膨脹土變形特性的影響因素分析★

王亞輝 劉 杰 劉建政 劉航京

(河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

膨脹土與其他土體在物理及力學性能上都有較大的差異，膨脹土主要是由蒙脫石和伊利石組成，由于這兩種黏土礦物的強親水性，使得膨脹土的脹縮性尤為顯著。膨脹土在干濕循環(huán)作用下吸水膨脹，失水收縮的特性對我國基礎建設中的諸多領域都產(chǎn)生了極大的破壞作用。本文總結了膨脹土變形特性的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地介紹了初始含水率、干密度及上覆荷載對膨脹土膨脹率和膨脹力的影響進展。

1 膨脹率變化規(guī)律的研究現(xiàn)狀

由于膨脹土中含有大量的蒙脫石、伊利石等強親水性黏土礦物，因而膨脹土會有遇水膨脹，失水收縮的脹縮變形。這種特性不僅與膨脹土的礦物構成、空間結構等因素密切相關，也會受到膨脹土所處的初始狀態(tài)，外部荷載及環(huán)境等因素的影響。

很多學者對膨脹土的脹縮變形進行了大量深入的研究，普遍認為膨脹土的膨脹變形是由親水性黏土礦物與水發(fā)生的物理化學作用的結果。目前，該過程的作用機理主要有晶格擴張和顆粒間擴張[1]。

1.1 初始含水率的因素分析

膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性，決定了水的因素對膨脹土變形規(guī)律有一定的影響。早期就有許多的巖土工作者通過對不同初始含水率的膨脹土試樣進行室內試驗，認為初始含水率與膨脹率密切相關，且膨脹率隨初始含水率的增大而減少[2]。初始含水率越低，黏粒周圍的結合水膜就越薄，毛細管中水的張力也就越小，其吸水的能力越強，這樣外界更多的水分進入土體中，與土中的親水性黏粒礦物發(fā)生相互作用，使黏粒礦物內部的晶格出現(xiàn)擴張，并且黏粒周圍的結合水膜厚度增加，從而導致黏土礦物的顆粒間間距增大，引起越大的體積膨脹[1,3]。

1.2 干密度的因素分析

膨脹土主要是由蒙脫石等黏土礦物組成，黏土礦物中的固體顆粒部分會因初始干密度的不同，造成固體顆粒間的空隙不同，進而會對膨脹土的變形產(chǎn)生影響。長期以來，許多巖土工作者致力于初始干密度因素對于膨脹變形影響的研究。王征等[2]對南水北調禹州段膨脹土進行了研究；李振等[4]開展了對于不同初始干密度下的膨脹土在分級浸水過程中的浸水特性研究，認為膨脹土的膨脹率是隨著干密度的增大而增大。原因在于膨脹土的膨脹是土體內部親水性黏土礦物與水發(fā)生相互作用的結果。隨著初始干密度的增大，單位體積內所含親水性的黏土礦物含量就會越多，從而膨脹率就會越來越大。

1.3 上覆荷載的因素分析

大多膨脹土地區(qū)的膨脹土上部都存在其他土層或附加荷載。研究上覆荷載對于膨脹土變形的影響是必不可少的。由于現(xiàn)場試驗操作難度大、成本高等因素，所以上覆荷載對于膨脹土變形規(guī)律的研究大多都采用室內試驗。盧坤林等[5]通過對不同壓力下膨脹土的變形分析研究，認為上覆荷載對于膨脹土的膨脹變形有較大的抑制作用，且荷載越大，抑制作用越顯著。上覆荷載對于膨脹土的變形特性是有很大影響的，其原因在于當膨脹土受到上覆荷載作用時，土體中的有效應力會隨著上覆荷載的增大而增大。土中水的含量就會相應地減少，最終抑制了膨脹土的膨脹變形。

1.4 各種因素的耦合作用分析

膨脹土所受到的自身或外界因素，隨各種環(huán)境因素是在不斷變化。所以需要考慮各因素之間的耦合作用，以致于更好地揭示膨脹土的變形規(guī)律。在考慮初始含水率、初始干重度和上覆荷載三者的耦合作用下，建立了關于膨脹土膨脹量的計算模式，并滿足于工程上的精度要求，對以后解決工程上問題有重要的現(xiàn)實意義。

2 膨脹力變化規(guī)律的研究現(xiàn)狀

在《巖土工程基本術語標準》中定義膨脹力是指土體在不允許側向變形下充分吸水，使其在吸水的過程中始終不發(fā)生豎向脹縮所施加的最大壓力值。對于膨脹土的礦物組成、空間結構和干密度等因素與膨脹力的變化規(guī)律有關已得到普遍的認可，但是對于初始含水率對膨脹力的變化影響在早期并沒有達成統(tǒng)一的認識。

2.1 初始含水率的因素分析

在早期就初始含水率對于膨脹力是否有影響，存在兩種不同的看法。一種是認為兩者之間沒有關系，另一種則認為有關。丁振洲等[1]從力學的概念重新界定了膨脹力，認為膨脹力的大小與初始含水率是有關的，并把從力學方面定義的膨脹力視為自然膨脹力。王芳等[6]通過對南水北調中線工程淅川縣地區(qū)的4種不同特性的膨脹土樣進行了大量的試驗研究，其研究結論為南水北調中線工程中涉及到的膨脹土處理提供了依據(jù)。

2.2 各因素的耦合分析

對于膨脹力變化規(guī)律的研究分析也是通過一系列的室內試驗，從理論上來說對于研究的結果存在一定的局限性。王征等[2]通過回歸分析，建立了考慮兩者耦合作用下膨脹力的計算公式。許多研究表明，隨著初始含水率增大，膨脹力不斷減小。項偉等[7]通過對河南新鄉(xiāng)地區(qū)弱膨脹的研究，得出了不一樣的結論，即初始干密度一定時，隨著初始含水率的增加，重塑弱膨脹土的膨脹力先增大后減小，存在著膨脹力峰值?？紤]不同因素間的耦合作用對膨脹力變化的研究有著重要的意義。

3 結語

本文介紹的研究成果能夠指導如何在實際工程中更好地預防和減小膨脹土所帶來的危害，同時也能減少國家損失和確保人民生命財產(chǎn)安全。