土样厚度对橡胶加筋膨胀土裂缝演化规律的影响研究*

2022-10-06吕建航杨忠年路钊驰凌贤长

工程地质学报 2022年4期

吕建航杨忠年时伟路钊驰张琦凌贤长②

(①青岛理工大学，青岛 266000，中国)

(②哈尔滨工业大学，哈尔滨 150000，中国)

0 引言

膨胀土是一种具有膨胀收缩性、多裂缝性与超固结性的一种特殊工程灾害性土壤，在全世界范围内广泛分布，每年给我国带来巨大经济损失(蔡耀军等，2018)。膨胀土主要由蒙脱石、伊利石与高岭土等层状硅酸盐矿物组成，具有明显吸水膨胀，失水收缩的特性。地表膨胀土在自然界干湿循环过程中体积剧烈改变，处于干燥收缩过程中受到拉应力影响，土体极易产生大量裂缝。裂缝会给外界水源侵入土体内部提供路径，从而降低膨胀土的强度，给膨胀土路基与边坡等工程带来挑战(Estabragh et al.，2014)。不同形态的裂缝会引导外界水源快速渗入膨胀土边坡内，增加边坡失稳风险(殷宗泽等 2012)，因此裂缝发育形态在膨胀土边坡稳定性研究中受到广泛重视，对于裂缝形态演化研究具有工程与地质意义。为改善膨胀土的不良工程特性，改善膨胀土方式主要可分为物理、化学与生物3个方向。橡胶加筋是一种近年来受到广泛重视的物理改良膨胀土的方式，具有广阔的工程运用前景。主要是因为在解决废弃轮胎污染的同时，橡胶与膨胀土的结合既可以有效约束膨胀土在水循环过程中胀缩特性，又可以有效提高膨胀土承受动荷载能力。

随着我国车辆总量的不断增加，废弃轮胎作为一种数量大、难降解的垃圾已经成为环保工作难点。将轮胎研磨、筛选后形成的橡胶颗粒与橡胶粉末可以很好地与土结合，其形成的橡胶加筋土壤具有高阻尼、低重量的特点，是一种理想的隔震材料(Madhusudhan et al.，2019)。近年来有学者尝试使用橡胶作为膨胀土的改良材料，取得了较好的结果。孙树林等(2009)测定了橡胶加筋膨胀土(Expansive Soil-Rubber，ESR)的力学特性，发现土体抗剪强度与橡胶含量存在正相关性，而ESR的内摩擦角与橡胶含量没有相关性。何俊等(2015)研究一系列的橡胶混合高岭土的击实曲线，发现橡胶可提高混合土的最优含水率。Soltani et al.(2018)研究发现，相较于未添加橡胶的膨胀土，橡胶加筋膨胀土(ESR)的吸水膨胀势显著降低：橡胶一方面可以抑制膨胀土的胀缩特性，另一方面又可以增加膨胀土的承载能力。综上可知，橡胶改良膨胀土同时具有良好的静力强度与动荷载下的较大阻尼，可以有效改良膨胀土工程特性。开裂同样为膨胀土在工程中常见的问题，ESR的裂缝发育形态是否存在改变，甚至是否能有效改良膨胀土的开裂问题不得而知。对裂缝发育研究主要包括室内模型试验与数值模拟。Liu et al.(2011)使用图像处理方法量化了土的孔隙与裂缝，设计了一套可以绘制孔隙边界并计算面积、长度与概率熵等裂缝参数的程序，计算误差较小。DeCarlo et al.(2014)使用自动成像系统测定了黏土发育过程中的裂缝长度、宽度，并绘制了裂缝发育网络。司马军等(2013)使用PFC3D模拟了圆形黏土试样收缩干裂过程，发现裂缝展开分为3阶段特征，试验底边界对裂缝形态有显著影响，即试样厚度对裂缝发育形态有显著影响。

膨胀土在自然干燥过程中的裂缝演化规律核心问题是如何定量分析膨胀土裂缝发育形态。易顺民等(1999)首次根据分形理论定量讨论了膨胀土的网格分布，提出了膨胀土分形维数与抗剪强度之间存在直接联系，分形维数越大，膨胀土风化作用越强烈。唐朝生等(2012)分析了4种对膨胀土裂缝的定量分析方法，提出使用计算机图像二值化处理土壤裂缝照片，可以分析几何形态，具有普遍应用价值。曹玲等(2016)讨论了在干湿循环条件下膨胀土的裂缝动态演化规律，发现首次干燥过程中初始含水率越高裂缝发育越明显，并且干燥过程中膨胀土裂缝可以分割土体，导致应力重分布与新裂缝的产生。骆赵刚等(2020)考虑了厚度效应对膨胀土裂缝的形态影响，研究发现受到边界条件影响，厚度较小的试样裂缝长度大，整体裂缝更具有复杂性，而大厚度试样裂缝发育较为简单，单一裂缝宽度较宽。

结合上述研究可以发现，现阶段对橡胶加筋膨胀土(ESR)的研究与膨胀土裂缝形态的研究较为孤立，面对掺加橡胶的膨胀土裂缝发育形态不得而知。土体开裂受到很多因素影响，土壤含水率、矿物成分与骨架结构、外部环境条件等对裂缝发育形态影响显著(唐朝生等，2012；邓鹏等，2021)。作为一种外掺和料，橡胶会直接改变膨胀土的土骨架结构，影响膨胀土开裂过程中张拉应力的分布，最终影响裂缝发育形态。试验土样厚度是影响裂缝形态的最重要因素，因此本文制备掺加橡胶的(ESR)样品与未使用橡胶改良的素膨胀土样品各4个，试验共设计4种不同厚度样品，探究在干燥条件下膨胀土裂缝形态发育的不同特征与厚度效应。

1 试验材料及方案

1.1 膨胀土材料

本试验使用潍坊重塑膨胀土，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)(中华人民共和国国家标准编写组，2019)测定了膨胀土的基本物理性质如表1所示。试验使用自由膨胀率为71%，可将其划分为弱膨胀土。膨胀土液限为51.66%，塑限为27.70%，是一种高液限黏土。试验过程中将重塑土烘干、碾碎过2mm筛，制备成土粉备用。

表1 膨胀土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of expansive soil

1.2 废弃轮胎橡胶

试验使用橡胶粉末产自中国四川德阳的轮胎处理厂。再生橡胶粉末生产过程如下：(1)去除轮胎钢丝，使用破碎机将橡胶分为3～5cm的橡胶块；(2)使用橡胶中碎机将橡胶块破碎成10～20mm的橡胶碎粒；(3)使用橡胶细碎机将橡胶分为1～3mm或3～6mm的橡胶颗粒；(4)在常温状态使用纤维分选机将橡胶与轮胎中尼龙纤维分开；(5)使用橡胶细磨机将橡胶颗粒分为0.60～0.09mm的橡胶粉末。处理后橡胶粉末如图1所示。

1.3 裂缝发育试验方案设计

如表2所示，试验对比不同土层厚度与橡胶掺和对膨胀土裂缝发育带来的影响，共设计4个素膨胀土样品与4个ESR橡胶膨胀土样品。两组样品分别按照15mm，25mm，35mm，50mm的梯度厚度制备，共计8组试验。试验过程根据方案，素土样品使用重塑土粉，ESR样品将20%橡胶粉末过筛后与土粉混合，配置至对应含水率，静置一昼夜，保持其水分分布均匀后备用。试验设计含水率为过饱和，以保证其样品制备的均匀平整，由于橡胶材料吸水量少，ESR样品设计过饱和含水率相对较低(64%)。本试验使用膨胀土黏稠度较高，保证其有一定流动性，配置样品至含水率较高的过饱和状态，在72%和64%含水率两种状态能将其制备为可以均匀、稳定与平整样品。样品制备完成后使用振动台连续振动10min，排出样品内部气泡。

表2 两种膨胀土样品试验方案Table 2 Two test schemes for expansive soil samples

试验含水率选择主要是膨胀黏土的高黏性影响，为制备成均匀一致的膨胀土样品选用了过饱和并具有一定流动性含水率的样品。同时在试验过程可以发现在开始干燥阶段并未有裂缝产生，两种样品在第1道裂缝产生的含水率大致相同。将混合了橡胶的ESR样品认为是一种新的土样，测定其液限为43.42%，两种样品按照液限加20%含水率的标准同时制备。在样品制备过程中发现，低含水率难以制备成平整光滑土样，而当膨胀土处于表2两种含水率下时，样品的流动性与黏性相似。本试验考虑土样厚度效应，以样品厚度作为试验变量。

样品制备完成后如图2所示。将制备完试样置于25°C环境箱中，保持其均匀一致的缓慢蒸发，监测样品重量得到样品含水率变化。试验使用图3所示装置监测，包括高精度相机、可调节支架与环形光源。设定环境箱在试验过程中相对湿度为70%，恒定速率通风，共设计两组平行对照试验。当试验进行到564h后观察到相邻两组重量数据之间差值极小，试验停止。

2 裂缝演化理论

2.1 裂缝图像处理

为定量分析试验过程中裂缝演化规律，首先将试验图像在Photoshop分离出样品土壤表面，试验过程中土壤与容器边缘的裂缝也同样认为是土壤裂缝(图4a)。如图4b所示，将裂缝照片灰度处理排出其他颜色对数据影响。通过控制阈值将图像转化为仅存在黑白两种像素图片，以便于筛选出裂缝。按照照片像素比例与样品直径可统计出真实裂缝数值。具体转换过程如下：

L=αLA

(1)

式中：α为长度转换系数；LA为像素直径；L为试样直径。

将图片转变为二进制裂缝后使用粒(孔隙)及裂缝图像识别与分析系统(PCAS)处理裂缝数据，可以得到裂缝长度、面积、平均宽度等裂缝参数。

2.2 分形理论与分形维数

分形理论(Fractal Theory)是指在自然界中广泛存在的复杂对象的某一部分与其本身形状像似，在工程中运用广泛。这一理论中，自身一部分与整体的相似性可以找到混乱系统中的一致性，这也同样适用于岩土体裂缝研究。易顺民等(1999)研究了黏性土体中的分形理论，认为可以较好地使用盒维数统计裂缝的分形一致性，具体计算原理如下：

lnNi=A-Dhlnεi

(2)

式中：A为常量；Dh为分形维数；εi为图像处理中尺寸；Ni为具有相似性个体数量。在裂缝研究使用盒维数分形统计，使用逐渐下降的网格统计分形维数，可以很好地统计裂缝发育的复杂性，量化裂缝发育阶段，同时分形维数也与土的抗剪强度存在正相关性。

3 试验结果与讨论

3.1 缓慢蒸发过程中试样含水率变化

图5描述了裂缝演化的546h过程中不同样品含水率变化曲线，可以看到两种膨胀土随不同厚度的含水率变化曲线一致，都是随着土层厚度增加含水率减小较慢，这是因为较厚的试样水分更难蒸发导致。

由含水率变化可以比较清楚验证膨胀土的开裂过程。在试验中所有样品在开始一段时间都没有产生裂缝，这在含水率图中表现为含水率降低缓慢，此时样品与空气接触面积较小，图中描述为阶段一。随着含水率逐渐下降，膨胀土表面逐渐产生裂缝，含水率变化进入阶段二。在这一阶段，随着不同样裂缝形态展开，样品与空气接触面积不同，产生不同程度的失水加速。在图中表现为斜率变大，并且不同样品间斜率存在差异。此外，可以观察到橡胶样品的R1-R4相较于C1-C4在二阶段过程中斜率更大，这是因为橡胶样品在试验中表现出了更多的裂缝，导致膨胀土失水速率增加。随着土体整体含水率的逐渐下降，膨胀土进入含水率变化三阶段，此时由于膨胀土内部含水率较少，整体含水率降低速度较慢。

由试验结果可以发现，两种膨胀土失水的过程都可以由Boltzmann曲线很好地拟合，曲线表达式为：

(3)

式中：ω为含水率；t为时间；A1，A2和t0为3个拟合参数。Boltzmann曲线可以很好地描述两个阶段A1和A2之间变化过程，图5中使用拟合参数如表3所示，R2拟合度较高，验证了这一经验拟合方程的有效性。Boltzmann函数是一种常见的拟合曲线，常用于两种状态的跃迁过程，本文中含水率变化存在初始值与最终缩限值，适用于此函数拟合。

3.2 ESR与素膨胀土裂缝演化过程

图6描述了8个样品在不同含水率时形态变化，可以较为直接地了解不同样品在不同阶段的裂缝形态以及整体随含水率降低的裂缝发育过程。首先对比不同厚度的C1-C4、R1-R4，都可以发现裂缝形态存在着明显差异。拥有较小土层厚度的膨胀土样品，其裂缝发育都呈现出明显的更密集，裂缝演化过程中分割出的土块较小的特点，同样可以看到裂缝的总长度也是随着厚度增加逐渐减小，这与骆赵刚等(2020)的研究结果一致。

对比ESR样品与素膨胀土来看，可以发现在近似含水率下，ESR样品的裂缝发育更为明显，样品裂缝由单一的孤立裂缝逐渐发育连接，最后构成裂缝网络。相对两种样品来说，ESR样品的裂缝更为密集，而裂缝宽度较小。尤其是在含水率未降至最低时，即在实际工程中存在一定含水率状态时ESR样品相较于素土更为发育。观察存在一定含水率样品时，可以观察到ESR的裂缝发育明显更为均匀细碎，同时可以观察到素土裂缝发育过程的最大裂缝宽度更大。橡胶的加入会明显改变裂缝发育形态，可以发现图6a中样品随着厚度增加有着明显内聚的趋势，即裂缝向环状发育趋势，而图6b中的ESR样品裂缝都趋向于多边形演化，样品向内聚趋势减小，裂缝发育更为均匀。上述现象是因为橡胶粉末在膨胀土中减小了膨胀土的黏聚力c，也同样抑制了膨胀土的胀缩特性，两者共同作用改变了裂缝发育形态。

3.3 膨胀土裂缝总长度、面积

图7为干燥裂缝演化过程中裂缝总长度变化。可以发现对于素膨胀土的C1-C4，单一含水率下存在先增加后减小的过程，并且最终的裂缝长度相似。这一现象是因为本试验使用膨胀土黏聚力较高，在试验中较薄的C1本身重量轻，受到底边界影响小，整体呈向中心收缩趋势，导致四周产生较大裂缝而长度数值不高。随着厚度逐渐增加，边界对裂缝发育影响明显，膨胀土存在多个收缩核心，裂缝发育较多。当厚度足够大时，底边界对上部裂缝影响较小，膨胀土趋向于单一裂缝扩大，并逐渐展开趋势。

图7b描述了ESR的裂缝发育长度，可以明显发现随厚度下降现象，这是因为ESR黏性低、收缩特性小，收到拉应力时会变成多个收缩核心开裂，当厚度增加时，底边界同样不会影响到上表面裂缝发育，导致裂缝发育更为均匀一致。对比图7a与图7b可以发现，ESR裂缝总长度明显更高，说明ESR裂隙网络发育更为丰富。

图8描述了两种土裂缝发育过程中总面积，可以发现随着土层深度增加，裂缝总面积也逐渐上升。裂缝总面积增长速度近似于线性增长，并且由图8a可以发现不同厚度对素膨胀土裂缝总面积影响较大，说明素膨胀土受到厚度效应影响严重。对比图8b可以发现，ESR一方面裂缝总面积远小于素膨胀土，另一方面，4种厚度膨胀土面积虽然存在一定程度的厚度效应，但整体变化不大，说明ESR能在多种厚度的裂缝演化中保持一定稳定性。

3.4 膨胀土裂缝分形维数变化

裂缝的分形维数的计算过程是首先提取出裂缝的骨架，然后针对裂缝骨架计算分形维数。这样做的好处是既考虑了裂缝的长度与平面分布，又能定量分析裂缝形态，其数值代表了裂缝网格结构的复杂程度。图9是8组试验样品随含水率变化的裂缝分形维数变化，8组样品最终分形维数都处于1.4～1.5之间，随着含水率变化在初期变化较大，随后逐渐趋于稳定。同样可以发现，C1-C4的分形维数，在相邻两组之间的变化较大，但R1-R4分形维数变化幅度较小，说明ESR的裂缝形态变化更具有同一性，可以改良素膨胀土裂缝发育差异性大的不良工程特性。裂缝发育同一性的工程应用是从预测裂缝角度分析，自然界膨胀土的裂缝的宽度与分布极为极不均匀，并存在明显厚度效应，本次试验可以看到ESR的裂缝发育在不同厚度具有同一性，不论是在渗流验算与边坡稳定分析中，都能具有更好的表现。