南阳盆地膨胀土裂隙的特征

本文在南水北调中线工程总干渠多年勘察研究的基础上,总结了南阳盆地膨胀土裂隙的类型、基本特征以及开挖边坡浅层裂隙的发展趋势及其对边坡稳定性的影响。     

干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究

裂隙性是膨胀土的典型工程地质特性之一,对其工程性质有重要影响,直接或间接地导致各种工程问题。通过对重塑膨胀土开展室内干湿循环试验,对获得的裂隙数字图像采用图像处理技术进行一系列预处理操作,提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量化指标,定量描述裂隙的形态特征,分析干湿循环过程中压实膨胀土的裂隙发育规律。结果表明:含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素。随着含水率的减小,重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。表面裂隙率、裂隙条数和总长度随含水率的减小逐渐增加,绝对收缩率随含水率减小而增大,而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律;随干湿循环次数的增加,裂隙进一步发育,裂隙条数、裂隙总长度、表面裂隙率增加,绝对收缩率总体增大,但裂隙平均宽度存在减小的现象,这与后期发育的大量微裂隙有关。     

干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究

通过膨胀土多次干湿循环的三轴和直剪实验,从试样裂隙率计算结果可以得出,三轴试样,经第1次循环,其表面裂隙率增幅最大, 2~4次循环增幅较大,第5次循环增幅较小。直剪试样,试样表面裂隙率经1~3次循环增幅较大,第4次循环增幅较小,第5次循环以后试样表面裂隙率有所降低,但降低的幅度不大。总的说来,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土试样表面裂隙率不断增大。     

压实膨胀土表面裂隙发育规律及与强度关系研究

利用PCAS裂隙图像处理软件对干湿循环条件下不同压实度膨胀土的表面裂隙发育变化进行动态、定量的测量,并对不同裂隙发育程度的膨胀土进行了直剪试验。试验结果表明:压实度越大,裂隙开裂程度越小;黏聚力随干湿循环次数的增加呈递减趋势,而内摩擦角则受干湿循环的影响小。循环次数相同时,压实度越大,黏聚力越大;黏聚力分别随裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度变化的曲线具有明显的相似性,说明黏聚力与这三个参数存在一定的相关性;裂隙率和分形维数与黏聚力具有线性关系。     

膨胀土裂隙图像处理及特征提取方法的改进

裂隙特征作为膨胀土裂隙研究的基础,其定量化描述有助于进一步研究裂隙对膨胀土工程性质的影响。以膨胀土平面裂隙为研究对象,使用数码摄影获取膨胀土裂隙图像,通过优化和改进裂隙图像处理方法及裂隙特征提取方法,获得膨胀土裂隙的各特征参数。对于裂隙图像处理方法,采用改进的局部阈值二值化方法,相比大津法能更好地将裂隙和背景区分开来,而通过标记连通区域的方法有效去除了裂隙二值图像中全局分布的细小杂点,同时,利用闭运算填充了裂隙图像中细小的孔洞和缺口,上述处理方法使裂隙二值图像更清晰可靠。对于裂隙特征提取方法,基于对裂隙端点和交点的快捷识别能力,选择了查找表方法作为裂隙条数统计的基础;改进了端点识别算法以去除毛刺,提高了裂隙长度统计的精度;采用改进的最小外接矩形算法进行裂隙宽度的统计,提高了计算精度,节省了计算时间;尝试采用玫瑰花图进行裂隙方向统计,更直观明了地分析裂隙方向及条数的变化规律。     

膨胀土裂隙的平面描述分析

通过室外数码成像,记录了不同含水量下原状膨胀土表面裂隙的开展状态,基于MATLAB软件用二值化像素统计的方法对膨胀土表面裂隙率与含水量的关系进行了量化,并且在二值化图像的基础上,基于AutoLISP程序对原状膨胀土表面裂隙的分形维数进行自动化统计。分析结果表明,膨胀土表面裂隙率和分形维数与含水量的关系基本呈线性关系,单位含水量变化引起裂隙率和分维的不同变化特征可对膨胀土胀缩性做出相应区分;二值化像素和分形维数统计的方法均可对原状膨胀土表面裂隙进行描述分析,为进一步研究膨胀土的裂隙性提供了有效途径。     

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明：三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。     

聚丙烯纤维改良膨胀土干缩裂隙试验研究

为了更好地探究聚丙烯纤维对膨胀土干缩裂隙的抑制作用,在相同的蒸发温度下分别从定性和定量两个方面对有纤维和无纤维的膨胀土表面裂纹发展、演变和特征进行分析。研究结果表明,水分蒸发过程中聚丙烯纤维对膨胀土的裂缝有显著的抑制作用,而在干缩裂缝形成过程中裂缝数量与裂缝接缝的比值γ能够反映裂缝的穿透程度,其值越小,裂缝的穿透程度越强。这种物理改良方式能够使聚丙烯纤维与膨胀土连接成为整体,进而将干缩应力扩散到膨胀土中,有效减缓其裂缝发展的速度。研究成果可在干缩裂隙膨胀土地区路基处理中推广应用。     

膨胀土裂隙的工程特性研究

裂隙是膨胀土的重要特征之一,长期以来,人们常常把分布于膨胀土大气影响深度范围内受干湿循环影响而产生的干缩裂隙与膨胀土地层中特有的原生裂隙混为一谈。在对膨胀土边坡失稳机制的研究中,也忽视了原生裂隙对边坡稳定的重要影响。为研究南水北调中线工程膨胀土地段渠道破坏机制,在河南省南阳市郊建设了一条长为2.05 km试验渠道,通过渠道开挖期间的地质勘察、现场观测和取样试验,以及对现场滑坡体的取样分析,研究了膨胀土裂隙及周边土体的物质成分、密度、含水率和强度特性,结合现场观测资料分析了裂隙与渠道滑坡的关系。研究表明,膨胀土地层中的原生裂隙有两种类型：光滑蜡状裂隙和有一定厚度充填黏土的裂隙。裂隙面上的物质成分与两侧土略有不同,且天然密度低、含水率高,强度远低于相邻土体的强度,一旦地层与边坡倾向一致,将产生沿裂隙面的滑动。     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙的定量分析

为研究膨胀土在降雨与蒸发过程中的胀缩裂隙演化规律,对原状膨胀土进行干湿循环的CT扫描试验。利用Matlab软件编写程序对土体CT图进行三维体重建以及裂隙信息的提取,从定性与定量的维度研究土体三维空间裂隙与干湿循环之间的关系。定性研究发现,裂隙发育开始于土体内部初始孔洞与微纹裂等薄弱处,并扩展延伸,形成裂隙面、裂隙体,最后形成复杂的三维裂隙网络;随着干湿循环的进行,裂隙面积和体积逐渐增加,最后趋于稳定。定量研究发现,裂隙面积沿试样轴向的分布具有明显的周期性规律,随着干湿循环的进行,周期逐渐减小,振幅A先增加后减小;裂隙开展分为3个阶段,即裂隙酝酿期、裂隙快速发育期和裂隙平稳发展期,而裂隙发育主要发生在裂隙快速发育期。得出了试样径向裂隙面积、轴向高度与累计干缩体变之间的近似关系,以裂隙体积定义了符合Logistic函数变化规律的扰动函数,可以预测裂隙在试样局部的发展及分布情况,为裂隙膨胀土的渗透特性以及整体与局部的应力、应变研究提供参考。     

裂隙面对强膨胀土抗剪强度影响分析

膨胀土作为一种特殊性土,其抗剪强度取值不同于一般的黏性土。实践证明,在进行膨胀土边坡设计时,不仅要考虑土体的土块强度,而且也要考虑裂隙面强度,其抗剪强度在很大程度上受其裂隙面规模与产状的影响,尤其是对裂隙极发育的强膨胀土而言。为了更加真实地模拟强膨胀土在裂隙面控制下的剪切破坏,特在南水北调中线工程南阳段强膨胀土地段进行大剪试验,通过拟合试验数据,对强膨胀土抗剪强度影响因素进行分析。结果表明,裂隙面的发育程度、倾角、裂面的起伏程度都对强膨胀土的抗剪强度有着很大的影响。     

膨胀土边坡渗透变形的表面裂隙图像特征分析

膨胀土在我国分布广泛。由于其具有涨缩特性,膨胀土边坡在干湿循环条件下易失稳形成滑坡,造成严重的地质灾害。裂隙的发育-扩展-贯通则是膨胀土边坡失稳致灾的前提,因此,准确把握裂隙的发育机制、图像特征,进而推演膨胀土滑坡的形成过程,是一条重要的预警途径。本文以安徽淠史杭灌区膨胀土边坡为研究对象,进行“降雨+自重”条件下的原位试验,对失稳过程中的土体表层裂隙图像特征进行系统研究,重点分析裂隙度、裂隙几何特征参数的变化与边坡失稳之间的关系。研究结果表明：通过土体表层裂隙图像的综合分析,进行边坡危险性评价,具有可行性;针对该地区膨胀土边坡,起始裂隙度处于0.19～0.03范围,后续裂隙度相较初始状态增加范围处于0.5%～1%,且沿软弱结构面存在的横向裂隙发育为主控裂隙时,边坡出现异常,应提出预警。     

干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验研究。试验中采用烘干法模拟脱湿过程,采用抽气饱和法模拟饱和过程。在脱湿过程中,定时对土样进行称重、定点拍照,以记录裂隙发育状况。利用矢量图技术对裂隙照片进行矢量化处理,以提取裂隙的各种几何要素,继而进行裂隙度计算。裂隙度变化规律分析结果表明,影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率,而是含水率梯度,而脱湿速率的空间分布、土块渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素;膨胀土裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育,主要体现在裂隙总面积与总长度的增加,但此作用有限,裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止;反复干湿循环会使土体产生范性变形,该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系,其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏,裂隙越发育,土体范性变形量越大     

含裂隙膨胀土无侧限抗压强度特征试验研究

膨胀土易发育大量裂隙,对其工程性质影响显著。引入一种膨胀土试样预制裂隙方法,对特定裂隙形态下膨胀土试样开展无侧限抗压试验,研究了膨胀土强度特征受裂隙形态的影响,并揭示了裂隙的作用机制。研究结果表明：（1）裂隙形态显著影响试样破坏模式,垂直于受力方向裂隙越宽,破坏模式由剪切-拉伸破坏向张拉破坏转变;平行于受力方向裂隙条数...     

南阳重塑中膨胀土脱湿全过程裂隙开裂特征及影响因素分析

环境温度是影响膨胀土开裂的外部因素之一,初始含水率和干密度是影响膨胀土开裂的重要内部因素。为研究膨胀土的开裂特征及影响因素,对南阳重塑中膨胀土进行了多组脱湿全过程裂隙开裂试验。研究结果表明:脱湿开裂过程可分为3个阶段,脱湿收缩与裂隙酝酿阶段、裂隙产生并迅速扩展阶段和基本稳定阶段;采用试样收缩面积加裂隙总面积之和与试样初始面积的比值计算裂隙度,可描述脱湿收缩特性和开裂孕育过程,适用于描述小试样的脱湿开裂过程;环境温度对膨胀土脱湿过程有一定影响,当试样的脱湿温度较高时,其最终的裂隙度偏小;试样初始、含水率与收缩开裂裂隙度正相关,初始干密度与收缩开裂裂隙度负相关。     

裂隙性膨胀土饱和-非饱和渗流分析

降雨入渗条件下的裂隙性膨胀土边坡稳定性与其渗流场分布密切相关,对渗流分析中的积水深度进行了数值模拟,结果显示,不同的积水深度对渗流场的影响很小,因此,在进行裂隙性膨胀土渗流分析时,积水深度为0的假定是可以接受的。基于膨胀土开裂裂隙的规模及渗透性的不同,提出了考虑裂隙系统的膨胀土边坡渗流分析方法,计算结果表明,土体开裂显著改变了膨胀土内部的渗流场分布。该方法可以更好地模拟坡渗流场随时间的变化规律,以及更合理地解释了降雨入渗引起的膨胀土边坡浅层滑动机制。     

南阳膨胀土裂隙面强度试验研究

裂隙性是膨胀土的基本特性之一,膨胀土中原生裂隙面的存在往往导致膨胀土边坡的失稳。选取南水北调中线工程南阳段膨胀土进行裂隙面强度特性试验,提出了裂隙面强度三轴试验新方法。首次将计算机X射线断层扫描技术引入裂隙面的强度试验,通过测量裂隙面真实产状,准确分析裂隙面上的破坏应力,提出了裂隙面强度参数的整理方法。研究成果表明,裂隙面的峰值强度不仅远小于两侧土的峰值强度,而且也小于两侧土的残余强度;裂隙面强度较低的原因主要是其具有较高的含水率、蒙脱石含量以及颗粒排列定向度。地下水淋滤作用对于膨胀土裂隙面存在3个方面的影响：微观上使得膨胀土中铁的氧化物由三价转变为二价,形成与两侧土颜色完全不同的灰白色裂隙黏土;细观上改变了母体土的矿物成分和颗粒排列结构,使得裂隙填充物具有较高的蒙脱石含量和颗粒定向度;宏观上形成了裂隙面与两侧土体力学强度的显著差异。     

冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响

干湿与冻融耦合作用是构成高寒地区恶劣气候条件的基本形式之一,对高寒区膨胀土输水渠道的正常运行产生严重影响。以北疆供水工程渠道现场渠基膨胀土为研究对象,开展了单向湿干及湿干冻融耦合循环作用下的裂隙试验,探讨了冻融过程对膨胀土裂隙演化规律的影响。通过对不同试验条件下的膨胀土试样进行CT扫描及三维重构,获得了不同循环次数作用下膨胀土内部裂隙的演化特征。试验结果表明：湿干及湿干冻融耦合循环作用下试样内部裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律,裂隙的区域性分布明显。对比不同试验条件下试样内部裂隙的演化特征可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程对试样裂隙的开展深度影响显著,冻融过程造成试样内部裂隙的破碎断裂,宏观表现为非水平向长裂隙向短裂隙的转化。此外,研究还发现采用裂隙体积分数能较好地评价膨胀土试样经受不同循环次数作用下的裂隙发育规律。     

考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟

包含裂隙的非饱和膨胀土中的渗流具有随时间变化的特性。采用常规试验测定非饱和膨胀土膨胀时程曲线,定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征, 建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型;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。结果表明, 坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大;裂隙对边坡入渗的影响随裂隙深度的增大而增大,且存在一最大的影响程度;裂隙的存在加快了膨胀土的入渗速率;考虑裂隙随入渗而愈合时, 入渗达到平衡的时间有所延长。     

膨胀土湿干胀缩裂隙演化及其定量分析

膨胀土是一种分布广泛且具有明显胀缩性的裂隙土,其裂纹萌生及裂隙扩展会受到诸多因素的影响。此试验利用基于MATLAB开发的图像处理与裂隙定量分析程序,研究了膨胀土裂隙开展的尺寸和温度效应。制备25个不同初始状态的膨胀土泥浆试样,利用拍照台对其失水收缩过程中试样表面裂隙演化过程以及对应含水率进行记录。运用裂隙定量分析程序,分别对两类效应单独作用、耦合作用下的膨胀土裂隙度Df、长径比C、裂隙平均宽度w、分形维数值等指标进行定量化分析发现:膨胀土裂隙的分形维数值具有较好的稳定性,其指标仅受试样厚度轻微影响,分形维数与含水率ω的关系呈近似对数曲线;在失水收缩过程中膨胀土最终裂隙指标主要受到试样厚度的影响,表面尺寸对裂隙长径比、宽度最终值也有一定影响,温度影响主要体现在促使裂隙更早、更快的发育并稳定,对最终指标影响相对不明显,影响显著性顺序为:厚度>表面尺寸>温度;此外还对膨胀土失水收缩开裂过程机制进行分析,进一步研究膨胀土的裂隙发育以及两类效应对其裂隙扩展的影响规律。