膨脹土的研究現狀與展望

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，膨脹土從最優含水量開始浸水至飽和狀態的總膨脹量。膨脹勢與膨脹土的液限、塑限、塑性指數、粘粒含量、膠粘含量和活性指數具有相關性。

繆林昌等［1］在試驗的基礎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系;用常體積法進行了膨脹力變化規律的研究，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構損傷演化和變形強度規律。

徐永福等［4］進行了膨脹變形試驗研究，結果表明:膨脹量是含水量的線性函數，膨脹量的對數與壓力的對數呈直線相關，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關系，并用這些關系簡化了膨脹土地基膨脹量的計算公式。

劉祖德等［6］討論了在三向應力狀態作用下，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，發現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，根據試驗數據擬合出膨脹力曲線和膨脹量曲線的變化規律均為指數關系。為膨脹土路堤的設計及膨脹土地基處理等問題提供了重要的依據。

劉松玉等［8］研究了干濕循環對擊實膨脹土脹縮特性的影響。研究結論: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過程的發展總是增大，而相對膨脹率降低，這種變化在Ⅱ級，Ⅲ級循環時最明顯，經過Ⅲ級循環后脹縮特性基本趨于穩定。

2.2 強度

徐永福［9］提出了非飽和膨脹土結構性凝聚力與結構性內摩擦角的概念，得出:結構性強度是結構性凝聚力與有效凝聚力的差，結構性強度的對數與基質吸力的對數呈直線相關。

楊慶等［10］人通過大量的膨脹力試驗和抗剪強度試驗，得出結論:非飽和膨脹土土樣的剪切應力與剪切位移關系曲線是剪切“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］人依據常規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］人采用常規直剪試驗方法測試了擊實土樣經干縮濕脹飽水后的抗剪強度以模擬土體季節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限抗壓強度演化特征與擊實土的脹縮性狀及力學效應試驗研究，發現膨脹土的CBR值隨其含水率的變化規律類似于擊實曲線，但CBR峰值含水率比最佳含水率要大。

繆林昌等［15］經研究得出干濕循環數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，發現原狀土在剪切過程中表現為脆性破壞并有一定軟化現象，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脹縮特性、剪縮和剪脹特性。

2.3 穩定性

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，建議早期預報的“雙鏈”框圖實現事先預警預報的目的，減少生命財產的損失。

孔令偉等［18］人對膨脹土進行了實驗研究，得出結論“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定。

姚海林等［19］通過采用暫態飽和/非飽和滲流的有限元分析與土坡穩定性極限平衡分析結合的方法，對降雨入滲引起膨脹土邊坡失穩問題進行了系統研究，認為考慮雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩定性分析，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測。總結出降雨入滲對空隙水壓力、含水量、土壓力和變形的定性關系，解釋了為什么降雨誘發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定性問題。考慮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力學假定條件下的極限平衡法求解邊坡最小穩定系數的簡便穩定性分析方法，該法可以滿足施工初期或者設計階段精度要求。

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定。隨著我國經濟建設的持續高速發展，以計算機技術為依托，我國有關膨脹土的問題將會逐漸解決，膨脹土的相關規范日趨完善。

［1］繆林昌，仲曉晨，殷宗澤.非飽和膨脹土變形規律的試驗研究［J］.大壩觀測與土工測試，1999，23(3):36-39.

［2］徐永福，陳永戰，劉松玉，等.非飽和膨脹土的三軸試驗研究［J］.巖土工程學報，1998，20(3):14-18.

［3］陳正漢，盧再華，蒲毅彬.非飽和土三軸儀的CT機配套及其應用［J］.巖土工程學報，2001，23(4):387-392.

［4］徐永福，龔友平，殷宗澤.寧夏膨脹土膨脹變形特征的試驗研究［J］.水利學報，1997(9):27-30.

［5］徐永福，吳正根，劉傳新.膨脹土的擊實條件與膨脹變形的相關性研究［J］.河海大學學報，1997，25(3):57-60.

［6］劉祖德，王 園.膨脹土浸水三向變形研究［J］.武漢水利電力大學學報，1994，27(6):616-621.

［7］李獻民，王永和，楊果林，等.擊實膨脹土工程變形特征的試驗研究［J］.巖土力學，2003，24(5):826-830.

［8］劉松玉，季 鵬，方 磊.擊實膨脹土的循環膨脹特性研究［J］.巖土工程學報，1999，21(1):9-13.

［9］徐永福.非飽和膨脹土結構性強度的研究［J］.河海大學學報，1999，27(2):86-89.

［10］楊 慶，張慧珍，欒茂田.非飽和膨脹土抗剪強度的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(3):420-425.

［11］繆林昌，殷宗澤，劉松玉.非飽和膨脹土強度特性的常規三軸試驗研究［J］.東南大學學報(自然科學版)，2000，30(1):121-125.

［12］繆林昌，殷宗澤.非飽和土的剪切強度［J］.巖土力學，1999，20(3):1-6.

［13］楊和平，肖 奪.干濕循環效應對膨脹土抗剪強度的影響［J］.長沙理工大學學報(自然科學版)，2005，2(2):1-5.

［14］孔令偉，郭愛國，趙穎文，等.荊門膨脹土的水穩定性及其力學效應［J］.巖土工程學報，2004，26(6):727-732.

［15］繆林昌，劉松玉.南陽膨脹土的水分特征和強度特性研究［J］.水利學報，2002(7):87-92.

［16］盧再華，陳正漢，曹繼東.原狀膨脹土的強度變形特性及其本構模型研究［J］.巖土力學，2001，22(3):339-342.

［17］包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定問題［J］.巖土工程學報，2004，26(1):1-14.

［18］孔令偉，郭愛國，陳善雄，等.膨脹土的承載強度特征與機制［J］.水利學報，2004(5):13-14.

［19］姚海林，鄭少河，李文斌，等.降雨入滲對非飽和膨脹土邊坡穩定性影響的參數研究［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(7):1034-1039.

［20］詹良通，吳宏偉，包承綱，等.降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監測［J］.巖土力學，2003，24(2):151-158.

［21］姚海林，鄭少河，陳守義.考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩定性分析［J］.巖土工程學報，2001，23(5):606-609.

［22］王文生，謝永利，梁軍林.膨脹土路塹邊坡的破壞型式和穩定性［J］.長安大學學報(自然科學版)，2005，25(1):20-24.