膨胀土的工程特性、力学、水力学行为研究进展

马全国

（广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004；桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004）

膨胀土的工程特性、力学、水力学行为研究进展

马全国

（广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004；桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004）

简要介绍国内外有关膨胀土的工程特性及力学与水力特性等力学行为的研究现状，针对膨胀土的“三性”问题指出了当前研究中存在的主要问题，并从其强度特性、变形特性、持水特性和渗透特性等四个方面对现有膨胀土力学行为的研究成果进行归纳总结，简要分析目前研究中存在的不足，提出考虑各特性之间的耦合影响是今后研究的主要方向。

膨胀土；裂隙性；膨胀势；水力特性

膨胀土指土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩变形特性的黏性土。影响膨胀土胀缩变形大小的物质成分主要是土中蒙脱石和伊利石等矿物含量、离子交换量以及小于2μm黏粒含量。这些物质成分具有较强的亲水特性，是膨胀土胀缩变形的物质基础；膨胀土颗粒的微观结构属于面——面叠聚体，相比团粒结构有更大的胀缩能力。

膨胀土工程问题多由降雨造成，雨水入渗导致土体含水率上升、吸力降低、体积增大、抗剪强度降低，最后诱发工程失稳，因而对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用，典型的有轻型建筑基础、墙体开裂，膨胀土土坡、路堤边坡、路堑边坡、渠道边坡失稳等。

膨胀土在世界范围内分布广泛，美国土木工程师协会估计四分之一的美国家庭居住在膨胀土层上，膨胀土引发的建筑物与下部结构破坏造成每年150亿美元的经济损失，超过了地震、洪水、飓风与龙卷风造成的年经济损失的总和；英国土木工程师协会估计膨胀土造成的经济损失达3亿英镑/年，是当下英国最具破坏力的地质灾害，英国保险业者协会估计膨胀土问题导致的保险赔付每年超过4亿英镑。

中国是膨胀土分布面积广大、成因类型复杂的国家之一，20多个省区，630个县市有膨胀土分布，3亿以上人口生活在膨胀土分布地区，每年因膨胀土造成的经济损失达数百亿元。

欧美国家自1930年代以来、国内自1960年代以来，膨胀土问题引起了岩土工程与工程地质界的广泛关注，成为岩土力学领域的重要研究课题之一。已达成的基本共识是：膨胀土具有区别于一般黏土的特殊工程特性——“三性”即胀缩性、超固结性、裂隙性。然而，膨胀土的“三性”与土的基本力学行为（强度和变形）及其水力学行为(持水与渗透)之间的互馈机制尚不十分明确。换句话讲，膨胀土在外部荷载与干湿路径的共同作用下，胀缩性、超固结性、裂隙性等工程特性，强度与变形等力学行为，持水与渗透等水力学行为之间是耦合在一起且相互影响的，呈现出纷繁复杂的物理表象，令人费解，引人入胜。

一、膨胀土的工程特性

1.胀缩性

胀缩性是膨胀土相关工程病害的主要根源，该问题涉及膨胀土的胀缩机理、影响胀缩特性的因素、胀缩的各向异性及具体工况等。

膨胀土遇水膨胀受约束时，表现为膨胀力；膨胀不受约束时，表现为膨胀变形（用膨胀率表征）；遇水膨胀所受约束较小而不足以完全抑制土体膨胀时，膨胀力与膨胀变形同时发生，统称为膨胀土的膨胀势。膨胀势指膨胀土膨胀性的大小，通常用膨胀力与膨胀率表征。

膨胀势与土体的外部约束条件、排水条件、应力状态相互作用，体变特征相当复杂。目前膨胀土胀缩变形研究还不完善，试验成果很难模拟实际情况，通过传统试验难以较全面确定相关参数，因此计算模型难以考虑土体结构性的影响，尤其是不能考虑裂隙的影响。

2.裂隙性

裂隙性是膨胀土的主要结构特征之一，对膨胀土的力学性质和渗透性质等都有影响。当含水量减少时，膨胀土发生干缩开裂，而气候干湿交替等作用导致裂隙进一步扩展，开挖过程中应力的释放也会导致裂隙扩展。裂隙不仅破坏了土体的完整性，同时也为渗流提供了通道，加剧了膨胀土深层的胀缩变形和裂隙扩展。裂隙性对膨胀土的力学行为影响很大，姚海林和殷宗泽等先后研究了裂隙对膨胀土稳定性、渗透性等的影响。对裂隙的定性、定量研究获得了较快发展，裂隙的量化研究有利于考虑裂隙影响的力学行为模型发展。

从现有的研究成果来看，裂隙的观测方法主要有拍照法、素描法、电导法、CT法和超声波法等。基于分形理论，易顺民研究了膨胀土裂隙形态的分形特征。

裂隙对膨胀土力学性质与渗透性质等有着重要的影响。国内外对裂隙的研究已经取得大量的研究成果，但仍存在一些问题和不足，如干湿循环条件下裂隙的开展闭合规律研究还未见报道。

3.超固结性

土体沉积过程中，受重力作用，逐渐堆积，固结压密。因地质作用而发生卸载，导致其土层过去受过的固结压力大于现有的土中压力的工程特性称之为超固结性，膨胀土在反复胀缩变形过程中，由于上部荷载和侧向约束作用，随着干缩湿胀交替，土体受到膨胀势作用反复压密，表现出较强的超固结特性。与通常的剥蚀作用产生的超固结机理完全不同，这种超固结性是膨胀土特有的性质。

超固结土的初始结构强度很高，压缩性小。对于膨胀土地基一般采用正常固结变形参数计算地基沉降，忽视超固结性的影响，导致地基沉降计算值明显偏大，相应的地基处理措施也偏于保守，增加了工程投资。余雷等通过理论计算与工程实测结果的比较，得出考虑超固结性的膨胀土地基沉降计算值与实测值较接近，远小于不考虑超固结性的沉降计算值。因此，研究超固结性对膨胀土卸荷条件下的力学特性，对于有效地进行膨胀土边坡设计及治理非常重要。

二、膨胀土的力学特性与持水特性

1.强度特性

膨胀土的强度特性与土中的矿物成分及含量、干密度、裂隙性、持水状态与应力状态等因素密切相关，具有显著的变动性。罗冲等通过对膨胀土在不同约束状态下膨胀后的强度特性研究，指出约束解除导致强度迅速衰减。

压实膨胀土的抗剪强度主要受持水状态与膨胀性控制，水的入渗导致土体吸力降低，含水率上升、体积膨胀、抗剪强度降低。膨胀势（膨胀势取决于土体当前的孔隙比状态和持水状态）与外部荷载、湿度变化的耦合作用表现为膨胀土孔隙比变化（体积）。应力状态和持水状态不同对应着不同的孔隙比，这就造成了膨胀土强度的差异。

目前关于有效内摩擦角与吸力之间关系研究存在争议，压实膨胀土抗剪强度存在变动性的认识还不够深入，孔隙比差异对膨胀土强度的影响规律还未得到普遍认识。

2.变形特性

膨胀土的灾害主要原因是湿胀干缩造成的，胀缩变形导致土体的完整性遭到破坏。而吸水膨胀使土体密实度降低和失水收缩使土体产生张开裂隙，二者皆使其强度降低，造成坡体失稳滑塌等工程灾害。膨胀土的变形分为两类：一是水分变化的湿胀干缩变形；二是荷载作用下的压缩变形。膨胀土的变形既受土力学行为影响，又受水力学行为影响。遇水变形受约束时表现为膨胀力；变形未受约束时，表现为膨胀变形；约束力较小时，膨胀力与膨胀变形同时发生，表现出变形特性的复杂性。

国内外很多学者提出了考虑吸力、初始含水率、荷载势的差异对土体变形量的影响。缪林昌等在试验结果的基础上，建立了膨胀变形与初始含水率、干密度和垂直压力的经验关系，进而结合常体积法建立了膨胀力与初始含水率、干密度之间的非线性定量关系。周葆春等通过对荆门弱膨胀土的非饱和一维压缩试验结果，构建了一个能描述干缩、加荷体缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等力学行为的简洁的非饱和土体变方程。该方程是否具有普遍适用性，还需要进一步研究。

3.持水特性

在非饱和土力学中，土水特征（SWCC）是表述土的持水状态与吸力之间关系的曲线。既能够反映土的持水特性，又能反映土的渗透性质和强度，对非饱和土的水力与力学行为研究有重要意义。鉴于SWCC的重要性，不少学者通过轴平移法、蒸汽平衡法、滤纸法与渗析法等对膨胀土进行试验研究，系统分析了矿物成分、结构特征及水力条件等因素对SWCC的影响。膨胀土的持水状态发生变化，同时影响土体的力学性质与渗透性质等的变化。膨胀土的裂隙性也造成其土水特性的特殊性，李锦辉等指出裂隙土的土水特征呈双峰特征。

目前，对膨胀土水力耦合特性相关的研究很少，能够合理考虑与准确描述膨胀土体吸力的水力滞回效应和体积变化的模型还未见报道。

4.渗透特性

膨胀土的裂隙性方便了雨水入渗，现场试验表明，含水率低时膨胀土具有较强透水性。李雄威等通过常水头渗透试验对膨胀土的裂隙渗透性进行了研究，发现土样初始渗透系数大，然后慢慢降低，最后趋于稳定。质地均匀的膨胀土渗透系数非常低，经历干湿循环后，土体裂隙发育，雨水通过裂隙快速入渗，渗透系数大；土体湿胀导致裂隙愈合，渗透系数减小。袁俊平等建立了考虑裂隙的膨胀土入渗模型，指出膨胀土裂隙性和胀缩性等影响因素不容忽视。郑少河和姚海林等在膨胀土的非饱和渗流分析中考虑裂隙性和胀缩性等因素影响并取得了一定的进展。

膨胀土的渗透性与裂隙性关系密切，裂隙的开展、闭合过程影响渗透性的变化。传统的渗透理论难以描述膨胀土渗透性与裂隙性耦合的效应，因此膨胀土的渗透性研究应有其独特的特征需要深入探讨。

三、研究展望

膨胀土相关理论还不完善，影响因素很多，实验方法及设备千差万别，对膨胀土相关性质的研究成果积累和比较有重大影响。膨胀土的力学行为有其独特性，对其研究推进了非饱和土力学理论的发展。对膨胀土胀缩性、裂隙性、渗透性、土水特性及强度特性等力学行为相互耦合的研究将是今后研究的主要方向。

[1]刘特洪，邵中勇，栾约生.岩土工程技术与实例[M].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[2]郑健龙，杨和平.公路膨胀土工程[M].北京:人民交通出版社，2009.

[3]陈孚华.膨胀土上的基础[M].北京:中国建筑工业出版社，1979.

TU

A

1673-0046（2015）9-0169-02

信阳师范学院大学生科研基金重点项目（No.2013-DXSZD-21）