膨脹土的研究現(xiàn)狀與展望

趙 春

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安 710016)

1 膨脹土的基本認識

膨脹土在我國分布面積較廣，膨脹土應(yīng)是土中粘粒成分，主要由親水礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹與失水收縮變形特性的粘性土。其主要礦物成分是蒙脫石—伊利石。膨脹土的特性直接影響著建筑物的安全，可造成建筑物的開裂、滑坡、塌方等病害。對膨脹土進行深刻的理論與實踐研究有著深刻的實際意義。

2 非飽和膨脹土的研究現(xiàn)狀

2.1 變形

膨脹土的膨脹變形常用膨脹勢來描述。膨脹勢是一種膨脹量，即在6.9 kPa壓力作用下，膨脹土從最優(yōu)含水量開始浸水至飽和狀態(tài)的總膨脹量。膨脹勢與膨脹土的液限、塑限、塑性指數(shù)、粘粒含量、膠粘含量和活性指數(shù)具有相關(guān)性。

繆林昌等［1］在試驗的基礎(chǔ)上建立了膨脹變形與土樣初始含水量、干密度和垂直壓力的定量關(guān)系;用常體積法進行了膨脹力變化規(guī)律的研究，建立了膨脹力與土樣初始含水量、干密度之間的非線性定量關(guān)系。

徐永福等［2］人用改裝可測吸力的三軸儀通過試驗得出含水量(吸力)決定了土樣的變形行為及非飽和土強度理論中狀態(tài)變量的選取方法。

陳正漢等［3］人利用改裝的非飽和土三軸儀與CT機配套試驗，從微觀和宏觀兩個方面揭示原狀土的結(jié)構(gòu)損傷演化和變形強度規(guī)律。

徐永福等［4］進行了膨脹變形試驗研究，結(jié)果表明:膨脹量是含水量的線性函數(shù)，膨脹量的對數(shù)與壓力的對數(shù)呈直線相關(guān)，簡化了膨脹量的計算公式。

徐永福等［5］研究了膨脹土的膨脹量和膨脹力與起始含水量、干密度和壓力之間的相關(guān)關(guān)系，并用這些關(guān)系簡化了膨脹土地基膨脹量的計算公式。

劉祖德等［6］討論了在三向應(yīng)力狀態(tài)作用下，膨脹土在不同初始含水量條件下的三向變形特征以及各種因素對它們的影響，揭示了變形機理。

李獻民等［7］對擊實膨脹土工程變形特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土的起始含水率和起始干密度對其膨脹力和膨脹量大小的影響是主要的外部因素，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合出膨脹力曲線和膨脹量曲線的變化規(guī)律均為指數(shù)關(guān)系。為膨脹土路堤的設(shè)計及膨脹土地基處理等問題提供了重要的依據(jù)。

劉松玉等［8］研究了干濕循環(huán)對擊實膨脹土脹縮特性的影響。研究結(jié)論:擊實膨脹土的脹縮變形并不是完全可逆的，擊實膨脹土的絕對膨脹率隨著干濕循環(huán)過程的發(fā)展總是增大，而相對膨脹率降低，這種變化在Ⅱ級，Ⅲ級循環(huán)時最明顯，經(jīng)過Ⅲ級循環(huán)后脹縮特性基本趨于穩(wěn)定。

2.2 強度

徐永福［9］提出了非飽和膨脹土結(jié)構(gòu)性凝聚力與結(jié)構(gòu)性內(nèi)摩擦角的概念，得出:結(jié)構(gòu)性強度是結(jié)構(gòu)性凝聚力與有效凝聚力的差，結(jié)構(gòu)性強度的對數(shù)與基質(zhì)吸力的對數(shù)呈直線相關(guān)。

楊慶等［10］人通過大量的膨脹力試驗和抗剪強度試驗，得出結(jié)論:非飽和膨脹土土樣的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線是剪切“軟化”型的，非飽和膨脹土抗剪強度指標受含水量影響較大，提出了非飽和膨脹土的抗剪強度公式。

繆林昌等［11］人依據(jù)常規(guī)三軸試驗提出了非飽和膨脹土的吸力強度與飽和度之間的非線性關(guān)系式，簡化了非飽和土的試驗方法。

繆林昌等人［12］提出了非飽和土抗剪強度的雙曲模型，其很好的描述吸力與抗剪強度的關(guān)系，同時表明吸力對非飽和土的抗剪強度貢獻是有限的。

楊和平等［13］人采用常規(guī)直剪試驗方法測試了擊實土樣經(jīng)干縮濕脹飽水后的抗剪強度以模擬土體季節(jié)性變化對強度的影響。

孔令偉等［14］通過對原狀土在脫濕吸濕過程中的無側(cè)限抗壓強度演化特征與擊實土的脹縮性狀及力學(xué)效應(yīng)試驗研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土的CBR值隨其含水率的變化規(guī)律類似于擊實曲線，但CBR峰值含水率比最佳含水率要大。

繆林昌等［15］經(jīng)研究得出干濕循環(huán)數(shù)對無壓飽和土樣的水分遷移有較大影響，并提出了計算吸力強度的雙曲模型，以更好的描述吸力對強度的貢獻。

盧再華等［16］通過三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)原狀土在剪切過程中表現(xiàn)為脆性破壞并有一定軟化現(xiàn)象，認為采用四屈服面的非飽和膨脹土彈塑性模型能反映原狀土的反復(fù)脹縮特性、剪縮和剪脹特性。

2.3 穩(wěn)定性

包承綱［17］以吸力問題為中心，對非飽和膨脹土邊坡滑動的各種因素進行了分析，對裂隙進行了定量研究并分析了裂隙對土的滲透與強度的影響，建議早期預(yù)報的“雙鏈”框圖實現(xiàn)事先預(yù)警預(yù)報的目的，減少生命財產(chǎn)的損失。

孔令偉等［18］人對膨脹土進行了實驗研究，得出結(jié)論“含水量較最佳含水量稍大，并略低于塑限，干密度較最大干密度略低的標注控制”有利于路堤的長期穩(wěn)定。

姚海林等［19］通過采用暫態(tài)飽和/非飽和滲流的有限元分析與土坡穩(wěn)定性極限平衡分析結(jié)合的方法，對降雨入滲引起膨脹土邊坡失穩(wěn)問題進行了系統(tǒng)研究，認為考慮雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析，必須考慮裂隙的影響。

詹良通等［20］對非飽和膨脹土挖方邊坡進行人工降雨模擬試驗和原位綜合監(jiān)測。總結(jié)出降雨入滲對空隙水壓力、含水量、土壓力和變形的定性關(guān)系，解釋了為什么降雨誘發(fā)膨脹土滑坡的滑動面一般較淺。

姚海林等［21］針對考慮裂隙兩種情況下的滲流場分布，采用Bishop圓弧滑動法研究了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性問題?？紤]裂隙的降雨入滲滑坡分析可以成功地模擬膨脹土滑坡的淺層性。

王文生等［22］針對弧面漸進破壞型膨脹土邊坡，提出了采用簡化Bishop力學(xué)假定條件下的極限平衡法求解邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)的簡便穩(wěn)定性分析方法，該法可以滿足施工初期或者設(shè)計階段精度要求。

3 展望

從已有的研究成果看，非飽和土的研究取得了一定的成就，但是，影響膨脹土變形、強度和穩(wěn)定性的因素諸多，理論研究較少，很難在工程實踐上驗證。

對膨脹土來說，最大的困難在于如何保證其工程的安全與穩(wěn)定。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，以計算機技術(shù)為依托，我國有關(guān)膨脹土的問題將會逐漸解決，膨脹土的相關(guān)規(guī)范日趨完善。

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