CN112014411A - 一种土样抗裂性能的研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土样抗裂性能的研究方法，包括以下步骤，S1：制备土样；S2：使用干湿循环法使土样产生裂缝，每个干湿循环结束后获取相应的裂缝形态图像；S3：对获取的裂缝形态图像进行处理；S4：定义土样抗裂性能指标；S5：使用步骤S3中经过处理的裂缝形态图像，计算土样抗裂性能指标。通过本发明中的研究方法可以对素土、纤维加筋素土、固化土和纤维加筋固化土土样的抗裂性能进行定性和定量评价，可以考虑不同压实度的影响，更接近工程实际，对工程的指导作用更加显著。

Description

一种土样抗裂性能的研究方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种土样抗裂性能的研究方法。
背景技术
水泥土由于自身具有的施工简便、经济快捷及原材料充足等优点在许多行业工程中得到应用，比如土建工程中的基坑支护、软弱土基处理、边坡加固等，水利工程中的防渗处理、河道加固等。但在实际应用中也发现水泥土存在着抗拉强度低、易开裂及耐久性不良的问题，特别是水泥土的干缩裂隙是直接或间接导致许多工程地质问题的原因，对工程性质有很大影响。裂隙的出现与发展会降低土体的承载能力，使土体强度特别是抗拉强度急剧下降；裂隙会破坏土体的整体性，增大土体的渗透性，为雨水等外来水分进入土体内部提供通道，进而会危及基层及底基层的稳定和强度，在飞机荷载作用下会产生唧泥等危害；在不良自然环境作用下裂隙还会加速土体的风化程度，加剧固化土体的破坏，因此研究固化土和纤维加筋固化土的抗裂性能非常重要。
目前国内外对于素土及纤维加筋素土抗裂性的研究采用的方法是先使土样水饱和，之后将土样烘干开裂，但是这种方法不能考虑土样的压实度对其开裂特性的影响，而且这种方法不适用于固化土和纤维加筋固化土(对于固化剂，水饱和后失去作用)。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种土样抗裂性能的研究方法，能够用来对不同种类的土样进行定性和定量的评价，且能考虑不同压实度的影响，更接近工程实际，对工程的指导作用更加显著。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：制备土样；
S2：使用干湿循环法使土样产生裂缝，每个干湿循环结束后获取相应的裂缝形态图像；
S3：对获取的裂缝形态图像进行处理；
S4：定义土样抗裂性能指标；
S5：使用步骤S3中经过处理的裂缝形态图像，计算土样抗裂性能指标。
进一步的，所述土样包括素土、纤维加筋素土、水泥固化土和纤维加筋水泥土。
进一步的，所述纤维为粗聚丙烯纤维、细聚丙烯纤维中的一种或两种。
进一步的，步骤S1制备土样的具体操作包括，
S11：提前一天根据所要制备土样的含水率配置好土样原材料；
S12：将固化剂、纤维和土样原材料按比例充分混合拌匀；
S13：将拌匀后的混合物按照设计的压实度称重后倒入制样模具中，采用万能试验机进行静压成型。
进一步的，步骤S13中所述的制样模具包括底板和压板，所述底板的左右两侧均可拆卸连接有第一挡板，两块所述第一挡板对称且背向设置，且两块所述第一挡板之间可拆卸连接有两块第二挡板，所述底板、压板，以及两块所述第一挡板和两块所述第二挡板可形成一个闭合的空间。
进一步的，所述底板的左右两侧分别设有两个第一开孔，每个所述第一开孔内转动连接有第一固定螺栓，所述第一固定螺栓上设有与其相匹配的第一固定螺母；
所述第一挡板为C型结构，且所述第一挡板的外侧底部设有与所述第一固定螺栓相匹配的第二开孔，所述第二开孔的宽度小于所述第一固定螺母的外径；
所述第一挡板的内侧对称设有两个用于固定所述第二挡板的固定槽，所述固定槽的宽度与所述第二挡板的厚度相匹配；
所述第一挡板的前侧和后侧还对称设有固定耳，两块所述第一挡板上相对应的两个固定耳之间设有第二固定螺栓，所述第二固定螺栓的两端分别设有与其相匹配的第二固定螺母，所述固定耳的开口尺寸小于所述第二固定螺母的外径。
进一步的，步骤S2的具体操作包括，
S21：制备好的土样按照设计龄期放入标准养护箱进行养护；
S22：达到龄期的土样取出后先放入温度为60℃的烘箱内烘干，直至1h内土样质量不再变化认为试样干燥完毕；
S23：烘干后的土样放入雾化喷头下进行模拟雨水喷淋，喷淋时间为为5min，完成一个干湿循环；
S24：获取土样干湿循环后得到的裂缝形态图像；
S25：将土样再次放入烘箱，重复步骤S22至步骤S24，完成三个干湿循环和相应的裂缝形态图像获取。
进一步的，步骤S24获取土样干湿循环后得到的裂缝形态图像的具体操作包括：将步骤S23中经过干湿循环得到的带有裂缝的土样放入固定好的拍照设备下，拍照保存裂缝形态；拍照时，拍照设备与土样垂直且距离恒定，拍照设备无线遥控操作，人为创造一个“暗房”环境，采用统一的人工照明方式，保证各土样裂缝形态拍摄时的环境一致。
进一步的，步骤S3的具体操作包括，
S31：人工判读十条最宽的裂缝；
S32：分别用读数显微镜读数，从这十个数据中选取最大值作为此组土样的最大裂缝宽度；
S33：依次对裂缝形态图像进行灰度化处理、二值化处理、降噪处理和裂缝桥接处理。
进一步的，步骤S4中所述的土样抗裂性能指标包括表面裂缝率R和裂缝最大宽度W；
所述表面裂缝率R为步骤S33中经过处理后的图像范围内裂缝的总面积Scra与试样的总面积Ssam的比值；
所述裂缝最大宽度W即为步骤S32中读数显微镜读出的最大裂缝宽度。
本发明的有益效果是：
1、本发明中土样抗裂性能的研究方法开展了干湿循环试验以评价不同土样的抗裂性能，并相应的公开了干湿处理方式和数字图像获取方式，对得到的数码图像进行了灰度化处理、二值化处理、降噪处理和裂缝桥接处理，定义了表面裂隙率和最大裂缝宽度指标，以此对土样的抗裂性能进行定性和定量评价。
2、本发明中的制备土样时用到的制样模具底板、压板以及四周的第一挡板和第二挡板之间均为可拆卸连接，在土样制备完成时，将压板取下，拆除第一挡板和第二挡板即可，方便土样脱模且能够保证土样表面的质量。
3、通过本发明中的研究方法可以得出随干湿循环次数增加，土样表面裂隙率和裂缝最大宽度逐渐增大，提高土样压实度和添加聚丙烯纤维都可以显著提高土样抗裂性，粗聚丙烯纤维对素土抗裂性增强作用大于细聚丙烯纤维，纤维长度上细聚丙烯纤维以12mm最优，粗聚丙烯纤维越长越好；聚丙烯纤维对固化土早期裂缝的抑制作用更强，而粗聚丙烯纤维对固化土后期裂缝的抑制作用更强，通过在固化土中添加粗、细混掺聚丙烯纤维，可以显著提高固化土的抗裂性，包括其早期和后期。
附图说明
图1为本发明制样模具没有压板时结构俯视图；
图2为本发明制样模具结构主视图；
图3为本发明制样模具的底板结构俯视图；
图4为本发明第一挡板结构俯视图；
图5为本发明第一挡板结构主视图；
图6为本发明第一挡板结构左视图；
图7为本发明第一挡板结构右视图；
图8为本发明压板结构主视图；
图9为本发明压板结构俯视图；
图10为本发明读数显微镜视角下细纤维及裂缝形态示意图；
图11为本发明读数显微镜视角下粗纤维形态示意图；
图12为本发明灰度化并进行高斯噪声干扰和椒盐噪声干扰预处理前后的对比图像；
图13为本发明背景减去前后二值化图像的对比图像；
图14为本发明降噪前后的对比图像；
图15为本发明实施例一中土样XSc2随干湿循环次数增大裂缝开展情况示意图；
图16为本发明实施例一中三种压实度下试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随干湿循环次数增加的变化规律曲线图；
图17为本发明实施例二中纤维加筋素土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随压实度变化规律曲线图；
图18为本发明实施例二中纤维加筋素土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随纤维掺量变化规律曲线图；
图19为本发明实施例二中纤维加筋素土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随纤维长度变化规律曲线图；
图20为本发明实施例三中龄期为1d的固化土以及不同纤维加筋水泥土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度变化规律曲线图；
图21为本发明实施例三中龄期为7d的固化土以及不同纤维加筋水泥土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度变化规律曲线图；
图22为本发明实施例三中龄期为28d的固化土以及不同纤维加筋水泥土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度变化规律曲线图.
其中，1-底板，101-第一开孔，102-第一固定螺栓，103-第一固定螺母，2-压板，201-把手，3-第一挡板，301-第一开孔，302-固定槽，303-固定耳，4-第二挡板，5-第二固定螺栓，501-第二固定螺母。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
一种土样抗裂性能的研究方法，包括以下步骤，
S1：制备土样；
本发明中所使用的土样尺寸为L250mm×W250mm×H48mm，土样采用静压法成型制备，由于土样较大，设计的方案中有些土样压实度较高，因此土样采用压力试验机进行压实。
具体的，S11：提前一天根据所要制备土样的含水率配置好土样原材料；
S12：将固化剂、纤维和土样原材料按比例充分混合拌匀；
S13：将拌匀后的混合物按照设计的压实度称重后倒入制样模具中，采用万能试验机进行静压成型。
进一步的，如附图1-9所示，步骤S13中所述的制样模具包括底板1和压板2，所述底板1的左右两侧分别设有两个第一开孔101，每侧的两个所述第一开孔101对称设置，每个所述第一开孔101内通过固定杆转动连接有第一固定螺栓102，所述第一固定螺栓102所套设在所述固定杆上，述第一固定螺栓102上设有与其相匹配的第一固定螺母103；
所述底板1的左右两侧均设有第一挡板3，所述底板1的前后两侧均设有第二挡板4，所述第一挡板3为C型结构，且两块所述第一挡板3对称且背向设置；所述第一挡板3的外侧底部设有与所述第一固定螺栓102相匹配的第二开孔301，所述第二开孔301的宽度小于所述第一固定螺母103的外径；所述第一挡板3的内侧对称设有两个用于固定所述第二挡板4的固定槽302，所述第二挡板4为表面平滑的板状结构，所述固定槽302的宽度与所述第二挡板4的厚度相匹配；将所述第一挡板3和第二挡板4放置到所述底板1的上表面，两块所述第一挡板3位于所述第一固定螺栓102的内侧，第二挡板4卡入其对应的第一挡板3的固定槽302中，然后将第一固定螺栓102转动至与其对应的第二开孔301中，使用第一固定螺母103将第一固定螺栓102与第一挡板3进行固定，由于第一固定螺栓102的直径大于第二开孔301的尺寸，因此，第一固定螺母103可固定在第二开孔301的上方，利用其与第一挡板3之间的摩擦进行锁定；而第二挡板4也可以进一步的防止第一挡板3向内倾斜。
进一步的，所述第一挡板3的前侧和后侧还对称设有固定耳303，所述固定耳303也为C型结构，所述固定耳303直接焊接在所述第一挡板3的前侧和后侧，两块所述第一挡板3上相对应的两个固定耳303之间设有第二固定螺栓5，所述第二固定螺栓5的两端分别设有与其相匹配的第二固定螺母501，所述固定耳303的开口尺寸小于所述第二固定螺母501的外径；将所述第二固定螺栓5穿过对应的两个固定耳303开口处，使用第二固定螺母501在固定耳303的外侧进行锁紧固定，可以防止第一挡板3随着第一固定螺栓102向外倾斜，也即第二固定螺母501和第二挡板4将第一挡板3夹紧固定在竖直状态，第一挡板3处于竖直状态时，相应的第二挡板4也处于竖直被夹紧的状态；
所述底板1、两块所述第一挡板3和两块所述第二挡板4可形成一个顶部开口的腔室，该腔室用于盛装拌匀后的混合物。
进一步的，所述制样模具还包括盖在所述腔室上方的压板2，所述压板2上设有把手201，方便取放所述压板2，同时，所述把手201还用于与万能试验机连接。所述压板2的截面为上大下小的台阶状结构，且所述压板2的顶面大于所述压板2的底面，所述压板2的底面可卡入所述腔室内，所述压板2的顶面大于所述腔体的上表面，也即所述压板2的顶面卡在所述第一挡板和第二挡板4的上方，在进行土样压实的过程中，所述压板2的顶面不会陷入所述腔体中，可以保证土样的设计压实度。
进一步的，由于土样拆模取出后还需进行后续一系列养护和干湿循环，而土样刚成型时强度较低，因此在制样时在底板1上垫一块垫板，使垫板始终处于垫板上方，拆模后垫板一直承载土样进行后续操作。
进一步的，所述土样包括素土、纤维加筋素土、水泥固化土和纤维加筋水泥土，所述水泥固化土和纤维加筋水泥土中水泥掺量为8％。
所述纤维为粗聚丙烯纤维、细聚丙烯纤维中的一种或两种。
进一步的，步骤S2：使用干湿循环法使土样产生裂缝，每个干湿循环结束后获取相应的裂缝形态图像；
具体的，S21：制备好的土样按照设计龄期放入标准养护箱进行养护；
S22：达到龄期的土样取出后先放入温度为60℃的烘箱内烘干，直至1h内土样质量不再变化认为试样干燥完毕；
S23：烘干后的土样放入雾化喷头下进行模拟雨水喷淋，喷淋时间为为5min，完成一个干湿循环；
S24：获取土样干湿循环后得到的裂缝形态图像；
S25：将土样再次放入烘箱，重复步骤S22至步骤S24，完成三个干湿循环和相应的裂缝形态图像获取。
重复试验要求与UCS试验类似，由于土样较大，制作与试验难度也大，每组试验做重复试件3个，采用3倍均方差方法剔除异常值，同一组试验的变异系数Cv(％)应符合Cv≤6％的要求。
进一步，步骤S24中获取土样干湿循环后得到的裂缝形态图像的具体操作包括：将干湿循环结束后得到的带有裂缝的土样放入固定好的拍照设备下，拍照保存裂缝形态。拍照设备可采用相机。
拍照时，相机镜头与土样垂直且距离恒定，相机无线连接手机遥控操作，减小人为误差；为了后续进行图像处理时统一条件，在拍照时需要屏蔽自然光照的变化(各试样拍照时间不同，试验周期较长造成此差异较大)，因此人为创造一个近似于“暗房”的环境，采用统一的人工照明方式，以此保证各试样裂缝形态拍摄时的环境一致。
进一步的，步骤S3：对裂缝形态图像进行处理；
具体的，试样干湿循环完毕并拍照后，首先人工判读可能是最宽裂缝的十条裂缝，然后分别用读数显微镜读数，从这十个数据中选取最大值作为此组试样的裂缝最大宽度，如附图10所示为读数显微镜视角下细纤维及裂缝形态，如附图11所示为读数显微镜视角下粗纤维形态。
得到裂缝彩色数码照片后，采用图像处理技术对裂缝形态进行定量分析，具体包括对裂缝形态图像依次进行灰度化处理、二值化处理、降噪处理和裂缝桥接处理。
具体的，灰度化处理可用Photoshop处理或者直接用Matlab处理，消除照片色彩，使照片调整为灰度模式，灰度化并进行高斯噪声干扰和椒盐噪声干扰预处理前后的图像对比如附图12所示，其中，a为切割后未进行处理的彩色数码照片，b为处理后的图像。
灰度化并进行高斯噪声干扰和椒盐噪声干扰预处理的Matlab命令如下：
I＝im2double(rgb2gray(I))；
I＝imfilter(I,fspecial('gaussian',15,1))；％预处理高斯噪声干扰
I＝medfilt2(I,[33])；％预处理椒盐噪声干扰
进一步的，使用Matlab采用阈值分割法选择一个灰度阈值对灰度处理后的图像进行二值化处理，使裂缝以黑色来表示，土质区域以白色来表示，以实现二者的分离。
在进行阈值分割前还需估计背景图像，并减去背景图像，其原因是虽然本发明考虑到避免光照对实验结果产生影响而屏蔽自然光，创造“暗室”采用固定灯光进行统一照明，这里仍然存在的一个问题是灯光无法做到各个方向上都均匀，这样土样上就会有部分区域显得更暗，若按照同样阈值进行分割会增大裂缝区域，因此需减去背景图像，背景减去前后二值化图像的对比结果如附图13所示，其中，a为减去背景前得到的二值化图像，b为减去背景后得到的二值化图像，从附图13中可以看出，a图中顶部区域较暗，被误当做裂缝区域，与真实结果产生误差，b则反映了真实裂缝情况。
其Matlab命令如下：
se＝strel('disk',19)；％可调参数
afterOpening＝imclose(I,se)；％形态学滤波的闭运算
figure,imshow(afterOpening,[])
J＝I-afterOpening；％原始图像减去背景图像，得到前景目标图像
MaxJ＝max(max(J))；
MinJ＝min(min(J))；
J＝(J-MinJ)./(MaxJ-MinJ)；％归一化处理
figure,imshow(J,[])
原始图像减去背景图像得到前景目标图像后，采用otsu自适应分割，转化为二值图像，其Matlab命令如下：
[counts,x]＝imhist(I,12)；％可调参数<16
figure,stem(x,counts)
T＝otsuthresh(counts)；
BW＝imbinarize(I,T)；
进一步的，由于土样中存在的纤维或者其他杂质，使得二值化处理后的图像会有一些“噪点”，表现为土质区域(白色区域)内的小黑点，这些黑点并非真正的裂缝，因此需要采用降噪技术将这些黑点去除，降噪前后图像对比如附图14所示，其中a表示降噪前，红圈里即为噪点，b表示降噪后，其Matlab命令如下：
figure
imshow(BW)
BW1＝medfilt2(BW,[99])；％降低椒盐噪声干扰％可调参数
figure,imshow(BW1)
进一步的，由于裂缝中存在着填充物，比如土粒和纤维，加上拍照时光线的影响，二值化处理后的图像可能会使得原本连续的裂缝产生断裂，本发明中采用形态学的膨胀运算，对断续的裂缝进行桥接，其Matlab命令如下：
se1＝strel('disk',1)；
BW1＝imerode(BW1,se1)；％采用形态学膨胀运算桥接裂缝
figure,imshow(BW1)。
进一步的，步骤S4：定义土样抗裂性能指标；
得到裂缝降噪和桥接处理的图像后，定义反映试样抗裂性的指标，可对相应指标进行定量统计和计算，以综合评价试样的抗裂能力，定义的抗裂性评价指标包括表面裂缝率R和裂缝最大宽度W。
表面裂缝率R，定义为裂缝的总面积Scra与图像处理范围内试样的总面积Ssam的比值，这里需要指出的是为了消除边界条件带来的误差，实际处理的试样范围为中心外20cm×20cm，表面裂缝率从整体上反映了土体的开裂程度；
裂缝最大宽度W，此指标反映土体的开裂程度。
S5：使用步骤S3中经过处理的裂缝形态图像，计算土样抗裂性能指标。
表面裂缝率R通过Matlab进行求取，其Matlab命令如下：
accurancy＝1-sum(BW1(:))./(size(BW1,1)*size(BW1,2))
裂缝最大宽度W通过读数显微镜人工判读。
实施例一：
对素土进行了不同压实度的试验，代号为XSc1/2/3，最后的数字1/2/3分别表示压实度为85％、90％和95％；每个土样进行三次干湿循环，按照本发明中所述的图像处理方法可得到每次干湿循环后试样最大裂缝宽度W和表面裂隙率R，试验结果如表1所示。
表1素土和纤维加筋素土试样抗裂试验结果
Figure BDA0002619403500000111
从表1中可以看出，随着干湿循环次数增加，表面裂隙率和最大裂缝宽度指标都逐渐增大。
土样XSc2随干湿循环次数增大裂缝开展情况如附图15所示，其中，a为循环0次时土样裂缝开展形态，b为循环1次时土样裂缝开展形态，c为循环3次时土样裂缝开展形态，从附图15中也可明显看出随着干湿循环次数增加，裂缝条数增多，裂缝宽度增大。
三种压实度下试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随干湿循环次数增加的变化规律如附图16所示，从附图16中可以看出，对任一干湿循环，压实度越高的试样其表面裂隙率和最大裂缝宽度越小，说明提高试样压实度可增强其抗裂性；相比85％压实度试样，95％压实度试样三次干湿循环后表面裂隙率和最大裂缝宽度分别降低了24.1％和18.1％。
实施例二：
对不同压实度、不同纤维掺量、不同纤维长度的聚丙烯纤维加筋素土试样进行抗裂性能研究，土样代号分别为XSM/H(1/2/3/4)L(1/2/3)c(1/2/3)，M表示细聚丙烯纤维，H表示粗聚丙烯纤维，第一个数字1/2/3/4表示纤维掺量为0.1％、0.2％、0.3％和0.4％，第二个数字1/2/3表示纤维长度，细聚丙烯纤维为6mm、12mm和24mm，粗聚丙烯纤维为28mm、38mm和48mm，第三个数字1/2/3表示压实度为85％、90％和95％；
每个土样进行三次干湿循环，按照本发明中所述的图像处理方法可得到每次干湿循环后试样最大裂缝宽度W和表面裂隙率R，试验结果如上表1所示。
不同压实度、不同纤维掺量、不同纤维长度的聚丙烯纤维加筋素土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随干湿循环次数变化规律如附图17-19所示。
结合表1和附图17-19可以看出，加入聚丙烯纤维后，土样的抗裂性得到显著增强，以95％压实度试样为例，细聚丙烯纤维加筋土试样一次、二次和三次干湿循环后试样表面裂隙率分别比素土减小了30.4％、37.0％和35.3％，最大裂缝宽度分别减小了22.8％、42.6％和46.9％；粗聚丙烯纤维加筋土试样一次、二次和三次干湿循环后试样表面裂隙率分别比素土减小了51.3％、51.9％和50.7％，最大裂缝宽度分别减小了46.5％、61.2％和63.7％。可见粗聚丙烯纤维比细聚丙烯纤维对西安素土的抗裂性增强作用更显著。
随着土样压实度提高，纤维加筋素土表面裂隙率和最大裂缝宽度均逐渐降低，与素土试样试验结果一致，说明增大压实度对抗裂性有利；在所研究的掺量范围内(≤0.3％)，随着纤维掺量提高，纤维加筋素土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度均逐渐减小，说明在研究的掺量范围内提高纤维掺量对抗裂性有利，这是因为两种纤维分散性都较好，所采用的掺量范围内纤维还可以充分分散均匀；随着纤维长度提高，细聚丙烯纤维加筋素土试样抗裂性先增大后减小，即12mm细聚丙烯纤维加筋素土抗裂性最好，粗聚丙烯纤维加筋素土抗裂性则逐渐增大，这是因为对于细聚丙烯纤维，纤维长度过长对制作小试件时纤维的分散性不利，会使得纤维团聚的概率增大，而结团的细纤维对抗裂性不利；粗聚丙烯纤维由于自身特性使得其分散性非常好，不存在细聚丙烯纤维的问题。
实施例三：
对水泥固化土和纤维加筋水泥土进行抗裂性能研究，水泥固化土进行了不同龄期的试验，水泥掺量固定为8％，代号是XC2c2d(1/2/3)，第三个数字1/2/3表示龄期为1d、7d和28d；纤维加筋水泥土也进行了不同龄期的试验，水泥固定为8％，细纤维长度固定为12mm，粗纤维长度固定为38mm，纤维掺量固定为0.3％，压实度固定为90％，代号为XM/H2L2c2d(1/2/3)，第四个数字1/2/3表示龄期为1d、7d和28d。
每个土样进行三次干湿循环，按照本发明中所述的图像处理方法可得到每次干湿循环后试样最大裂缝宽度W和表面裂隙率R，试验结果如表2所示。
表2水泥固化土和纤维加筋水泥土试样抗裂试验结果
Figure BDA0002619403500000141
不同龄期、不同纤维掺杂的聚丙烯纤维加筋水泥土试样表面裂隙率和最大裂缝宽度随干湿循环次数变化规律如附图20-22所示。
结合表2和图20-22可以看出，水泥的固化作用显著提高了土样的抗裂性，纤维的加筋作用又显著提高了水泥土试样的抗裂性，同时随着龄期的增长式样的抗裂性也逐渐提高。
两种纤维相对比可发现1d和7d龄期时细聚丙烯纤维加筋水泥土试样抗裂性要好于粗聚丙烯纤维加筋水泥土，这与纤维加筋素土试样抗裂性试验结果不同，其原因是对于细纤维加筋素土试样，纤维的加筋作用主要是通过纤维与土体间的粘聚力和摩擦力，粗纤维由于其特殊的异形(波形)结构使得其与土体间还存在咬合力，而纤维与素土间的粘聚力和摩擦力较小，因此存在咬合力的粗聚丙烯纤维存在优势，其抗裂性自然好于细聚丙烯纤维加筋素土试样。对于纤维加筋水泥土试样，由于水泥水化反应生成物具有较高的强度，使得纤维与水泥土体间的粘聚力较大，占纤维与土体间作用力的主要部分，而细纤维由于尺寸较小在同等掺量下数量更多，则其对水泥土的加筋作用体现的更为显著，因此1d和7d龄期时细聚丙烯纤维加筋水泥土试样的抗裂性好于粗聚丙烯纤维加筋水泥土试样。
对比28d龄期数据可发现，不同于1d和7d时，28d龄期时粗聚丙烯纤维加筋水泥土试样抗裂性好于细聚丙烯纤维加筋水泥土试样，其原因是随着水泥土体逐渐硬化，水分被消耗以及向外界逸散，水泥土体中毛细管孔隙内存在毛细管张力，由于负压作用使得水泥土产生收缩，收缩中如有约束存在则水泥土会产生开裂；细聚丙烯纤维在同等掺量下纤维数量更多，则细纤维加筋水泥土中毛细孔更多，使得水泥土内水分逸散速度更快，毛细管张力产生的负压使得水泥土产生更大收缩，同等条件下其干缩产生的开裂几率更大。这就说明细聚丙烯纤维对水泥土早期裂缝的抑制作用更强，而粗聚丙烯纤维对水泥土后期裂缝的抑制作用更强，通过在水泥土中添加粗、细混掺聚丙烯纤维，可以显著提高水泥土前后期抗裂性。
综合对比实施例一至实施例三，可以得出，随干湿循环次数增加，试样表面裂隙率和最大裂缝宽度逐渐增大，提高土样压实度和添加聚丙烯纤维都可以显著提高试样抗裂性，粗聚丙烯纤维对素土抗裂性增强作用大于细聚丙烯纤维，纤维长度上细聚丙烯纤维以12mm最优，粗聚丙烯纤维越长越好；聚丙烯纤维对水泥土早期裂缝的抑制作用更强，而粗聚丙烯纤维对水泥土后期裂缝的抑制作用更强，通过在水泥土中添加粗、细混掺聚丙烯纤维，可以显著提高水泥土的抗裂性，包括其早期和后期。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：制备土样；
S2：使用干湿循环法使土样产生裂缝，每个干湿循环结束后获取相应的裂缝形态图像；
S3：对获取的裂缝形态图像进行处理；
S4：定义土样抗裂性能指标；
S5：使用步骤S3中经过处理的裂缝形态图像，计算土样抗裂性能指标。
2.根据权利要求1所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于：所述土样包括素土、纤维加筋素土、水泥固化土和纤维加筋水泥土。
3.根据权利要求2所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于：所述纤维为粗聚丙烯纤维、细聚丙烯纤维中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于：步骤S1制备土样的具体操作包括，
S11：提前一天根据所要制备土样的含水率配置好土样原材料；
S12：将固化剂、纤维和土样原材料按比例充分混合拌匀；
S13：将拌匀后的混合物按照设计的压实度称重后倒入制样模具中，采用万能试验机进行静压成型。
5.根据权利要求4所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于：步骤S13中所述的制样模具包括底板(1)和压板(2)，所述底板(1)的左右两侧均可拆卸连接有第一挡板(3)，两块所述第一挡板(3)对称且背向设置，且两块所述第一挡板(3)之间可拆卸连接有两块第二挡板(4)，所述底板(1)、压板(2)，以及两块所述第一挡板(3)和两块所述第二挡板(4)可形成一个闭合的空间。
6.根据权利要求5所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于：所述底板(1)的左右两侧分别设有两个第一开孔(101)，每个所述第一开孔(101)内转动连接有第一固定螺栓(102)，所述第一固定螺栓(102)上设有与其相匹配的第一固定螺母(103)；
所述第一挡板(3)为C型结构，且所述第一挡板(3)的外侧底部设有与所述第一固定螺栓(102)相匹配的第二开孔(301)，所述第二开孔(301)的宽度小于所述第一固定螺母(103)的外径；
所述第一挡板(3)的内侧对称设有两个用于固定所述第二挡板(4)的固定槽(302)，所述固定槽(302)的宽度与所述第二挡板(4)的厚度相匹配；
所述第一挡板(3)的前侧和后侧还对称设有固定耳(303)，两块所述第一挡板(3)上相对应的两个固定耳(303)之间设有第二固定螺栓(5)，所述第二固定螺栓(5)的两端分别设有与其相匹配的第二固定螺母(501)，所述固定耳(303)的开口尺寸小于所述第二固定螺母(501)的外径。
7.根据权利要求1所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于，步骤S2的具体操作包括，
S21：制备好的土样按照设计龄期放入标准养护箱进行养护；
S22：达到龄期的土样取出后先放入温度为60℃的烘箱内烘干，直至1h内土样质量不再变化认为试样干燥完毕；
S23：烘干后的土样放入雾化喷头下进行模拟雨水喷淋，喷淋时间为为5min，完成一个干湿循环；
S24：获取土样干湿循环后得到的裂缝形态图像；
S25：将土样再次放入烘箱，重复步骤S22至步骤S24，完成三个干湿循环和相应的裂缝形态图像获取。
8.根据权利要求7所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于，步骤S24获取土样干湿循环后得到的裂缝形态图像的具体操作包括：将步骤S23中经过干湿循环得到的带有裂缝的土样放入固定好的拍照设备下，拍照保存裂缝形态；拍照时，拍照设备与土样垂直且距离恒定，拍照设备无线遥控操作，人为创造一个“暗房”环境，采用统一的人工照明方式，保证各土样裂缝形态拍摄时的环境一致。
9.根据权利要求1所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于，步骤S3的具体操作包括，
S31：人工判读十条最宽的裂缝；
S32：分别用读数显微镜读数，从这十个数据中选取最大值作为此组土样的最大裂缝宽度；
S33：依次对裂缝形态图像进行灰度化处理、二值化处理、降噪处理和裂缝桥接处理。
10.根据权利要求9所述的一种土样抗裂性能的研究方法，其特征在于，步骤S4中所述的土样抗裂性能指标包括表面裂缝率R和裂缝最大宽度W；
所述表面裂缝率R为步骤S33中经过处理后的图像范围内裂缝的总面积Scra与试样的总面积Ssam的比值；
所述裂缝最大宽度W即为步骤S32中读数显微镜读出的最大裂缝宽度。
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