王琴琴，陈开圣
( 1.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025；
2.黔南交通试验检测有限公司，贵州都匀558000)
随着汽车工业的发展，废弃轮胎处理已成为我国交通运输工程领域一大难题，处理不当将会造成严重的“黑色污染”[1-2]。为了节约资源和保护环境，国内外岩土学者将橡胶颗粒加入土中对土体进行改良。邹维列等[3]研究结果表明：在膨胀土内掺入橡胶粉后，除了混合土的内摩擦角受影响的程度较小外，混合土的抗剪强度和黏聚力均表现为随着橡胶粉含量的增加而显著减小。张磊等[4]进行橡胶混合土的直接剪切试验，结果表明:随着橡胶含量的增加，橡胶颗粒混合土的内摩擦角表现出先减小而后增大的趋势；
而黏聚力呈现先增大后减小的趋势。杜静等[5]将橡胶粉掺入到膨胀土中进行直接剪切试验，结果表明：与素膨胀土相比，改性膨胀土的抗剪强度和内摩擦角随着橡胶粉含量的增加显著增大，黏聚力却因为橡胶粉含量的增加略有减小。孙树林等[6]往膨胀土中掺入质量分数在30%以内的橡胶粉，发现掺入橡胶粉后能够有效提高混合土的抗剪强度指标。上述研究表明，橡胶粉对土体改良的研究主要集中在膨胀土上，目前对红黏土的改良情况还较少，且橡胶粉改良土体效果的结论不相同，因此，有必要研究橡胶改良红黏土的力学特性。同时由于红黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊工程特性，干燥时节由于失水收缩而产生裂隙，雨季由于雨水渗透而使土体抗剪强度降低，干湿循环使得土体强度衰减[7-8]，因此，开展橡胶红黏土在干湿循环作用下的试验研究，探究橡胶粉含量、干湿循环作用等因素对混合土的抗剪强度指标的影响和裂隙演变规律显得十分必要。本文采用四联直剪仪开展干湿循环下橡胶红黏土的抗剪强度衰减规律，应用MATLAB图形图像处理功能分析干湿循环后试样裂隙的发展规律，建立裂隙密度与抗剪强度指标的数学模型。
1.1 试验材料
本次试验的土样取自贵州大学新校区养牛坡公交站附近，取土深度约2 m。土料特征为：棕红色、褐红色和褐黄色，以黏粒为主，土质较为均匀，含水率较高，结构密实，土中含有少量植物根茎孔洞及虫洞。土样基本物理指标见表1。橡胶颗粒采用的是废旧轮胎经过机械破碎后并磨细的粉状颗粒，橡胶颗粒中一般会含有炭黑、硫磺、氧化钙和氧化硅等成分。橡胶颗粒采用的是60目，技术指标见表2。
表1 红黏土的基本物理指标Tab.1 Dasic physical indexes of red clay
1.2 试样制备
依据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)[9]，土料过孔径2 mm筛，并测定其初始含水率，将不同含量的橡胶粉分别加入到已称量好的土中，均匀喷洒已称量好的水，充分搅拌均匀，然后用保鲜膜将其密封严实，静置24 h。试样的质量按公式(1)计算。采用静力压制成型，试样配置见表3，每种配置制备4个样品，进行4组平行试验。
m=Kρd，max(1+ω)V，
(1)
式中：m为橡胶红黏土的总质量，g；
K为试验目标压实度%；
ρd，max为橡胶红黏土的最大干密度，g/cm3；
ω为试验目标含水率，%；
V为试验所用环刀体积，cm3。
表3 试样配置表Tab.3 Sample configuration
1.3 干湿循环试验方法
干燥期间，将烘箱调节105 ℃对上述制备的样品进行恒温烘干，并每隔1 h检测一次含水率，直到试样保持恒重。加湿期间，将所需加水量分为2份，利用注射器往试样内注水，先往试样上表面注入一半水量，待水分完全渗入土体内部后，再将原试样下表面翻朝上，往试样注入剩余水量，使试样含水率达到25%，待水分完全渗入土体内部后，用保鲜膜将试样包裹，防止水分蒸发，焖料一昼夜。干湿循环过程如图1所示。
图1 干湿循环过程Fig.1 Dry and wet cycle process
1.4 直剪试验
对初始状态橡胶红黏土及每次干湿循环后的橡胶红黏土试样采用四联直剪仪进行直剪试验(快剪)，上覆荷载分别为100、200、300、400 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，停机位移为6 mm。
1.5 图像处理
裂隙的表达方式有分布密度、宽度、长度以及走向等几何要素[10]。本文使用裂隙密度来描述试样干湿循环下裂隙的演变规律。裂隙密度(面积比)定义为
(2)
式中：A为试样面积，mm2；
Ai为第i条裂隙面积，mm2；
i为裂隙编号。
具体试验方法：①利用高清数码相机对完成预定次数的试样进行拍照，为了使得所有试样与相机的位置、距离等保持一致性，试验设计了一种用于固定相机和试验的支架；
②为了排除外界光源对图像的影响，利用黑色布料遮蔽整个支架，并在支架内部设置日光灯源；
③利用Photoshop软件提取图像中试样边缘；
④利用MATLAB软件对土样图像进行灰度转化、中值滤波等处理，最终转化为二值图像(见图2)；
⑤统计图像中的黑白像素，其中根据公式(2)计算裂隙密度[11]。MATLAB软件在识别统计裂隙时，为了排除试样凹凸的表面以及黑色橡胶粉对软件识别裂隙的干扰，减小误差，更为接近裂隙密度的真实值，所以采用0次循环的裂隙密度为0，而第1，2，…，5次干湿循环后的裂隙密度在软件识别的统计值上减去3.69%。
图2 二值图像Fig.2 Binarization image
2.1 干湿循环作用下橡胶红黏土抗剪强度指标变化规律
黏聚力、内摩擦角与压实度关系曲线如图3所示。
(a) 黏聚力
(b) 内摩擦角
由图3可知，橡胶红黏土的抗剪强度指标均表现为：随着压实度的增大而增大，随着橡胶粉含量的增加而减小。相较于内摩擦角，压实度和橡胶含量对黏聚力的影响要更为明显。以橡胶含量为4%为例，压实度为85%、90%和96%时，试样内摩擦角分别为10.21%、10.24%和12.71%。黏聚力分别为：145.33、152.14、160.21 kPa。究其原因：①本试验使用的是60目的橡胶，橡胶颗粒直径较小，导致红黏土中的自由水无法吸附在橡胶颗粒上；
②掺入橡胶颗粒后，试样中的土颗粒被橡胶颗粒包围，使得进入土颗粒中的水分减少，故土颗粒中的亲水物质无法充分发生水化反应，进而导致混合土的黏聚力减小；
③小直径的橡胶颗粒外形多为粉末状或者类似球状，表面较为光滑，在压力作用下与土颗粒容易发生错位滑移，无法很好地咬合，对于内摩擦角的提高也无明显效果[12]。
为了探究循环次数对橡胶红黏土抗剪强度指标的影响，限于篇幅，仅以橡胶粉含量为4%为例，试验结果如图4所示。
(a) 黏聚力
由图4可知，橡胶红黏土的黏聚力受干湿循环次数的影响较大，其中前2次循环的影响最明显，之后干湿循环影响程度逐渐减小，表现为逐渐趋于稳定状态；
内摩擦角整体上表现为：随着干湿循环次数的增加而减小的趋势。以压实度为90%为例，第0、2、5次干湿循环下试样黏聚力分别为152.14、70.03、48.32 kPa，下降幅度为53.97%、68.24%；
第0次、第2次和第5次干湿循环下试样内摩擦角分别为10.24%、9.02%、7.3%，下降幅度为：11.91%、28.71%。造成这种现象的原因可解释为：①干燥期间试样内部产生大量的微裂缝，造成土颗粒间的黏结作用变弱，土团粒分散成小的土颗粒，孔隙率增加，颗粒间的间距变大，进而造成试样抗剪强度降低。②在加湿过程中，外部作用的孔隙水压力变大，使得颗粒间的粘结作用被进一步衰减破坏，试样吸水软化，这些因素的综合作用使得试样的强度急剧衰减。③由于橡胶颗粒并未与红黏土产生化学反应，在干燥期间，由于土体失水收缩，在土粒与橡胶颗粒的结合面处，两者的黏结能力降低，因而试样强度也降低；
在加湿期间，由于橡胶颗粒在水分的湿润作用下使得土粒与橡胶颗粒的结合面黏结强度也降低。④第3次干湿循环后，由于试验内部的孔隙变化已经达到稳定状态，孔隙变化不明显，内部结构已经逐渐趋于新平衡状态，因此试样的强度衰减规律不明显，表现为逐渐达到稳定状态[13]。
2.2 干湿循环作用下橡胶红黏土裂隙演变规律
压实度96%试样干燥结束表面裂隙扩展情况和试样湿化结束表面裂隙扩展情况分别如图5和图6所示。由图5和图6可知，干湿循环过程中试验表面性状规律为：①初始状态下试样表面光滑且平整的；
②试样在第1次烘干后，在中部出现了大量细微的裂隙，同时试样因为失水收缩与环刀内壁脱离出现了裂隙。在加湿后，由于水浸入试样，试样吸水膨胀，因此细微裂隙有一部分闭合；
③第2次烘干后试样内部的细微裂隙逐渐扩张，形成小裂隙。第2次加湿期间裂隙吸水合并；
④第3次烘干后小裂隙从中部向四周继续发展，开始出现较大的裂隙，第3次加湿后细微裂隙大部分闭合，而小裂隙少量闭合；
⑤第4、5次烘干后试样中的细微裂隙数量减少，大裂隙数量不变但其长度宽度均增大。综上可知：随着干湿循环次数的增加，细微裂隙首先出现在橡胶红黏土试样的中部，在之后的干湿循环下试样失水收缩，试样脱落环刀内部，裂隙由中部逐渐向四周扩散，大裂隙相继出现，裂隙数量也表现为从少到多再变少，裂隙长度和宽度均增长、增大，甚至试样表面出现松散、脱落的现象[14]。
(a) 橡胶含量2%
(b) 橡胶含量4%
(a) 橡胶含量2%
(b) 橡胶含量4%
每一次湿化结束后，采用MATLAB图形图像处理功能统计试样裂隙密度，结果如图7所示。
(a) 无橡胶含量
由图7可知，橡胶红黏土的裂隙密度随着干湿循环次数的增加而增大，其中前2次干湿循环作用下，试样裂隙密度增长的幅度较大，之后裂隙密度增加的幅度较小，表现为逐渐趋于稳定的状态。以橡胶含量为4%、压实度为90%为例：第2、5次的裂隙密度分别为10.32%、12.37%。结合定性分析结果，在干湿循环作用下试样由于失水收缩而产生的收缩变形主要发生在前2次循环。试样收缩变形后使得混合土中的土粒与土粒间、胶粉与胶粉间以及胶粉与土粒间的胶结效果削弱，因此产生较大的裂隙。前2次干湿循环中试样表面出现了大量的细、微裂隙，裂隙密度急剧增加，后3次干湿循环虽然出现小裂隙和大裂隙；
但数量减少且大量的细、微裂闭合，所以裂隙密度基本变化不大。同时由于小直径的橡胶颗粒在压力作用下与土颗粒容易发生错位滑移、咬合能力差，因此红黏土颗粒与橡胶颗粒间的摩擦力减弱，无法较好地黏结在一起。在高温烘干的过程中，由于橡胶颗粒和黏土颗粒的收缩不同步，使土体中的孔隙增加，因此导致随着橡胶含量的增加，裂隙密度相应增加。另一方面，红黏土的裂隙主要是在干缩过程中产生的，干缩会引起红黏土颗粒的聚集和排列上的变化，由于小粒径的橡胶颗粒的掺入，微观结构发生了改变，导致了胀缩性能的变化。在干缩期间，由于各颗粒间存在的范德华力使得颗粒间相互聚集而形成聚集体，因此造成原先颗粒中的细粒含量、比表面积都相应地减少，随着干湿循环次数的增加土样的胀缩特性也随着土体达到平衡状态而逐渐趋于稳定[15-16]。
2.3 干湿循环作用下橡胶红黏土抗剪强度与裂隙密度关系
(a) 压实度85%
表4 黏聚力与裂隙密度拟合参数Tab.4 Fitting parameters of cohesion and crack density
(a) 压实度85%
以压实度96%为例，绘制抗剪强度与裂隙密度的关系曲线，如图10所示。
(a) 橡胶含量为0
由图10可知，随着试样裂隙密度的增大，橡胶红黏土的抗剪强度指标逐渐减小。以上覆压力为100 kPa，橡胶含量为2%和4%为例，第5次干湿循环时，裂隙密度分别由195.96 kPa下降到76.84 kPa和由182.76 kPa下降到68.38 kPa。究其原因，在试样干燥期间，由于试验外部直接与热环境直接接触，土体的导热性较差，因此造成试样外部的温度远大于试验内部的温度，即试样内外部之间存在一定的温度差。外部土体在热空气的作用下迅速脱水而收缩，而内部土体收缩的速度远小于外部土体收缩速度，即存在温度差，从而使上层土体的收缩变形被下层土体制约，产生了收缩拉应力，而且橡胶颗粒和红黏土颗粒的收缩变形是不同步的，导致在收缩过程中橡胶颗粒和土颗粒之间产生了孔隙，使土体本身的抗拉强度降低，上、下层的土颗粒被拉开，形成横向裂隙。在之后的加湿中，土体还会吸水膨胀使得裂隙闭合，但是并不能使横向裂隙完全愈合。在之后的再次高温烘干中，横向裂隙会沿愈合的裂隙继续扩展，形成新的临界面，导致临界面下的含水率被重新分布，土颗粒被进一步拉开，也正是应为这些横向裂隙的存在，使土体之间的咬合力下降，抗剪强度随着裂隙密度的增加而减小[17]。
①橡胶红黏土黏聚力和内摩擦角均随橡胶含量的增加而减少；
随着干湿循环次数的增加，橡胶红黏土的抗剪强度逐渐减小，前2次干湿循环抗剪强度大幅度衰减，之后干湿循环对抗剪强度的影响程度逐渐减小，并最终趋于稳定；
③橡胶红黏土的抗剪强度指标随着裂隙密度的增加而减小。
④由于橡胶粉与红黏土混合并未发生化学反应，因此改良效果不佳。建议在橡胶红黏土中添加水泥、石灰等黏结剂，提高混合料强度。
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