红粘土裂隙发育及与低应力抗剪强度的关系研究

刘馥铭，邵 曼

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙 410008)

0 引言

裂隙性红粘土在我国西南地区分布广泛。近年来，西南地区极端干旱气候的频繁发生，容易引起红粘土边坡及地基表面收缩开裂。表面裂隙的产生，一方面破坏了土体边坡的完整性，另一方面，降雨随表面裂隙入渗土体内部，导致土体结构强度降低，从而造成边坡失稳、地基破坏事故。因此，对于红粘土表面裂隙的研究显得尤为重要。目前，红粘土试验研究大多集中于力学与变形特性、水力特性和改良特性研究［1－7］，而对于红粘土裂隙发育的定量描述的研究还很少，也只是考虑了裂隙对强度的影响，而没有具体度量强度与裂隙之间的关系。文献［8］探讨了红粘土失水过程中的裂隙演化规律，通过Matlab 软件对图像进行二值化处理，计算得到裂隙率和分形维数，没有完全建立裂隙和强度之间的关系;文献［9］基于线弹性理论和非饱和土力学理论，分析了粘土干缩裂隙开展机理，推导了裂隙开展深度的理论解，具有一定的理论价值;文献［10］通过对裂隙发育的红粘土进行力学试验，只探讨了裂隙发育的红粘土的强度和变形特征，却没有考虑裂隙演化规律对强度的具体影响。文献［11］分析了降雨强度、裂隙深度、裂隙渗透系数对裂隙性红粘土边坡稳定性的影响，没有完全从根源上解释边坡滑坡的内在机制。

大量的调查和研究表明，公路边坡的破坏，都属于浅层滑塌，一般深度范围在1 ～5 m，实际受到的法向压力通常低于50 kPa，而一般的抗剪强度试验的研究，按照规范取值范围为50、100、200、300 kPa或100、200、300、400 kPa，与实践情况不相符，得到的抗剪强度不利于红粘土边坡稳定性分析，因此，采用5、15、30、50 kPa 的法向压力进行不固结不排水快剪强度试验。

综上所述，本文将结合Matlab 软件图像处理功能对干湿循环作用后的红粘土表面裂隙进行处理，得到裂隙率和分形维数，并通过裂隙指标来描述裂隙的发育情况，最终结合低应力条件下红粘土的抗剪强度参数值，建立抗剪强度参数与裂隙率、分形维数的函数关系。希望能够为红粘土的裂隙发育定量描述及红粘土的边坡设计提供可靠依据。

1 试验方案

1.1 试样制备

将从工地现场取回红粘土样20 kg，其基本物理性质见表1，经风干、捣碎后过2 mm 筛。根据要求配制成初始含水率为16.8%的土样，并密封闷料24 h 以上，以确保初始含水率均匀。采用击实方法对土样进行压实成形，制成的试样高20 mm，直径为61.8 mm。

表1 红粘土基本物理指标

1.2 试验过程

试样共分为7 组，每组4 个试样，共28 个试样。为了更明显地反映红粘土裂隙发育及模拟脱湿全过程，本次试验采用70 ℃对试样进行烘干，烘干至质量每1 h 变化在0.5 g 范围内，即可停止烘干。脱湿过程完成后，采用高清光学数码相机在固定高度对典型试样进行拍照，以追踪裂隙的动态发育情况。为消除光线对拍照效果的影响，拍照时遮住一切外界光源，仅用日光灯进行照明，以保证拍摄环境一致。然后，将试样装进真空饱和器进行抽气饱和，试样在真空条件下浸泡48 h，使试样充分饱和。饱和完成后，再次进行脱湿，如此反复干湿循环过程0 ～6 次。

将完成相应干湿循环次数的饱和红粘土试样装入自动应变控制式直接剪切仪进行低应力条件下的不固结不排水快速剪切试验，法向压力分别为5、15、30、50 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，直剪试验流程严格按照《公路土工试验规程》(JTG E40－2007)操作要求执行。

1.3 表面裂隙参数提取

随着计算机软件的开发应用，研究者逐渐对裂隙进行了定量化测定，基本上均是应用图像处理手段。本文运用Matlab 软件的图像处理功能，对红粘土开裂试样进行二值化处理，然后进行矢量化计算得到红粘土表面裂隙参数。二值化处理结果如图1所示。

图1 裂隙的二值化处理

为了对试样表面的裂隙结构形态进行定量分析和描述，本试验对试样的以下参数进行了测量和计算，过程如图2、图3 所示。

1)裂隙率P，其中裂隙率为裂隙的面积与初始试件的总面积之比:

图2 裂隙率计算过程

图3 分形维数计算过程

式中:A1为裂隙的总面积;A 为试样的总面积。

2)表面裂隙的分形维数D。

为描述干湿循环后试样表面裂隙的发育情况和复杂程度，采用盒维数法计算裂隙的分维维数，即在试样的裂隙区内，用不同边长ε 的方格网进行覆盖，计算每一次覆盖时裂隙所占有的格子数目N(ε)，依次类推，最后根据式(2)计算出分形维数:

式中:a 为常数，红粘土裂隙网络的分维值D 越大，其表面裂隙的发育特征越复杂。

2 试验结果及分析

2.1 裂隙的形成过程

红粘土之所以产生裂隙，与干湿循环过程中含水率的变化速率、体积收缩和土体应力分布密切相关，而干湿循环效应是裂隙形成的前提和诱因，裂隙是土体脱湿到一定程度的产物。因此，掌握土体干湿循环过程和裂隙的形成机制对研究红粘土边坡的治理有重要价值。本文通过对饱和循环的红粘土展开1 ～6 次反复干湿循环，每次循环后表面裂隙形态发育如图4 所示，从裂隙图中发现裂隙随干湿循环作用次数的增加而逐步增多，且趋于一种稳定状态。其中，第1，2 次干湿循环作用对表面裂隙最终形态的确定起主要作用，随干湿循环次数的增加，裂隙发育大多沿着原有裂隙扩展，裂隙以变宽、变长为主，新的裂隙形成较少。

Yong 等［12］人认为土体在脱湿过程中的收缩变形是不可逆的，土颗粒之间的联接将发生断裂破坏。在高含水率条件下，土颗粒周围由于电荷作用而形成一层较厚的水膜，颗粒之间的距离较大，脱湿过程中，随着水分的流失，水膜逐渐变薄，由于基质吸力的作用，土颗粒将重新排列，并逐渐靠紧，这样土颗粒之间产一种拉应力，而含水率的蒸发速率不同，使得收缩应力分布不均匀，一旦这种拉应力大于土颗粒之间的最薄弱部位的粘结力时，土体裂隙便开始形成。饱和过程中，试样由于遇水膨胀愈合，而裂隙不会完全恢复到原有的初始状态，再次脱湿后，裂隙首先将沿着原有的裂隙张开，此时原有裂隙的末端很脆弱，裂隙将沿着裂隙末端薄弱处继续向前延伸。随着干湿反复进行，试样的裂隙由于收缩变形将变宽、变长且继续向下扩展，直至裂隙完全贯穿断裂。

图4 1 ～6 次干湿循环烘干后的裂隙图像

2.2 裂隙和抗剪强度测定结果及分析

表2 为不同干湿循环次数作用后，试样表面裂隙参数和低应力条件下的抗剪强度参数。从表2 中可看出，裂隙率、分形维数随干湿循环作用次数的增加而逐步增大，最终都趋于稳定值，其中第1 次干湿循环作用对裂隙率和分形维数的变化影响最大。而试样的粘聚力随干湿循环作用次数的增加呈减小趋势，内摩擦角的数值表现为上下波动变化，规律不明显。

究其原因，脱湿过程中，由于试样上部与热空气的接触，脱湿速率远大于下部，从而形成含水率梯度，上层土体收缩变形受到下层土体的约束，这样土体中将产生收缩拉应力，当拉应力大于土体自身的抗拉强度时，上下层土颗粒将被拉开，形成横向裂隙，如图5 所示。饱和过程中，土体吸水膨胀使裂隙闭合，但不能完全愈合。再次脱湿后，横向裂隙会首先沿愈合的裂隙扩展，张开后的裂隙面成为新的临界面，临界面下的含水率会重新分布，使土颗粒进一步被拉开，横向裂隙发育程度越大，正是由于这些横向裂隙的存在，使得土体之间的咬合力下降，严重影响了土体粘聚力的大小。

图5 横向裂隙

表2 裂隙和强度参数测定结果

2.3 裂隙参数与抗剪强度参数的关系分析

为了探索内摩擦角、粘聚力分别与裂隙率和分形维数的关系，绘制了内摩擦角、粘聚力随裂隙率和分形维数的变化曲线，如图6 ～图9 所示，从图6、图7 可知，粘聚力均随试样表面裂隙率和分形维数的增加而逐渐减小，说明裂隙的产生对土体抗剪强度的变化有重要的影响，裂隙的形成破坏了土体整体结构的完整性，使土体受力抗剪强度下降。从图8、图9 看出，内摩擦角与裂隙率和分形维数曲线变化没有规律，很难找到合适的函数来表达之间的关系，仍需要进一步大量的试验数据来验证之间的函数关系。

图6 粘聚力与裂隙率的关系

图7 粘聚力与分形维数的关系

图8 内摩擦角与裂隙率的关系

图9 内摩擦角与分形维数的关系

对图6、图7 试验点进行最小二乘法线性拟合，从图中拟合结果可知，粘聚力与裂隙率和分形维数具有良好的线性关系，拟合相关系数≥0.969 1。这样就可以通过裂隙率、分形维数与抗剪强度参数的线性关系，为今后通过裂隙的参数的描述来反算裂隙结构强度指标，提供良好的理论依据。

3 结论

1)第1 ～2 次干湿循环作用对表面裂隙最终形态的确定起主要作用。随干湿循环次数的增加，裂隙发育大多沿着原有裂隙扩展，裂隙以变宽、变长为主，新的裂隙形成较少，趋于一种稳定状态。

2)第1 次干湿循环作用对裂隙率和分形维数的变化影响最大。试样的粘聚力随干湿循环作用次数的增加呈减小趋势，内摩擦角的数值表现为上下波动变化，规律不明显。

3)裂隙的产生对土体抗剪强度的变化有重要的影响，可通过裂隙率、分形维数与抗剪强度参数的良好的线性关系，来反算裂隙结构强度指标。而内摩擦角与裂隙率和分形维数之间的函数关系，仍需要进一步深入探讨。

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