杨俊芳,陈爱军,郑伟泽,韦学英,枊佑铭,杨 淦,陆玉佳

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院,广西 桂林 541004)

0 前 言

红黏土广泛存在于中国南方地区，是在热带亚热带湿热环境下，碳酸盐岩经过物理、化学以及生物风化和红土化作用而形成的一类特殊土。红黏土对环境湿度变化非常敏感，在干燥环境中极易开裂，遇水强度快速衰减，红黏土地基和红黏土边坡工程普遍存在收缩开裂引发的工程地质灾害[1-3]。

目前国内外针对红黏土裂隙性质的研究成果主要为掺加纤维、胶凝材料、离子固化剂等物质处治红黏土，如刘宇翼[4]等研究将电石渣与稻壳灰复合形成一种新型的胶凝材料，并将其用来固化膨胀土从而减少裂隙。李凯[5]等在膨胀土中掺入磷尾矿进行改良并对其脱湿过程进行研究，发现随着磷尾矿掺量的增加，土体的裂隙不断减少，且随温度的增加而呈现增大后减小的趋势。韩琳琳等[6]通过在膨胀土中添加ISS进行脱湿实验，结果表明黏土矿物经ISS改性后, 能够有效地整体收缩并黏结在一起, 减少了裂隙的宽度和条数。韩春鹏等[7]通过室内试验,分析干湿循环条件下纤维加筋对裂隙发展的影响，结果表明, 土体表面裂隙率、裂隙总长度随循环次数的增加而逐渐增大, 裂隙平均宽度却存在递减趋势。Miller[8]等主要研究了掺加纤维对压实黏土干燥裂缝发育的影响，研究结果表明，在保持可接受的导水率的前提下，与未改性土样相比，纤维能够有效抑制土体裂隙的发展。Viswanadham[9]等通过改变纤维的长径比和掺量，进行了一系列的离心机试验，得出长径比和纤维含量对加筋土的裂缝有明显抑制作用的结论。

上述研究表明，在黏土中掺加纤维能有效改善土体的裂隙性。棕丝作为一种廉价环保的天然纤维，既具有较高的强度，又具有一定的耐腐蚀性；在红黏土中掺加棕丝，棕丝之间相互弯曲、彼此交错，进而搭接形成空间网络结构，不仅加强了松散土体的结构强度，还使土颗粒之间的连接能力得以提高，从而达到抑制红黏土裂隙发展的目的。为降低工程造价和保护环境，本文采用天然棕丝改良红黏土,通过开展模拟自然湿热环境条件下的室内干缩开裂试验，观察试验过程中试样裂隙的开展及发育情况，对土体表面的裂隙进行定量分析，探究棕丝对红黏土裂隙发育的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次试验所用土样为湖南邵阳地区地表下2.5～4.0 m深度的红黏土，呈棕黄色(见图1)，其基本物理性质：比重2.72，缩限18.8%，液限67.7%，塑限28.3%，塑性指数39.4%，最优含水率18.5%，最大干密度1.86 g/cm3，黏粒含量62.8%。根据颗粒组成及塑性指标判断其属于高液限黏土。

试验中所采用的棕丝是一种天然纤维，具有良好的抗拉性能，不易腐化且具有较强的稳定性(见图2)，其基本物理性质：密度1.32 g/cm3，平均直径0.3 mm，断裂强度155.5 MPa，杨氏模量0.77 GPa，断裂伸长率19.07%。

1.2 试样制备及方法

试验选择规格为250 mm×250 mm×50 mm(长×宽×高)的方形盒作为盛放土样的容器，并于盒底粘贴一层砂纸以增加试样底部的摩擦效果。试样制备时，首先粉碎风干土，过2 mm筛得到试验所需要的土样，称取少量风干土测其含水率，计算公式如下：

Iw=(M1-MS)/MS

(1)

公式(1)中：Iw为风干土的初始含水率，%；M1为称取的风干土的质量，g；MS为烘干后土的质量，g。

然后根据土样的最大干密度及静压成型后试样的厚度15mm计算试样所需要风干土的质量，计算公式如下：

M2=ρV(1+Iw)/(1+Ia)

(2)

公式(2)中：M2为所需风干土的质量，g，一般取值比计算值稍大些；ρ为土的最大干密度，g/cm3；Ia为目标含水率，%。

再根据试样的目标含水率(20%、24%、28%)以及棕丝掺量(0.15%、0.3%、0.45%)分别计算出所需水的质量、棕丝的质量，计算公式如下：

Mw=M2×(1+Ia)/(1+Iw)

(3)

公式(3)中：Mw为所需水的质量,g;M2为所需风干土的质量,g;Ia为目标含水率,%。

Mz=M2×Ib

(4)

公式(4)中：Mz为所需棕丝的质量,g;Ib为棕丝掺量,%。

之后将水、红黏土和棕丝混合物翻拌均匀后放入密闭塑料袋中闷料72 h，最后通过压力机静压成型，试样厚度1 5 mm。为了便于裂隙的识别，试样表面均匀撒上一层薄石灰粉以覆盖原土的颜色及纹理。在工程实际中，拌和法的用法为先把土体风干，然后将土进行粉碎，最后将一定长度的棕丝掺入土中进行充分拌和。

室内干缩开裂试验装置如图3所示。把试样放在电子天平上，打开太阳灯模拟日光对土样进行干燥处理，每隔半小时对土样进行称重和拍照。当电子天平两次读数之差小于0.01 g时，试验结束。

图1 红黏土 图2 棕丝 图3 试验方案布置

2 土样裂隙特征提取及形态分析

2.1 图像处理

本文通过MATLAB编程对土样裂隙图片进行处理，提取土样的裂隙特征，具体过程如下：如图4分别为图像裁剪(见图4(a))、图像二值化(见图4(b))、图像膨胀腐蚀(见图4(c))、图像中值滤波处理(见图4(d))、提取骨架(见图4(e))和去除毛刺(见图4(f))。

图4 裂隙特征处理

其中图像二值化是利用im2bw函数将图像进行二值化处理，减少图像中的数据量，使裂隙的边缘特征更加显著。图像膨胀腐蚀是利用strel、imdilate函数对图像进行形态学处理，去掉二值图像中的一些小的闭合区域。图像中值滤波处理(见图是利用medfilt2函数对图像进行中值滤波处理，将一些较小的噪点进行滤除。提取骨架和去除毛刺是利用bwmorph函数对二值图像进行骨架提取和毛刺去除。

最后根据公式计算裂隙面积、长度与宽度等数据并导出。其中裂隙率需要根据导出的数据进行计算，计算公式如下：

Ic=A1/A2

(5)

公式(5)中：Ic为裂隙率，%；A1为导出的裂隙面积，m2；A2为土样的面积，m2。

2.2 不同棕丝掺量的土样裂隙形态

含水率为24%，不同棕丝掺量下土样的裂隙形态如图5所示。其中图5(a)～5(d)的棕丝掺量依次是0、0.15%、0.30%、0.45%。

图5 含水率24%的土样裂隙分布

由图5可知，随着棕丝掺量的增大，土样的裂隙分布由明显的纵横向发展逐渐向四周发散，裂隙数量明显增加，宽大裂隙不断减少，而细小裂隙增加较多。裂隙宽度逐渐变小，裂隙深度也相应变浅，单条裂隙长度也变短。由此可见，虽然掺加棕丝增加了土体裂隙的数量，但对土体的“破坏”程度反而有所减轻，即裂隙对土体的影响仅局限在土样的浅表层。

3 试验结果及分析

通过室内干缩开裂试验，得到试验结果如表1～3所示。

表1 含水率20%棕丝改良红黏土的裂隙特征

表2 含水率24%棕丝改良红黏土的裂隙特征

表3 含水率28%棕丝改良红黏土的裂隙特征

3.1 棕丝掺量对红黏土裂隙的影响

棕丝掺量对土样裂隙特征指标的影响如图6～8所示。

由图6可知，随着棕丝掺量的增加，裂隙率总体呈下降趋势,且当棕丝掺量达到0.30%后，棕丝掺量的增加对裂隙率的影响不明显。如含水量20%时，当棕丝掺量分别为0、0.15%、0.30%和0.45%，相应的裂隙率是9.1%、5.2%、4.3%和4.2%,4.2%与4.3%之间仅相差0.1%。含水量为24%和为28%时，裂隙率的变化规律类似。

图6 棕丝改良红黏土的裂隙率变化 图7 棕丝改良红黏土的裂隙长度变化 图8 棕丝改良红黏土的裂隙平均宽度变化

图7表明，裂隙长度随着棕丝掺量的增加，呈先降低后上升趋势，且当棕丝掺量为0.30%时，土样的裂隙长度最小。当含水量为20%时，棕丝掺量0、0.15%、0.30%和0.45%对应裂隙长度分别为2 295.1、1 818、1 609.2、1 762.4 mm，最小裂隙长度1 609.2 mm对应的棕丝掺量为0.30%；含水量为24%和为28%时，土样的裂隙长度也是呈现同样的变化规律。

图8表明，随着棕丝掺量的增加，裂隙的平均宽度刚开始不断减小，后期渐趋稳定。如含水量20%时，棕丝掺量0、0.15%、0.30%和0.45%的裂隙率分别为2.4、1.8、1.6、1.5 mm，棕丝掺量0.3%和0.45%的裂隙宽度只相差0.1 mm。由此可见，随着棕丝掺量的增大，红黏土裂隙率和裂隙平均宽度呈降低趋势，裂隙长度呈先降低后上升趋势，且棕丝掺量为0.30%时，裂隙长度最小。 棕丝掺量对红黏土裂隙发展有显著影响，这是由于当红黏土因为失去水分而产生干缩开裂的情况时，存在于土体内部的棕丝便类似混凝土中的钢筋般起到“桥接”的作用，棕丝与土体颗粒之间产生的摩擦力，在一定程度上抵消了部分因土颗粒间水分散失而产生的拉应力，从而衔接了土体开裂产生的断口，并使裂隙的纵向发育得以削弱，以达到抑制裂隙持续延伸的目的[10]。在一定范围内，棕丝掺量越高，其“桥接”作用越明显，极大程度上抑制了红黏土裂隙的纵向及横向发展，从而达到抑制其裂隙发展的目的。而当棕丝掺量增大到一定值时，由于效力最大化，裂隙的变化将不再明显。

3.2 初始含水率对棕丝改良红黏土裂隙的影响

含水率对不同棕丝掺量改良红黏土裂隙的影响如图9～11所示。

由图9可知，裂隙率随着含水率的增加，总体呈上升趋势。如棕丝掺量为0.30%时，当含水量分别为20%、24%和28%时，裂隙率相应是4.3%、6.8%和11.6%；棕丝掺量为0、0.15%和0.45%时，土样裂隙率也是呈现同样的变化规律。

图9 棕丝改良红黏土的裂隙率变化 图10 棕丝改良红黏土的裂隙长度变化 图11 棕丝改良红黏土的裂隙平均宽度变化

结合图10和图11分析，随着含水率的增加，土样裂隙长度和裂隙平均宽度总体均呈上升趋势。如棕丝掺量为0.30%时，当含水量分别为20%、24%和28%时，裂隙长度相应是1 609.2、1 922.5、2 412.4 mm；裂隙平均宽度相应是1.6、2.1和2.8；棕丝掺量为0、0.15%和0.45%时，裂隙长度和裂隙平均宽度的变化规律类似。上述分析表明，随着含水率的增大，素土及棕丝改良土的裂隙率、裂隙长度和裂隙宽度均呈增长趋势。诸多学者[11-16]认为土体裂隙的扩展为水分在土体中的运动提供了通道，且由于含水率梯度的不同使得土体上下部基质吸力存在较大的差异性,从而导致土体由于收缩不均匀而产生裂隙。初始含水率决定了红黏土裂隙性的严重程度,初始含水率越大，则裂隙发育越显著；初始含水率越小，则土体开裂程度越小。试验结果表明，随着含水率的增大，红黏土的裂隙长度与裂隙平均宽度均呈增长趋势。这是由于在土体体积和土体的干密度不变的情况下，含水率越高，孔隙水所占据的体积就越大，土体颗粒间的间距就会增大，孔隙比也增大;同时在干燥过程中土体收缩变形量也相对增大，从而为裂隙发育提供更大空间，且由于棕丝的存在，棕丝贯穿于土体内部，在一定程度上“破坏”了试样的致密性，即产生了大量的细小裂隙，使得最终裂隙长度增大。

4 结 论

(1) 棕丝是一种天然纤维，具有强度高、耐久性好、造价低和环保的优点，利用棕丝改良红黏土可以有效抑制其裂隙性。

(2) 随着棕丝掺量的增大，改良土的裂隙率和裂隙宽度呈降低趋势，裂隙长度呈先降低后增大趋势，且棕丝掺量为0.3%时裂隙长度最小。

(3) 随着含水率的增大，素土与棕丝改良土的裂隙率、裂隙长度及裂隙宽度均呈增长趋势。