干湿循环作用下黄土厚度对其裂隙发育的影响.pdf
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1、西北大学学报(自然科学版)2024年2 月,第54卷第1期,Feb.,2024,Vol.54,No.1Journal of Northwest University(Natural Science Edition)JNWU工程地质灾害【主持人语】土结构疏松具有湿陷性、振陷性、崩解性,加之黄土高原特殊的地貌、气候等因素,黄土地区滑坡、崩塌、泥石流等重大灾害分布广、类型多、突发性强、群发周期显著,危害极重,严重限制了黄土高原区生态环境保护和高质量发展,威胁着区域人居安全和社会稳定,威胁着铁路、公路、机场、矿山、输油、输气、输水等长输生命线工程以及水利设施等工程的安全运营,并严重影响国民经济的发展。
2、如何将各类工程及人民生命财产置于安全屏障内,抵御上下左右的灾害侵袭,是当前地质工程领域函待解决的重大科学难题。在此背景下,极端气候-人类活动耦合作用下地质灾害诱发机制与防灾减灾成为研究的重点与热点,但仍存在诸多难点函待突破。西北大学学报(自然科学版)特开设“工程地质灾害”专栏,从土的特性、土体灾变机理到防灾减灾方面展开了深入研究,涉及特殊性黄土在水-温-振(震)环境下的非饱和特性、动力学特征、崩解特性等,揭示降雨、浸水、地震等作用下滑坡的启动机理与运动规律、深部场地湿陷特性与桩基承载特性、地面塌陷模式、地表开裂规律,提出微型桩、改良土体、生态防护地质灾害防治的科学方案。这些研究面向国家战略,服
3、务国家基础建设防灾减灾的重大需求,对于科学认知工程地质灾害复杂性和防灾的迫切性,以及推进工程地质灾害防治的精准化,起到一定的引导与参考作用。【主持人】王家鼎,西北大学二级教授、博士生导师,国务院政府特殊津贴专家,陕西省杰出人才,三秦学者。干湿循环作用下黄土厚度对其裂隙发育的影响焦少通,王家鼎,张登飞,戚利荣,李帅,李(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西西安7 10 0 6 9)摘要黄土体长期处于降雨和蒸发的湿热耦合环境,极易诱发土体裂隙产生,显著弱化土体的结构性和完整性,从而影响工程区域的建设。因此,对干湿循环作用下不同厚度的黄土开裂特性研究十分必要。该文通过室内干湿循环试验,记
4、录试样的含水率变化和裂隙发育情况,利用数字图像处理技术,结合分形维数对裂隙网络进行分析。试验结果表明,蒸发路径和含水量的不同导致土体水分蒸发速度不同,土体越厚,水分蒸发速度越慢。界面摩擦力影响土体开裂过程,土体越厚,裂隙发育越慢,裂纹网络复杂性越低。随着干化的进行,界面摩擦力逐渐降低,土体收缩明显,干湿循环效应导致土体颗粒重新组合,加快水分蒸发过程,土体表面会不断劣化。研究结果可为地质灾害防治提供指导。关键词干湿循环;土体厚度;裂隙特征;分形维数;摩擦力中图分类号:P642收稿日期:2 0 2 3-11-0 8基金项目:国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(42 0 2 7 8 0 6);国家
5、自然科学基金重点项目(416 3 0 6 3 9);西北大学研究生创新项目(CX2023012)。第一作者:焦少通,男,从事工程地质研究,2 3 9 6 0 2 516 6 。通信作者:王家鼎,男,教授,博士生导师,从事水文地质与工程地质研究,。琳,李珊D0I;10.16152/ki.xdxbzr.2024-01-0012西北大学学报(自然科学版)第54卷Study on the effect of thickness of loess on its crack developmentunder the action of dry-wet cyclesJIAO Shaotong,WANG Ji
6、ading,ZHANG Dengfei,QI Lirong,LI Shuai,LI Lin,LI Shan(State Key Laboratory of Continental Dynamics,Department of Geology,Northwest University,Xi an 710069,China)Abstract The loess with different thickness is in the humid-thermal coupling environment of rainfall-evapora-tion for a long period of time
7、,which is very prone to induce the generation of cracks in the loess,significantlyweakening the structural and integrity of the loess,thus affecting the construction of the project area.There-fore,it is necessary to study the effect of soil thickness on the cracking characteristics of loess under th
8、e actionof wet dry cycles.In this paper,a series of indoor wet dry cycle tests were carried out to record the water con-tent change and crack development of the specimens in real time,and the crack network was analyzed by usingdigital image processing technology combined with fractal dimension.The t
9、est results show that:the differentevaporation paths and water contents lead to inconsistent water evaporation rate of the soil,and the greater thethickness of the loess,the slower its water evaporation rate;interfacial friction affects the cracking process ofthe soil,and the thicker the soil,the sl
10、ower the development of cracks,and the lower the complexity of thecrack network.As drying proceeds,the interfacial friction gradually decreases and the soil shrinks significant-ly.The dry-wet cycle effect will lead to the reassembly of soil particles,accelerate the water evaporationprocess,and the s
11、oil surface will deteriorate continuously.The results of the study can provide some guidancefor the prevention and control of geologic hazards in the Loess Plateau region.Keywords dry-wet cycles;soil thickness;fracture characteristics;fractal dimension;friction极端干旱和暴雨事件的频发,导致生态环境较为脆弱的黄土高原地区长期处于降雨和蒸发
12、的湿热耦合环境中,黄土体极易发育裂隙和产生形变。裂隙的存在会不断劣化弱化土体的强度及其稳定性,形成优势渗流通道,由此诱发黄土地区一系列的地质灾害 14 土体的裂隙发育过程十分复杂,土体开裂受黏粒含量、环境温度、试样初始条件和试验方法等相关因素的影响 5-7 。黄土中存在强亲水性黏土矿物,为黄土体发育胀缩裂隙提供了必要条件18 。叶万军等通过CT扫描技术获得了干湿循环作用下土样细观结构变化图 9 ,干湿循环幅度越大,土样内部节理裂隙发展越快;苏立君等从黄土的黏粒成分及结构性特征角度研究了其干缩裂隙的发育规律 10 ;郭鸿等研究了不同环境温度和土体厚度条件下黄土干缩裂隙的发育规律;抗兴培等在现场勘
13、察观测的基础上,提出由干燥蒸发引起的土体龟裂是黄土坡顶裂缝发展的起始阶段 12 。环境因素的变化对于不同厚度土体的裂隙演化规律有着重要的影响 13-5,然而,现有文献对干湿循环作用下,不同厚度的黄土裂隙发育过程的规律鲜有研究。鉴于此,本文将主要研究在干湿循环过程中,厚度效应对黄土裂隙发育的影响,对土体裂隙的动态发展过程进行监测,记录含水率的变化,采用数字图像处理技术对裂隙进行提取,结合分形维数对裂隙发展的规律进行分析。以期能够深入理解黄土体开裂的机制,对黄土高原地区的地质灾害防治形成一定的指导意义。1试验材料及方法1.1土样试验土样取自陕西省延安市某一典型黄土斜坡处,对原装样进行室内土工试验,
14、通过环刀法测得天然密度和含水率,通过液塑限联合测定仪得到液塑限,通过密度瓶法测得土粒密度,基本物理性质如表1所示。将取回的土样烘干之后碾碎,并用0.5 mm的筛均匀筛入下方有机玻璃盒中,以此模拟黄土自然沉积的过程,盒子尺寸为2 0 cm20cm10cm。分5层进行压实,为保证水分均匀,当土质图3 图像处理过程第1期量达到每层计算的质量时,用喷水壶喷洒定量的水,待水完全渗人,将表面刮毛,继续加土,直至土体厚度到所设定的高度。记录每次加人水和干土含水率/%密度/(g cm=3)15.801.641.2试验方案本次试验设定3 组试样,土体厚度分别为2cm、3 c m、4 c m。根据现有研究 16
15、,干湿循环的次数在4 5次之后,土体的性质趋于稳定,因此,设定5次干湿循环。干化过程中起始含水率为2 4%,终止含水率为4%,具体流程如图1所示。2420%/率水号16128400Fig.1Flow chart of the experiment根据延安当地实际地表温度,设定控温烘箱的温度为40。定时记录土体质量,采用照相机实时记录土体表面裂隙发育过程(见图2)。湿化时,为防止试样表面遭到较大流水冲蚀,采用喷雾装置进行加湿直至土样到达起始含水率。每一次增湿结束后,将试样在室温条件下密封养护48 h,保证其内部水分充分平衡。LED土样天平图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic dia
16、gram of the experimental device焦少通,等:干湿循环作用下黄土厚度对其裂隙发育的影响表1土样基本物理性质Tab.1Physical characteristics of soil samples塑限/%15.86O812循环次数/次图1干湿循环流程图照相机TH3的质量,最终测得土样平均密度为1.6 3 g/cm,平均含水率为2 4.0%。液限/%土粒密度/(gcm-3)26.122.721.3图像处理及裂隙量化对裂隙的数字化处理和定量化评价是研究裂隙发育的重要手段17-18 。随着计算机科学的发展,对裂隙的发育模式有着更加精确的描述。为了避免容器边缘对于试验结果产
17、生影响,将所获得的图像进行裁剪,裁剪后的照片尺寸为18 cm18cm。采用PCAS软件,进行灰度化、去噪等基本处理,得到二值化图像以及裂隙的相关参数等(见图3),采用Matlab编写的程序进行分形维数计算。a34孔隙比0.96b5注:(a)图像剪裁;(b)图像二值化;(c)区块分割;(d)裂隙提取。Fig.3 Image processing procedures土体的表面裂障率和平均裂隙宽度是表征裂隙的2 个基本参数,其计算公式为AcrackCAll式中:C,为表面裂隙率,Acrack 为裂隙的面积,Aall为土体面积。W式中:W为平均裂隙宽度;A,为第i条裂隙的面积;(1)(2).4L,为
18、第i条裂隙的长度。1.4分形理论的应用为了描述裂隙的分布形态,采用盒维数法对不同尺度的分形维数进行计算。其基本原理是将土体裂隙网格划分为边长为的格子,确定出相应的几何体数目。然后,对和N()分别取对数,再以ln为横坐标,ln N()为纵坐标进行拟合,求出ln N()对ln的斜率,其斜率的负值便是该图像的分形维数,In N()Ds=-lim0式中:Ds为分形维数值;N()为对应矩形边长8的格子数。2订试验结果2.1水分蒸发过程对比不同干湿循环次数下含水率的变化情况可知(见图4),随着干湿循环次数的增加,到达目标含水率的时间缩短。2 cm厚度的试样第1次干湿循环达到目标含水率所需时间为3 0 h;
19、第3次所需时间为2 8 h;第5次所需时间为2 4h。较厚试样的蒸发速度受干湿循环的次数影响较小,第1、3、5次干化过程中4cm试样达到目标含水率的所需时间为45 h左右。2.2试样开裂及演化规律通过对试样定期拍照,得到试样在干化过程中裂隙动态发育过程。图5为不同厚度试样在第1次干化过程中的裂隙演化过程。2 cm的试样在开裂初期,即蒸发到9 h时“T形主裂隙出现,裂隙呈细长状,随着含水率的降低,主裂隙逐渐发育稳定,次生裂隙产生,多呈“Y”型。随着蒸发进人到后期,即3 2 h后,裂隙开始拓宽,试样逐渐收缩且被分割为数量不等的土块,裂隙基本稳定。图6 为每次干湿循环结束后试样表面裂隙图像。随着干湿
20、循环的进行,不同厚度试样表面都进一步劣化,裂隙数量增加,裂隙逐渐拓宽,连通性提高,土块逐渐被分裂,裂隙两侧土体有略微侵蚀现象。2.3裂隙发育规律为了探究干湿循环的次数对不同厚度土体裂隙发育特征的影响,对试样的表面裂隙率和裂隙平均宽度进行统计。试样厚度对裂隙的发育有着明显的影响,以第1次和第5次干化过程中的裂西北大学学报(自然科学版)隙率为例(见图7),当土体含水率到达12%时,其裂隙率开始缓慢增加。厚度越大,土体裂隙率越低,2 cm试样的最终裂隙率为0.0 2%,4 cm试样为0.0 0 8%。随着干湿循环的进行,土体的裂隙率到达较稳定值的时间变短,裂隙平均宽度与干湿循环次数的关系如图8所示,
21、随着干湿循环次数的增加,裂隙平均宽度逐渐下降。在第3 次干湿循环之后,裂隙的宽度达到稳定值,表明裂隙基本发育稳定。厚度较大的试样平均裂隙宽度较大,在第5次干化后,4cm(3)的试样平均裂隙宽度为0.9 mm,比2 cm 和3 cm试样分别宽12 5.6%和114.2%。(a)282420168400(b)282420168400(c)282420168400注:(a)第1次;(b)第3 次;(c)第5次。图4不同干湿循环过程中试样的蒸发曲线Fig.4 Evaporation curves of specimens during differ-ent wet-dry cycles第54卷2cm-
22、0-3 cm-0-4 cm88800000001020时间/hQ1020时间/h0000Q0011020时间/h303030402cm-3cm-0-4cm4050-2cm-0-3cm-o-4cm405050第1期焦少通,等:干湿循环作用下黄土厚度对其裂隙发育的影响52cm主裂隙9h23h32h41h49h图5第1次干化后土体裂隙演化过程Fig.5 Soil fracture evolution in the first drying process2cm1次2次3次4次5次图6 干湿循环后土体裂隙扩展图Fig.6 Soil fracture extension after dry-wet cy
23、cles3cm次生裂隙裂隙拓宽4cm3cm4cm(a)0.030.02%/率潮楼0.010.0028(b)0.040.03-o-4cm%/本潮诺0.020.010.0028图7 不同干湿循环次数下试样的裂隙率Fig.7Fractality of specimens under different number ofdry-wet cycles1.11.0/0.90.80.702.4块区分布量化参数土体的区块面积是反映土体裂隙发育的重要指标,区块面积反映了土体被裂隙分割的程度。图9(a)为不同厚度的土样在第1次干湿循环后土块面积分布区间。2 cm试样在各个区间分布较为均匀,4cm试样多集中在50
24、 0 0 mm以上,说明厚度的增加降低了土体被分割的程度。随着干湿循环次数的增加(见图9 b),小块体的数量增加,4cm试样的块体在50 0 0 mm的分布降低。-2cmO-3 cm-04cm82420-2cm一-0-3 cm2420含水率/%注:(a)第1次;(b)第5次。12循环次数/次图:裂隙平均宽度Fig.8Average width of crack16含水率/%11612341281804cm56442cm-3cm006(a)0.5-o-3 cm0.4 0-4 cm 0.30.20.1005005001000100015150020面积/mm(b)0.50.4-0-4cm0.30.
25、20.1005005001000注:(a)第1次;(b)第5次。图9干湿循环试样后分块面积分布频率Fig.9FFrequency of distribution of split area af-ter dry and wet cycling of specimens2.5分形维数的分析利用分形维数可以较好地表征裂隙,分形维数越大,表明土体发育的裂隙越多,形状更加复杂。根据试验结果,随着干湿循环次数的增加,试样裂隙率增加,其分形维数的值也随之增加。不同厚度试样的分形维数随着干湿循环的变化如图10所示。根据现有研究 19 ,分形维数与裂隙率之间存在指数关系,即分形维数随着土体厚度的减小而增大。为
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