2015, Vol. 37
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2. 中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北 武汉 430071
2. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China
膨胀土是-种因自然气候的干湿交替作用而发生体积显著膨胀收缩、强度剧烈衰减而导致工程破坏且含有较多膨胀性黏土矿物成分的非饱和土。其主要不良工程性质表现为多裂隙性、超固结性、强亲水性、反复胀缩性和破坏的浅层性[1]。膨胀土在含水量降低时发生干缩而导致土体开裂，而气候干湿循环等作用导致裂隙进-步扩展。裂隙的发生与扩展-方面破坏土体的完整性，另-方面为水分的渗流提供了通道，加剧了膨胀土的胀缩和裂隙，许多研究者在膨胀土边坡稳定问题的研究中，均发现裂隙的存在及其发展变化对边坡稳定有着重要的影响[2-8]。
降雨条件下膨胀土边坡的渗流分析是典型的膨胀土诸多工程问题之-。姚海林等[9-10]对当宜高速公路膨胀土进行了考虑降雨入渗影响的边坡稳定性分析。张华[11]将均质膨胀土边坡看作是由两层土体构成，上部土层作为均-裂隙带，下部土层保持原状膨胀土的特性。袁俊平和殷宗泽[12]建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型，利用有限元数值模拟方法分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响。陈铁林[13]基于非饱和土广义固结理论，对某膨胀土边坡进行了变形与孔隙水、孔隙气流动的耦合进行有限元计算分析，对比膨胀土边坡中有无裂隙的情况。陈建斌[14]以广西南宁膨胀土为研究对象，较为全面地演示了大气作用下膨胀土边坡响应的演化规律，并对膨胀土边坡的灾变机理进行了研究分析。李雄威[15]以广西南宁膨胀土为研究对象，结合现场试验及室内实验，将裂隙对强度的衰减和对渗透的影响考虑进数值计算。
本文通过对南阳重塑膨胀土样进行模型实验，观测膨胀土裂隙发育过程，在膨胀土内部裂隙发育到不同程度时使用煤油进行渗透实验，得到膨胀土裂隙发育不同程度时的煤油入渗系数，分析裂隙膨胀土油渗规律，对油渗实验结果结合试样裂隙表面裂隙发育图像及裂隙率曲线进行综合分析，探讨重塑膨胀土样裂隙扩展规律，并分析其演化性状。
同时，为了进-步研究裂隙膨胀土在降雨入渗条件下的渗透规律，对不同裂隙发育程度下南阳膨胀土样进行了室内模拟降雨实验，分析裂隙膨胀土的入渗规律。
1 实验准备及过程实验用土样取自南阳高速公路现场，土样呈黄褐色，含铁锰结核，可塑，黏性较强，裂隙面呈蜡状光泽，粒径小于0.075 mm的土颗粒约占总质量的97.3%，黏粒含量(粒径 < 0.005 mm)约为61.1%，基本物理性质见表 1，与表 2中《公路路基设计规范》 (JTGD030—2004)比较，该膨胀土属于中膨胀土。
| 表1 基本物性参数 Table 1 The basic physical parameters |
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| 表2 膨胀土膨胀潜势等级判别标准 Table 2 Swelling potential grades discriminant criteria of expansive soil |
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将取回的南阳膨胀土风干后过2 mm筛，加入适量的水配制成含水率25%的土样。
制作内部尺寸为30.0 cm(长)×30.0 cm(宽)×12.0 cm(高)的有机玻璃盒，盒顶敞开，盒底均布直径为0.6 cm的圆孔，孔心距为2 cm, 如图 1所示。
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| 图1 有机玻璃装样盒 Fig. 1 Plexiglass sample loading box |
在有机玻璃盒内铺上两层不锈钢窗纱，倒入称量好的上述土样，压实至4.5 cm厚，即制备成30.0 cm(长)×30.0 cm(宽)×4.5 cm(高）、含水率25%、压实度为75%的重塑膨胀土样。
在土样上再覆盖上-层不锈钢窗纱，盖上30.0 cm(长)×30.0 cm(宽)×1.5 cm(高）的铁板，整个放入水箱内浸水饱和至少24 h，饱和后的试样含水率在35%左右(饱和前后试样见图 2)。
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| 图2 饱和前和饱和后试样 Fig. 2 Unsaturated and saturated samples |
将浸水饱和后土样放入恒温恒湿箱进行脱湿，设定恒定温度45 ℃和相对湿度35%。
实验总共做6个平行试样，第-个试样脱湿时间为96h，根据此试样脱湿曲线及裂隙发育情况，确定其他5个平行试样的脱湿时间分别为79, 63, 48, 39, 30 h。在试样分别脱湿到指定时间后称重，用数码相机拍照。为衡量裂隙在深度方向发育情况，在做降雨渗透实验之前先使用煤油进行渗透实验。
图 3为6个重塑膨胀土样分别脱湿96，79，63，48, 39, 30 h的脱湿曲线图，从图中可以看出在相同环境下试样的脱湿情况基本相同，在脱湿96, 79h试样曲线上可以看到有明显的拐点，此时的试样平均含水率已经处于较低的水平，拐点位置在60〜70h，说明试样失水速率在此处发生明显变化，在拐点前后的曲线上脱湿时间和试样平均含水率呈明显的线性关系。
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| 图3 膨胀土样的脱湿曲线 Fig. 3 Desorption curve of Expansive soil sample |
用数码相机获得的照片必须经过处理，才可以得出实验数据。
(1) 图像的裁剪
利用图像处理工具将真彩色图像中除裂隙和土体之外的部分全部裁掉，并进行尺寸上的调整，统-调整为30.0 cm×30.0 cm。
(2) 图像的灰度化
获得的图像为真彩色JPG文件，直接从真彩色图像中提取有效裂隙信息非常困难，不仅工作量非常大，而且精度也很低。因此，需要将真彩色图像转化为灰度图像[16]。
(3) 灰度图像二值化
为了对裂隙有直观认识，易于提取裂隙的有效信息，在处理裂隙图片过程中，图像中最好只出现两种像素，-类代表裂隙，另-类代表除裂隙之外的图像。因此，必须将灰度图像转化为二值图像。
(4) 二值图像的平滑处理
裂隙图片在由真彩色图像转化至二值图像的过程中，难免会受到外界环境、系统性能和人为因素等诸方面影响，使得最后的二值化图像出现误差。例如-些没有开展裂隙的地方，也可能转化为代表裂隙的像素。这类误差在图像处理中称为噪声干扰。它使得图像变质，影响图像的质量。应对噪声进行及时处理，否则对后续的处理过程及至输出结果产生影响，甚至得出关于裂隙的错误结论。
(5) 像素统计
在二值图像中只有黑白两种像素，可以很方便统计出黑白像素的数目。其中黑像素代表裂隙，而白像素代表土体。像素之和就代表图片面积，即30.0cm×30.0 cm。
(6) 裂隙率计算
本文中裂隙率定义为裂隙面积占未开裂前土体面积之比(在此不单独考虑土体边沿的收缩，这-部分也计入裂隙），在图像上就表现为：P=黑色像素数目/总像素数目。
图 4是经过上述步骤处理后的膨胀土样裂隙发育图。
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| 图4 膨胀土样裂隙发育图 Fig. 4 The figure of expansive soil fissure |
从图 4中可以看出，膨胀土的表面裂隙发育主要经历细裂隙发生发展，主裂隙的呈现、宽度扩展，次裂隙的发生、发展、消失，主裂隙宽度均化发展，到裂隙稳定阶段，到了稳定阶段裂隙基本不再发生变化。
通过处理得到不同裂隙发育阶段裂隙的平均宽度见表 3，发现其与试样的平均勻含水率存在良好的对应关系，下面使用线性关系式对其进行拟合。
| 表3 裂隙平均宽度 Table 3 Average width of crack |
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膨胀土的表面裂隙发育与脱湿时间、脱湿后平均含水率有很好的相关关系，如图 5, 图 6。
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| 图5 膨胀土样裂隙率与脱湿时间曲线 Fig. 5 The curve of expansive soil fissure rate and dehumidifying time |
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| 图6 膨胀土样脱湿后平均含水率与裂隙率关系曲线 Fig. 6 The curve of average moisture content after desorption and crack rate of expansive soil samples |
图 5为试样裂隙随时间变化曲线，图中裂隙率指试样表面裂隙所占面积与未发生裂隙时原试样表面面积之比。在脱湿过程中前20 h，试样表面没有出现裂隙，之后出现少量裂隙，随后逐渐发展，裂隙率分为稳定发展，加速发展和减速发展3个阶段。
图 6为试样脱湿至不同平均含水率与试样表面裂隙率关系曲线，含水率脱湿至-定临界值时，裂隙发生，裂隙率随含水率降低而不断增加，开始时表现为线性稳定增加，随后加速，平均含水率降低至-定值时裂隙率以减速的方式增加。
如图 7所示，试样表面裂隙宽度与平均含水率呈近似线性关系。
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| 图7 试样表面裂隙平均宽度与平均含水率线性拟合曲线 Fig. 7 The curve of average moisture content and average crack width of samples |
可以用以下线性式进行拟合：
| $ {B_{\rm{a}}} = a{\theta _{\rm{a}}} + c $ | (1) |
式中：
Ba—裂隙平均宽度，mm；
θa-平均含水率；
a, c—拟合参数。
拟合后：a=24.138, c=7.806, R2=0.995。
3 油渗实验膨胀土在失水过程中要收缩开裂，对于膨胀土内部裂隙的研究主要是定性研究，很难进行直接定量分析，由渗流实验可知，岩土体介质内部裂隙不同时，通过流体的能力不同，因此，可以尝试对裂隙膨胀土进行渗流实验，通过研究裂隙膨胀土通过流体的能力变化，间接定量分析膨胀土内部裂隙的发育连通情况，由于膨胀土具有很强的水敏性，很容易吸水膨胀，土体吸水膨胀导致土体内部裂隙发生改变，因此，采用煤油对裂隙发育到不同程度的膨胀土进行渗透实验，得到不同裂隙发育程度时的煤油入渗系数，由此分析膨胀土裂隙在深度方向发育与扩展规律。
6个重塑膨胀土平行试样，分别脱湿96, 79, 63，48，39，30 h拍照后，使用图 8所示装置进行油渗实验。将图中容器的水换成煤油，调节降雨器中煤油高度来控制出油量，使得裂隙土表面始终有5 mm厚的油层，此时计录量筒中3 min所流入的煤油体积，记录3次，取平均值，计算煤油渗透系数，结果如图 9~图 11。
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| 图8 室内模拟降雨仪器示意图 Fig. 8 Indoor rainfall simulation equipment |
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| 图9 土样脱湿时间与煤油入渗系数关系曲线 Fig. 9 Curve of soil sample desorption time and oil seepage coefficient |
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| 图10 土样脱湿后平均含水率与煤油入渗系数关系曲线 Fig. 10 Curve of average moisture content after desorption and oil seepage coefficient of expansive soil samples |
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| 图11 土样裂隙率与煤油入渗系数关系曲线 Fig. 11 Curve of crack rate and oil seepage coefficient |
从图 9~图 11可以看出，煤油入渗系数随脱湿时间增加而增大，初期为线性缓慢增加，随后出现急骤增长段，后期增速明显变缓，最后趋于稳定; 煤油入渗系数随平均含水率的减小而增大，也分为3个阶段；煤油入渗系数随裂隙率增大而增大，裂隙率15%以下时为线性增长段，裂隙率15%~17%为快速增长段，裂隙率大于17%后增速急骤放缓。因此，煤油入渗系数的变化可分为3个阶段：线性增长阶段、加速增长阶段和减速增长阶段。其增长最快的阶段在脱湿时间为45~65 h、平均含水率为0.09~0.15、裂隙率为15%~17%之时，说明在这-阶段裂隙在深度方向迅速扩展。
由以上煤油入渗系数的关系曲线，结合试样裂隙表面裂隙发育图像及曲线，可以得出，膨胀土裂隙发育主要分为4个阶段:第1阶段为失水阶段，这-阶段试样只失水不发生裂隙，只有当失水到-定程度时才出现裂隙，即存在-个临界点；第1阶段为表面裂隙发生并线性增长阶段，此时深度方向裂隙也线性增长，但表面裂隙增长率要远大于深度方向裂隙增长率；第3阶段为表面裂隙减速增长、深度方向裂隙急速增长阶段；第4阶段为表面、深度方向裂隙均趋于稳定阶段。
4 降雨入渗实验在油渗实验结束以后，分别对上述的6个平行试样使用图 8所示装置进行降雨入渗实验。
实验时土体上表面设置排水管收集径流，土体下表面设置滤网，土体的上表面为降雨入渗边界，下表面为自由出渗边界。用降雨器的水位微调人工降雨的强度。实验中采用雨强约为2.67×10-4 m/s，观察土样表面，记录试样表面积水径流时间及每5 min渗流出水量。用量筒量测渗出土体的雨水，用天平量测排水管出溢的径流量，以准确确定降雨的入渗量。根据试样入渗稳定时间，确定实验时间为1h实验结果整理与分析如下。
(1) 膨胀土试样径流开始时间
土样径流开始时间与试样脱湿时间、试样平均含水率、试样表面裂隙率关系曲线如图 12~图 14。
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| 图12 径流开始时间与试样脱湿时间关系曲线 Fig. 12 Curve of soil runoff starting time and dehumidifying time |
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| 图13 径流开始时间与试样平均含水率关系曲线 Fig. 13 Curve of soil runoff starting time and average moisture content |
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| 图14 径流开始时间与试样表面裂隙率关系曲线 Fig. 14 Curve of soil runoff starting time and crack rat |
从图中可以看出，土样径流开始时间与试样脱湿时间关系曲线近似于抛物线；土样径流开始时间与试样平均含水率关系曲线近似于直线；径流开始时间与试样表面裂隙率关系曲线近似于折线，折线前段斜率远小于后段斜率，折点处裂隙率与上述膨胀土裂隙发育4个阶段中第1阶段与第3阶段转折点相对应。
(2) 不同裂隙膨胀土试样渗透性能
根据记录数据计算出试样平均入渗率，见图 15(由于数据数量级的差异，15 min以后的曲线难以分清，因此将其放大)。
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| 图15 渗透时间与平均入渗率关系曲线 Fig. 15 Curve of penetration time and average infiltration rate |
由图 15可以看出，在降雨入渗初期，入渗率随时间衰减很快，在15 min内降低了两个数量级，脱湿时间越长的样初期入渗率越高，衰减的也越快; 入渗率在较短的时间内就开始趋于稳定，脱湿时间不同的试样在降雨入渗后期的规律表现的不明显，为了找出其规律，作出试样脱湿时间与入渗率关系曲线(图 16)及试样表面裂隙率与入渗率关系曲线(图 17)，图中表现出了明显的规律性。
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| 图16 试样脱湿时间与入渗率关系曲线 Fig. 16 Curve of dehumidifying time and average infiltration rate |
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| 图17 试样表面裂隙率与入渗率关系曲线 Fig. 17 Curve of crack rate and average infiltration rate |
图 16中，1~12条曲线上的点分别表示不同脱湿时间试样在第1~12个5 min所对应的平均入渗率，自第3条曲线以下由于数量级的关系将其放大。
由图 16中可以看出，在第1条曲线上入渗率随脱湿时间的增加而增加；第2条曲线上脱湿时间为79, 63, 48 h的试样入渗率发生了急剧衰减；第3条曲线上入渗率进-步衰减，其中脱湿时间为96 h的试样入渗率急剧衰减，所有试样入渗率趋于同-数量级；自第4条曲线起所有试样的入渗率处于同-数量级，但衰减规律不同，脱湿时间30 h的试样很快达到稳定，脱湿时间96, 79 h的试样在初期入渗率大，但衰减迅速，在很短的时间达到稳定，脱湿时间63，48，39 h的试样经历初期快速衰减后衰减速度明显放缓，达到稳定的时间较长；稳定后的试样入渗率与试样脱湿时间有明显的规律，开始随脱湿时间增加而增加，达到峰值后开始缓慢减小，到脱湿至近于完全干燥时略有所增加。
图 17中，1~12条曲线上的点分别表示不同裂隙发育试样的裂隙率在第1~12个5 min所对应的平均入渗率，自第3条曲线以下由于数量级的关系将其放大。
图 17中，第1条曲线中裂隙率越大对应入渗率越高，曲线上最后两点入渗率基本相同，这是因为在此时试样渗水能力要大于等于降雨量，即此时降落的雨水量除土体吸收部分外全部渗出；第2、第3条曲线相对于第1条曲线发生了急剧的衰减，这两条曲线近似于折线，折点处裂隙率与膨胀土裂隙发育4个阶段中第2阶段与第3阶段转折点相对应; 自第4条曲线起，曲线的形态相同，试样平均入渗率随试样表面裂隙率线性增长，增长到-个峰值后迅速降低，在裂隙完全发育即试样脱湿到近于完全干燥时略有所增加；不同表面裂隙试样降雨入渗后得到的稳定入渗率并不相同，稳定入渗率最大的点是试样裂隙随时间变化曲线图 5中表面裂隙率由加速发展阶段到减速发展阶段的拐点，同时也是土样裂隙率与煤油入渗系数关系曲线中加速增长阶段到减速增长阶段的拐点，稳定入渗率最小的点是接近于最大裂隙率的点。
由以上实验结果及分析可以得出结论：膨胀土试样在脱湿开裂到不同阶段时其入渗率是不相同的，有明显的规律性；降雨入渗的初期入渗率的衰减最为迅速，也说明在降雨入渗的初期土样裂隙很快闭合；试样的脱湿时间、平均含水率、表面裂隙率与降雨过程中径流出现的时间及试样的入渗率有明显的对应关系；不同脱湿时间试样最终稳定后的入渗率并不相同。
5 结论膨胀土裂隙对于工程危害很大，很多学者对此开展了大量的研究，尝试了很多新的方法，但是对于了解裂隙在深部的发育仍然是-个难题，本文尝试用油渗的方法来间接研究裂隙在深度方向的扩展，同时对在裂隙发育到不同阶段的试样进行了降雨入渗实验，发现煤油入渗系数、降雨入渗实验径流开始时间、试样入渗率与试样脱湿时间、试样平均含水率、试样表面裂隙率有良好的对应关系。
(1) 通过南阳膨胀土试样脱湿开裂及油渗实验可以得出，膨胀土裂隙发育主要分为4个阶段：失水不发生裂隙阶段；表面裂隙、深度方向裂隙发生并线性增长阶段，但表面裂隙增长率要远大于深度方向裂隙增长率；表面裂隙减速增长、深度方向裂隙急速增长阶段；表面裂隙、深度方向裂隙均趋于稳定阶段。
(2) 降雨入渗实验中土样径流开始时间与试样脱湿时间、试样平均含水率、试样表面裂隙率有良好的对应关系，土样渗透径流开始时间与试样脱湿时间关系曲线近似于抛物线；土样渗透径流开始时间与试样平均含水率近似于线性关系；渗透径流开始时间与试样表面裂隙率关系曲线近似于折线，折线前段斜率远小于后段斜率，折点处裂隙率与膨胀土裂隙发育4个阶段中第2阶段与第3阶段转折点相对应。
(3) 降雨入渗实验初期，入渗率随脱湿时间的的增加而增加，入渗率随时间衰减很快，在15 min内降低了两个数量级，脱湿时间越长的样初期入渗率越高，衰减的也越快；入渗率在较短的时间内就开始趋于稳定。
(4) 降雨入渗实验中期自不同脱湿时间试样的入渗率基本处于同-数量级，但大小不同，衰减规律也不同，脱湿时间30 h的试样很快达到稳定，脱湿时间96, 79 h的试样在初期入渗率大，但衰减迅速，在很短的时间达到稳定，脱湿时间63, 48, 39 h的试样经历初期快速衰减后衰减速度明显放缓，达到稳定的时间较长。
(5) 降雨入渗实验稳定后的试样平均入渗率与试样脱湿时间有明显的规律，开始随脱湿时间线性增加而增加，达到峰值后开始缓慢减小，到脱湿到近于完全干燥时略有所增加。
(6) 试样平均入渗率随试样表面裂隙率线性增长，增长到-个峰值后迅速降低，在裂隙完全发育即试样脱湿到近于完全干燥时略有所增加；稳定入渗率最大的点是试样表面裂隙率由加速发展阶段到减速发展阶段的拐点，是煤油入渗系数加速增长阶段到减速增长阶段的拐点，也是膨胀土裂隙发育第3阶段(表面裂隙减速增长、深度方向裂隙急速增长阶段)到第4阶段(表面、深度方向裂隙均趋于稳定阶段)的拐点；稳定入渗率最小的点是试样表面裂隙率接近于最大裂隙率的点。
(7) 本文给出-种间接衡量膨胀土的裂隙沿深部发育的方法，但是膨胀土的裂隙发育是-个非常复杂的过程，同时在降雨条件下裂隙吸水闭合是-个复杂的过程，想要弄清这些过程究竟是如何发生的需要更新的技术和方法。
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