膨胀土知识

膨胀土知识简介1膨胀土的研究意义膨胀土是粘粒成分主要由亲水矿物(主要是蒙脱石、伊利石、高岭石等)组成，液限大于40%，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的粘性土。

在自然条件下，一般多呈硬塑或坚硬状态，具黄、红、灰白等色，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕。

膨胀土分布广泛，在世界六大洲的40多个国家都有分布。

自1938年美国开垦局在俄勒冈州的一例基础工程中首次认识了膨胀土问题，膨胀土开始引起人们的关注。

由于它具有显著的胀缩性，存在较多裂隙软弱面，常常给膨胀土地区的工程建设造成严重的破坏，给人民的财产造成巨大的损失。

膨胀土给工程建筑带来的危害，既表现在地表建筑物上，也反映在地下工程中。

它不仅包括铁路、公路、渠道的所有边坡、路面和基床也包括房屋地基；甚至还包括这些工程中所采取的稳定性措施如护坡、挡土墙和桩等。

以至从某种意义上讲，膨胀土对工程建筑的危害是无所不包的[1]。

这种危害往往是长期的、渐进的、潜在的，有时是难以处理的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。

据统计，美国由于膨胀土造成的损失平均每年高达20亿美元以上，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成的损失的总和，全世界每年造成的损失达50亿美元以上。

我国是膨胀土分布广、面积大的国家之一，先后己有20多个省市发现有膨胀土，其中主要分布在河南、湖北、广西、云南等省（见图1－1），在内蒙、东北等地也有发现。

早在五六十年代，就因其工程问题引起人们对它的重视。

我国由于膨胀土地基致害的建筑面积达1000万m2左右，铁路、公路及建筑物受到的危害也很严重。

南水北调中线工程将穿过三百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定问题对工程的正常运行至关重要。

研究解决膨胀土边坡稳定问题具有实际意义。

我国膨胀土主要分布中西部地区，见表1－1。

长江流域的长江、干支流水系等地区是我国膨胀土分布比较广泛和集中的地域之一（见图1－1）。

从第三纪(N2)至第四纪下更新统(Q1 )、中更新统(Q2)和上更新统(Q3)都沉积了厚度不等的各种成因类型的膨胀土。

其主要分布特征如下：①膨胀土分布地域与区域地质背景相关，特别是地层的空间分布上表现明显。

例如，岷江、嘉陵江、汉水流域的粘土岩与泥灰岩分布的地区广泛发育膨胀土，而且垂直厚度大，最大可达600m；而乌江流域石灰岩地区，膨胀土多数呈零星分布，厚度也较薄。

②膨胀土分布与地貌密切相关，绝大多数膨胀土集中分布在Ⅱ级阶地以上、盆地及平原内部，例如成都平原、南(阳)襄(樊)盆地、汉中盆地等地区，仅少数残坡积膨胀土分布在低山丘陵剥蚀的地貌单元上。

③从成因看，主要为湖积和冲洪积，其次为残坡积。

膨胀土分布与气候有关，膨胀土主要集中在长江以北半干旱温热带气候地区，该地域广泛发育棕黄、灰白、灰绿色膨胀土。

④膨胀土结构特征随成因类型与母岩性质而变化，例如冲积形成的棕黄或灰白色膨胀土，裂隙较发育，粒团定向度相对较高，粘土矿物以伊利石和蒙脱石为主。

图1－1 我国膨胀土的分布图膨胀土的胀缩性、多裂隙性、超固结性是土体内部吸力和内应力变化的三种外在表现形式。

膨胀土的胀缩性主要取决于蒙脱石(尤其是钠蒙脱石)的含量，因为蒙脱石具有最强的胀缩性，可以说蒙脱石是膨胀土具有特殊性质的主要物质基础。

膨胀性可以表现为膨胀量，但在有一定荷重(约束)作用时部分膨胀量转化为膨胀力，二者都会导致房屋开裂和边坡事故等。

裂隙多数为灰白色粘土充填，宽度一般为1～3 mm，裂面具腊状光泽，常见擦痕。

多裂隙性使土体渗透性增大、抗剪强度降低，并且使抗剪强度参数的离散性增大。

裂隙破坏了膨胀土的完整性，导致其工程性质恶化。

如成昆线、焦枝线、成渝线、南昆线和阳安线等10多条铁路通过较长的膨胀土地区，经常发生路基病害和大滑坡，虽花费数亿元之巨，仍屡治不止。

超固结性使土体具有较大卸荷回弹膨胀以及渐进破坏特性。

膨胀土的胀缩性、多裂隙性、超固结性三者相互作用，共同决定着土体的变形和抗剪强度。

影响膨胀土强度的因素有矿物成分、微结构、湿度、钙质结核、裂隙发育程度等，其中裂隙的分布范围、间距、倾斜度、充填物性质、形状与起伏度等方面是重要的，是边坡稳定研究的关键。

按破坏主控因素的不同，将膨胀土路堑边坡划分为潜伏断面滑坡型、弧面渐进破坏型、浅表层崩塌型三种类型，膨胀土路堑边坡多发生浅层的滑坡。

表1-1我国主要膨胀土省份的分布情况注：湖南、安徽、江西、江苏、山东、山西、广东和湖北等也有膨胀土分布，北京、甘肃、宁夏、内蒙和东北地区也发现膨胀土，参见图1－1。

膨胀土天然情况下常处于非饱和状态，是一种特殊的非饱和土。

习惯上把孔隙水压力为正的土称为饱和土，孔隙水压力为负的土称为非饱和土。

非饱和土是由固相、液相和气相组成的三相复合介质，气相的存在导致非饱和土的物理性态、有效应力原理、渗透性、应力应变关系、变形与固结、抗剪强度、孔隙压力及其它有关方面都较饱和土要复杂得多。

土骨架的变形和孔隙流体的运动及其饱和度的变化的相互影响，又使土在变形、强度和多种行为方面表现出与其组成物质完全不同的特点。

人类对土的认识、研究和利用也遇到了许多困难。

土力学仍处在半经验半理论状态，缺乏坚实的理论基础，基本未形成严谨的理论体系。

这种状况不能满足日益提高的工程建设技术水平需要。

将非饱和土理论引入到膨胀土的研究中，这样不仅丰富了膨胀土研究的内容，而且鉴于非饱和土力学的理论框架已有一定进展，也使今后膨胀土研究有了比较坚实的理论基础，从而使研究向着更加理性化的方向发展。

因此，对非饱和膨胀土的本构模型等理论研究不仅具有理论价值，且具有重要的工程意义。

目前岩土工程界在具体的岩土工程的设计与施工中仍然采用基于饱和土力学理论建立起来的边坡稳定性评价分析方法、规范。

主要是非饱和土力学的理论不够完善，其工程应用有待于深入。

对非饱和膨胀土边坡稳定性的研究应同样具有重大的理论意义和实践意义。

2 国内外研究现状膨胀土在自然界广泛地存在，作为典型的非饱和土，与饱和土不同，非饱和土中气相的存在使土的性质大为复杂化，它的基本特性与饱和土有所不同，这些特性给非饱和土工程性状的研究带来了许多困难，以致目前对非饱和土基本性质的研究仍不很成熟，而非饱和土的理论原理和计算方法以及它们介入工程的程度则还处于初步阶段。

非饱和土因气相的存在导致其性质复杂化的问题，不仅在于气体本身会使土中流体具有可压缩性，或者气与水之间会在一定条件下发生溶入或逸出等现象，更主要的是固、液、气三相之间界面上形成的界面现象(如表面张力现象)。

这种界面现象的存在使土中两种流体承受不同的压力(孔隙水压力和孔隙气压力出现显著的差别)。

而且在许多情况下，孔隙水由于受表面张力作用而在土中出现了负孔隙压力，这是使非饱和土具有与一般饱和土不同特性的重要原因之一。

2.1 非饱和膨胀土的本构模型理论研究现状土是多种物质组成的复杂介质。

由土颗粒形成的土骨架、液体或水溶液和土骨架孔隙中的气体构成，土也往往含有微生物和其它杂质。

构成土的各种物质之间存在复杂的物理、化学和生物作用，加之土所处环境易受多种因素干扰，使土表现出复杂多变的性质和特点。

土骨架的变形和孔隙流体的运动及其饱和度的变化的相互影响，又使土在变形、强度和多种行为方面表现出与其组成物质完全不同的特点。

人类对土的认识、研究和利用也遇到了许多困难。

土力学仍处在半经验半理论状态，缺乏坚实的理论基础，基本未形成严谨的理论体系。

土的强度和本构理论是土力学的核心问题。

土体的本构模型已出现了上百个，其中应用广泛的有双曲线模型、修正剑桥模型。

岩土本构模型的建立，通常是通过测试少量应力-应变曲线，然后借助岩土塑性理论以及某些必要的补充假设，把这些试验结果推广到复杂应力状态组合上去，以求取应力-应变的普遍关系。

不过，建立一个合适的本构模型是十分困难的。

首先，人们对岩土塑性理论的认识还不够全面；其次，应力历史、应力路径等对试验结果都有影响。

此外，吸力和饱和度对其力学行为也有较大影响。

非饱和土的本构模型研究吸引众多学者。

杨代泉认为土体变形由净应力、广义切应力、吸力变化引起体变和剪切变形组成。

吸力变化（增量）引起的剪切应变用Plandtl-Reuess流动法则计算各分量，因此这个模型并非单纯的非线性弹性本构关系。

该模型考虑因素比较全面，具有较强的适应能力；该模型中的参数测试起来比较困难，难以推广，因而仅具有理论意义。

Alonso根据试验结果提出了非饱和土的弹塑性本构关系。

以Alonso为代表提出的弹塑性模型并不能反映水力滞后、剪缩软化特性等的变形特征。

非饱和土的本构模型还有损伤力学和广义吸力模型等。

损伤力学模型较好描述了高孔隙比的结构性粘土和黄土的剪切软化现象，该本构模型假定原状土是线弹性体，它是从某种猜想出发提出的，是否符合非饱和膨胀土仍有待于验证。

陈正汉基于重塑非饱和黄土试验对邓肯－张模型加以推广出非饱和土的非线性模型。

模型中与基质吸力相关的土的体积模量不易求出。

而后卢再华等提出非饱和土的弹塑性本构模型，较好描述了原状膨胀土的损伤裂隙，然而参数较多，需要CT技术，给工程的应用和推广带来麻烦。

在这些非饱和土的本构模型中吸力均作为一个重要的变量。

Karube等和Wheeler，Karubr认为吸力以两种不同的方式影响非饱和土的力学行为：①孔隙中平均水压力的变化修正土骨架应力；②在颗粒接触处提供额外的粘结力，通称把它归功于毛细作用。

他们认识到饱和程度（即饱和度）影响吸力的作用，于是Gallipoli认为仅采用吸力变量的模型是可能不完美的。

水力滞后是非饱和土一个重要特征。

Buisson等，Wheeler等认为干湿循环过程中的脱水阶段表现出的不可逆体积应变归结于水力滞后，为了模拟这个效果，他们引入了由不可逆的水变化演化成新的屈服面。

Tamaginin提出了一个替换模型，通过修正的剑桥模型的扩展和滞后水力保持曲线(WRC——Water retention curve)提议的本构关系结合发展起来。

鉴于非饱和土中重力水的孔隙气压力及其弯液面的孔隙水压力的存在，Wheeler等认为除吸力之外，饱和度对土的应力－应变行为产生重大的影响，在建议的本构模型中饱和度的塑性变化影响应力－应变行为，塑性体应变影响水力保持行为。

在这个模型中，Wheeler提出了新的有效应力和吸力，新的应力变量比传统的变量复杂，但能简化非饱和土本构模型的屈服面或屈服线，使三维屈服面或屈服线变成二维的屈服面或屈服线。

该模型还考虑了水力滞后和塑性体积应变对饱和度的变化的影响。

2.2 非饱和膨胀土的土水特征曲线的研究现状吸力是研究非饱和土的一个重要的参数。

其现场量测是非饱和土力学理论在工程中应用的关键。

正确量测和掌握边坡非饱和带中基质吸力随外界条件的变化，对于研究降雨型滑坡，具有重要意义。

膨胀土地区的基质吸力的野外测量工作早已开展，在襄樊和南阳典型膨胀土地区埋设张力计、热传导探头和滤纸现场量测边坡的基质吸力，揭示了膨胀土边坡的吸力变化特点及其降雨对边坡吸力的影响。