膨脹土的工程特性、力學(xué)、水力學(xué)行為研究進(jìn)展

馬全國

（廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004）

膨脹土的工程特性、力學(xué)、水力學(xué)行為研究進(jìn)展

馬全國

（廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004）

簡要介紹國內(nèi)外有關(guān)膨脹土的工程特性及力學(xué)與水力特性等力學(xué)行為的研究現(xiàn)狀，針對膨脹土的“三性”問題指出了當(dāng)前研究中存在的主要問題，并從其強(qiáng)度特性、變形特性、持水特性和滲透特性等四個(gè)方面對現(xiàn)有膨脹土力學(xué)行為的研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，簡要分析目前研究中存在的不足，提出考慮各特性之間的耦合影響是今后研究的主要方向。

膨脹土；裂隙性；膨脹勢；水力特性

膨脹土指土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮變形特性的黏性土。影響膨脹土脹縮變形大小的物質(zhì)成分主要是土中蒙脫石和伊利石等礦物含量、離子交換量以及小于2μm黏粒含量。這些物質(zhì)成分具有較強(qiáng)的親水特性，是膨脹土脹縮變形的物質(zhì)基礎(chǔ)；膨脹土顆粒的微觀結(jié)構(gòu)屬于面——面疊聚體，相比團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有更大的脹縮能力。

膨脹土工程問題多由降雨造成，雨水入滲導(dǎo)致土體含水率上升、吸力降低、體積增大、抗剪強(qiáng)度降低，最后誘發(fā)工程失穩(wěn)，因而對各類淺表層輕型工程建設(shè)具有特殊的危害作用，典型的有輕型建筑基礎(chǔ)、墻體開裂，膨脹土土坡、路堤邊坡、路塹邊坡、渠道邊坡失穩(wěn)等。

膨脹土在世界范圍內(nèi)分布廣泛，美國土木工程師協(xié)會(huì)估計(jì)四分之一的美國家庭居住在膨脹土層上，膨脹土引發(fā)的建筑物與下部結(jié)構(gòu)破壞造成每年150億美元的經(jīng)濟(jì)損失，超過了地震、洪水、颶風(fēng)與龍卷風(fēng)造成的年經(jīng)濟(jì)損失的總和；英國土木工程師協(xié)會(huì)估計(jì)膨脹土造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3億英鎊/年，是當(dāng)下英國最具破壞力的地質(zhì)災(zāi)害，英國保險(xiǎn)業(yè)者協(xié)會(huì)估計(jì)膨脹土問題導(dǎo)致的保險(xiǎn)賠付每年超過4億英鎊。

中國是膨脹土分布面積廣大、成因類型復(fù)雜的國家之一，20多個(gè)省區(qū)，630個(gè)縣市有膨脹土分布，3億以上人口生活在膨脹土分布地區(qū)，每年因膨脹土造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元。

歐美國家自1930年代以來、國內(nèi)自1960年代以來，膨脹土問題引起了巖土工程與工程地質(zhì)界的廣泛關(guān)注，成為巖土力學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一。已達(dá)成的基本共識是：膨脹土具有區(qū)別于一般黏土的特殊工程特性——“三性”即脹縮性、超固結(jié)性、裂隙性。然而，膨脹土的“三性”與土的基本力學(xué)行為（強(qiáng)度和變形）及其水力學(xué)行為(持水與滲透)之間的互饋機(jī)制尚不十分明確。換句話講，膨脹土在外部荷載與干濕路徑的共同作用下，脹縮性、超固結(jié)性、裂隙性等工程特性，強(qiáng)度與變形等力學(xué)行為，持水與滲透等水力學(xué)行為之間是耦合在一起且相互影響的，呈現(xiàn)出紛繁復(fù)雜的物理表象，令人費(fèi)解，引人入勝。

一、膨脹土的工程特性

1.脹縮性

脹縮性是膨脹土相關(guān)工程病害的主要根源，該問題涉及膨脹土的脹縮機(jī)理、影響脹縮特性的因素、脹縮的各向異性及具體工況等。

膨脹土遇水膨脹受約束時(shí)，表現(xiàn)為膨脹力；膨脹不受約束時(shí)，表現(xiàn)為膨脹變形（用膨脹率表征）；遇水膨脹所受約束較小而不足以完全抑制土體膨脹時(shí)，膨脹力與膨脹變形同時(shí)發(fā)生，統(tǒng)稱為膨脹土的膨脹勢。膨脹勢指膨脹土膨脹性的大小，通常用膨脹力與膨脹率表征。

膨脹勢與土體的外部約束條件、排水條件、應(yīng)力狀態(tài)相互作用，體變特征相當(dāng)復(fù)雜。目前膨脹土脹縮變形研究還不完善，試驗(yàn)成果很難模擬實(shí)際情況，通過傳統(tǒng)試驗(yàn)難以較全面確定相關(guān)參數(shù)，因此計(jì)算模型難以考慮土體結(jié)構(gòu)性的影響，尤其是不能考慮裂隙的影響。

2.裂隙性

裂隙性是膨脹土的主要結(jié)構(gòu)特征之一，對膨脹土的力學(xué)性質(zhì)和滲透性質(zhì)等都有影響。當(dāng)含水量減少時(shí)，膨脹土發(fā)生干縮開裂，而氣候干濕交替等作用導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，開挖過程中應(yīng)力的釋放也會(huì)導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展。裂隙不僅破壞了土體的完整性，同時(shí)也為滲流提供了通道，加劇了膨脹土深層的脹縮變形和裂隙擴(kuò)展。裂隙性對膨脹土的力學(xué)行為影響很大，姚海林和殷宗澤等先后研究了裂隙對膨脹土穩(wěn)定性、滲透性等的影響。對裂隙的定性、定量研究獲得了較快發(fā)展，裂隙的量化研究有利于考慮裂隙影響的力學(xué)行為模型發(fā)展。

從現(xiàn)有的研究成果來看，裂隙的觀測方法主要有拍照法、素描法、電導(dǎo)法、CT法和超聲波法等?；诜中卫碚?，易順民研究了膨脹土裂隙形態(tài)的分形特征。

裂隙對膨脹土力學(xué)性質(zhì)與滲透性質(zhì)等有著重要的影響。國內(nèi)外對裂隙的研究已經(jīng)取得大量的研究成果，但仍存在一些問題和不足，如干濕循環(huán)條件下裂隙的開展閉合規(guī)律研究還未見報(bào)道。

3.超固結(jié)性

土體沉積過程中，受重力作用，逐漸堆積，固結(jié)壓密。因地質(zhì)作用而發(fā)生卸載，導(dǎo)致其土層過去受過的固結(jié)壓力大于現(xiàn)有的土中壓力的工程特性稱之為超固結(jié)性，膨脹土在反復(fù)脹縮變形過程中，由于上部荷載和側(cè)向約束作用，隨著干縮濕脹交替，土體受到膨脹勢作用反復(fù)壓密，表現(xiàn)出較強(qiáng)的超固結(jié)特性。與通常的剝蝕作用產(chǎn)生的超固結(jié)機(jī)理完全不同，這種超固結(jié)性是膨脹土特有的性質(zhì)。

超固結(jié)土的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很高，壓縮性小。對于膨脹土地基一般采用正常固結(jié)變形參數(shù)計(jì)算地基沉降，忽視超固結(jié)性的影響，導(dǎo)致地基沉降計(jì)算值明顯偏大，相應(yīng)的地基處理措施也偏于保守，增加了工程投資。余雷等通過理論計(jì)算與工程實(shí)測結(jié)果的比較，得出考慮超固結(jié)性的膨脹土地基沉降計(jì)算值與實(shí)測值較接近，遠(yuǎn)小于不考慮超固結(jié)性的沉降計(jì)算值。因此，研究超固結(jié)性對膨脹土卸荷條件下的力學(xué)特性，對于有效地進(jìn)行膨脹土邊坡設(shè)計(jì)及治理非常重要。

二、膨脹土的力學(xué)特性與持水特性

1.強(qiáng)度特性

膨脹土的強(qiáng)度特性與土中的礦物成分及含量、干密度、裂隙性、持水狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)等因素密切相關(guān)，具有顯著的變動(dòng)性。羅沖等通過對膨脹土在不同約束狀態(tài)下膨脹后的強(qiáng)度特性研究，指出約束解除導(dǎo)致強(qiáng)度迅速衰減。

壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度主要受持水狀態(tài)與膨脹性控制，水的入滲導(dǎo)致土體吸力降低，含水率上升、體積膨脹、抗剪強(qiáng)度降低。膨脹勢（膨脹勢取決于土體當(dāng)前的孔隙比狀態(tài)和持水狀態(tài)）與外部荷載、濕度變化的耦合作用表現(xiàn)為膨脹土孔隙比變化（體積）。應(yīng)力狀態(tài)和持水狀態(tài)不同對應(yīng)著不同的孔隙比，這就造成了膨脹土強(qiáng)度的差異。

目前關(guān)于有效內(nèi)摩擦角與吸力之間關(guān)系研究存在爭議，壓實(shí)膨脹土抗剪強(qiáng)度存在變動(dòng)性的認(rèn)識還不夠深入，孔隙比差異對膨脹土強(qiáng)度的影響規(guī)律還未得到普遍認(rèn)識。

2.變形特性

膨脹土的災(zāi)害主要原因是濕脹干縮造成的，脹縮變形導(dǎo)致土體的完整性遭到破壞。而吸水膨脹使土體密實(shí)度降低和失水收縮使土體產(chǎn)生張開裂隙，二者皆使其強(qiáng)度降低，造成坡體失穩(wěn)滑塌等工程災(zāi)害。膨脹土的變形分為兩類：一是水分變化的濕脹干縮變形；二是荷載作用下的壓縮變形。膨脹土的變形既受土力學(xué)行為影響，又受水力學(xué)行為影響。遇水變形受約束時(shí)表現(xiàn)為膨脹力；變形未受約束時(shí)，表現(xiàn)為膨脹變形；約束力較小時(shí)，膨脹力與膨脹變形同時(shí)發(fā)生，表現(xiàn)出變形特性的復(fù)雜性。

國內(nèi)外很多學(xué)者提出了考慮吸力、初始含水率、荷載勢的差異對土體變形量的影響?？娏植仍谠囼?yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了膨脹變形與初始含水率、干密度和垂直壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合常體積法建立了膨脹力與初始含水率、干密度之間的非線性定量關(guān)系。周葆春等通過對荊門弱膨脹土的非飽和一維壓縮試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了一個(gè)能描述干縮、加荷體縮、卸荷體脹、屈服、壓縮性與卸荷回彈性隨吸力變化等力學(xué)行為的簡潔的非飽和土體變方程。該方程是否具有普遍適用性，還需要進(jìn)一步研究。

3.持水特性

在非飽和土力學(xué)中，土水特征（SWCC）是表述土的持水狀態(tài)與吸力之間關(guān)系的曲線。既能夠反映土的持水特性，又能反映土的滲透性質(zhì)和強(qiáng)度，對非飽和土的水力與力學(xué)行為研究有重要意義。鑒于SWCC的重要性，不少學(xué)者通過軸平移法、蒸汽平衡法、濾紙法與滲析法等對膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了礦物成分、結(jié)構(gòu)特征及水力條件等因素對SWCC的影響。膨脹土的持水狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)影響土體的力學(xué)性質(zhì)與滲透性質(zhì)等的變化。膨脹土的裂隙性也造成其土水特性的特殊性，李錦輝等指出裂隙土的土水特征呈雙峰特征。

目前，對膨脹土水力耦合特性相關(guān)的研究很少，能夠合理考慮與準(zhǔn)確描述膨脹土體吸力的水力滯回效應(yīng)和體積變化的模型還未見報(bào)道。

4.滲透特性

膨脹土的裂隙性方便了雨水入滲，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，含水率低時(shí)膨脹土具有較強(qiáng)透水性。李雄威等通過常水頭滲透試驗(yàn)對膨脹土的裂隙滲透性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土樣初始滲透系數(shù)大，然后慢慢降低，最后趨于穩(wěn)定。質(zhì)地均勻的膨脹土滲透系數(shù)非常低，經(jīng)歷干濕循環(huán)后，土體裂隙發(fā)育，雨水通過裂隙快速入滲，滲透系數(shù)大；土體濕脹導(dǎo)致裂隙愈合，滲透系數(shù)減小。袁俊平等建立了考慮裂隙的膨脹土入滲模型，指出膨脹土裂隙性和脹縮性等影響因素不容忽視。鄭少河和姚海林等在膨脹土的非飽和滲流分析中考慮裂隙性和脹縮性等因素影響并取得了一定的進(jìn)展。

膨脹土的滲透性與裂隙性關(guān)系密切，裂隙的開展、閉合過程影響滲透性的變化。傳統(tǒng)的滲透理論難以描述膨脹土滲透性與裂隙性耦合的效應(yīng)，因此膨脹土的滲透性研究應(yīng)有其獨(dú)特的特征需要深入探討。

三、研究展望

膨脹土相關(guān)理論還不完善，影響因素很多，實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備千差萬別，對膨脹土相關(guān)性質(zhì)的研究成果積累和比較有重大影響。膨脹土的力學(xué)行為有其獨(dú)特性，對其研究推進(jìn)了非飽和土力學(xué)理論的發(fā)展。對膨脹土脹縮性、裂隙性、滲透性、土水特性及強(qiáng)度特性等力學(xué)行為相互耦合的研究將是今后研究的主要方向。

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TU

A

1673-0046（2015）9-0169-02

信陽師范學(xué)院大學(xué)生科研基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No.2013-DXSZD-21）