膨胀土工程地质特性研究进展1.前言膨胀土是一种具有高分散性、高塑性的黏土，其矿物成分主要以蒙脱石、伊利石/蒙脱石、绿泥石/脱石、高岭石/蒙脱石等为主，对干湿气候变化异常敏感，常给人类工程建设活动带来巨大危害，是一种“问题多的特殊土”。

其吸水膨胀、失水收缩的特性容易引起建筑物开裂、边坡失稳、渠道桥梁等结构物破坏，给工程建设带来安全隐患。

如1978 年我国南阳地区和1988 ～ 1992 年欧洲地区，持续的干旱天气致使出现了大规模房屋建筑开裂破坏现象，造成严重经济损失，究其原因为地基膨胀土失水收缩导致地面不均匀沉降变形。

南水北调中线工程穿越膨胀土地区累计长度约386km，沿线曾发生大量渠段坍塌和浅层滑坡等工程地质问题。

事实上，早在20 世纪70 年代初，南阳陶岔引水渠的开挖施工中，膨胀土层就发生过十几处大滑坡，且大都发生在1: 4－1: 5的缓坡上，由此引起了人们对膨胀土问题的重视，并在其后进行了处理，为以后正式开工建设提供了处治经验。

2.胀缩性胀缩性的概念是由于含水率变化而引起的膨胀土体积变化，称为胀缩变形，即含水率升高发生膨胀，含水率降低发生收缩。

胀缩性是膨胀土的典型性质之一。

在许多条件下，当膨胀土经历往复干湿循环时，胀缩变形表现出不可逆性，往往随干湿循环次数的增加而增加，在控制吸力条件下开展了干湿循环试验，发现膨胀土的胀缩变形可分为宏观结构变形和微观结构变形两部分。

一般而言，宏观结构变形的可逆性与干湿循环过程中的累积变形量有关，然而微观结构变形却通常是可逆的。

关于膨胀土的胀缩机理，国内外学者也开展了许多研究，得到一些普遍的认识。

与水相互作用时，由于黏土矿物颗粒表面的亲水性与水分子的极性结构特征，水分子在电场力作用下会吸附在矿物颗粒周围，形成一层水膜。

水膜的厚度受黏土矿物种类、孔隙溶液成分、环境温度、外部荷载和微观结构等因素的影响，水膜的厚度变化则直接反映了膨胀土的胀缩性。

膨胀土的干燥收缩过程实际上是土体在内力作用下颗粒间孔径减小和密实度增加的过程。

当土体中的相对湿度高于大气相对湿度时，土体中的水分子会通过土体表面进入到大气中，形成蒸发。

在蒸发过程中孔隙水表面张力的作用下，在颗粒间会形成弯液面，产生毛细水压力。

表面张力和弯液面曲率半径是影响毛细水压力的关键因素，且一般而言，毛细水压力为负值。

因此，土体干燥失水过程中，颗粒周围的水膜变薄，孔径减小，在毛细水压力和表面张力的共同作用下，土颗粒会随蒸发而逐渐靠拢，宏观表现为收缩变。

关于膨胀土的胀缩机理，也有学者提出了不同的观点。

如廖世文( 1984) 、高国瑞( 1984) 从晶格扩展、双电层理论和微观结构控制3 个方面对膨胀土的胀缩机理进行了总结归纳。

刘特洪( 1997）则将其归纳为10 种理论: 黏土矿物晶格扩张理论、黏土矿物叠片体作用理论、双电层理论、吸力势理论、膨胀潜势理论、自由能变化理论、膨胀路径与胀缩状态理论、湿度应力场理论、胀缩时间效应理论、结构连结与楔入作用理论。

3.裂隙性裂隙性也是膨胀土的典型性质之一。

在干旱少雨的季节，膨胀土因蒸发失水发生收缩，以致在表面产生纵横交错的裂隙网络，俗称龟裂，在自然界中非常常见。

裂隙的产生和发展直接或间接地对膨胀土的工程性质产生不利影响，导致工程地质问题发生。

如裂隙会破坏土体的整体性，降低土体的承载力并增加土体的压缩性，导致地表建筑结构不发生均匀沉降、倾斜和开裂; 裂隙的存在为雨水快速入渗土体内部提供便捷通道，成倍增加土体渗透性，弱化水利设施、核废物处置库和垃圾填埋场中防渗屏障的功能性和结构稳定性，同时雨水沿裂隙入渗土体内部加速边坡失稳，诱发滑坡灾害，并且将增加土体的风化深度，加重坡面水土流失，进一步破坏生态环境。

近年来由极端干/湿性气候引发的膨胀土干缩开裂问题吸引了越来越多学者的关注，并开展了一系列研究，取得了大量成果。

膨胀土裂隙研究一个主要的方向是裂隙网络定量分析，当前取得了比较丰富研究成果。

在20 世纪末和21 世纪初，随着计算机技术和数字图像处理技术的快速发展，裂隙量化研究也取得了突飞猛进的发展。

如卢再华等( 2002) 利用CT 对重塑膨胀土在干湿循环过程中裂隙的演化进行了研究，定义了基于CT 数据的裂隙损伤变量，定量地分析了膨胀土裂隙演化过程; 袁俊平等( 2004a) 在重塑膨胀土自然风干过程中利用远距光学显微镜对裂隙的发展进行了动态定量观测，用灰度熵作为度量裂隙发育程度的重要指标; 唐朝生等( 2007a) 利用数字图像处理技术( DIP) ，对裂隙网络节点个数、条数、总长度、平均宽度等几何形态参数进行了定量研究，分析了裂隙网络在干燥过程中的演化规律，并建立了一套裂隙量度指标体系; 李雄伟等( 2009) 计算了膨胀土干燥过程中裂隙发育的分形维数，发现分形维数与裂隙率基本呈线性关系，裂隙率与含水率也呈线性关系。

到目前为止，关于裂隙的产生和发育机理仍然还有很多问题没得到解决，如裂隙发育过程中力的来源及其遵循何种规律、裂隙网络为何以四边形为主、当一条裂隙靠近另一条裂隙时为何会发生转向而与之垂直相交等，笔者认为今后有必要围绕该课题开展更深入更系统的研究工作。

但必须要强调的是，单纯从力学的角度显然不能完全解释膨胀土裂隙的发育机理。

如砂土在同样的干燥条件下就不会发育裂隙，说明黏土矿物的存在对干缩裂隙的发育也起到控制作用。

此外，不同地区的膨胀土或者不同环境条件下的膨胀土裂隙发育状态存在显著差异，这与膨胀土中的黏土矿物成分、微观结构、孔隙水成分及蒸发速率等因素有关。

因此，要从本质上揭示膨胀土干缩开裂机理，必须综合考虑土质学、土力学和土结构等因素。

4.超固结性所谓超固结，是指土体在地质历史过程中曾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OCＲ来描述( 陈善雄，2006) 。

尽管超固结性也是膨胀土的典型“三性”之一，但相比于胀缩性和裂隙性，相关研究要薄弱得多，且主要以定性描述为主，缺乏系统性。

导致膨胀土出现超固结性的原因是多方面的，除了自重作用和胶结作用外，气候作用和膨胀土自身具有比一般黏性土更强的胀缩性也是重要原因。

在干旱环境中，膨胀土中水分蒸发，含水率和饱和度不断减小，由于膨胀土中含有大量细小黏土颗粒，处于非饱和状态时吸力最高可达100 ～ 200MPa，导致土颗粒间的有效应力显著增加，土体发生显著的收缩变形，固结度增加，而此过程并不完全可逆，从而导致膨胀土呈现明显的超固结性。

目前学术界关于土的超固结性研究主要集中在本构模型方面( 李新明，2013) 。

如Pender( 1978)提出的超固结土本构模型为复杂应力路径下土体应力-应变关系研究奠定了理论基础; Dafalias( 1986)针对超固结土提出了边界面模型，为该领域后续研究提供了新的思路; Asaoka et al．( 2000) 和Naka etal．( 2004) 提出了适用于三维应力-应变特性的超固结土本构模型。

我国学者在该领域也取得了一些突破，如沈珠江等( 2003) 在岩土力学及破损力学的框架内建立了适用于超固结裂土的二元介质模型，用以分析超固结边坡的稳定性; 姚仰平等( 2007) 基于公论的Hvorslev 面提出了适用于多种应力路径和剪切状态的超固结土本构模型。

膨胀土边坡失稳除受胀缩性和裂隙性影响外，超固结性的影响也不容忽视，尤其对于人工开挖边坡，更应该引起重视。

由于超固结作用，膨胀土具有较大的结构强度和比正常固结土更大的水平应力，在不受外界干扰的条件下是比较稳定的。

但在边坡开挖过程中，边坡的形成过程其实就是一个卸载过程。

由于膨胀土具有较高的水平应力，卸荷效应比正常固结黏土大的多，更易产生裂隙，使土体整体结构破坏，强度降低，对边坡的稳定性产生显著的负面影响( Lo et al．，1973) 。

5.强度关于膨胀土强度，以往研究主要集中在干湿循环影响方面。

如杨和平等( 2005a) 通过开展常规直剪试验，发现宁明膨胀土的黏聚力随干湿循环次数增加而减小，且第一次循环衰减幅度最大，但内摩擦角受干湿循环次数的影响不明显，荷载对衰减有明显的抑制作用。

他们在结论中强调，在进行膨胀土路基和边坡稳定性分析时，需着重考虑干湿气候变化对土体强度的影响; 吕海波等( 2009，2013) 对南宁地区的膨胀土进行了三轴不固结不排水剪切试验，结果表明，膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而降低，最终趋于稳定; 徐彬等( 2010，2011) 结合直剪试验和三轴试验，发现膨胀土的黏聚力和内摩擦角均随干湿循环次数呈双曲线关系衰减。

此外，还发现含水率、密度以及裂隙对膨胀土强度产生重要影响，并建议用试样做5 次干湿循环后的强度指标作为膨胀土裂隙发育区的强度指标; 刘华强等( 2010)基于室内直剪试验，提出了反映膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减的经验公式。

许多学者在研究干湿循环作用下膨胀土的力学性质时也得到了类似的结果( Miao et al．，2002; 杨和平等，2006) 。

杨和平等( 2014) 为研究膨胀土边坡浅层滑坍破坏规律，在低应力及干湿循环条件下开展了剪切试验，验证了荷载对抑制强度衰减作用明显。

实际上，膨胀土在干湿循环作用下强度衰减除了与结构变化有关外，还与干湿循环过程中裂隙的发育有关( 刘华强等，2010; 殷宗泽等，2011，2012) 。

姚海林等( 2001) 、殷宗泽等( 2011) 等认为裂隙对膨胀土边坡的失稳有很大负面作用，一方面裂隙的产生和发展破坏土体的整体性，弱化了工程地质特性; 另一方面是雨水很容易沿裂隙进入边坡内部，进一步降低边坡的稳定性。

一些学者因此对含裂隙膨胀土的力学性质开展了研究，如袁俊平等2004a) 利用远距光学显微镜对重塑膨胀土在自然风干条件下的裂隙发育过程进行了动态观测，对裂隙发育过程中的试样进行了不排水、不排气非饱和三轴多级剪切试验，发现饱和度与裂隙度共同影响裂隙膨胀土强度。

无裂隙情况下，饱和度是影响膨胀土强度的主要因素。

6.渗透性许多研究表明，膨胀土边坡失稳一般有两个显著特征: ( 1) 滑动往往发生在降雨天气; ( 2) 以浅层滑动为主( 郑少河等，2007) 。

因此，研究膨胀土边坡的稳定性问题时，降雨入渗是关键。

为了弄清降雨条件下边坡内的渗流场变化规律，必须掌握膨胀土的渗透特性。

但一般室内试验基于膨胀土测得的渗透系数都极小，理论上雨水很难入渗，这与实际情况相差甚远。

实际上，在循环干湿气候作用下，膨胀土边坡上往往发育了大量干缩裂隙，不仅破坏土体的完整性，降低土体强度，同时还为降雨入渗提供快捷通道( 姚海林等，2001; 袁俊平等，2004b) 。

雨季时，正是由于裂隙的存在，雨水可迅速入渗坡体内部，土体强度随之骤减，而裂隙延伸深度以下的土体仍然保持较低的渗透性，雨水难以入渗，往往积聚于裂隙内，并在浅层形成饱和带，从而触发浅层滑坡。