干湿循环下掺根率对膨胀土开裂的影响

2022-05-19许英姿苏超刘德志黄效

科学技术与工程 2022年12期

许英姿, 苏超, 刘德志, 黄效

(1.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004; 2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004)

近年来，植被防护膨胀土边坡得到了广泛的推广应用。生态防护也被公认为实用性和环境友好度均较高的护坡方式[1-2]。然而在自然环境中的膨胀土边坡，即便植被达成了有效防护，仍会不可避免地在降雨-蒸发循环下湿胀干缩，产生相应的裂隙网络，降低土体强度与稳定性[3]。因此，开展根系对膨胀土开裂影响的相关研究对膨胀土边坡的生态防护具有重大意义。

裂隙性是膨胀土较为突出的不良工程特性之一，已有学者指出裂隙的存在会对边坡的稳定产生负面影响[4-5]。在降雨-蒸发作用下，边坡表面极易产生裂隙，造成坡面土体崩解和强度降低。为了定量化研究膨胀土的开裂机理，吴珺华等[6]使用远距光学显微镜观测裂隙发展过程，利用图像灰度熵评价裂隙形态。Wang等[7]使用分形维数描述裂隙网络的自相似性和结构复杂性，揭示了干湿循环中裂隙的形态差异。汪为巍等[8]使用高精度CT技术对膨胀土的裂隙发育进行了定量分析，研究了土体裂隙的三维分布规律。研究发现裂隙深度与降雨影响深度呈正相关，而降雨影响深度则由植被主根决定[9]。由此不难发现根系与裂隙之间存在紧密联系，并与边坡稳定性高度相关。罗露瑶等[10]制备了多组重塑根土复合体试样进行直剪试验，指出了根长与土体黏聚力之间的关系。付江涛等[11]通过室内直剪试验和概率统计的方式，定量分析了不同植物根土复合体抗剪强度的主要影响因素。

总的来说，根系对土体的积极作用主要表现在加筋固土方面，对于根系阻裂和强度之间的量化研究还很少。在根系的加筋防护作用下，多次等幅度的干湿循环对膨胀土的开裂和强度的复合影响鲜见报道，掺根土体的裂隙特征与强度之间的关系尚不明确。为此，以南宁膨胀土为研究对象，将狗牙根根系作为改良手段，以不同的掺根率(根土质量比)分组，采集裂隙图像后使用计算机图像处理技术进行指标提取。依据裂隙网络的相关定量化指标和抗剪强度指标，对干湿循环下掺根膨胀土的裂隙演化机理进行讨论研究。

1 试验方案

1.1 试验用土

于广西南宁市兴宁区水牛研究所内的膨胀土地区建立膨胀土现场边坡，并进行了不间断的原位综合监测。本研究中使用的土样取自该膨胀土现场边坡，通过室内试验得到土样的基本物理指标，结果如表1所示。

表1 土样基本物理力学性质

1.2 试验方法

根据现场边坡的监测数据，将土体含水率与日降雨量随时间的变化整理如图1所示。

图1 土体含水率与降雨量变化时程曲线Fig.1 Time history curve of soil moisture content and rainfall change

由日降雨量与土体含水率的关系曲线知，土体含水率的变化范围为9%～30.5%。因此本试验以膨胀土体的最优含水率(含水率ω=19%)为基准，幅度确定为±10%。研究表明，膨胀土的裂隙网络及强度在干湿循环5～6次后趋于稳定，由此本试验等幅度的干湿循环次数为6次[12]。此外，南宁地区夏季最高气温约为40 ℃，所以本次试验的脱湿环境温度设置为40 ℃。以现场边坡的密实程度为准，将本次室内试验中试样的密实度确定为85%。

选择狗牙根的根系作为改良手段。狗牙根作为生态护坡的优势选种对象[13-14]，根系发达且直径差异较小，适合作为室内试验材料。由试验现场取回草本根系后，使用清水清洗根系并用吸水纸吸掉表层水分后称重。因狗牙根主根尺寸过大不利于进行定量化室内试验，且细根的加筋效果优于粗根[15]，因此本研究选取须根根系作为改良措施，并将其裁剪为5 mm。此外，根据前期护坡植被的种植试验及根系的统计分析得知[16]，狗牙根的根系平均直径最大不超过0.44 mm。因此选取根径≤0.4 mm的须根根系以开展进一步的研究。

将膨胀土风干碾碎后过2 mm筛，将土体配至最优含水率19%，焖土24 h使土样的水分均匀分布。焖土完成后将土体与狗牙根根系充分掺和均匀。使用四分法选取掺根土体进行试样的制备，通过控制压入环刀内的土体质量控制压实度，采用静压法一次压实制样。在环刀内壁和铁质垫块下表面涂抹凡士林，避免试样表面被破坏。制成的试样如图2所示。

图2 以不同掺根率制成的试样Fig.2 Samples made with different root mixing rate

加湿过程：将试样置于电子天平(精度为0.01 g)上，并在试样的上下表面各垫一张滤纸和一块透水石，采用小型喷雾器对掺根土制成的试样进行喷水加湿。脱湿过程：试样的脱湿在40 ℃烘箱中完成。脱湿开始后以固定时间间隔采用电子天平对土样进行称重，土样质量变化范围在0.02 g以内即认为脱湿完成。在每一次脱湿操作完成后,使用固定拍摄装置对试样进行等焦距(20 cm)拍照。每次拍摄均仅使用室内相同光源以保证光线条件一致。

为模拟不同密度的根系防护下膨胀土的裂隙演化过程，根据鲜少华[17]对狗牙根的根系统计分析知，土体中的根土质量比为0.06%～0.22%。因此以掺根率为变量分为4组，各组的掺根率分别为0、0.06%、0.14%和0.22%。每组4个试样，共记录并分析了16个试样的裂隙网络特征，裂隙网络图像共96张。具体试样分组如表2所示。

表2 干湿循环试验方案

图3 各组试样的裂隙定量化指标变化曲线Fig.3 Variation curve of crack quantitative index of each group of samples

1.3 裂隙定量化指标的提取

将在本试验中拍摄得到的裂隙图像导入南京大学开发的CIAS软件中[18]，进行去噪、二值化和裂隙骨架化等一系列操作。在裂隙分析中选用表面裂隙率等5个指标对裂隙网络进行定量化描述，各指标的定义为①表面裂隙率：指土样表面裂隙的面积与总面积之比。为了确保裂隙率计算过程的一致性，在本试验中将环刀的上表面积作为总面积；②裂隙数量：两个相邻的节点之间的裂隙迹线定义为一条裂隙；③裂隙平均长度：指裂隙总长度与裂隙数量的比值；④裂隙平均宽度：指土样表面所有裂隙宽度的平均值；⑤连通性：将相交点的数量与相交点和端点的数量之和的比值定义为裂隙连通性。

1.4 直剪试验

将完成干湿循环试验的土样进行直剪试验。每组试验准备4个平行试样并依照《公路土工试验规程》(JTG E40—2017)进行剪切试验，每次干湿循环试验后均对各组试样的平行试样进行直剪试验。

2 实验结果及分析

2.1 土样裂隙网络定量结果及分析

将各组试样的裂隙网络的各个定量指标随干湿循环次数的变化曲线整理如图3所示。

由图3(a)可知，土样裂隙数量随着掺根率和干湿循环次数的增加而增加。掺根率为0.14%和0.22%的土样的表面裂隙数量变化曲线均表现为先增后减再增的趋势，变化幅度比较大。两组土样的裂隙数量出现大幅变化的时间节点分别为第2次循环和第3次循环。在经过六次干湿循环后，高掺根率(0.22%)的试样的裂隙数量为75，相较于纯膨胀土试样增加了41条。

由图3(b)可知，膨胀土试样的裂隙平均宽度随着掺根率的增加而下降。掺根率0.22%的试样在第3次干湿循环中裂隙平均宽度减小了28.6%，仅为0.37 mm，与此同时裂隙数量增加了25条。在随后的第4次干湿循环中，上述的两个定量指标表现出相反的变化趋势。

此外，裂隙平均长度也与裂隙数量紧密相关。由图3(c)可见，同一干湿循环下不同掺根率的膨胀土试样的裂隙平均长度基本上随着掺根率的增加而降低。在经历六次干湿循环后，高掺根率(0.22%)试样的裂隙平均长度仅为2.91 mm，比纯膨胀土试样的裂隙平均长度小69.6%。掺根率为0.00%的试样的裂隙平均长度最终稳定在约10 mm。这种变化趋势与裂隙数量有关，此规律在多次干湿循环后更加显著。根系与土体性质有较大差异，掺根率高的土样会表现出更强的不均匀性，在土样的表面出现更多的薄弱面，土体的干缩开裂多由薄弱处萌生或扩展，由此产生数量更多的短小裂隙，这些短小裂隙的扩展和切割作用使得裂隙平均长度下降。

由图3(d)可知，掺根率为0.22%的试样裂隙连通性最低，在6次循环后仅为0.69；纯膨胀土的裂隙连通性最高，最高可达0.87。在多次干湿循环后掺根率相对较低(0、0.06%、0.12%)的各组试样的连通性基本稳定在约0.79，均大于掺根率0.22%的试样的连通性。由各组试样的连通性对比分析不难看出，掺根试样的连通性较纯膨胀土试样低，根系能够有效抑制贯穿性大裂隙的开展。

将表面裂隙率与其余各指标联系起来看，表面裂隙率的变化有明显的规律。如图3(e)所示，试样的表面裂隙率随掺根率的增加呈递减趋势。各组试样均在第2次干湿循环结束后表面裂隙率大幅增长，其中掺根率0.22%的试样的表面裂隙率增加了7.22%。在随后的4次干湿循环中各组试样的表面裂隙率虽然有一定的变化，但是整体上保持了相对稳定，各组试样的变化幅度最大不超过1.91%。与此同时裂隙网络的其他定量指标基本保持稳定，由此可以认为第2次干湿循环对纯膨胀土开裂的影响是最大的。此外，表面裂隙率和裂隙平均宽度的增减趋势基本一致，该规律在掺根率0.06%和0.14%两组试样中尤为明显。综合裂隙网络的各个定量指标的变化趋势，可知掺根试样的表面裂隙网络在第4次干湿循环后才达到了比较稳定的状态，即对于高掺根率(0.22%)的土样第3次干湿循环对其影响最大。

在裂隙的开展过程中，主裂隙会首先出现，将土体分成若干块区[18]。次裂隙在于主裂隙上萌生、扩展，并将土体表面“切割”为若干个小块区。在裂隙发育的过程中，表面裂隙率在第2次干湿循环结束后达到比较稳定的水平。在随后的干湿循环中，裂隙宽度有一定增加，裂隙长度不断减小，致使裂隙数目显著增多。直观表现为短小裂隙增多，土体表面趋于破碎。在掺根土样中，虽然裂隙数目相对较多，但裂隙网络的连通性和平均长、宽度较低。从整体上看土体表面的裂隙网络由连通性差的短小裂隙组成，贯通的长裂隙较少，土体的完整性保持良好。综上可以认为，根系在土体中的含量越高，根系与土颗粒之间结合的就越紧密，可以有效限制土体干缩开裂。

2.2 直剪试验结果及分析

将不同掺根率的膨胀土试样的黏聚力随干湿循环次数的变化整理如图4所示。

图4 黏聚力随干湿循环次数的变化Fig.4 Cohesion changes with the number of drying and wetting cycles

由图4可见，在同一干湿循环试验中，土样的黏聚力随着掺根率的增加而增加。在第6次干湿循环结束后，掺根率为0.22%的试样的黏聚力比纯膨胀土的黏聚力大51.59 kPa。将根系看作是土体加筋材料，根系在土样中随机分布，纵横联结，通过与土颗粒之间的摩擦咬合增强了土体的强度。各组的黏聚力都会随着干湿循环次数的增加而减小。经过6次干湿循环的连续作用，纯膨胀土试样的黏聚力降幅可达61.6%，而掺根率为0.22%的试样的黏聚力降幅仅为22.0%。根系有效限制了干湿循环对膨胀土强度的削弱。

图5 干湿循环前后各组试样的内摩擦角对比Fig.5 Comparison of internal friction angle of samples before and after drying and wetting cycles

将6次干湿循环前后的各组试样的内摩擦角的变化整理如图5所示。可以看出，经过6次干湿循环，各组试样的内摩擦角均有不同程度的减小。其中纯膨胀土的第0次干湿循环时的内摩擦角为20.10°，第6次干湿循环后的内摩擦角为14.20°，降幅可达29.4%；对于掺根率为0.22%的试样，第0次干湿循环时的内摩擦角为24.60°，第6次干湿循环结束后的内摩擦角为22.45°，降幅为8.7%。由上可知干湿循环会对土体的抗剪强度产生负面影响，但是干湿循环对掺根试样的影响相对较小。

表面裂隙率作为裂隙网络的代表性指标，可以直接反映各阶段裂隙的发育程度。因此选择将表面裂隙率分别与土体黏聚力、内摩擦角建立联系，并将表面裂隙率与抗剪强度指标的关系曲线如图6、图7所示。

由图6可知，随着干湿循环次数的增加，土体的表面裂隙率增加，黏聚力减小。在经过两次干湿循环后，土体的表面裂隙率基本稳定。掺根率0.22%的试样的表面裂隙率基本稳定在8.20%，素土试样的裂隙率稳定在13.50%。土体的黏聚力的大小及降幅随着干湿循环次数的增加而减小。经过4次干湿循环后，各组试样的黏聚力基本稳定，后续的单次干湿循环操作对黏聚力的削弱小于2 kPa。经过4次干湿循环后，土体的表面裂隙率和黏聚力的变化程度都会减小，土体已经达到了较破碎的状态。

图6 表面裂隙率与黏聚力的关系图Fig.6 The relationship between surface crackrate and cohesion

由图7可知，内摩擦角随裂隙率的变化规律与黏聚力基本一致，但是波动相对较大。其中掺根率为0.22%的试样的内摩擦角变化较小，经过4次干湿循环后的数值稳定在约22.4°。

图7 表面裂隙率与内摩擦角的关系Fig.7 Relationship between surface crack rate and internal friction angle

可以看出，土体的抗剪性能与裂隙网络的演化存在紧密联系。当干湿循环开始后，土体开裂导致破碎程度加剧，土体的抗剪强度也随之下降。经过多次干湿循环后，土体的破碎程度已经达到极限状态，土体的抗剪强度的下降也变的不再显著，后续的干湿循环过程对土体强度的削弱作用比较有限。裂隙和强度之间存在相互影响且相互促进的关系，根系的存在有效地保持了土体强度，限制了土体开裂。

3 根系的作用机制分析

在脱湿过程中，土体上表面直接与空气接触率先失水，基质吸力上升，产生张拉应力[19]。当土体表面的张拉应力超过土体自身的抗拉强度时，土体就会萌生裂隙[20]。裂隙由土体的缺陷处和不均匀处萌生或扩展，并形成最终的裂隙网络。对于掺根土体，根系在土体中会与土颗粒相互缠绕连结，形成了稳定的三维支撑网络。根系为土颗粒承受了一部分的张拉应力，抑制裂隙宽度的开展。当土体中某一部分出现裂隙时，整个支撑网络会自发响应，带动周围的交织点抵抗变形，并分散土体开裂时产生的张拉应力。含根系膨胀土的开裂机理示意图如图8所示。

图8 含根系膨胀土的开裂机理示意图Fig.8 Schematic diagram of cracking mechanism of expansive soil with roots

根系的存在可以限制水分在土体中的运移[21]，并由此减少土样表面向深处发展的裂隙的数量。在干湿循环试验的实际操作过程中发现，掺根膨胀土比纯膨胀土脱湿到相同的含水率需要更多的时间。该现象表明掺根膨胀土的保水能力优于素膨胀土，较慢的脱湿速率可减小脱湿过程中形成的含水率梯度，限制土体竖向的开裂。掺有根系的试样具备更强的抵抗干湿循环的能力，掺根率越高，干湿循环对其强度造成的削弱影响就越小。