膨脹土的工程特性、力學、水力學行為研究進展

馬全國

（廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林541004；桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004）

膨脹土的工程特性、力學、水力學行為研究進展

馬全國

（廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林541004；桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004）

簡要介紹國內外有關膨脹土的工程特性及力學與水力特性等力學行為的研究現狀，針對膨脹土的“三性”問題指出了當前研究中存在的主要問題，并從其強度特性、變形特性、持水特性和滲透特性等四個方面對現有膨脹土力學行為的研究成果進行歸納總結，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。這些物質成分具有較強的親水特性，是膨脹土脹縮變形的物質基礎；膨脹土顆粒的微觀結構屬于面——面疊聚體，相比團粒結構有更大的脹縮能力。

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

膨脹土在世界范圍內分布廣泛，美國土木工程師協會估計四分之一的美國家庭居住在膨脹土層上，膨脹土引發的建筑物與下部結構破壞造成每年150億美元的經濟損失，超過了地震、洪水、颶風與龍卷風造成的年經濟損失的總和；英國土木工程師協會估計膨脹土造成的經濟損失達3億英鎊/年，是當下英國最具破壞力的地質災害，英國保險業者協會估計膨脹土問題導致的保險賠付每年超過4億英鎊。

中國是膨脹土分布面積廣大、成因類型復雜的國家之一，20多個省區，630個縣市有膨脹土分布，3億以上人口生活在膨脹土分布地區，每年因膨脹土造成的經濟損失達數百億元。

歐美國家自1930年代以來、國內自1960年代以來，膨脹土問題引起了巖土工程與工程地質界的廣泛關注，成為巖土力學領域的重要研究課題之一。已達成的基本共識是：膨脹土具有區別于一般黏土的特殊工程特性——“三性”即脹縮性、超固結性、裂隙性。然而，膨脹土的“三性”與土的基本力學行為（強度和變形）及其水力學行為(持水與滲透)之間的互饋機制尚不十分明確。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、超固結性、裂隙性等工程特性，強度與變形等力學行為，持水與滲透等水力學行為之間是耦合在一起且相互影響的，呈現出紛繁復雜的物理表象，令人費解，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工程病害的主要根源，該問題涉及膨脹土的脹縮機理、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，表現為膨脹力；膨脹不受約束時，表現為膨脹變形（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，膨脹力與膨脹變形同時發生，統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、應力狀態相互作用，體變特征相當復雜。目前膨脹土脹縮變形研究還不完善，試驗成果很難模擬實際情況，通過傳統試驗難以較全面確定相關參數，因此計算模型難以考慮土體結構性的影響，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構特征之一，對膨脹土的力學性質和滲透性質等都有影響。當含水量減少時，膨脹土發生干縮開裂，而氣候干濕交替等作用導致裂隙進一步擴展，開挖過程中應力的釋放也會導致裂隙擴展。裂隙不僅破壞了土體的完整性，同時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展。裂隙性對膨脹土的力學行為影響很大，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展，裂隙的量化研究有利于考慮裂隙影響的力學行為模型發展。

從現有的研究成果來看，裂隙的觀測方法主要有拍照法、素描法、電導法、CT法和超聲波法等。基于分形理論，易順民研究了膨脹土裂隙形態的分形特征。

裂隙對膨脹土力學性質與滲透性質等有著重要的影響。國內外對裂隙的研究已經取得大量的研究成果，但仍存在一些問題和不足，如干濕循環條件下裂隙的開展閉合規律研究還未見報道。

3.超固結性

土體沉積過程中，受重力作用，逐漸堆積，固結壓密。因地質作用而發生卸載，導致其土層過去受過的固結壓力大于現有的土中壓力的工程特性稱之為超固結性，膨脹土在反復脹縮變形過程中，由于上部荷載和側向約束作用，隨著干縮濕脹交替，土體受到膨脹勢作用反復壓密，表現出較強的超固結特性。與通常的剝蝕作用產生的超固結機理完全不同，這種超固結性是膨脹土特有的性質。

超固結土的初始結構強度很高，壓縮性小。對于膨脹土地基一般采用正常固結變形參數計算地基沉降，忽視超固結性的影響，導致地基沉降計算值明顯偏大，相應的地基處理措施也偏于保守，增加了工程投資。余雷等通過理論計算與工程實測結果的比較，得出考慮超固結性的膨脹土地基沉降計算值與實測值較接近，遠小于不考慮超固結性的沉降計算值。因此，研究超固結性對膨脹土卸荷條件下的力學特性，對于有效地進行膨脹土邊坡設計及治理非常重要。

二、膨脹土的力學特性與持水特性

1.強度特性

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

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

目前關于有效內摩擦角與吸力之間關系研究存在爭議，壓實膨脹土抗剪強度存在變動性的認識還不夠深入，孔隙比差異對膨脹土強度的影響規律還未得到普遍認識。

2.變形特性

膨脹土的災害主要原因是濕脹干縮造成的，脹縮變形導致土體的完整性遭到破壞。而吸水膨脹使土體密實度降低和失水收縮使土體產生張開裂隙，二者皆使其強度降低，造成坡體失穩滑塌等工程災害。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行為影響，又受水力學行為影響。遇水變形受約束時表現為膨脹力；變形未受約束時，表現為膨脹變形；約束力較小時，膨脹力與膨脹變形同時發生，表現出變形特性的復雜性。

國內外很多學者提出了考慮吸力、初始含水率、荷載勢的差異對土體變形量的影響。繆林昌等在試驗結果的基礎上，建立了膨脹變形與初始含水率、干密度和垂直壓力的經驗關系，進而結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系。周葆春等通過對荊門弱膨脹土的非飽和一維壓縮試驗結果，構建了一個能描述干縮、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，還需要進一步研究。

3.持水特性

在非飽和土力學中，土水特征（SWCC）是表述土的持水狀態與吸力之間關系的曲線。既能夠反映土的持水特性，又能反映土的滲透性質和強度，對非飽和土的水力與力學行為研究有重要意義。鑒于SWCC的重要性，不少學者通過軸平移法、蒸汽平衡法、濾紙法與滲析法等對膨脹土進行試驗研究，系統分析了礦物成分、結構特征及水力條件等因素對SWCC的影響。膨脹土的持水狀態發生變化，同時影響土體的力學性質與滲透性質等的變化。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的研究很少，能夠合理考慮與準確描述膨脹土體吸力的水力滯回效應和體積變化的模型還未見報道。

4.滲透特性

膨脹土的裂隙性方便了雨水入滲，現場試驗表明，含水率低時膨脹土具有較強透水性。李雄威等通過常水頭滲透試驗對膨脹土的裂隙滲透性進行了研究，發現土樣初始滲透系數大，然后慢慢降低，最后趨于穩定。質地均勻的膨脹土滲透系數非常低，經歷干濕循環后，土體裂隙發育，雨水通過裂隙快速入滲，滲透系數大；土體濕脹導致裂隙愈合，滲透系數減小。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展。

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

三、研究展望

膨脹土相關理論還不完善，影響因素很多，實驗方法及設備千差萬別，對膨脹土相關性質的研究成果積累和比較有重大影響。膨脹土的力學行為有其獨特性，對其研究推進了非飽和土力學理論的發展。對膨脹土脹縮性、裂隙性、滲透性、土水特性及強度特性等力學行為相互耦合的研究將是今后研究的主要方向。

[1]劉特洪，邵中勇，欒約生.巖土工程技術與實例[M].北京:中國建筑工業出版社，2011.

[2]鄭健龍，楊和平.公路膨脹土工程[M].北京:人民交通出版社，2009.

[3]陳孚華.膨脹土上的基礎[M].北京:中國建筑工業出版社，1979.

TU

A

1673-0046（2015）9-0169-02

信陽師范學院大學生科研基金重點項目（No.2013-DXSZD-21）