膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究

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1、水利学报2004年6月SHUILIXUEBAO第6期文章编号0559-9350(2004)06-0108-06膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究袁俊平殷宗泽(河海大学岩土工程研究所江苏南京210098)摘要利用远距光学显微镜对重塑膨胀土中在自然风干条件下的裂隙发展变化进行了动态的定量的观测对不同裂隙发育程度的膨胀土进行了不排水不排气的非饱和三轴多级剪切试验试验结果表明裂隙图像的灰度熵可以很好地表征裂隙的发育发展程度适合作为膨胀土裂隙发育程度的度量指标环境温度较高湿度较低有利于膨胀土中裂隙的发育发展膨胀土中裂隙发展是一个长期的渐进的过程初期裂隙发展速度较快后期大大减缓裂隙膨胀土的强度指标与饱

2、和度和裂隙度呈线性关系土体裂隙不发育时饱和度是影响强度的主导因素而饱和度较低时裂隙对膨胀土强度的影响占主导地位关键词膨胀土裂隙远距光学显微镜灰度熵裂隙度强度中图分类号TU443文献标识码A[1]南水北调中线工程将穿过几百公里的膨胀土地区膨胀土渠坡稳定是其中一个重要研究课题影响膨胀土边坡稳定的决定因素是土体强度而膨胀土的强度受其裂隙性影响极大一方面裂隙破坏了土体的整体性另一方面在降雨或渠道水位变化时裂隙为水分渗入提供了便利通道使水分快速入渗造成裂隙周边土体迅速软化并向周围扩展同时吸力也迅速降低大大降低了土体的抗剪强度使土体容易沿裂隙面滑动因此裂隙性是影响膨胀土边坡稳定的关键因素裂隙土的强度特

3、性是研究膨胀土坡稳定时[2]不能忽略的问题为此本文在前人定性分析的基础上探索了定量化描述膨胀土中裂隙的方法研究了土体强度随裂隙发育发展而变化的规律希望较好地解决膨胀土坡稳定问题1裂隙的定量化观测[3]在室内主要通过如下几种手段对土体微细观结构进行观测压汞法显微镜切片法X射线衍射法[45][67][8]扫描电镜法超声波法计算机断面成相技术(CT法以及远距光学显微镜观测法其中压汞法操作较简便精度较高但其反映的是土样的平均孔隙分布无法对土体的裂隙结构作具体描述显微镜切片法X射线衍射法和扫描电镜法均需采用土样切片试样制备较复杂且由于进行土样切片而很难不破坏土体的结构状态CT法是一种无损观测方法可以

4、动态定量地量测原状岩土体微细观结构的发展变化但仪器设备比较昂贵不易广泛应用超声波法通过声波穿过土体的速度变化间接量测土体内部结构目[9]前尚处于研究开发阶段为了方便制样尽可能地避免制样过程造成土样结构扰动且可以无损连续动态地观测土样中裂隙的发育发展本文采用了图1所示的远距光学显微镜观测系统本试验采用半圆柱形土样对原状土样由与普通三轴试验同样尺寸的圆柱形土样沿对称面切割一定深度后掰开得到尽量不要用机械模具在试样的表面轻涂一薄层胶水待胶水干后把胶皮撕下并用橡皮球吹去松动的颗粒即可获得试样的新鲜表面以细小的黏土矿物为主的试样当胶皮撕下时反而会把黏土矿物薄片拉起所以操作时应十分仔细为减少加荷过程中

5、试样与玻璃间相对滑动而引起的磨擦收稿日期2003-03-28作者简介袁俊平(1975-)男湖北麻城人博士生主要从事土体基本性质及非饱和土力学等研究1水利学报2004年6月SHUILIXUEBAO第6期可在试样剖面上附一层高透明度的极薄塑料薄膜并在薄膜与玻璃间涂上一层透明硅油对重塑饱和样可直接由与普通三轴试验同样尺寸的圆柱形土样沿对称面小心用钢丝锯切割成两半而成注意表面不能用刀具刮平将试验过程中观测所得图像保存为位图并利用图像处理软件将图像进行合适的灰度处理去除小坑洼或暗斑等非裂隙的影响计量裂隙所造成的暗色区域所占面积比例或图像的灰度熵对于呈线性的贯穿裂隙可测定其长度与方向为避免由于观测区域

6、过小而引起观测结果不具备代表性采用了同时观测多个点平均其图像特征的方法这里选测46个观测点图1远距光学显微镜观测系统2裂隙的量化指标[]2.1裂隙的几何要素与裂隙度参照切尔内绍夫的分类方法依裂隙排列关系可对裂隙网络作如下分类(1)系统裂隙网络全部裂隙可分成若干组每组裂隙面相互平行需要指出的是天然裂隙的平行程度显然只能是近似的(2)随机裂隙网络裂隙面没有定向的规律裂隙系统分布随机混乱不存在成组的相互平行的裂隙(3)多角型裂隙网络裂隙由系统分布向随机分布的过渡状态只有一个相互平行的裂隙系统此外还存在一组垂直的裂隙系统它们在互相平行的系统的断面上形成了具有37条边的多角形(4)混合型裂隙网络由以

7、上几种典型裂隙网络叠加形成的裂隙系统对工程应用而言裂隙的走向倾角宽度深度长度及分布密度是影响裂隙土的工程力学性质的主要几何要素它们分别描述裂隙特征的不同方面通常采用一个综合指标来反映裂隙的总体几何分布特征可称之为裂隙度由于天然裂隙分布多呈混乱型裂隙网络因此通常定义的裂隙度用来表征混乱型[10]裂隙网络的几何特征以下为几种裂隙度的定义式nlnlnl∑Ai∑li∑Aii=1li=1Adndi=1(1)δ=,δ=,δ=,δ=,