基于数字图像相关技术的膨胀土边坡裂隙形态演化规律分析

2022-02-23杨济铭张红日陈林徐永福

中南大学学报（自然科学版） 2022年1期

杨济铭，张红日,，陈林，徐永福

(1.广西交科集团有限公司，广西南宁，530007；2.上海交通大学土木工程系，上海，200240；3.广西路建工程集团有限公司，广西南宁，530029)

随着交通强国重大战略的实施，全国各地“公、水、铁、空”大通道建设正如火如荼，交通基础设施建设日益增多。而膨胀土在我国分布广泛，具有典型的膨胀性和敏水性，在外部复杂干湿交替环境下，膨胀土边坡表面往往产生规模庞大、发育明显的裂隙网络，为水分的浸入提供了天然优先通道，加速劣化坡体整体力学性质，孕育地质灾害错动面，导致高速公(铁)路等交通基础设施建设过程中滑坡、塌陷等灾害屡屡发生。认识膨胀土边坡裂隙动态发育特征，探索其扩展规律，对膨胀土等特殊岩土分布地区地质灾害防治和地质环境保护具有重要意义和工程价值[1-3]。

膨胀土边坡在复杂外源干湿交替作用下表现出裂隙性，这引起了越来越多学者的关注。在裂隙特征测定描述方面，随着计算机技术不断发展，直接测量法逐渐被非接触测量法和扫描成像法取代，如蔡正银等[4]通过三维CT 扫描重构技术测量了膨胀土裂隙形态；骆赵刚等[5]通过图像处理技术研究了不同初始状态下膨胀土泥浆样表面裂隙演化与含水率间的关系；LIU 等[6]基于图像分析处理技术，研发了裂隙图像分析系统，较好地描述了土体裂隙形态特征。上述学者大多通过二维平面的单元试验，采用间接换算法和扫描成像法描述了膨胀土裂隙的开展形态和演变规律，在研究膨胀土边坡此类大尺寸对象的干湿交替作用下裂隙演变规律时具有一定局限性。

在不同干湿条件下膨胀土边坡表面裂隙发育动态特征及描述研究方面，蔡正银等[7]基于离心模型试验研究了干湿冻融循环作用下膨胀土边坡的稳定性，但受离心机尺寸限制，难以反映出降雨过程对膨胀土边坡的冲刷影响，且对于坡体裂隙演变过程的记录存在一定局限；DAI等[8]开展了室内膨胀土边坡模型试验，研究了南水北调工程中膨胀土边坡在干湿交替作用下的裂隙性与稳定性，但其边坡模型采用铁质楔形箱作为填筑基底，尺寸效应较明显；张家铭等[9-10]以安徽沿江地区膨胀土为研究对象填筑足尺边坡模型，基于图像处理技术在降雨-干燥循环条件下研究了膨胀土边坡的开裂规律，但其动态研究方面侧重于分析坡体内部物理力学性质，而采用图像矢量化技术提取的裂隙形态指标较少，有待进一步研究膨胀土坡体表面裂隙的动态表征。

上述学者基于非接触测量法和扫描成像法、采用试验手段研究了膨胀土水平试样及边坡干缩开裂过程和裂隙扩张机理，但对膨胀土边坡开裂过程中土体位移变形的量化研究及相关研究方法鲜有涉及。数字图像相关技术(digital image correlation，DIC)因其非接触、精度高及动态高效等优点，在岩土体变形测量方面受到越来越多学者的青睐。但采用数字图像相关技术研究膨胀土脱湿开裂过程的研究对象大多为单向脱湿的小比尺水平单元试验[11-12]，在干湿交替环境作用下采用数字图像相关技术分析膨胀土边坡脱湿裂隙形态演化规律的研究鲜有文献报道。

本文以广西宁明灰白色膨胀土滑塌边坡为研究原型，以现场气象资料为环境基础，开展室内膨胀土边坡模型试验，基于数字图像相关技术研究7次干湿交替作用下膨胀土边坡整体脱湿裂隙动态发育规律、位移变形情况及浅层坡体物理力学响应，定量化表征裂隙扩展机理和裂隙发育特性，以便为复杂干湿交替环境下膨胀土地区边坡裂隙形态演化规律分析、发育状态预测及有效预警提供有效的技术支撑。

1 试验设计

1.1 原型边坡概况

本试验以广西壮族自治区宁明县国道某线灰白色膨胀土边坡为研究原型。由于气候炎热、持续暴雨及暴晒等环境因素影响，该膨胀土路基于2019年6月路面出现开裂，在持续恶劣的干湿交替环境下该路面沿裂隙下沉约20 cm；2020年3月，路面裂隙发育形成多条羽状裂缝，路面进一步下沉，路基边坡前缘剪出口裂隙发育明显，膨胀土路基边坡呈明显的滑坡态势，滑坡情况如图1所示。

图1 膨胀土边坡现场灾毁概况Fig.1 Overview of disaster damage on expansive soil slope site

1.2 室内模型边坡填筑

室内膨胀土试验边坡参照原型边坡进行设计，模型边坡所用膨胀土取自原型边坡，原状膨胀土的物理力学性质参数如表1所示。模型箱长×宽×高为1.8 m×1.0 m×1.2 m，模型箱三侧均采用18 mm厚钢化玻璃封边以观察边坡侧面裂隙发育情况；在模型箱填筑范围内均匀涂抹凡士林，减少边界效应对试验的影响；用角钢和雨布搭建模型箱外面的雨水阻拦边界。为防止入渗的水分在边坡底部汇集，在模型箱底部钻有21 个泄水孔；填筑前在模型箱底部依次铺设夹有10 mm厚粗砂的2层不锈钢筛网和1层土工布，排除坡底积水并避免试验过程中膨胀土细颗粒的流失。

表1 膨胀土样品的主要物理力学参数Table 1 Main physical and mechanical parameters of expansive soil

试验所设计膨胀土边坡的坡高为100 cm，分层压实填筑，压实度控制在95%。压实前根据膨胀土天然密度、压实度、每层填土尺寸计算所需填土质量后，将土样晒干、碾碎，过孔径为5 mm筛，反复翻晒后将土样配至最优含水率23%。在配水过程中，用钉耙反复打散土样并用彩条布闷制24 h。填筑前，在玻璃外部画出坡体界线、台阶线及仪器摆放位置；在压实过程中，采用平板液压打夯机夯实并充分刮毛，钢化玻璃边界处土体采用橡胶锤进行锤实；每层土体填筑后用环刀取样，检测压实度和含水率，并在试验边坡前缘处预留10 cm台阶，用于干湿交替过程中取样测试膨胀土物理力学性质，填筑完成后的膨胀土边坡模型情况如图2所示。

试验设计填筑的膨胀土边坡坡面虽然本身具有一定纹理性，但由于数字图像相关技术对于图像序列中测量物体的纹理性有一定要求[13]，因此，为确保测量的准确性，在坡体表面均匀撒上粒径为0.1 mm 的黑色细砂以增强土体纹理性。为消除拍照时畸变产生误差，试验开展前用标定板对相机进行标定，从图中标定板圆形间距，建立图像像素与现实距离的关系，如图2(f)所示。

图2 模型边坡示意图Fig.2 Schematic diagrams of model slope

1.3 干湿模拟装置及仪器布设

在试验过程中，使用西安清远测控研发的QYJY-501降雨装置[14]，包括降雨系统控制箱、储水箱、抽水水泵、翻滚式雨量计、压力控制表以及3 个互成44°夹角的不同直径微雾降雨喷头，可形成15.0～220.0 mm/h 的降雨强度，雨滴粒径为1.5～6.0 mm，降雨过程中均匀度大于85%，能较好地模拟不同降雨工况下的自然降雨。

为模拟暴晒炎热工况下膨胀土边坡裂隙发育动态特征，在模型箱外部框架上搭设3 个波长为360～800 nm、色温为5 600 K 的长弧氙气灯模拟太阳光，光照强度通过调节光源与边坡间的距离实现。

数据采集装置及仪器布置方面具体情况如下。

1)数据采集。本次试验实时记录干湿交替循环试验下膨胀土边坡坡体含水率及基质吸力变化情况，其中，土体含水率和基质吸力的监测采用TEROS12型土壤含水率传感器和MPS-6型基质水势传感器，并采用CR300 型数据采集仪以60 s 的时间间隔进行数据采集，所用仪器的具体三维布设位置和截面示意图如图3所示。

图3 监测仪器布设示意图Fig.3 Schematic diagrams of monitoring instrument layout

2)图像采集。试验过程中采用2台数码单反相机进行定时拍照，其有效像素为2 420 万，将2 台单反数码相机辅以能够定时自动拍照的快门线，分别置于边坡正面拍摄立面图和边坡后缘以60 s的时间间隔拍摄膨胀土边坡表面裂隙发育情况；此外，在模型箱顶部布设Sonny EVI-D100P 高清摄像头实时监测边坡整体情况。

1.4 试验方法

在干湿交替试验过程中，参考当地气候资料进行气候模拟；在降雨过程中，强度恒定设计为18.7 mm/h，在脱湿过程中设计光照强度恒定为840 W/m2，试验历时425 h。试验以“光照脱湿-降雨增湿”视作1次干湿交替循环，本次试验共计模拟干湿交替7次。由于当地降雨和日照时间不完全相等，结合试验条件设计的干湿交替历时情况以及随干湿交替循环作用下裂隙整体发育概况，膨胀土边坡模型试验干湿替历时间如图4所示。

图4 膨胀土边坡模型试验干湿交替历时图Fig.4 Dry and wet alternation ephemeral diagram for model test of expansive soil slope

1.5 DIC技术数据处理方法

数字图像相关技术(DIC)数据处理基本原理如下：将参考图像中的土体以网格状划分为数个子集，采用互相关法计算监测图像与参考图像之间各子集在不同时刻内载体信息(灰度特征值或纹理)变化，进一步计算土体整体运动特征[15]。膨胀土边坡土体表面位移场和应变场对于分析裂隙动态发展规律至关重要，假设测量前后子集中心分别为A0(x0，y0)和A(x，y)，以一阶函数计算子集位移与变形[16]：

在位移场计算方面，测量前后图像子集间的匹配程度C可作为位移信息可靠性的评判标准[17]，通过下式计算：

式中：f(x0，y0)和g(x，y)分别为变形前和变形后子集内灰度；C介于0～1 之间，越接近1 代表着变形前后子集匹配相关程度越高，测量结果越准确。

基于上述数据处理原理，搭建膨胀土裂隙应变分析系统。首先，在应用分析中通过人工散斑增强分析面纹理性并采用标定板消除图像畸变误差；随后，通过图像处理技术将分析面图像进行质量评估、灰度处理及二值图像优化；最后，基于上述DIC 数据处理原理，通过试错法调整子集大小(本试验设定为72×72 像素)，以匹配程度C作可靠性依据，获取膨胀土边坡分析面位移场、应变场及裂隙发育特征。

2 膨胀土边坡裂隙发育演变过程

2.1 裂隙发育几何特征

膨胀土边坡干湿交替试验过程中，膨胀土边坡表面整体裂隙发育情况如图5所示。图5中1～5为正摄图主裂隙序号；a～d 为后缘主裂隙序号；A～D 为正摄土体主裂隙交错分割成的块体序号；Ⅰ～Ⅳ为后缘土体主裂隙交错分割成的块体序号。随着干湿交替试验的进行，膨胀土边坡在脱湿过程中裂隙的发育形态存在递进式变化，从图5(b)～(f)可见：膨胀土边坡脱湿过程中裂隙发育由主裂隙开始；随着干湿交替试验的进行，主裂隙进一步发育并开始相互交联，在这个过程中，次级裂隙逐渐发育并与主裂隙衔接形成错综复杂的网络。观察图5中裂隙发育几何特征可以发现：膨胀土边坡在干湿循环作用下发育的裂隙具有较高相似性与重复性[18]，体现在既有发育主裂隙在数次干湿交替循环作用下，经历反复吸湿膨胀-脱湿收缩后，其长度和宽度不断增长，与其衔接的裂隙网络不断发育，但主裂隙形态不会产生较大变化。

由图5可见：膨胀土边坡裂隙发育形态在第5次干湿循环试验前后存在明显的差异，即第1～4次干湿循环作用下脱湿过程中裂隙网络形态逐渐变化，裂隙网络的呈主裂隙逐渐延展，次级裂隙以“T”和“Y”形衔接状。在第5次干湿交替循环作用后，数条主裂隙逐渐衔接交错，次级裂隙数量迅速增多，膨胀土边坡表面被裂隙分割为数个多边形块体，裂隙网络发育成形，并且裂隙网络骨架形态稳定，不会随干湿循环次数进一步增加而产生较大变化，形态特征呈稳定趋势。

结合图5所示的膨胀土边坡裂隙发育几何特征及膨胀土特性可知：干湿交替循环作用下，膨胀土边坡经历了数次吸湿膨胀-脱湿收缩的过程，而膨胀土的膨胀-收缩变形存在可逆和不可逆部分，其可逆部分来自于土体结构未破坏前的土体颗粒间体积变化和黏聚力的双重作用，而在土体变形超出其骨架结构能承受的范围时，其整体结构就会重新分布，此时超出可受范围内的变形就属于不可逆变形。不可逆变形范围与干湿交替的次数有关[19]，在此反复胀缩变形及降雨加湿作用影响下，膨胀土的土体结构逐渐损伤，整体黏结性和基质拉力降低，在干湿交替作用到一定程度后难以保持完整性并被进一步分割，如图5(f)所示膨胀土边坡在第5次干湿交替循环作用后在脱湿作用下发育完整的裂隙网络。

图5 不同脱湿阶段膨胀土边坡正摄及后缘裂隙发育情况Fig.5 Forward view of expansive soil slope at different dehumidification stages and development map of trailing edge cracks

2.2 裂隙网络收缩中心

为探究膨胀土边坡干湿循环交替过程中裂隙网络的形成过程及整体动态响应，以每1次干湿交替试验降雨结束后脱湿前的图像作为参考图像，采用数字图像相关技术及图像分析技术，对干湿交替过程中膨胀土边坡后缘7次脱湿裂隙发育图像进行分析，获取了边坡后缘裂隙发育骨架、裂隙网络面积及土体位移矢量，如图6所示。

从图6可见：在第1次脱湿结束后膨胀土坡顶后缘出现3个明显的收缩中心，收缩中心在干湿交替作用下位置发生偏移且数量不断增加，其数量在第5～7次脱湿结束递分别增至87，100和103个，呈现快速增长和逐渐稳定趋势。这是由于坡体表面水分存在差异蒸发速度，水分在不同区域的丧失量存在梯度差，蒸发速度快的土体处于非饱和状态，在基质拉力及黏土颗粒间黏聚力作用下出现以相对高含水率土体为收缩中心的“拉拢”作用，导致土块体积出现差异收缩，促使收缩在拉应力方向不均匀，当拉应力超出土体抗拉强度后产生裂隙，裂隙间衔接方式由“T”形逐渐向“Y”形、弧形演变[20]。既有裂隙土体干湿交替下反复胀缩，体骨架结构积累塑性损伤，坡面土体整体黏聚力下降，在进一步干燥脱湿作用下收缩中心发生偏移，数量增加。

图6 不同干湿交替作用下膨胀土边坡后缘裂隙网络演化特征Fig.6 Characteristics of crack evolution at trailing edge of expensive soil slopes under different alternating wet and dry effects

在第1 次脱湿结束后，图6(b)中椭圆标记a 范围内未产生裂隙，而图6(b)中椭圆标记a范围中土体位移矢量呈相向运动，在第2次脱湿结束后椭圆标记a范围内产生裂隙，裂隙发育形态与土体位移矢量呈现出较好的一致性。类似的预测现象在第3～4 次脱湿过程中椭圆标记b 内亦可以看到。因此，通过数字图像相关技术和图像分析技术对膨胀土边坡裂隙图像进行深度学习和分析，可以对裂隙的发育情况进行初步判断和预测[21]。

3 膨胀土边坡裂隙发育变形特征

图7所示为基于数字图像相关技术对干湿交替下脱湿裂隙图像序列进行变形特征分析后得到的位移场。从图7可见：在第1次脱湿裂隙发育时(图7(a))，土体位移较小，运动轨迹较对称，在土体位移较大且运动方向相向位置处发育有1～2号主裂隙(见图5(b))，体现了明显的异向收缩行为；在第3～5 次脱湿时(图7(b～c))，土体位移集中分布于坡面与后缘衔接处(3和4号主裂隙)，并且在第5次脱湿阶段土体位移达到峰值，最大位移达12.7 mm，裂隙发育处于快速发展阶段；在第7次脱湿时((图7(d))，土体位移显著减小，呈明显的块状网格化分布，此时，裂隙发育进入稳定发展阶段。

图7 膨胀土边坡不同脱湿阶段位移场Fig.7 Displacement fields of different de-wetting stages of expansive soil slopes

图8和图9所示为基于数字图像相关技术对干湿交替下脱湿裂隙图像序列进行变形特征分析后得到的应变场及剪切应变场。由图8(a)可见：第1次脱湿结束后，应变场中出现了1号和2号拉应力集中带。对比图5中裂隙发育情况可知，拉应力集中带是裂隙所处位置。由应力场变化可见：裂隙在发育过程中新生裂隙会向既有裂隙临空位置发展，这是高度集中的拉应力释放所致，在土体被“撕开”后，拉应力在裂隙尖端汇集并向既有裂隙临空区域处转移，在干湿交替循环次数较少时裂隙多以“T”状衔接[22]。

从图8(c)中4～6号弧形标记中可见拉应力的分布并不完全与既有裂隙垂直，存在一定偏转现象，结合图9剪切应力场可见：在膨胀土边坡表面裂隙网络呈“Y”形和弧形等非垂直衔接状态时，该衔接处基本分布有较明显的剪切应力，如图9(c)中第5次脱湿时，坡面与后缘衔接处分布有较大的剪切应变，最大达14.4%，该处3 号和4 号主裂隙呈“Y”形衔接(图5(f))，由于剪应力的影响而使得裂隙衔接方式产生变化，因此，裂隙网络的衔接方式在拉应力、压应力及剪切应力多方作用下呈现出不同角度的各向异性衔接形式，进而演变出由“T”和“Y”及弧形衔接而成的多边形裂隙网络。

图8 膨胀土边坡不同脱湿阶段应变场Fig.8 Strain fields in different de-wetting stages of expansive soil slopes

图9 膨胀土边坡不同脱湿阶段剪切应变场Fig.9 Shear strain fields in different de-wetting stages of expansive soil slopes

综合上述研究可知，膨胀土边坡在光照脱湿过程中土体颗粒间水分蒸发，土颗粒体积减小，土体基质吸力逐渐增大，土体进气值增大，在黏聚力和基质拉力作用下土颗粒开始朝着收缩中心运动；当膨胀土含水率降低至一定程度时，土体孔隙不断增大，基质吸力随之迅速增大，颗粒间的收缩应力大于土体抗拉强度，裂隙产生；在持续的脱湿过程中，当收缩中心呈空间对称时，收缩应力方向相反，在裂隙产生后应力重新分布至尖端处朝着既有裂隙的临空面发展，裂隙衔接呈垂直“T”状；随着干湿交替循环试验的进行，收缩中心的位置和数量会发生较大变化，整体呈现出明显的空间各异性，不同方向的收缩应力导致土体的运动方向产生偏差进而产生剪切应力，裂隙的交点衔接形态逐渐演化为“Y”形、弧形。在裂隙产生后，水分的浸入和蒸失交替迅速且频繁，导致裂隙土体结构损伤积累，力学性质劣化，块状裂隙网络逐渐形成。裂隙开裂机制示意图如图10所示。

图10 膨胀土边坡脱湿开裂机制示意图Fig.10 Schematic diagram of dehumidification cracking mechanism of expansive soil slope

4 干湿交替作用下含水率及基质吸力变化

基于埋设于膨胀土边坡内部5 个不同深度(距离坡顶分别为15.0，27.0，39.3，63.6 和83 cm)断面的含水率、基质吸力探头所采集的数据，结合7次干湿交替作用下裂隙开展情况综合分析，以期探究膨胀土边坡在干湿交替作用裂隙发育情况下浅层坡体物理力学性质变化。

4.1 含水率变化

图11所示为7次干湿交替下膨胀土边坡5个不同深度断面下含水率变化情况。从图11可见：在第1 和第2 次干湿交替过程中含水率变化幅度接近，以第1层断面为例，在干燥后断面含水率降至19.5%附近，相较于初始状态(23%)变化幅度不大，表面裂隙发育数量不多；在随后第3～7次干湿交替过程中，膨胀土边坡整体含水率变化规律接近，呈现抛物线形式，变化幅度从第1 层向下逐层递减，干燥脱湿后坡体整体含水率逐渐减小。以第1层断面为例，在第5～7 次脱湿后，含水率约为17.2%，此时，裂隙网络逐渐发育成形并且形态趋于稳定。

由图11可见：浅层坡体含水率在“脱湿-降雨”作用下变化规律由非对称逐渐向对称分布转变，这是因为在裂隙发育初始阶段，既有裂隙在降雨吸湿后闭合，水分难以入渗至坡体中，而干燥脱湿时坡体表面水分快速蒸失，导致含水率变化幅度较大；在持续干湿交替作用下，裂隙发育程度逐渐提高，当裂隙发育进入快速发展及稳定阶段时，土体开裂超出吸湿可恢复范畴，在吸湿后裂隙难以完全闭合，给水分的浸入提供残余通道[23]，同时，热量和空气都随该通道进入浅层坡体内部，加速水分蒸失，因此，在此阶段，降雨吸湿含水率变化幅度与干燥脱湿含水率变化幅度相当，呈现出近似对称分布。

图11 干湿交替作用下膨胀土边坡不同深度含水率变化Fig.11 Changes of water ratio in different depths of expansive soil slope under dry-wet alternation

4.2 基质吸力变化

图12所示为7次干湿交替下膨胀土边坡5个不同深度断面下基质吸力变化。从图11和图12可见：在干燥脱湿阶段和降雨吸湿阶段，各断面土体基质吸力变化规律均与含水率的变化呈正相关关系；在第1次及第2次干湿交替阶段，坡体表面裂隙发育程度低，浅层坡体含水率较高，基质吸力沿深度方向变化幅度不大；当第3次干湿交替试验结束后，浅层坡体含水率逐渐降低，裂隙逐渐发育，水分更易渗入及蒸发，在此阶段相较于其他断面，第1层断面基质吸力变化幅度突增；在随后的第4～7次干湿交替试验中，裂隙朝深度方向逐渐延展，在干燥脱湿时土体进气值快速增大，基质吸力随之增大，而在降雨时，水分沿裂隙快速入渗，基质吸力沿随之减小，在干湿交替作用下，基质吸力变化幅度增大。

从图12可见：在第5 次干湿交替后，随着干湿交替次数增加，基质吸力变化幅度趋于平稳，在第7次干湿交替时增幅达到峰值，此时膨胀土边坡坡脚前缘处模型箱底部孔洞中有雨水渗出。可见，在干湿循环作用下，裂隙网络的发育破坏了坡体完整性，为水分提供了优先入渗通道，降低了膨胀土边坡整体安全性。