2bw指令获得裂隙二值化图像（图4）。由于照片噪声的影响，会产生噪声杂点，如图4（a）中标记处所示，虽然杂点面积较小但其数量较多，累积起来仍会对统计裂隙面积产生较大的影响，所以应进行去杂处理。

裂隙相较于杂点最大的区别在于裂隙是连通的，所以本文运用Matlab软件中的Bwlabel函数寻找连通区域，寻找到连通区域后，调用Regionprops函数对标记的连通区域进行面积统计，裂隙的面积要远大于杂点的面积，最后用Bwareaopen函数对杂点进行删除，见图4（b）。由于图像的拍摄角度、光线条件、系统噪声等因素的影响，会在裂隙中产生细小的孔洞，这会影响裂隙面积的统计，为消除其带来的影响，调用Bwmorph函数进行孔洞的闭运算，见图4（d）。

图4 裂隙二值化去杂图像Fig.4 Binary declutter digital image of fissures

2.3 裂隙特征指标

在上述试验步骤的基础上，对去杂闭运算后裂隙图像中的像素总数（px）进行统计，得到裂隙的总面积。通过使用连通分量标记单条裂隙，统计连通分量可以得到裂隙的条数。引入裂隙率 δf、裂隙相对面积作为衡量裂隙发育的特征指标：

式中：Ai—第i条裂隙面积/px；

A—每次循环时试样总面积/px；

Nl—裂隙总条数。

3 结果分析

本次试验通过运用Matlab图像处理手段共进行3组平行试验，根据处理后的图像从脱湿与增湿两个角度进行裂隙演化的定性分析；通过Matlab统计出的几何特征值计算出裂隙率 δf、裂隙相对面积并给出裂隙率与循环次数的拟合函数。

3.1 脱湿过程

按照前文所述的处理方法得到裂隙演化规律灰度图（图5）、二值化图（图6），根据式（1）（2）计算得出裂隙率、裂隙相对面积与循环次数的关系曲线（图7、图8）

图5 脱湿过程裂隙演化规律图Fig.5 Fracture evolution pattern in the drying process

图6 脱湿过程裂隙演化二值化图像Fig.6 Binarization image of fracture evolution in the drying process

图7 裂隙率与脱湿次数关系曲线Fig.7 Relationship of the fissure rate and dehumidification times

图8 干湿循环中的相对面积规律曲线Fig.8 Relative area rule curve in wetting and drying cycles

脱湿过程中含水率持续降低，土体会发生干缩现象并产生拉应力，根据马佳等[18]的研究可知：当水平向净应力（ σx-ua）等于抗拉强度t=-0.5(ua-uw)tanφb时，土体表层处于临界开裂状态。

当水平向净应力大于土体抗拉强度时，土体结构破坏形成裂隙。随着土体裂隙的发育，干缩产生的水平向净应力不断减小直至小于抗拉强度，至此裂隙不再发育保持稳定。由图5、图6可以看出，在第1次脱湿过程中，试样表面产生较少数量的细小裂隙，此时土体结构完整，抗拉能力大于水平向净应力，大部分水平向净应力以势能的形式储存在土体中，而没有以裂隙的形式进行释放；第2次脱湿时，水平向净应力势能首先在中间部位释放形成大的裂隙，此时裂隙率大幅增加，并且沿着大裂隙生长方向的四周形成了若干细小裂隙，土体结构开始被裂隙分割成小块状；第3次脱湿时，中部大裂隙四周发育了许多细小裂隙，细小裂隙数增加迅速，但裂隙仍以中间大裂隙为主。结合图7、图8可以看出，虽然此时裂隙总面积在增加，但是裂隙条数的增加速率相对更快，导致裂隙的相对面积反而减小。

至此，在前3次干湿循环中，裂隙的演变规律是原有裂隙的继续传播发育。由图5、图6可以看出，在第4次、第5次脱湿过程中，裂隙不再沿着中间大裂隙的位置进行发育。马佳等[18]研究发现裂隙的演变要么是沿着原有裂隙继续发育，要么是发育新裂隙。在本次试验中，黏土杂岩第4次、第5次脱湿过程中的裂隙演变规律明显属于后者。根据断裂力学理论可知，原有裂隙继续发育对应力场要求过高，土体应力条件更容易形成新的大裂隙，所以此时土体表面转而形成新的大裂隙。新的大裂隙位置随机出现，这与土体各向异性有关。

在第4次、第5次脱湿过程中，土体已被裂隙分割成小块状，土体结构严重受损，周围块状的势能释放形成了新的大裂隙，由于是在有侧限条件下，中间最早的大裂隙反而呈闭合状，新增的裂隙分担了部分干缩变形。结合图7、图8可以看出，在第4次、第5次脱湿过程中，裂隙率的增加速率基本趋于平缓，而相对面积仍呈下降状。

为揭示裂隙率与干湿循环次数的关系，通过构建δf与循环次数n的指数函数关系进行拟合：

式中：a、b、c—函数系数。

计算得到的a、b、c取值范围分别为[-7.633 2，-5.390 88]，[-0.746 1，-0.638 04]，[1.528 35，2.393 86]。函数拟合结果如图9所示，曲线先是呈指数式快速增加，然后增长速度变缓，最后慢慢趋于稳定。由此可以得出，在第1次到第 2次循环时，裂隙率变化最明显，之后裂隙发育将土体切割成小块状，土体块状越小水分散失速率越快，拉应力也越小。当拉应力小于土体的抗拉强度时将不再产生新的裂隙，裂隙面积最终趋于平衡状态。

图9 裂隙率与干湿循环次数关系拟合曲线Fig.9 Fitting curves of the fissures ratio with wetting and dring cycles

3.2 增湿过程

图10为增湿过程中的土体表面变化，增湿过程中水分进入裂隙，土体内部的黏土矿物会发生吸水膨胀现象，胶结物被溶蚀，在有侧限大气压下，土体试样发生膨胀变形，使得裂隙趋于闭合。直到试样恢复到初始含水率时，在表面发现仍有裂隙未闭合，这意味着在土体表面出现了不可逆的变形现象。张永双等[6]研究发现，新近系黏土杂岩随着干湿循环的次数增加，其膨胀性能、持水能力也会随之增加。而膨胀性能的增加会对干湿循环所带来的不可逆变形量产生影响，使其随着循环次数的增加而逐渐减小。本次试验中，经过5次干湿循环后，土体原始结构基本被破坏，在水的胶结作用、膨胀作用下，再次形成稳定、均一的土体结构，而土体试样表面裂隙基本不可见，并且相比于原状样表面，表现出更均质化（图11）。