膨脹土裂隙演化及其研究方法綜述

李子森，崔家全，高佳翔

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

膨脹土因其富礦物蒙脫石、伊利石等含親水性而表現(xiàn)出明顯的吸水膨脹和失水收縮特性。裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展演化破壞了膨脹土體結(jié)構(gòu)完整性并為水分的滲流提供了通道，進(jìn)一步加劇了膨脹土的脹縮和裂隙的演化[1]。

中國(guó)南水北調(diào)中線工程及高寒地區(qū)高鐵工程等工程涉及到膨脹土邊坡及地基穩(wěn)定性，相關(guān)科研單位與部門進(jìn)行了大量的研究[2],膨脹土的基本力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)及工程應(yīng)用理論逐漸趨于成熟。隨著“一帶一路”等國(guó)家工程建設(shè)的需求，膨脹土地區(qū)將會(huì)遇到更加復(fù)雜的工程問(wèn)題并推動(dòng)膨脹土的相關(guān)研究。筆者對(duì)膨脹土裂隙發(fā)育及演化規(guī)律成果進(jìn)行歸納，并對(duì)多場(chǎng)耦合下膨脹土微觀結(jié)構(gòu)-宏觀力學(xué)特性進(jìn)行研究，以期對(duì)膨脹土的研究進(jìn)行有益的探索。

1 不同因素下膨脹土的演化規(guī)律

膨脹土在形成過(guò)程中因礦物結(jié)合及生成過(guò)程中發(fā)生損傷而產(chǎn)生原生裂隙，該部分裂隙一般處于閉合狀態(tài)[3],在天然狀態(tài)下對(duì)膨脹土的性質(zhì)影響較小。而工程中作為建筑材料或者基礎(chǔ)的淺部膨脹土在水分、溫度、降雨及荷載等作用的影響下，膨脹土裂隙將在數(shù)目、長(zhǎng)度與貫通性等方面發(fā)生演化。

1.1 水分對(duì)膨脹土裂隙的影響

膨脹土因其富含親水性黏土礦物，容易遇水軟化。因此，水分對(duì)膨脹土裂隙的演化起著重要作用。特別是處于因氣候變化而引起的干濕循環(huán)下的膨脹土，長(zhǎng)期進(jìn)行干濕循環(huán)，反復(fù)脹縮、裂隙發(fā)育將產(chǎn)生閉合-裂開及擴(kuò)展演化，因其對(duì)膨脹土的工程性質(zhì)影響較大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的干濕循環(huán)下膨脹土的裂隙研究。冷挺等[4]通過(guò)對(duì)試樣的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，并利用圖像處理技術(shù)對(duì)干濕循環(huán)前后的裂隙進(jìn)行處理分析，從膨脹土表面裂隙率、分形數(shù)、裂隙大小，分析了裂隙的對(duì)收縮率等量化指標(biāo)，定量描述了裂隙的形態(tài)特征。黎偉等[5]以膨脹土平面裂隙為研究對(duì)象，利用數(shù)碼攝影獲取多次干濕循環(huán)下的裂隙擴(kuò)展圖像并進(jìn)行提取，得到了干濕循環(huán)對(duì)裂隙發(fā)育方向的影響主要發(fā)生在第2次的結(jié)論。韋秉旭等[6]對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程中壓實(shí)膨脹土樣的裂隙進(jìn)行了動(dòng)態(tài)、定量測(cè)量并對(duì)其進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，研究了抗剪強(qiáng)度與裂隙條數(shù)、裂隙總長(zhǎng)度、裂隙平均寬度變化的相關(guān)性。袁俊平等[7]利用二維斷層掃描技術(shù)實(shí)時(shí)反映了膨脹土在干濕循環(huán)后裂隙的產(chǎn)生-發(fā)育-貫穿的過(guò)程并用變異指標(biāo)來(lái)研究裂隙的發(fā)育規(guī)律。姚志華等[8]對(duì)重塑膨脹土進(jìn)行了無(wú)約束條件下的干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了CT 掃描，研究了試樣增濕和干燥所引發(fā)的裂隙產(chǎn)生和閉合規(guī)律。

以上研究成果認(rèn)為裂隙的水分增減及變化次數(shù)對(duì)膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律發(fā)揮了重要作用。水分的增減及干濕循環(huán)次數(shù)的前3次對(duì)裂隙的擴(kuò)展影響最為顯著。同時(shí)，裂隙的擴(kuò)展為水分在土體中的運(yùn)用提供了通道，干濕循環(huán)對(duì)于膨脹土地區(qū)的淺部邊坡穩(wěn)定是不利因素。

1.2 溫度對(duì)膨脹土裂隙的影響

我國(guó)東北高寒地區(qū)膨脹土渠道、鐵路等邊坡易經(jīng)歷凍融循環(huán)的作用，在季節(jié)和晝夜交替過(guò)程中，土體內(nèi)部的水分會(huì)發(fā)生凍結(jié)與融化，影響膨脹土裂隙的發(fā)育及演化，進(jìn)而對(duì)該地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性帶來(lái)重要影響。為滿足該地區(qū)工程建設(shè)的需要，相關(guān)學(xué)者結(jié)合工程需求進(jìn)行了大量的研究工作。Hotineanu A等[9]研究了東北吉林 - 圖們 - 琿春高速鐵路季節(jié)性凍土區(qū)域的膨脹土壤，并使用CT、X衍射等微觀手段研究了凍融循環(huán)過(guò)程中裂隙的發(fā)展演化規(guī)律，通過(guò)定義的平均損傷變量采用CT值來(lái)量化這種微損傷演化。一些學(xué)者如Al-Mukhtar 等[10]從土體穩(wěn)定性角度對(duì)凍融循環(huán)條件下膨脹土的裂隙演化進(jìn)行了較為深入的研究。許雷[11]研究了膨脹土試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中體積與凍融循環(huán)次數(shù)直接的關(guān)系，不同的凍結(jié)溫度會(huì)改變?cè)嚇拥臍堄嗫紫侗燃傲严兜淖兓?，并得出了?次凍融對(duì)膨脹土的強(qiáng)度及裂隙影響最大的結(jié)論。

從以上學(xué)者的研究中可知，凍融循環(huán)對(duì)裂隙的影響主要為：① 凍結(jié)過(guò)程中膨脹土中自由水及毛細(xì)水等轉(zhuǎn)化為固體水，加劇了膨脹土的失水收縮過(guò)程；② 冰晶體的存在既有裂隙產(chǎn)生壓裂的過(guò)程，又進(jìn)一步加劇了裂隙的演化。在融化階段，固體水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤喈?dāng)于膨脹土本身含水率增大的過(guò)程，親水礦物發(fā)生碰撞，有利于裂隙的發(fā)展。因此，凍融循環(huán)加劇了裂隙產(chǎn)生、演化與貫通。

1.3 應(yīng)力對(duì)膨脹土裂隙的影響

膨脹土在干濕及凍融循環(huán)過(guò)程中裂隙的演化與膨脹土本身的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，學(xué)者們對(duì)膨脹土固結(jié)過(guò)程中裂隙的演化進(jìn)行了相關(guān)研究。 程明書等[12]以南陽(yáng)膨脹土為研究對(duì)象進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)并基于Kachanov 連續(xù)損傷變量及Fredlund 非飽和土有效應(yīng)力理論，提出了結(jié)構(gòu)性損傷膨脹土的強(qiáng)度表征方法。根據(jù)破壞機(jī)制將該力學(xué)關(guān)系表示為裂隙發(fā)育及殘余強(qiáng)度2個(gè)階段。朱國(guó)平等[13]通過(guò)CT試驗(yàn)研究了在側(cè)限壓縮過(guò)程中淺層膨脹土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律并得出。應(yīng)力對(duì)裂隙開展有一定抑制作用，并影響裂隙的發(fā)育和裂隙網(wǎng)絡(luò)的形狀；原狀膨脹土的裂隙圍繞第1次形成的主裂隙發(fā)育，而重塑膨脹土的裂隙呈龜背狀或輻射狀。王曉燕等[14]對(duì)重塑膨脹土進(jìn)行了干濕循環(huán)、三軸浸水和各向等壓加載試驗(yàn)，并結(jié)合CT技術(shù)從細(xì)觀上分析膨脹土裂隙的產(chǎn)生以及裂隙在水和外力作用下的閉合全過(guò)程，進(jìn)而研究裂隙對(duì)膨脹土變形特征的影響。裂隙膨脹土在各向等壓加載過(guò)程中存在明顯屈服現(xiàn)象，且屈服與裂隙在荷載作用下閉合并演化成孔洞有關(guān)。姚志華等[15]也進(jìn)行了膨脹土在干濕循環(huán)和三軸浸水過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的研究并得出：無(wú)約束條件下的膨脹土試樣增濕和干燥都能引發(fā)裂隙的產(chǎn)生和閉合；在三軸浸水試驗(yàn)中，裂隙均趨于閉合，而閉合程度與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。黎偉[16]等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了膨脹土裂隙的各特征參數(shù)，對(duì)裂隙平面擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行定量化描述分析。這些研究分析表明：膨脹土裂隙在應(yīng)力作用下閉合；外部應(yīng)力的存在使得膨脹土顆粒收到約束從而處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，抑制了其膨脹性進(jìn)而減少了因失水而產(chǎn)生的收縮。

2 裂隙演化的研究方法

我國(guó)大規(guī)模工程建設(shè)的需求及科學(xué)試驗(yàn)條件的發(fā)展促進(jìn)了膨脹土裂隙的研究， 膨脹土裂隙的研究由初始的通過(guò)肉眼發(fā)現(xiàn)裂隙，用量角器、鋼尺等工具量測(cè)其寬度和長(zhǎng)度,用羅盤量測(cè)其產(chǎn)狀并進(jìn)行地質(zhì)填圖，發(fā)展到現(xiàn)在采用室內(nèi)土工模型試驗(yàn)、數(shù)碼攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)成像技術(shù)、CT及XRD等研究方法，并對(duì)膨脹土裂隙網(wǎng)絡(luò)定量分析，取得了較為豐富的研究成果。

2.1 裂隙演化宏觀規(guī)律研究方法

膨脹土裂隙分布及演化規(guī)律的宏觀研究方法主要集中在對(duì)裂隙的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及土工試驗(yàn)試件的裂隙規(guī)律的定量研究方面。趙洪巖[17]等采用分布式光纖感測(cè)技術(shù)對(duì)膨脹土邊坡在失水干縮過(guò)程中的變形及裂縫發(fā)展情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析。曹玲等[18]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬降雨-蒸發(fā)條件膨脹土干濕循環(huán)的裂隙演化試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了土樣干縮開裂、濕化愈合的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。張家俊等[19]通過(guò)試樣烘干及圖像處理方法對(duì)南陽(yáng)膨脹土在反復(fù)干濕循環(huán)作用下的裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，研究了裂隙發(fā)育與土體完整性破壞之間的關(guān)系：裂隙越發(fā)育, 土體范性變形量越大。Tang 等[20]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)開展了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)多次干濕循環(huán)土樣的裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了定量分析，研究表明裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)指標(biāo)在經(jīng)歷第3次循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，從土結(jié)構(gòu)演化的角度對(duì)裂隙的發(fā)育機(jī)制進(jìn)行了分析。以上研究主要集中在宏觀方面揭示了裂隙的發(fā)育與演化規(guī)律，膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的變化影響其宏觀物裂隙的演化規(guī)律，因此有必要從細(xì)觀及微觀角度進(jìn)行研究。

2.2 裂隙演化細(xì)、微觀規(guī)律研究方法

膨脹土的裂隙宏觀擴(kuò)展與演化與微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)力損傷密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者從微觀角度研究了膨脹土內(nèi)部力學(xué)作用下的演化規(guī)律。膨脹土細(xì)觀裂隙的演化主要集中在利用CT手段，盧再華等[21]利用CT技術(shù)對(duì)南陽(yáng)重塑膨脹土在多次干濕循環(huán)結(jié)束時(shí)裂隙的演化進(jìn)行了細(xì)觀試驗(yàn)研究。

武科[22]等以土顆粒與水體尺度研究了土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙的主要誘因及膨脹土失水收縮過(guò)程中基質(zhì)吸力變化規(guī)律。張拳[23]等運(yùn)用Fredlund數(shù)學(xué)模型對(duì)膨脹土土水特征曲線進(jìn)行擬合,得到擬合曲線,建立了該土樣的土水特征方程，揭示了其裂隙的演化對(duì)膨脹土體積的影響。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

我國(guó)南水北調(diào)中線工程及國(guó)家高鐵的建設(shè)等國(guó)家工程所面臨膨脹土凍融作用下裂隙演化帶來(lái)的工程問(wèn)題，有關(guān)學(xué)者在過(guò)去的幾十年內(nèi)對(duì)我國(guó)膨脹土進(jìn)行了大量的研究，本文對(duì)膨脹土裂隙發(fā)育與演化方面的有關(guān)研究進(jìn)行了歸納并總結(jié)如下：

(1) 膨脹土的裂隙性是由其親水礦物而表現(xiàn)出的明顯的吸水膨脹和失水收縮特性。膨脹土裂隙的演化不僅僅與其礦物組成有關(guān)，同時(shí)與膨脹土所處的環(huán)境密切相關(guān)。

(2) 膨脹土水分的變化對(duì)膨脹土中裂隙的演化起著關(guān)鍵作用，膨脹土中親水性黏土礦物遇水軟化。膨脹土長(zhǎng)期進(jìn)行干濕循環(huán)，土體體積反復(fù)脹縮進(jìn)而裂隙發(fā)育將產(chǎn)生閉合-裂開及擴(kuò)展演化；凍融循環(huán)前3次對(duì)膨脹土裂隙的影響最為明顯，凍融循環(huán)過(guò)程中自由水的變化導(dǎo)致土體體積的脹縮，冰晶體的存在既有裂隙產(chǎn)生壓裂的過(guò)程，又進(jìn)一步加劇了裂隙的演化；應(yīng)力的存在對(duì)膨脹土裂隙的發(fā)育及演化具有一定的抑制作用。

(3) 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及國(guó)家工程建設(shè)的大量需求促進(jìn)了膨脹土研究方法的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)裂隙調(diào)查仍是工程中不可或缺的方法，宏觀的試件尺度的高分辨率數(shù)碼相機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)是揭示膨脹土裂隙發(fā)育宏觀規(guī)律的常用方法。而CT、SEM 、X-射線衍射、透射電鏡、壓汞法和環(huán)境掃描電子顯微鏡等技術(shù)手段是揭示膨脹土在應(yīng)力、干濕循環(huán)等條件下裂隙演化的重要手段。 顆粒角度結(jié)合非飽和土力學(xué)理論有助于從微觀層面對(duì)裂隙的演化進(jìn)行研究。

3.2 展 望

盡管目前圍繞膨脹土裂隙演化問(wèn)題已經(jīng)開展了大量的研究，但是“一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略工程方興未艾，膨脹土工程問(wèn)題仍不可避免 ，膨脹土的裂隙問(wèn)題研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。筆者提出以下幾點(diǎn)供大家探討：

(1) 膨脹土所處的環(huán)境為水-熱-力等復(fù)雜的物理場(chǎng)，裂隙的演化不僅僅與降雨、溫度及荷載相關(guān)，現(xiàn)有的研究為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化，大多數(shù)學(xué)者進(jìn)行了單因素或者兩個(gè)因素下裂隙的演化規(guī)律研究。因此，對(duì)膨脹土在多場(chǎng)耦合作用下的裂隙發(fā)展規(guī)律的研究有助于解決如高寒地區(qū)所面臨的膨脹土工程問(wèn)題。

(2) 膨脹土的礦物組成及其變化規(guī)律決定了裂隙演化規(guī)律。在干濕、凍融及應(yīng)力條件下親水礦物的形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化對(duì)裂隙的發(fā)育與演化有重要影響。因土顆?；蛘呖紫督Y(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的簡(jiǎn)單提取,難以找到裂隙的宏觀演化規(guī)律。如何客觀地將膨脹土微、細(xì)觀形態(tài)變化與宏觀裂隙演化相結(jié)合并從膨脹土本身結(jié)構(gòu)的變化揭示其工程性質(zhì)，將是未來(lái)膨脹土研究的重要方向。