膨胀土工程地质特性研究进展

江文力 饶燕兰

核工业志诚建设工程有限公司 江西 南昌 330096

前言：膨胀土是一种具有高分散性和高塑性的黏土，其成分构成较为复杂，包含了蒙脱石、绿泥石、伊利石、高岭石等多种。由于其对外部气候变化的敏感性较强，因此对工程建设活动十分不利。根据现有研究来看，膨胀土地区出现的很多灾害现象都与膨胀土的胀缩性、裂隙性以及超固结性等三种特性存在关联。因此本文针对膨胀土工程地质特性的研究进展探讨也是从这三个方面出发。

1 膨胀土工程特定研究进展

1.1有关膨胀土胀缩性的研究进展

膨胀土因含水率变化而出现的体积变化被叫做胀缩变形，膨胀土的提及会随着含水率的提高则出现膨胀，相反，也会因含水率的降低而收缩。但当膨胀土所经历的干湿循环次数过多时，其体积对含水率变化的敏感性将逐步降低，其胀缩变形也会呈现出的不可逆特征。根据刘松玉（1991）、杨和平（2006）等人的研究来看，膨胀土经历的干湿循环次数越多，其胀缩不可逆性表现的越明显。而根据Alonso（1998）的研究，在控制吸力的情况下，膨胀土的胀缩变形可以分为宏观结构变形和微观结构变形两部分，前者的可逆性和干湿循环的累积变形量相关，而后者大多数情况下都是可逆的。后来，栾茂田等（2008）通过对非饱和重塑土收缩特性的研究，确定了膨胀土的屈服吸力以及缩限吸力。

在膨胀土胀缩机理研究方面，根据我国谭罗荣、刘松玉以及陈亮等人的研究来看，膨胀土在吸水后体积出现膨胀的本质是水膜的形成及其厚度的持续增加，导致膨胀土的颗粒间距持续增大，而且在颗粒之间形成了一种“楔”力。根据Basma（1996）的试验研究，膨胀土的初始含水率和吸力状态是干湿循环过程中土体胀缩变形特征的主要控制因素。根据我国陈亮等（2013）、吴珺华等（2013）的研究，干湿循环次数以及外力条件对膨胀土的变形情况也有显著影响，干湿循环次数的增加会使膨胀土的相对膨胀率以及绝对膨胀率同时降低，而外部荷载的增加则会对其膨胀变形产生显著的抑制效果。

1.2有关膨胀土裂隙性的研究进展

在严重失水的情况下，膨胀土的表面会出现龟裂现象，产生相互交错的裂隙网络。在膨胀土工程中，这种龟裂现象会带来十分不利的后果，严重时甚至会引发地质问题。膨胀土表面出现的裂隙会损害土体的整体性和承载能力，相应的土地压缩性则会出现增长，容易引发建筑建筑的不均匀沉降。

在关于膨胀土裂隙性的研究中，裂隙网络的定量分析是一个重要方向，目前已经取得了不错的成果。如卢再华等（2002）利用CT对重塑膨胀土在干湿循环过程中其裂隙的演化情况进行了研究，实现对膨胀土裂隙演化过程的定量分析。再如，李雄伟等（2009）对膨胀土干燥过程中裂缝的分形维数进行了计算，建立了其与裂隙率之间存在的线性关系以及含水率与裂隙率之间的线性关系。

在膨胀土干缩裂隙形成机理的研究领域，至今学术界并未形成共识，如唐朝生等（2012a）认为膨胀土的龟裂是一个动态发展的过程，主要受水分蒸发速率、膨胀土收缩特定以及应力状态等因素的影响。他们研究发现，膨胀土的龟裂主要与吸力以及抗拉强度两项参数相关，一旦土体吸力过高，导致张拉应力超出其自身的抗拉强度，就会出现龟裂现象。此外，Shin（2011）从微粒和宏观孔隙的角度对膨胀土干燥裂隙的发展过程进行了研究，他认为空气进入膨胀土孔隙中是其表面裂隙发育的临界点，以此推断，膨胀土表面孔隙较大的部位，在干燥时更容易进入空气，导致吸力快速增加而产生裂隙。

1.3有关膨胀土超固结性的研究进展

超固结是指土体在土质历史过程中正经承受过比当前应力水平更高的荷载作用，其固结状态通常用超固结比ORC来描述。相较于胀缩性和裂隙性，关于膨胀超固结性的研究相对较少，且大多数都是定性描述。在膨胀土出现超固结性的原因研究方面，姚海林等（2002）研究认为膨胀土在干湿循环的影响下会出现反复的胀缩变形，导致其水平侧向应力远超出竖向自重应力，这是膨胀土表现出超固结性的原因。因此水平应力超出垂直应力是膨胀土超固结性的重要特征之一。Brackley（1987）对南非膨胀土地区侧向压力遂深度和季节的变化情况进行了测量，结果显示，膨胀测压力系数基本达到甚至超过了土体的被动侧压力系数。

在膨胀土工程中，超固结特性的影响往往会被人忽视，导致地质问题的发生。例如在进行边坡开挖的过程中，膨胀土所具有的较高水平应力会使开挖时产生的卸荷效应远高于普通的固结黏土，进而导致裂隙的产生，影响土体的结构整体性、稳定性以及强度。

2 膨胀土工程处治技术研究进展

在膨胀土工程中，为了避免工程地质问题的发生，人们对工程处治技术的研究也取得了不俗的成果。很多国家在膨胀土地区修建铁路时，都出现过因边坡土体强度衰减以及基床土体承载力降低而导致的滑坡、沉降问题，影响列车运行安全稳定。在膨胀土地区进行道路工程建设时，必须要根据路基工程的地质性质采用最科学的设计形式，需要考虑的因素包括膨胀土的类型、边坡土体的结构类型、裂隙产状及发展状况、地形地貌、水文地质特征等。

在膨胀土地区进行工程建设中很容易出现不均匀沉降、边坡坍滑、路面开裂等现象，对此，不要直接使用膨胀土进行路堤的填筑，同时还要对膨胀土地区的路基进行换填处理，但这则会引发水土流失、环境破坏等一系列问题。因此王保田等（2005）研究出了一种化学改性的方法，通过在膨胀土路基中掺加石灰或是注入化学浆液的方式提高土体的稳固性，为工程建设创造条件。此外，杨和平等（2007b）根据室内试验和实体工程验证了一种有效的膨胀土物理处治技术，并在我国多条高速公路建设中实现了成功应用，有效避免了土地资源的浪费，同时也促进了经济和生态环保效益的提升。

结语：综上所述，膨胀土所具有的胀缩性、裂隙性以及超固结性为工程建设活动带来了较大的困难，人们基于对其特性的研究针对性的研发了膨胀土工程的处治技术，有效降低了膨胀土对工程建设的负面影响，实现了工程效益的提升。