王睿 康博 李紅昌 楊成斌

摘 要：膨脹土地區(qū)的工程災(zāi)害問題日益嚴(yán)峻，其本質(zhì)是膨脹土強(qiáng)度的變化而造成的。研究表明：膨脹土的黏土礦物類型和含量是影響膨脹土強(qiáng)度的關(guān)鍵內(nèi)在因素，蒙脫石的有效含量對(duì)其影響最大。含水量與密度都會(huì)影響土體強(qiáng)度，對(duì)于膨脹土而言，含水量的影響更為明顯。膨脹土自身的脹縮性與超固結(jié)性使得其強(qiáng)度劣化。干濕循環(huán)與裂隙研究結(jié)合緊密，干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生的裂隙是強(qiáng)度劣化的直接原因，土體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低。在非飽和土理論和土體結(jié)構(gòu)的各向異性兩個(gè)方面有待深入研究。

關(guān)鍵詞：膨脹土強(qiáng)度;含水量;土體結(jié)構(gòu);裂隙;干濕循環(huán)

Abstract： The engineering disaster in the expansive land area is becoming more and more serious. The results show that the types and contents of clay minerals in expansive soils are the key internal factors affecting the strength of expansive soils， and the effective content of montmorillonite has the greatest influence. Both water content and density can affect soil strength， and the influence of water content is more obvious for expansive soil. The strength of expansive soil is degraded due to its expansion and shrinkage and over-consolidation. The study of dry and wet cycles is closely combined with that of fractures. The cracks generated in the process of dry and wet cycles are the direct cause of strength deterioration， and the soil strength decreases gradually with the increase of dry and wet cycles. The theory of unsaturated soil and the anisotropy of soil structure need to be further studied.

Keywords： Expansive soil strength; Water content; Soil structure; Fracture; Dry-wet circulation

0引言

膨脹土作為一種具有特殊性質(zhì)的黏土，其含一定數(shù)量親水礦物（蒙脫石、伊利石等）并有特定結(jié)構(gòu)，具有較大的往復(fù)膨脹收縮性，吸水膨脹，失水收縮（Jones et al.，1973）。膨脹土的脹縮特性受水文、氣候環(huán)境影響較大，土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度因此會(huì)發(fā)生變化，容易出現(xiàn)自然災(zāi)害和人類工程活動(dòng)事故（孫長(zhǎng)龍等，1995），比如膨脹土邊坡的失穩(wěn)、路基沉降、路肩開裂以及地基變形引起的建筑物破壞等，均會(huì)帶來安全財(cái)產(chǎn)損失。

膨脹土對(duì)于工程的危害表現(xiàn)在土體的強(qiáng)度方面，其作為特殊的黏土，由于季節(jié)、氣候的影響導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的變化，直接性地改變了土體的強(qiáng)度。膨脹土強(qiáng)度作為能夠判斷建筑物和邊坡等工程穩(wěn)定性的重要參數(shù)，反映的是膨脹土抗剪切破壞的能力強(qiáng)弱（林魯生等，2002）。因此，分析膨脹土強(qiáng)度的影響因素是十分必要的，而膨脹土的強(qiáng)度是內(nèi)因和外因等各種因素綜合作用的表現(xiàn)，將影響膨脹土強(qiáng)度的內(nèi)外因素研究透徹，才是解決強(qiáng)度變化所帶來的工程問題的關(guān)鍵。

本文系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外膨脹土強(qiáng)度影響因素的研究成果，按照外在因素、內(nèi)在因素兩個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)存在的問題提出了膨脹土強(qiáng)度的研究方向。

1 影響膨脹土強(qiáng)度的外在因素

影響膨脹土強(qiáng)度的外在因素主要包括應(yīng)力應(yīng)變和自然環(huán)境兩個(gè)方面，土體應(yīng)力狀態(tài)的改變、應(yīng)力歷史的不同和外界水文氣候的變化，對(duì)膨脹土的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)作用明顯，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度發(fā)生改變。

1.1 擾動(dòng)對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響

原狀膨脹土在經(jīng)過人為的取樣或試驗(yàn)擾動(dòng)后，其應(yīng)力狀態(tài)被改變，土體強(qiáng)度受到影響。Casagrande在1932年首先發(fā)現(xiàn)天然黏土由于自身復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致使其物理性質(zhì)容易受到外界擾動(dòng)的干擾，1949年Hvorslev等人通過研究證實(shí)無法取到不經(jīng)過擾動(dòng)的土樣。因此，擾動(dòng)的過程是如何影響膨脹土性質(zhì)這一問題引起了學(xué)者們的重視。

擾動(dòng)的方式多種多樣，取樣方法、取樣過程甚至取樣人員的不同都會(huì)對(duì)膨脹土的強(qiáng)度產(chǎn)生不一樣的影響。Matsuo和Shogaki（1988）以及Kaneko等學(xué)者（1994）對(duì)擾動(dòng)的因素進(jìn)行了概括，主要包括取土器類型、鉆孔方法（儀器操作）以及取出土樣后的運(yùn)輸方式、儲(chǔ)存環(huán)境等。膨脹土作為特殊的黏土，既有一般土的共性，也存在自身的特殊性，結(jié)合前人的研究，擾動(dòng)對(duì)其影響主要可以總結(jié)為以下3種：1）膨脹土自身特性造成的擾動(dòng)：膨脹土的膨脹力和超固結(jié)應(yīng)力在上部或周圍壓力消失時(shí)會(huì)迅速消散，應(yīng)力狀態(tài)改變，強(qiáng)度出現(xiàn)減小的情況。2）土中氣體的影響：天然的膨脹土一般處于非飽和狀態(tài)，而作為典型的非飽和土來說，土三相中的氣相是不可忽視的部分，當(dāng)土體被擾動(dòng)后應(yīng)力卸載，孔隙水中氣體逸出，土體中殘余有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體強(qiáng)度發(fā)生改變。3）附加機(jī)械擾動(dòng)：土樣在取出和隨后的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、實(shí)驗(yàn)等過程不可避免的會(huì)出現(xiàn)人為的擾動(dòng)影響，土體的天然結(jié)構(gòu)被多次破壞。引起土樣附加機(jī)械擾動(dòng)的因素見表1。

擾動(dòng)因素對(duì)土體的影響主要體現(xiàn)在力學(xué)性質(zhì)方面，如殘余有效應(yīng)力、飽和度降低;不排水強(qiáng)度減小，破壞應(yīng)變?cè)龃螅慌潘冃文Ａ繙p小，孔隙壓力系數(shù)降低，固結(jié)不排水強(qiáng)度增大及壓縮性減小等。

針對(duì)上述擾動(dòng)因素產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差，除了在人為操作過程中盡量減小誤差以外，可以采用再壓縮法、SHANSEP法、預(yù)壓快剪試驗(yàn)法等方法，通過恢復(fù)土體原位應(yīng)力狀態(tài)來減小擾動(dòng)帶來的誤差，由于這些方法在壓縮體積的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的變化，均存在一定的差異，所以對(duì)此還需要更進(jìn)一步的研究，提高試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。

1.2 試驗(yàn)方法與條件對(duì)強(qiáng)度的影響

土體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)主要有直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)等。試驗(yàn)的方法、條件、剪切速率和排水情況的不同都會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的內(nèi)聚力 、內(nèi)摩擦角 值有比較大的差異。

目前測(cè)量土體強(qiáng)度參數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)主要是采用直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)（常士驃等，2007），根據(jù)其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果（侯世偉等，2010;尹驥等，2009;楊金鐘等，2005），可以總結(jié)出以下幾條結(jié)論：①不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）的內(nèi)聚力大于固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU）的結(jié)果，但內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)小于CU試驗(yàn)。②UU試驗(yàn)的內(nèi)聚力大于直剪試驗(yàn)，而內(nèi)摩擦角小于直剪試驗(yàn)。③CU試驗(yàn)的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角均略大于直剪試驗(yàn)。④在相同土樣的情況下，UU試驗(yàn)的內(nèi)聚力最大，CU試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角最大。

不同的剪切方式、圍壓甚至是剪切面積的變化、剪切面是否是試樣的最弱面，這些問題都會(huì)影響對(duì)強(qiáng)度的測(cè)定，只有根據(jù)實(shí)際的工程背景，選擇合理的試驗(yàn)，嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范要求，才能得到受影響程度最小的強(qiáng)度參數(shù)。

1.3 干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的影響

在實(shí)際季節(jié)、天氣變化的影響下，土體會(huì)經(jīng)歷由干到濕再到干的一種循環(huán)往復(fù)的過程，對(duì)于膨脹土而言，外界的干濕循環(huán)實(shí)則是改變了土體的含水量，施加了外部影響后，膨脹土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在基質(zhì)吸力反復(fù)加、卸載過程中形成較多孔隙，并逐漸發(fā)育成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞和強(qiáng)度的降低。

膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)于分析其強(qiáng)度是不可缺少的，已有很多專家學(xué)者做了不少有益的研究。劉松玉（1999）對(duì)擊實(shí)膨脹土脹縮特性做了干濕循環(huán)的相關(guān)研究;楊和平等（2005;2006）對(duì)寧明原狀膨脹土進(jìn)行了加荷條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn);Basma等（1996）對(duì)4種不同塑性的重塑膨脹土進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)，并且研究了微結(jié)構(gòu)的變化;查甫生等（2009）對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)過程中的可逆性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)膨脹與收縮并非可逆。從中可以得到比較普遍的規(guī)律（Morris et al.，1992）：膨脹土的強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定的時(shí)候，其強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。除了一些基本的規(guī)律之外，韓華強(qiáng)等（2003;2008）在此基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的試驗(yàn)。

韓華強(qiáng)等（2004）對(duì)不同飽和度的試樣分別在0次、1次、2次干濕循環(huán)的條件下進(jìn)行不排水直剪試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)膨脹土在干濕循環(huán)后的強(qiáng)度與試樣的起始飽和度相關(guān)，飽和度高的土樣經(jīng)過干濕循環(huán)后強(qiáng)度減小幅度大;起始飽和度低的試樣產(chǎn)生的收縮變形大，會(huì)導(dǎo)致干密度有所提高，抗剪強(qiáng)度增大。

除此之外，在膨脹土的強(qiáng)度理論中，吸力是十分重要的參數(shù)，由于其很難測(cè)定，相對(duì)比較容易測(cè)定的飽和度可以當(dāng)作一個(gè)重要的參數(shù)，而且飽和度與吸力之間也有著比較良好的雙曲線關(guān)系（韓華強(qiáng)，2003），所以可以用飽和度來代替吸力研究膨脹土的強(qiáng)度特性。綜合上述試驗(yàn)研究，可以將膨脹土的強(qiáng)度與飽和度的關(guān)系概括為：

式中：Sr為膨脹土起始飽和度;i為干濕循環(huán)次數(shù);F為外界約束力。

上述研究因干濕循環(huán)試驗(yàn)的參數(shù)不同導(dǎo)致了學(xué)者們的研究結(jié)果出現(xiàn)較大的差異，呂海波（2009）、曾召田等（2012）針對(duì)這個(gè)問題對(duì)膨脹土強(qiáng)度的干濕循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)變量進(jìn)行了調(diào)整。試驗(yàn)采用4種不同含水率的試樣分別進(jìn)行0～5次干濕循環(huán)，較為突出的一點(diǎn)是設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的干濕循環(huán)幅度，不僅考慮了強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)、含水率的關(guān)系，還研究了強(qiáng)度與干濕循環(huán)幅度的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一循環(huán)次數(shù)時(shí)，隨著循環(huán)幅度的增大，內(nèi)摩擦角基本不變，而內(nèi)聚力下降;干濕循環(huán)的強(qiáng)度穩(wěn)定次數(shù)以及強(qiáng)度穩(wěn)定值大小與循環(huán)幅度也有關(guān)系，當(dāng)循環(huán)幅度較大時(shí)，穩(wěn)定次數(shù)小，穩(wěn)定強(qiáng)度低，反之亦成立。

上述理論都是較為定性地分析干濕循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)系，劉華強(qiáng)采用式（2a）、（2b）的衰減形雙曲線表達(dá)式來分析以上兩者的定量關(guān)系（劉華強(qiáng)等，2010）。

式中：n為循環(huán)次數(shù);cn、φn為n次試驗(yàn)后強(qiáng)度指標(biāo); ac、bc、aφ、bφ為擬合參數(shù)，其中，ac、aφ表示試樣強(qiáng)度指標(biāo)衰減的劇烈強(qiáng)度，bc、bφ表示的是當(dāng)n→∞時(shí)，試樣強(qiáng)度指標(biāo)衰減值倒數(shù)的漸進(jìn)值。通過此關(guān)系式，能夠較為方便的求得性質(zhì)相近的膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)。

為了從微觀角度來闡述膨脹土強(qiáng)度的干濕循環(huán)效應(yīng)，呂海波等（2009）在上述基礎(chǔ)上增加了壓汞試驗(yàn)。通過分析孔隙體積的變化發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)破壞了粒間聯(lián)結(jié)、土體結(jié)構(gòu)，集聚體在干濕循環(huán)過程中分散、聚集，大大降低了土體的整體性，導(dǎo)致了土體強(qiáng)度的減小。

膨脹土強(qiáng)度變化與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系還可以用另一種理論來解釋（Zhang et al.，2005），對(duì)于美國(guó)路易斯安娜高速公路地區(qū)的膨脹土，在總結(jié)了大量的試驗(yàn)結(jié)果后，將含水率、干密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系用公式（3）表示：

從式（3）知，當(dāng)含水率減小或干密度增大時(shí)，土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。

總的來說，干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)于探討膨脹土強(qiáng)度是必不可少的，但由于現(xiàn)有的工程單位和部分科研單位不具備精準(zhǔn)先進(jìn)的測(cè)量手段，對(duì)膨脹土強(qiáng)度的檢測(cè)停留在表面階段，給工程建設(shè)留下較大的隱患，這也是很多學(xué)者今后需要攻克的難題。

1.4 裂隙對(duì)強(qiáng)度的影響

膨脹土自身吸水膨脹、失水收縮的特性導(dǎo)致其土體結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變，當(dāng)土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破裂、松散時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂隙，隨著裂隙的擴(kuò)張，外界環(huán)境對(duì)膨脹土的影響進(jìn)一步加大，便會(huì)逐漸形成裂隙面和潛在結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)度減小。因此，裂隙的發(fā)展是膨脹土強(qiáng)度降低的根本原因（孟黔靈，2001）。

結(jié)合干濕循環(huán)研究的分析，可以得知干濕循環(huán)對(duì)膨脹土強(qiáng)度影響的基本規(guī)律，膨脹土的強(qiáng)度隨試驗(yàn)次數(shù)的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定（李妥德等，1993），但干濕循環(huán)影響膨脹土強(qiáng)度的機(jī)理沒有更為深入的研究。前人的干濕循環(huán)試驗(yàn)采用環(huán)刀放置試樣，不利于分析土體本身的裂隙開展，劉華強(qiáng)等（2010）將裂隙作為膨脹土強(qiáng)度的研究重點(diǎn)，對(duì)干濕循環(huán)的試驗(yàn)方法進(jìn)行改良，在試樣沒有被周圍壓力限制的條件下利用照片記錄了土樣裂隙發(fā)展的階段。為了觀察豎向裂隙的分布，徐彬等（2011）將直剪、三軸試驗(yàn)相結(jié)合應(yīng)用于研究裂隙，并且通過試驗(yàn)結(jié)果提出了裂隙對(duì)于膨脹土強(qiáng)度影響的相關(guān)因素。王軍等人（2010）也對(duì)南水北調(diào)中線膨脹巖土邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)干濕循環(huán)的試驗(yàn)以及原狀膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)，采用CT技術(shù)將CT圖片數(shù)值化，定量觀測(cè)裂隙的發(fā)育過程和發(fā)育程度。盧再華等（2002）利用CT掃描手段對(duì)干濕循環(huán)下的膨脹土裂隙發(fā)育進(jìn)行觀測(cè)并提出損傷演化規(guī)律。易順民等（1999）將膨脹土的裂隙從裂隙網(wǎng)絡(luò)和裂隙面兩方面進(jìn)行分維力學(xué)效應(yīng)分析。胡波等（2011）應(yīng)用計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)膨脹土的裂隙面進(jìn)行觀察，并結(jié)合土工試驗(yàn)對(duì)土體強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。唐朝生等人（2007;2012）利用圖像處理軟件對(duì)膨脹土裂隙進(jìn)行定量化參數(shù)描述，并依據(jù)結(jié)果分析了膨脹土干縮開裂的機(jī)理。

總結(jié)前人的研究成果，不難發(fā)現(xiàn)，首次的干濕循環(huán)對(duì)于裂隙的影響最為顯著，裂隙在這個(gè)階段發(fā)展迅速，隨后擴(kuò)展速度減小，并在裂隙寬度上有所體現(xiàn)。在前幾次干濕循環(huán)進(jìn)行時(shí)，新的裂隙的產(chǎn)生會(huì)擠壓原有的裂隙甚至?xí)屍溟]合，在隨后的干濕循環(huán)試驗(yàn)中，裂隙并不會(huì)一直開展和生長(zhǎng)，也會(huì)有少量的裂隙消失，但總的趨勢(shì)是裂隙數(shù)量還在增加，土體變得更加破碎。

總的來說，膨脹土自身濕脹干縮和低滲透性的特點(diǎn)，是極有利于裂隙的發(fā)育的。從整體結(jié)構(gòu)上看，裂隙的產(chǎn)生會(huì)直接破壞土體結(jié)構(gòu)，并且形成裂隙面而成為潛在的結(jié)構(gòu)面，使土的強(qiáng)度有所衰減。從微觀角度分析，裂隙的存在能夠影響土體的含水率，親水性礦物會(huì)使土粒間結(jié)合水膜變厚，細(xì)裂隙因?yàn)榫Ц衽蛎浂]合并且軟化;寬裂隙中有水進(jìn)入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜、動(dòng)水壓力對(duì)土體產(chǎn)生擠壓，膨脹土的內(nèi)聚力會(huì)急劇降低，其強(qiáng)度在干濕循環(huán)下就會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)性以及下降趨勢(shì)，這就是裂隙影響膨脹土強(qiáng)度的過程。

通過對(duì)目前研究成果的總結(jié)，膨脹土的強(qiáng)度主要受自身物理性質(zhì)以及外界環(huán)境因素兩個(gè)方面的影響，包括膨脹土礦物組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、應(yīng)力歷史、排水條件等。具體可以用式（4）定性描述（李廣信，2005）：

式中：e為膨脹土孔隙比;C為組成成分;H為應(yīng)力歷史;T為溫度;ε、ε為應(yīng)變以及應(yīng)變率;S為膨脹土結(jié)構(gòu);c、φ為內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。

2 影響膨脹土強(qiáng)度的內(nèi)在因素

膨脹土的抗剪強(qiáng)度是由受力環(huán)境等外在因素通過影響內(nèi)在因素而發(fā)生變化，內(nèi)在因素則是土體本身的物質(zhì)特性，包括礦物成分、土體結(jié)構(gòu)及其他物性表征等，這些內(nèi)在因素在影響膨脹土強(qiáng)度變化的過程中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

2.1 礦物成分與化學(xué)成分的影響

（1）礦物成分的影響

礦物成分的類型和含量是影響膨脹土強(qiáng)度的主要因素（陳學(xué)等，2008）。膨脹土主要是由蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水礦物組成，而這3種礦物有著不同的性質(zhì)，正是因?yàn)樽陨硇再|(zhì)的不同，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也就不盡相同。蒙脫石礦物的親水性最強(qiáng)，伊利石次之，高嶺石的活動(dòng)性最差。有學(xué)者在針對(duì)膨脹土地區(qū)滑坡防治的研究中，通過大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著蒙脫石等礦物含量的增加，膨脹土的抗剪強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)降低（王釗等，1994）。蒙脫石、伊利石、高嶺石3種親水礦物含量的不同對(duì)內(nèi)摩擦角φ影響較大，對(duì)內(nèi)聚力c的影響則沒有明顯規(guī)律。

（2）化學(xué) 成分的影響

礦物組成受化學(xué)成分變化的影響，礦物結(jié)構(gòu)中的層間鉀離子含量的多少，直接影響伊利石與蒙脫石的轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度的變化;另一方面，在黏土化學(xué)體系中，水化學(xué)組分對(duì)膨脹土的強(qiáng)度有較大影響，易發(fā)生陽離子交換、溶解沉淀平衡等反應(yīng)，使得土體顆粒間的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響膨脹土的強(qiáng)度。

2.2 膨脹土結(jié)構(gòu)特征的影響

膨脹土的結(jié)構(gòu)主要是指與它的各種特性密切聯(lián)系的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)，包括物質(zhì)分異軟弱層面、顆粒與團(tuán)粒的排列或連接方式、微小的裂隙或孔隙，以及與結(jié)構(gòu)相關(guān)的礦物成分等（繆林昌等，2001），例如膨脹土中裂隙的密度和方向的不確定性會(huì)直接影響其強(qiáng)度。另外一些可以影響土的內(nèi)摩擦角的一些物理指標(biāo)可列為表2。

2.3 含水量對(duì)強(qiáng)度的影響

水的含量對(duì)膨脹土的強(qiáng)度的影響是十分重要的，由于膨脹土是特殊的黏土，其抗剪強(qiáng)度與含水量變化的關(guān)系尤為密切，當(dāng)有水分滲入到膨脹土的裂隙或孔隙中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裂隙面的黏土類礦物吸水膨脹和軟化，直接降低了自身的強(qiáng)度，而吸水膨脹下所引起的各向異性膨脹也會(huì)導(dǎo)致土體不均勻形變，進(jìn)而破壞土體結(jié)構(gòu)（徐永福，1999），從本質(zhì)上來講，水對(duì)膨脹土的影響主要是通過改變土體的內(nèi)應(yīng)力來影響其抗剪強(qiáng)度的（高春華等，2004）。相關(guān)研究表明：研究所用膨脹土天然含水量為18%左右時(shí)，其抗剪強(qiáng)度較高，內(nèi)聚力c可達(dá)到110kPa，內(nèi)摩擦角φ高達(dá)32°;當(dāng)試樣逐漸達(dá)到脹限含水量時(shí)，內(nèi)聚力c只有2kPa，內(nèi)摩擦角φ也降到了8°（劉特洪，1997;繆林昌等，1999）?？傮w而言，含水量對(duì)強(qiáng)度的影響可總結(jié)為：隨著含水量的增大，土體強(qiáng)度隨之降低，內(nèi)聚力下降比摩擦角下降的幅度更大。另外，如果存在法向應(yīng)力，當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含水量的增加而增大，而當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí)，其變化不太明顯（鄧友生等，2015）。

2.4 密度對(duì)強(qiáng)度的影響

膨脹土的吸水膨脹作用和裂隙發(fā)展作用會(huì)導(dǎo)致其密度發(fā)生顯著的變化，其中前者起主要作用。有學(xué)者通過試驗(yàn)得出密度對(duì)于強(qiáng)度影響的結(jié)論：在試驗(yàn)所用試樣的密度范圍內(nèi)（1.55g/cm3～1.70g/cm3），試樣強(qiáng)度隨密度的減小大體呈線性遞減的關(guān)系（徐彬等，2011）。究其原因，是因?yàn)槊芏仍酱?，膨脹土單位體積內(nèi)的固體物質(zhì)成分越多，土體中孔隙小，顆粒的咬合程度好，土粒間的水膜越薄，抗剪強(qiáng)度就越大（肖杰，2013）。

2.5 膨脹土自身特性對(duì)強(qiáng)度的影響

膨脹土是一種特殊的黏性土，自身的超固結(jié)性和脹縮特性也會(huì)對(duì)強(qiáng)度有所影響。

（1）脹縮性

膨脹土中的親水性礦物成分遇水膨脹、失水收縮，導(dǎo)致土體產(chǎn)生裂隙，強(qiáng)度下降，c、φ值降低（劉特洪，1997），見表3（陳學(xué)等，2008）。

（2）超固結(jié)性

土體在應(yīng)力歷史中受到過比當(dāng)前應(yīng)力更高的荷載作用，一般黏土的超固結(jié)原因主要是由自重和膠結(jié)作用，膨脹土由于自身的特殊性，氣候?qū)Τ探Y(jié)性的影響更為明顯。比如膨脹土在干旱條件下的收縮變形，直接會(huì)導(dǎo)致固結(jié)度增加;另外，變形所產(chǎn)生的裂隙由于被風(fēng)化產(chǎn)物填充后，水平側(cè)向應(yīng)力遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致超固結(jié)。

國(guó)外關(guān)于超固結(jié)性對(duì)膨脹土強(qiáng)度影響的研究主要集中在強(qiáng)度試驗(yàn)和理論推導(dǎo)上，眾多學(xué)者通過原位以及室內(nèi)試驗(yàn)得到較為普遍的規(guī)律：超固結(jié)的膨脹土的峰值強(qiáng)度會(huì)隨著超固結(jié)比（OCR）值的增大而增大，在達(dá)到峰值后強(qiáng)度會(huì)迅速降低，軟化現(xiàn)象更加明顯（Ortigao et al.，1997;Khemissa et al.，2014;Abdulhadi et al.，2011）。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）膨脹土的黏土礦物類型和含量是膨脹土強(qiáng)度變化的關(guān)鍵因素，其中蒙脫石及其含量較伊利石、高嶺石對(duì)強(qiáng)度影響較大。蒙脫石有效含量的增多，膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨之減小。

（2）含水量對(duì)于強(qiáng)度的影響十分顯著，內(nèi)聚力c的變化幅度遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角φ的變化幅度，密度相對(duì)于含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響則比較小。

（3）膨脹土超固結(jié)性和脹縮性聯(lián)系密切，膨脹土自身的脹縮變形特性使其超固結(jié)性質(zhì)與一般土體不同，主要表現(xiàn)為水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于豎向應(yīng)力。脹縮性和超固結(jié)性均會(huì)使土體強(qiáng)度性質(zhì)劣化。

（4）干濕循環(huán)的研究是了解膨脹土強(qiáng)度變化的重要途徑，試驗(yàn)過程可以分析土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體變化，對(duì)飽和度、裂隙、密度和孔徑等因素建立相關(guān)模型，能夠更加細(xì)致更加深入地去發(fā)掘強(qiáng)度變化的機(jī)理。

（5）膨脹土的強(qiáng)度受裂隙的影響。裂隙分布范圍、間距、排列方向、形狀等因素都會(huì)破壞土的均一性、連續(xù)性和完整性，從而使抗剪強(qiáng)度降低。

（6）取樣、運(yùn)輸以及制樣和試驗(yàn)都會(huì)改變土體結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，需要盡量減小相關(guān)誤差，采取科學(xué)有效的手段并根據(jù)實(shí)際工程、試驗(yàn)情況選取強(qiáng)度參數(shù)。

3.2 建議

縱觀前人對(duì)膨脹土強(qiáng)度的研究，大部分將具體的問題或者膨脹土的特性作為研究重點(diǎn)，但很少把膨脹土作為非飽和土去研究它的強(qiáng)度變化。這也是許多膨脹土問題目前只能定性解釋或用經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)的方法來解決的主要原因。影響膨脹土強(qiáng)度的因素比較復(fù)雜，非飽和土理論是一種可行的方法，另外，由于膨脹土的成因和地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，土體內(nèi)部的各向異性十分明顯，從節(jié)理、裂隙入手，研究其力學(xué)性質(zhì)的各向異性特征，得到準(zhǔn)確的強(qiáng)度參數(shù)。只有多方面、多手段去認(rèn)識(shí)、研究膨脹土，才能準(zhǔn)確把握膨脹土的強(qiáng)度機(jī)理并去解決科研、工程問題。

（1）利用現(xiàn)有技術(shù)，將掃描電子顯微鏡技術(shù)與相關(guān)微觀定量技術(shù)相結(jié)合，例如X射線衍射法、壓汞法、電阻率法、CT技術(shù)以及微觀光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)等，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)膨脹土微結(jié)構(gòu)的研究，在微孔隙、微裂隙層次上認(rèn)識(shí)其強(qiáng)度變化的機(jī)理，采用與壓汞法相結(jié)合的分形理論、與氣體吸附法相結(jié)合的吸附理論、結(jié)合MATLAB等數(shù)值分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析，指導(dǎo)其他方面的研究。

（2）加強(qiáng)對(duì)非飽和土理論的深入研究，根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)和含水狀態(tài)等因素綜合確定非飽和膨脹土強(qiáng)度的計(jì)算參數(shù)，在試驗(yàn)方面進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的測(cè)試儀器，例如Irfan研制的新型彈性波測(cè)試儀和Reis研發(fā)的應(yīng)力控制式非飽和土真三軸試驗(yàn)儀等（Irfan，2016;Reis，2011），對(duì)非飽和膨脹土的強(qiáng)度試驗(yàn)的效率和精確度有不小的提升，從而真正揭示膨脹土的強(qiáng)度特性。

（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有待進(jìn)一步提升，室內(nèi)試驗(yàn)有著一定的局限性，并不能完全模擬出工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。目前涉及到膨脹土的工程較多，無論是路基填筑、邊坡穩(wěn)定性還是深基坑開挖等工程問題，需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響和工程需要的條件來明確研究目標(biāo)，再通過新手段新技術(shù)獲得更準(zhǔn)確的參數(shù)。

（4）加強(qiáng)對(duì)膨脹土工程的處理，通過原位測(cè)試得到的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，利用ABAQUS、FLAC3D、ANSYS等軟件進(jìn)行模擬，將室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、原位監(jiān)測(cè)和模擬計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，為膨脹土工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

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