李子森，崔家全，高佳翔

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

膨脹土因其富礦物蒙脫石、伊利石等含親水性而表現(xiàn)出明顯的吸水膨脹和失水收縮特性。裂隙的產(chǎn)生與擴展演化破壞了膨脹土體結(jié)構(gòu)完整性并為水分的滲流提供了通道，進一步加劇了膨脹土的脹縮和裂隙的演化[1]。

中國南水北調(diào)中線工程及高寒地區(qū)高鐵工程等工程涉及到膨脹土邊坡及地基穩(wěn)定性，相關(guān)科研單位與部門進行了大量的研究[2],膨脹土的基本力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)及工程應(yīng)用理論逐漸趨于成熟。隨著“一帶一路”等國家工程建設(shè)的需求，膨脹土地區(qū)將會遇到更加復(fù)雜的工程問題并推動膨脹土的相關(guān)研究。筆者對膨脹土裂隙發(fā)育及演化規(guī)律成果進行歸納，并對多場耦合下膨脹土微觀結(jié)構(gòu)-宏觀力學(xué)特性進行研究，以期對膨脹土的研究進行有益的探索。

1 不同因素下膨脹土的演化規(guī)律

膨脹土在形成過程中因礦物結(jié)合及生成過程中發(fā)生損傷而產(chǎn)生原生裂隙，該部分裂隙一般處于閉合狀態(tài)[3],在天然狀態(tài)下對膨脹土的性質(zhì)影響較小。而工程中作為建筑材料或者基礎(chǔ)的淺部膨脹土在水分、溫度、降雨及荷載等作用的影響下，膨脹土裂隙將在數(shù)目、長度與貫通性等方面發(fā)生演化。

1.1 水分對膨脹土裂隙的影響

膨脹土因其富含親水性黏土礦物，容易遇水軟化。因此，水分對膨脹土裂隙的演化起著重要作用。特別是處于因氣候變化而引起的干濕循環(huán)下的膨脹土，長期進行干濕循環(huán)，反復(fù)脹縮、裂隙發(fā)育將產(chǎn)生閉合-裂開及擴展演化，因其對膨脹土的工程性質(zhì)影響較大，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的干濕循環(huán)下膨脹土的裂隙研究。冷挺等[4]通過對試樣的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，并利用圖像處理技術(shù)對干濕循環(huán)前后的裂隙進行處理分析，從膨脹土表面裂隙率、分形數(shù)、裂隙大小，分析了裂隙的對收縮率等量化指標(biāo)，定量描述了裂隙的形態(tài)特征。黎偉等[5]以膨脹土平面裂隙為研究對象，利用數(shù)碼攝影獲取多次干濕循環(huán)下的裂隙擴展圖像并進行提取，得到了干濕循環(huán)對裂隙發(fā)育方向的影響主要發(fā)生在第2次的結(jié)論。韋秉旭等[6]對干濕循環(huán)過程中壓實膨脹土樣的裂隙進行了動態(tài)、定量測量并對其進行了直接剪切試驗，研究了抗剪強度與裂隙條數(shù)、裂隙總長度、裂隙平均寬度變化的相關(guān)性。袁俊平等[7]利用二維斷層掃描技術(shù)實時反映了膨脹土在干濕循環(huán)后裂隙的產(chǎn)生-發(fā)育-貫穿的過程并用變異指標(biāo)來研究裂隙的發(fā)育規(guī)律。姚志華等[8]對重塑膨脹土進行了無約束條件下的干濕循環(huán)實驗并進行了CT 掃描，研究了試樣增濕和干燥所引發(fā)的裂隙產(chǎn)生和閉合規(guī)律。

以上研究成果認(rèn)為裂隙的水分增減及變化次數(shù)對膨脹土的裂隙發(fā)育規(guī)律發(fā)揮了重要作用。水分的增減及干濕循環(huán)次數(shù)的前3次對裂隙的擴展影響最為顯著。同時，裂隙的擴展為水分在土體中的運用提供了通道，干濕循環(huán)對于膨脹土地區(qū)的淺部邊坡穩(wěn)定是不利因素。

1.2 溫度對膨脹土裂隙的影響

我國東北高寒地區(qū)膨脹土渠道、鐵路等邊坡易經(jīng)歷凍融循環(huán)的作用，在季節(jié)和晝夜交替過程中，土體內(nèi)部的水分會發(fā)生凍結(jié)與融化，影響膨脹土裂隙的發(fā)育及演化，進而對該地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性帶來重要影響。為滿足該地區(qū)工程建設(shè)的需要，相關(guān)學(xué)者結(jié)合工程需求進行了大量的研究工作。Hotineanu A等[9]研究了東北吉林 - 圖們 - 琿春高速鐵路季節(jié)性凍土區(qū)域的膨脹土壤，并使用CT、X衍射等微觀手段研究了凍融循環(huán)過程中裂隙的發(fā)展演化規(guī)律，通過定義的平均損傷變量采用CT值來量化這種微損傷演化。一些學(xué)者如Al-Mukhtar 等[10]從土體穩(wěn)定性角度對凍融循環(huán)條件下膨脹土的裂隙演化進行了較為深入的研究。許雷[11]研究了膨脹土試樣在凍融循環(huán)過程中體積與凍融循環(huán)次數(shù)直接的關(guān)系，不同的凍結(jié)溫度會改變試樣的殘余孔隙比及裂隙的變化，并得出了第1次凍融對膨脹土的強度及裂隙影響最大的結(jié)論。

從以上學(xué)者的研究中可知，凍融循環(huán)對裂隙的影響主要為：① 凍結(jié)過程中膨脹土中自由水及毛細(xì)水等轉(zhuǎn)化為固體水，加劇了膨脹土的失水收縮過程；② 冰晶體的存在既有裂隙產(chǎn)生壓裂的過程，又進一步加劇了裂隙的演化。在融化階段，固體水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，相?dāng)于膨脹土本身含水率增大的過程，親水礦物發(fā)生碰撞，有利于裂隙的發(fā)展。因此，凍融循環(huán)加劇了裂隙產(chǎn)生、演化與貫通。

1.3 應(yīng)力對膨脹土裂隙的影響

膨脹土在干濕及凍融循環(huán)過程中裂隙的演化與膨脹土本身的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)?；谝陨险J(rèn)識，學(xué)者們對膨脹土固結(jié)過程中裂隙的演化進行了相關(guān)研究。 程明書等[12]以南陽膨脹土為研究對象進行了三軸壓縮試驗并基于Kachanov 連續(xù)損傷變量及Fredlund 非飽和土有效應(yīng)力理論，提出了結(jié)構(gòu)性損傷膨脹土的強度表征方法。根據(jù)破壞機制將該力學(xué)關(guān)系表示為裂隙發(fā)育及殘余強度2個階段。朱國平等[13]通過CT試驗研究了在側(cè)限壓縮過程中淺層膨脹土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律并得出。應(yīng)力對裂隙開展有一定抑制作用，并影響裂隙的發(fā)育和裂隙網(wǎng)絡(luò)的形狀；原狀膨脹土的裂隙圍繞第1次形成的主裂隙發(fā)育，而重塑膨脹土的裂隙呈龜背狀或輻射狀。王曉燕等[14]對重塑膨脹土進行了干濕循環(huán)、三軸浸水和各向等壓加載試驗，并結(jié)合CT技術(shù)從細(xì)觀上分析膨脹土裂隙的產(chǎn)生以及裂隙在水和外力作用下的閉合全過程，進而研究裂隙對膨脹土變形特征的影響。裂隙膨脹土在各向等壓加載過程中存在明顯屈服現(xiàn)象，且屈服與裂隙在荷載作用下閉合并演化成孔洞有關(guān)。姚志華等[15]也進行了膨脹土在干濕循環(huán)和三軸浸水過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的研究并得出：無約束條件下的膨脹土試樣增濕和干燥都能引發(fā)裂隙的產(chǎn)生和閉合；在三軸浸水試驗中，裂隙均趨于閉合，而閉合程度與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。黎偉[16]等通過室內(nèi)模型試驗研究了膨脹土裂隙的各特征參數(shù)，對裂隙平面擴展規(guī)律進行定量化描述分析。這些研究分析表明：膨脹土裂隙在應(yīng)力作用下閉合；外部應(yīng)力的存在使得膨脹土顆粒收到約束從而處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，抑制了其膨脹性進而減少了因失水而產(chǎn)生的收縮。

2 裂隙演化的研究方法

我國大規(guī)模工程建設(shè)的需求及科學(xué)試驗條件的發(fā)展促進了膨脹土裂隙的研究， 膨脹土裂隙的研究由初始的通過肉眼發(fā)現(xiàn)裂隙，用量角器、鋼尺等工具量測其寬度和長度,用羅盤量測其產(chǎn)狀并進行地質(zhì)填圖，發(fā)展到現(xiàn)在采用室內(nèi)土工模型試驗、數(shù)碼攝影測量、計算機成像技術(shù)、CT及XRD等研究方法，并對膨脹土裂隙網(wǎng)絡(luò)定量分析，取得了較為豐富的研究成果。

2.1 裂隙演化宏觀規(guī)律研究方法

膨脹土裂隙分布及演化規(guī)律的宏觀研究方法主要集中在對裂隙的現(xiàn)場調(diào)查及土工試驗試件的裂隙規(guī)律的定量研究方面。趙洪巖[17]等采用分布式光纖感測技術(shù)對膨脹土邊坡在失水干縮過程中的變形及裂縫發(fā)展情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測和分析。曹玲等[18]在實驗室進行了模擬降雨-蒸發(fā)條件膨脹土干濕循環(huán)的裂隙演化試驗，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了土樣干縮開裂、濕化愈合的動態(tài)演化過程。張家俊等[19]通過試樣烘干及圖像處理方法對南陽膨脹土在反復(fù)干濕循環(huán)作用下的裂隙演化規(guī)律進行了室內(nèi)試驗，研究了裂隙發(fā)育與土體完整性破壞之間的關(guān)系：裂隙越發(fā)育, 土體范性變形量越大。Tang 等[20]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)開展了一系列室內(nèi)試驗，對多次干濕循環(huán)土樣的裂隙網(wǎng)絡(luò)進行了定量分析，研究表明裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)指標(biāo)在經(jīng)歷第3次循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，從土結(jié)構(gòu)演化的角度對裂隙的發(fā)育機制進行了分析。以上研究主要集中在宏觀方面揭示了裂隙的發(fā)育與演化規(guī)律，膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的變化影響其宏觀物裂隙的演化規(guī)律，因此有必要從細(xì)觀及微觀角度進行研究。

2.2 裂隙演化細(xì)、微觀規(guī)律研究方法

膨脹土的裂隙宏觀擴展與演化與微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)力損傷密切相關(guān)，國內(nèi)外不同學(xué)者從微觀角度研究了膨脹土內(nèi)部力學(xué)作用下的演化規(guī)律。膨脹土細(xì)觀裂隙的演化主要集中在利用CT手段，盧再華等[21]利用CT技術(shù)對南陽重塑膨脹土在多次干濕循環(huán)結(jié)束時裂隙的演化進行了細(xì)觀試驗研究。

武科[22]等以土顆粒與水體尺度研究了土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙的主要誘因及膨脹土失水收縮過程中基質(zhì)吸力變化規(guī)律。張拳[23]等運用Fredlund數(shù)學(xué)模型對膨脹土土水特征曲線進行擬合,得到擬合曲線,建立了該土樣的土水特征方程，揭示了其裂隙的演化對膨脹土體積的影響。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

我國南水北調(diào)中線工程及國家高鐵的建設(shè)等國家工程所面臨膨脹土凍融作用下裂隙演化帶來的工程問題，有關(guān)學(xué)者在過去的幾十年內(nèi)對我國膨脹土進行了大量的研究，本文對膨脹土裂隙發(fā)育與演化方面的有關(guān)研究進行了歸納并總結(jié)如下：

(1) 膨脹土的裂隙性是由其親水礦物而表現(xiàn)出的明顯的吸水膨脹和失水收縮特性。膨脹土裂隙的演化不僅僅與其礦物組成有關(guān)，同時與膨脹土所處的環(huán)境密切相關(guān)。

(2) 膨脹土水分的變化對膨脹土中裂隙的演化起著關(guān)鍵作用，膨脹土中親水性黏土礦物遇水軟化。膨脹土長期進行干濕循環(huán)，土體體積反復(fù)脹縮進而裂隙發(fā)育將產(chǎn)生閉合-裂開及擴展演化；凍融循環(huán)前3次對膨脹土裂隙的影響最為明顯，凍融循環(huán)過程中自由水的變化導(dǎo)致土體體積的脹縮，冰晶體的存在既有裂隙產(chǎn)生壓裂的過程，又進一步加劇了裂隙的演化；應(yīng)力的存在對膨脹土裂隙的發(fā)育及演化具有一定的抑制作用。

(3) 科學(xué)技術(shù)的進步及國家工程建設(shè)的大量需求促進了膨脹土研究方法的發(fā)展，現(xiàn)場裂隙調(diào)查仍是工程中不可或缺的方法，宏觀的試件尺度的高分辨率數(shù)碼相機結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)是揭示膨脹土裂隙發(fā)育宏觀規(guī)律的常用方法。而CT、SEM 、X-射線衍射、透射電鏡、壓汞法和環(huán)境掃描電子顯微鏡等技術(shù)手段是揭示膨脹土在應(yīng)力、干濕循環(huán)等條件下裂隙演化的重要手段。 顆粒角度結(jié)合非飽和土力學(xué)理論有助于從微觀層面對裂隙的演化進行研究。

3.2 展 望

盡管目前圍繞膨脹土裂隙演化問題已經(jīng)開展了大量的研究，但是“一帶一路”等國家戰(zhàn)略工程方興未艾，膨脹土工程問題仍不可避免 ，膨脹土的裂隙問題研究還需進一步加強。筆者提出以下幾點供大家探討：

(1) 膨脹土所處的環(huán)境為水-熱-力等復(fù)雜的物理場，裂隙的演化不僅僅與降雨、溫度及荷載相關(guān)，現(xiàn)有的研究為了將問題簡化，大多數(shù)學(xué)者進行了單因素或者兩個因素下裂隙的演化規(guī)律研究。因此，對膨脹土在多場耦合作用下的裂隙發(fā)展規(guī)律的研究有助于解決如高寒地區(qū)所面臨的膨脹土工程問題。

(2) 膨脹土的礦物組成及其變化規(guī)律決定了裂隙演化規(guī)律。在干濕、凍融及應(yīng)力條件下親水礦物的形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化對裂隙的發(fā)育與演化有重要影響。因土顆?；蛘呖紫督Y(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的簡單提取,難以找到裂隙的宏觀演化規(guī)律。如何客觀地將膨脹土微、細(xì)觀形態(tài)變化與宏觀裂隙演化相結(jié)合并從膨脹土本身結(jié)構(gòu)的變化揭示其工程性質(zhì)，將是未來膨脹土研究的重要方向。