工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 112-128   (1137KB)    
膨胀土工程地质特性研究进展
冷挺, 唐朝生, 徐丹, 李运生, 张岩, 王侃, 施斌    
南京大学, 地球科学与工程学院 南京 210023
摘要:根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:(1)胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;(2)裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;(3)超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;(4)膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;(5)渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;(6)微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。
关键词膨胀土    干湿循环    胀缩性    裂隙性    超固结性    强度    渗透性    微观结构    处治技术    
ADVANCE ON THE ENGINEERING GEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF EXPANSIVE SOIL
LENG Ting, TANG Chaosheng, XU Dan, LI Yunsheng, ZHANG Yan, WANG Kan, SHI Bin    
School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023
Abstract: Expansive soil is considered as a problematic soil in engineering, because it usually results in various engineering geological problems and disasters. According to the published results on the engineering geological characteristics of expansive soil in recent years, the advances on swelling-shrinkage behavior, desiccation cracking, overconsolidation, strength, permeability and microstructure of expansive soil were summarized, and the following main knowledge was obtained. (1)The swelling-shrinking characteristics are mainly related to the fraction of expansive clay minerals, hydro-mechanical boundary conditions and initial state. Irreversible volumetric deformation would occur when the expansive soil is subjected to wetting-drying cycles. Until now, there is still not a uniform viewpoint on the intrinsic mechanism on swelling-shrinking behavior. (2)Desiccation cracking is one of the salient features to distinguish expansive soil from other soils. The presence of cracks in soil can significantly undermine the overall structure of the soil, greatly weaken the mechanical properties and lead to many engineering geological problems directly or indirectly. The formation of desiccation cracks is related to expansive soil mineral composition, microstructure and the development of internal stress during drying. (3)Overconsolidation makes expansive soil has a greater structural strength and horizontal stress. Stress-release cracks are easy to occur when the expansive soil slope is excavated, which can damage the overall structure of the soil and promote landslide.(4)In terms of strength, most of studies focused on the effect of wetting-drying cycles. Generally, the strength decreases gradually with increasing wetting-drying cycles and eventually reaches stabilization. The wetting-drying cycle induced presence of cracks and microstructure arrangement are the two factors responsible for the corresponding strength changes. (5)The hydraulic conductivity is largely controlled by cracks. It is therefore important to consider the crack effect when performing permeability test in laboratory.(6)Microstructure of the expansive soil reflects the formation conditions and stress history. It is a fundamental factor controlling the macro-physical and mechanical behavior. Microstructure analysis is also the important way and theoretical basis to explore the intrinsic mechanisms of the observed macroscopic properties. Furthermore, as for as expansive soil engineering treatment technology, this article focused on the physical treatment technology for embankment filled with expansive soil and flexible supporting technology for expansive soil cut slope. Based on the above understanding and current research shortages in this field, some important research topics that should be well investigated in future were proposed, including anisotropic behavior of swelling-shrinking, mechanism of the desiccation cracking, quantitative relationship between geometrical parameters of cracks and the indicators of macro engineering properties, the coupling of macro-micro mechanical model and the hydro-mechanical response characteristics of expansive soil under multi-field coupling condition, et al.
Key words: Expansive soil    Wetting-drying cycle    Swelling-shrinking    Desiccation crack    Overconsolidation    Strength    Hydraulic conductivity    Microstructure    Treatment technology    

0 引言

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/蒙脱石、高岭石/蒙脱石等为主(曲永新等,2002),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”(李生林等,1992)。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(廖世文,1984冯玉勇等,2005)。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(Lloyd,2002卢冰等,2008)。南水北调中线工程穿越膨胀土地区累计长度约386 km,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(包承纲,2003程展林等,2011)。此外,本世纪之初在全国拟建的2.1万公里公路里程中有近3 300 km路段穿越膨胀土分布区,其中南友高速有14 km通过膨胀土地区,共有31个路堑边坡(高度超过10 m的9处,高18 m的2处),其中有23个发生滑塌(杨和平等, 2003, 2004, 2007a)。类似关于膨胀土灾害的例子还有很多,本文不再赘述。需要强调的是,我国是膨胀土大国,膨胀土分布非常广泛,26个省区存在着这种区域性分布土,3亿以上人口生活在膨胀土分布地区。据不完全统计,我国由于膨胀土地基致害的建筑面积超过1 000×104 m2,尤其是铁路、公路路基受膨胀土危害非常严重,年经济损失超过900亿元(Shi et al., 2002杨和平等,2003郑健龙等,2007a)。因此,对膨胀土的工程地质特性开展系统研究,对防治相关灾害有重要指导意义。

事实上,膨胀土地区所呈现出的许多灾害现象都与膨胀土的典型“三性”有关,即胀缩性、裂隙性和超固结性。胀缩性主要表现在含水率发生变化时引起的膨胀或收缩变形,在往复的干湿循环作用下,结构趋于松散,强度发生衰减(刘华强等,2010徐彬等,2011)。裂隙性是指自然界中的膨胀土中常常发育有大量干缩裂隙或原生裂隙,裂隙的存在极大破坏了土体的整体性,同时加剧了降雨的入渗和蒸发。除此之外,裂隙还暴露了深层土体,显著增加气候影响深度(Lloyd,2002Shi et al., 2002卢冰等,2008刘华强等,2010徐彬等,2011)。膨胀土的应力历史决定了膨胀土具有超固结性,一旦开挖暴露,超固结应力会释放,容易使坡体发生失稳破坏。正是由于膨胀土自身的上述特殊性质,加上其对气候及外界环境变化的敏感性,使工程中的膨胀土问题一直比较棘手,让人难以捉摸,甚至被称为“世界性难题”(殷宗泽等,2012)。因此,要从根本上理解膨胀土的灾变机制,必须系统掌握其工程地质特性。除此之外,还应综合水文工程地质条件和气候环境条件进行研究。

本文着重对前人围绕膨胀土工程地质特性所取得的一些主要成果进行归纳和总结,包括胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性和微观结构特征等,旨在帮助人们更全面地认识膨胀土,为后续相关课题的深入研究提供借鉴。此外,本文对近些年新发展起来的膨胀土工程处治技术也进行了介绍,为解决相关工程地质问题提供参考。

1 胀缩性

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(刘松玉等,1991杨和平等,2006唐朝生等,2011a)。Alonso(1998)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。唐朝生等(2011b)分别进行了不同压实状态的压实试样与初始饱和糊状试样的体积收缩特征试验研究,发现:压实样的收缩变形存在明显的各向异性,与含水率和初始干密度密切相关;根据糊状试样收缩特征曲线,其收缩过程可分为正常收缩、残余收缩和零收缩3个阶段。栾茂田等(2008)在研究非饱和重塑土的收缩特征时,确定了屈服吸力和缩限吸力,并据此将该试样的收缩过程分为弹性、弹塑性和缩限3个阶段。此外,风干失水过程中土样在径向和轴向上体积具有相似的变化规律,均呈现先减小后增大的趋势(陈亮等,2013)。

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。膨胀土吸水产生膨胀的过程,本质上是水膜形成并且厚度增加,在黏土颗粒间形成一种“楔”力,使颗粒间距增加,孔隙变大的过程(Inglfss,1968Mitchell,1976谭罗荣,1981刘松玉等,1991陈亮等,2013)。一般情况下,土体中的蒙脱石含量越高,膨胀性越强。对给定的土体而言,膨胀率的大小与初始状态密切相关。Basma et al.(1996)通过试验发现,初始含水率或吸力状态是干湿循环过程中试样胀缩变形特征的控制因素之一。初始干密度越大,初始含水率越小,膨胀率越大(吴珺华等,2013)。膨胀变形还受干湿循环次数与外部应力条件的影响。随干湿循环次数的增加,相对膨胀率和绝对膨胀率均逐渐减小,荷载的增加会显著抑制膨胀变形(杨和平等,2006陈亮等,2013吴珺华等,2013)。

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(图 1)。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,宏观表现为收缩变形(唐朝生等,2011b)。由于土体的非均质性,土颗粒靠拢的方向无统一规律,换言之,土体的收缩变形在微观层面上存在差异性,局部的收缩变形有可能限制而在产生应力集中,从而为裂隙的发育提供条件(Allam et al., 1981谭罗荣,1981刘松玉等, 1991, 2006;Day,1994Al-Homoud et al., 1995陈亮等,2013)。膨胀土之所以比一般土体更容易发育干缩裂隙,与其富含强亲水性黏土矿物和强收缩性是密切相关的。实际工程中,可根据室内试验获得的收缩参数对特定环境条件下膨胀土的裂隙发育状态进行评估和预测(唐朝生等,2012a)。

图 1 土体干燥收缩过程示意图(唐朝生等,2011a) Fig. 1 Sketch drawing of soil shrinkage process (Tang et al., 2011a)

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。谭罗荣等(1997)的“渗透压和吸力势理论”认为,膨胀土的胀缩变形由主要由土中胀缩性矿物自身的胀缩和颗粒单元之间平均间距的变化。此外,土中的孔隙分布与膨胀性的强弱有着直接的关系(Lin et al., 2012)。鲍硕超等(2017)增加了对膨胀土“超微”孔隙分布区间,通过试验发现对土的膨胀性产生影响的主要是土中较小的孔隙,并确定对膨胀土性质起决定性作用的“小-超微”孔隙的影响界限为0.04 μm孔径。不过,目前尚未有那一种理论能够完美解释膨胀土发生的所有胀缩现象。

2 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。在裂隙定量研究早期,学者们通过制作一些专业的测量工具,手动测量获得裂隙网络的几何形态参数,并建立一些经验几何关系。如Zeinel Abedine(1971)Inoue(1993)利用计算测量标尺测量和统计裂隙的交点个数对裂隙的长度进行估算;Dasog et al.(1993)利用柔韧的细线沿裂隙的发展方向延伸以测量裂隙长度;Ringrose-Voase et al.(1996)通过总结前人经验,并据此发展了一种更为简便精确的裂隙测量工具;易顺民等(1999)利用分形理论研究了膨胀土裂隙的分形特征,发现分维数与强度指标有很好的相关性,指出分维数可以很好地表征含裂隙膨胀土的力学性质。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。

此外,一些学者围绕膨胀土裂隙发育的影响因素也开展了许多研究。如Albrecht et al.(2001)测试了土体初始密度和塑性指数对裂隙的影响,结果表明:干燥过程中的体积收缩量和裂隙发育程度随着塑性指数的增大而增大,随初始密度的增大而减小;Tay et al.(2001)研究了膨润土-砂混合物在不同初始含水率条件下的龟裂发育情况,发现只有膨润土达到一定掺量时土样才产生裂隙,而含砂量较高的试样在干燥过程中不发育裂隙;Yan et al.(2002)指出,黏粒含量是主导土体龟裂的一个重要因素,它能极大改变干缩裂隙网络的结构形态;唐朝生等(2007a, 2012b)研究了土体的厚度、温度、干湿循环次数和土质成分等对裂隙结构形态的影响;刘华强等(2010)徐彬等(2011)测试了不同干湿循环次数下膨胀土直剪断面上裂隙的开育情况,发现裂隙随干湿循环次数增加而增多。

对于干缩裂隙的形成机理,目前学术界尚无统一的观点(Corte et al., 1960Nelson et al., 1992Nahlawi et al., 2006; 唐朝生等,2012a)。唐朝生等(2012a)认为龟裂的形成和发展是一个动态的过程,与土中水分的蒸发速率、应力状态和收缩特性等直接相关。他们指出,吸力和抗拉强度是制约龟裂形成的两个关键力学参数,当土体中的吸力引起的张拉应力超过土体的抗拉强度时,龟裂便会产生。总体上,力的作用和收缩空间是土体龟裂形成的两个必要条件。唐朝生等(2007b)在研究中发现,裂隙往往率先在土体表面的弱点处产生,针对此现象,他们从张拉应力集中的角度探讨了非均质土体裂隙发育的力学机制。Shin et al.(2011)从微粒和宏观孔隙的视角研究了土体干燥过程中裂隙的发展过程,认为空气进入孔隙中是裂隙发育的临界点。在一些孔隙较大的位置,干燥过程中易达到进气值,吸力增速加快而在局部产生应力集中,从而能较早产生裂隙。此外,由于膨胀土总体绝大部分是水流作用堆积于阶地或漫滩上,早期压密固结后,随新构造运动抬升,导致超固结土在垂向上因地层剥蚀而卸荷,可形成缓倾角长大拉裂缝,其应力历史也是影响膨胀土开裂的重要因素(胡卸文等,1994)。胡卸文等(1994)通过对成都、合肥、南京等地区裂隙性黏土的现场调查发现,黏土的裂隙发育有3种较常见的模式,即:平行斜列式、水平及斜列式、羽形排列式。在进行大量的观察和试验后,发现土体和试样的破坏大都是沿裂隙面或部分沿裂隙面发生的,探讨了裂隙对土体力学性能的控制作用。

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。

3 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(孟黔灵,2001姚海林等,2002)。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100~200 MPa,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。此外,当土体中产生裂隙后,裂隙边壁风化产物会填充裂隙,雨水渗入时发生吸水膨胀,裂隙愈合,并产生侧向膨胀力。受循环干湿气候影响,反复胀缩变形使水平侧向应力远大于竖向自重应力,从而表现出超固结特性(姚海林等,2002)。因此,膨胀土的超固结性不只是由自重应力引起的。

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)Naka et al.(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。

对于膨胀土而言,其超固结性的一个重要特征是水平应力大于垂直应力。Dodd et al.(1972)在大量地质调查和现场测试的基础上证明了膨胀土的这种超固结特征;Joshi et al.(1980)对印度黑棉膨胀土的侧压力系数进行了原位测量,也得到类似结论;Brackley et al.(1987)测量了南非膨胀土地区侧向压力随深度和季节的变化,发现膨胀侧压力系数基本达到甚至超过土体的被动侧压力系数,并从超固结的角度对膨胀土裂隙性进行了解释。此外,陈善雄(2006)李振霞(2008)周葆春等(2012)李新明(2013)等也从不同角度对膨胀土超固结性进行了研究。

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)。

从前面几节的分析可知,膨胀土的“三性”(胀缩性、裂隙性和超固结性)在本质上是相互关联和相互影响的,如膨胀土的胀缩变形是导致裂隙发育和超固结的前提条件,裂隙发育程度和几何形态结构又客观反映了胀缩特性,此外裂隙发育也对超固结状态的形成过程有一定促进作用,而基于超固结程度可对膨胀土在不同荷载条件下的体变行为和裂隙发育状态进行评价。事实上,工程中遇到的一些典型膨胀土问题比如滑坡,通常不是由单一因素引起,而是多种因素共同作用所致。胀缩性是膨胀土工程问题发生的根本因素,裂隙性是关键控制因素,超固结性是诱发促进因素。开挖卸荷是外部诱发条件,气候变化引起的含水量变化是主导因素(孟黔灵,2001Shin et al., 2011)。因此,要避免工程中的膨胀土问题,需要结合当地的工程地质、水位地质和气象条件,从“三性”角度出发,系统研究各因素的权重,采取多管齐下综合治理的方式,方能起到良好的效果。

4 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。随含水率提高,膨胀土遇水软化,其强度有明显的衰减。当饱和度较低时,裂隙对膨胀土强度产生主要影响。徐彬等(2010)在干湿循环条件下对含裂隙膨胀土开展了直剪和三轴试验,得到大致相同的实验结果,他们还发现随着干湿循环次数的增加,裂隙发育速度减慢,但是裂隙的宽度和深度增加,并向内部发展,最终试样的强度趋于稳定,接近其残余强度。胡波等(2012)进行了裂隙面的强度试验,通过计算机X射线断层扫描技术(CT)测量裂隙面真实产状,准确分析裂隙面上的破坏应力,发现裂隙面的峰值强度远小于两侧土的峰值强度和两侧土的残余强度。

胡卸文等(1994)通过对含裂隙黏土开展无侧限实验研究,发现裂隙对黏土强度的降低作用大大超过粒间联结力对黏土力学性能的强化效应,且强度随裂隙数量的增加而显著降低,并验证了裂隙对黏土力学性质的控制实际上是由于淋滤作用形成的隙壁黏土风化程度加深,力学性质变差,从而降低了裂隙两侧母体土强度(邓京萍等,1987)。膨胀土的强度受含水率、结构特征和裂隙发育程度等因素的综合影响,使得实际工程中这类问题的复杂性增加。尽管已有一些研究从裂隙的角度分析了干湿循环作用对膨胀土强度的影响,但大多还局限于定性描述阶段,缺乏比较系统的定量分析。考虑到自然界中的膨胀土普遍都含有裂隙,而裂隙对力学性质又有重要影响,笔者认为建立裂隙量度指标与膨胀土力学指标之间的定量关系,是今后该课题研究的重点,对评价膨胀土边坡的稳定性有重要意义。

5 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。因此,研究膨胀土的渗透性时,很有必要考虑裂隙因素。

Albrechtd等(2001)进行了膨胀土干湿循环过程中的渗透性试验研究,发现渗透系数随干湿循环次数的增加而增大,他们将该结果归因于内部裂隙数量的增加;Rayhani et al.(2007)对多种膨胀土进行了干湿循环试验,发现土体裂隙的发育情况受塑性指数和黏粒含量的影响,并且渗透系数随干湿循环次数的增加而增大。在第一次干湿循环后渗透系数增大最明显,达到几个数量级,主要是因为第一次干湿循环后裂隙发育程度最高,此后渗透系数增幅有所回落,他们把该现象归结为膨胀土的自愈性;陈建斌(2006)对膨胀土渗透性开展了原位试验,发现含水率较低时膨胀土渗透系数大致在砂性土量级范围之内,具有强透水性,表明裂隙的存在会极大地提高膨胀土渗透性;李雄威(2008)采用常水头渗透试验方法对膨胀土进行渗透性研究,结果表明:渗透初始时土样渗透系数最大,随着时间的延续,渗透系数逐渐降低,并最后趋于稳定。同时发现渗透系数减小的过程伴随着土体的膨胀过程,表明渗透系数的变化过程反映裂隙的愈合过程;张家俊(2010)采用变水头渗透试验方法对膨胀土裂隙渗透性展开了研究,发现随干湿循环次数增加,饱和膨胀土的渗透系数与非饱和膨胀土的初始下渗强度均增加,并指出试样中贯通渗径的裂隙长度是影响膨胀土渗透性的关键因素;袁俊平等(2014)利用柔性壁渗透仪分别在有无裂隙、浸水历时长短情况下对重塑膨胀土进行了渗透试验发现:有裂隙时膨胀土渗透系数比无裂隙时大2个数量级左右;浸水后,裂隙膨胀土的渗透性急剧降低。

综上所述,裂隙是影响膨胀土渗透性的关键因素,也是导致膨胀土边坡失稳的重要前提。在分析膨胀土边坡的失稳机理和开展相关数值模拟研究时,有必要考虑裂隙因素对强度参数和入渗参数的影响。

此外,在一些废物处置工程中,往往也采用膨胀性土体作为工程屏障,实现污染物与人类生存环境的隔离。如在高放废弃物深地质处置库中,作为缓冲/回填材料的膨润土常用来阻挡围岩中的地下水入渗和库内放射性核素的向外迁移(叶为民等,2009)。在垃圾填埋场的设计中,膨润土也被用作衬砌或覆盖层,用来阻止雨水入渗及垃圾渗滤液渗入地下水(Rayhani et al., 2007)。因此,膨润土的渗透性往往也是这类工程的重点考察对象。但由于这类膨胀性土体一般处于非饱和状态,许多学者对其非饱和渗透特性进行了研究。常用的非饱和渗透系数量测方法有:瞬时截面法(Meerdink et al., 1996叶为民等, 2009, 2010)、稳态法(Benson et al., 1997)和空气过压法等(Gardner,1956),其中,瞬时截面法较适合于量测膨胀性黏土的非饱和渗透系数(Meerdink et al., 1996叶为民等,2009)。叶为民等(2009, 2010)采用自制的试验装置,研究了高压实膨润土的非饱和渗透性,他们发现:非饱和试样渗流量随着渗流过程的延续不断减少;开始进水时水力梯度迅速增大,随后则逐渐减小;进水初始阶段,渗透系数随吸力的减小而减小,当土体含水率到达一定值后,渗透系数又会随着吸力的减小而增大。

6 微观结构

土的微观结构是指土在一定地质环境条件下,土粒和粒团的排列方式、接触、连结方式,微孔隙与微裂隙的形状、大小、数量及其空间分布与充填情况等所构成的微观结构特征(Shi et al., 1995, 1998谭罗荣等,2001毛天尔等,2010)。膨胀土的微观结构一方面反映膨胀土的形成历史与环境,另一方面影响膨胀土宏观物理力学性质的内在重要因素,是认识膨胀土变形及强度的理论基础(Smartp,1966Morgenstern et al., 1967施斌等,1988胡瑞林,1995陈宇龙,2013)。

膨胀土微观结构的研究方法主要有电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)(丁文富等,2012)、压汞法(MIP)、计算机断层成像(CT)和环境扫描电子显微镜(ESEM)(Romero et al., 2008)等。此外,数字图像处理技术、GIS技术和液氮吸附技术等在膨胀土微观结构的定量研究方面也发挥着独特优势(刘志彬等,2004王宝军等, 2004, 2007唐朝生等,2008丁文富等,2012)。

膨胀土黏土颗粒多呈聚集状,大小不一,形状各异。由于膨胀土的不良工程特性主要受黏土矿物所控制,中国科学院地质与地球物理研究所的曲永新教授对膨胀土中的黏土矿物特性开展了大量研究,他指出膨胀土中的黏土矿物组成非常复杂,既含有大量的膨胀性黏土矿物(如蒙脱石和伊利石/蒙脱石、高岭石/蒙脱石、绿泥石/蒙脱石等混层黏土矿物),又包括若干非膨胀性黏土矿物(如伊利石、高岭石、绿泥石等)(张加桂等,2001曲永新等,2002张永双等,2002燕守勋等,2004)。无论是从相对含量还是从绝对含量上,膨胀性黏土矿物的含量都远多于非膨胀性黏土矿物,这是膨胀土具有显著胀缩特性的物质基础(曲永新等,2002)。而膨胀性黏土矿物在一定程度上又会影响土体微观结构。常见黏土矿物的微观结构电镜扫描图显示(图 2),蒙脱石多呈弯曲、卷曲薄片状;高岭石是粒状叠片体颗粒,单片体较平整,厚宽度相对较大,形状较规则,伊利石呈薄片状,在显微镜下类似碎屑云母,没有弯、曲边,形状不规则且单薄(谭罗荣等,1994)。杨和平等(2005a)通过SEM发现伊利石/蒙脱石(I/S)混层矿物呈卷曲状叠片体,有定向排列的特点,对膨胀土变形极为有利。

图 2 3种常见黏土矿物的典型SEM照片 Fig. 2 The SEM images of the three typical clay minerals a.蒙脱石;b.高岭石;c.伊利石

受形成条件和矿物成分的影响,膨胀土基本颗粒排列除存在紊流结构、层流结构外,、粒状堆积结构和胶结式结构等特征,片状、扁平状颗粒具有一定的定向趋势。颗粒组合包括基质、团聚体及连结物。基质主要包括颗粒-颗粒接触形成的颗粒状基质,紊流或层流黏土形成的黏土基质;膨胀土微观结构单元以颗粒、团聚集体单元为主,集结成堆;连结物包括紊流黏土基质和胶结物,颗粒连结比较松散,组合间孔隙性比较显著(陈宇龙,2013)。

有研究表明,膨胀土的胀缩性不仅取决于其矿物成分、粒度组成及阳离子交换量,还在很大程度上受微观结构特征的影响(高国瑞,1981李生林等,1992)。土粒的高分散性及膨胀性黏土矿物是膨胀土胀缩性的基础,而其特殊的微观结构则是影响其胀缩性强弱的关键因素。高国瑞(1984)根据膨胀土结构单元体中叠聚体的赋存状态,通过微结构类型分析对膨胀性的强弱进行了归类,认为强烈的膨胀性微观结构为曲片状、紧密、黏胶基质结构类型;较强胀缩性为曲片状、开放、黏胶基质结构类型;中等偏弱胀缩性为平片状、密集、黏胶基质结构类型;弱膨胀性为平片状、开放、黏胶基质结构类型。

尽管微观结构是研究对膨胀土的某些宏观性质的重要途径,但目前该课题主要还局限于定性描述,定量方面虽然取得了一些进展(胡瑞林等,1995施斌等, 1996, 2001),但精细化的定量研究依然比较欠缺,与微观结构相关的理论研究仍然面临许多挑战。一方面是因为还未形成具有普遍代表性的微观结构量化指标或指标体系,另一方面是微观结构与宏观力学模型尚未完全耦合。微观结构形态的量化首先需先消除量化过程中的不确定因素,找到确切的量化指标,再实现结构要素的精细量化,并使量化结果具有代表性,这要求在传统的微观结构观测技术和量化分析方法上有新的突破。目前的计算机图像处理技术和X射线衍射技术虽发展迅速,但尚未能解决结构联结与形态要素联合分析问题(丁文富等,2012)。此外,为了尽可能减小对试样微观结构的扰动,完善微观结构备样技术也是十分必要的。目前流行的备样技术是真空冷冻干燥法,过程比较繁琐耗时,有一定的危险性,对操作人员的素质要求较高。此外,这类方法制备的样品一般不能重复利用,也无法满足热/水/力等边界条件下膨胀土微观结构变化的动态观测。

微观结构与宏观力学模型的耦合问题一直是学界的研究难题。虽然许多学者进行了大量的微观结构要素定量研究,但极少将之与宏观力学性质建立理论联系起来。目前在本构模型方面,比较认同的是Alonso(Alonso et al., 1990, 1999Gens et al., 1992)在非饱和土模型基础上对微观结构变形机理研究提出的膨胀土弹塑性模型,一定程度上能反映膨胀土的湿胀干缩变形性质,具有应用与研究价值。曹雪山(2005)在膨胀土干湿循环试验后,对膨胀土的结构特征进行了分析,并研究了膨胀土的微观变形机理,在Alonso膨胀土模型的基础上提出了一些改进设想。

7 膨胀土工程处治技术

与膨胀土相关的工程地质问题很多,其中膨胀土路基变形和膨胀土路堑边坡滑坡是最典型的两个问题(郑健龙,2007b)。

许多国家膨胀土地区铁路线上,由于边坡土体强度的衰减以及基床土体承载力降低,而造成边坡的溜塌、滑坡,线路不均匀沉降,致使铁路路基失稳,影响行车安全。我国在修建成昆线、焦枝线、汉丹线、襄渝线等铁路时,均出现膨胀土路基灾害,对铁路建设造成巨大损失和破坏(中国科学院贵阳地化所等,1971廖世文, 1982, 1984)。在膨胀土地区进行道路工程建设时,膨胀土路基设计应以路基工程地质条件为依据,针对不同路基工程地质性质采取相对应的设计形式,其设计依据主要为:膨胀土类别、边坡土体结构类型、裂隙发育程度及主要裂隙产状、膨胀土风化程度及其风化层深度、地形地貌特征及水文地质特征等。膨胀土边坡防护和加固须针对膨胀土特性,以防表水入渗和冲蚀,防止风化和胀缩变形,其主要措施为表水防护、坡面防护、支挡防护和换土等。根据膨胀土路基变形特点和规律,膨胀土路基基床设计应以改良基床土质性质和排除基床水为原则,常用基床防护加固和土质改良措施有:基床换土、掺和土、混凝土封闭、灌浆等,排除基床积水措施有深侧沟、盲沟、渗沟和横向排水孔道等(廖世文,1984中华人民共和国行业标准编写组,2013)。我国在铁路建设过程中对出现的膨胀土工程地质问题进行了大量研究和探索,形成一套较为完整的膨胀土工程勘察及设计体系。

在膨胀土地区进行工程建设时,路基常多年难以稳定,易产生不均匀沉降、路堤边坡坍滑等病害,路面易出现开裂、冒浆、水泥混凝土板断裂等破坏(李迎春等,2010)。因此,膨胀土不宜直接用于填筑路堤,在膨胀土地区路基处理时一般采取弃土换填处理方式,常造成大量土方废弃、沿线水土流失、生态环境破坏与土地资源浪费等问题,带来巨大的经济损失(杨和平等,2009)。另外一种常用的方法是化学改性,即在路基膨胀土中掺石灰或注入化学浆液进行固化处理,使之达到工程要求(Cothren,1985李生林,2004王保田等,2005)。近些年来,长沙理工大学郑健龙教授(2007b)领导的团队针对膨胀土路基提出了一种物理处治技术。所谓物理处治技术是将膨胀土填于特定的路堤部位,限制填芯部分的总高度,并对膨胀土填料防渗保湿,控制土体含水率在一定范围,从而使路堤保持足够的强度和稳定性(杨和平等,1999)。杨和平等(2007b)结合室内试验和实体工程,验证了膨胀土物理处治技术的有效性,使膨胀土直接用作路堤填筑材料成为可能。目前该技术已经在多条高速公路建设中得到成功应用,避免了大量借弃土方带来的大范围地表植被破坏和沿线水土流失问题,减少了土地资源浪费以及工程施工期间大量运土车产生的油料消耗、噪声扰民和尾气排放,具有经济、节能、环保等特点(杨和平等,2011)。

膨胀土路堑边坡一经开挖,需进行加固或支护,否则将会失稳甚至产生滑坡灾害。当前膨胀土边坡防护加固措施主要分为刚性支护和柔性支护两大类,其中刚性支护通过钢支撑、木支撑、混凝土衬砌及覆喷混凝土等限制岩土体位移过大、防止有害松动、保持岩土体稳定性,并实施坡面封闭。刚性支护对膨胀土边坡处治具有一定效果,但处治费用较高,变形协调能力差,土体产生较大变形时容易造成其破坏。柔性支护主要采用土工织物为主,辅以其他综合处治措施,柔性支护体允许一定变形,能有效释放土体中的膨胀力,降低其对于支挡结构的应力作用,同时又可起到支挡与封闭作用(杨和平等,1999谭波等,2010)。

肖杰等(2010)从北京西六环膨胀土路堑边坡的工程地质及土性特征入手,分析边坡破坏的原因及特点,提出了土工格栅加筋柔性支护处治方案,工程处治效果良好。土工格栅柔性支护技术思路是将土工格栅与土分层摊铺,使格栅将膨胀土包裹并与上层格栅连接成一个整体,不仅增强了格栅与土的咬合作用,通过土体压实增强土体强度,限制土体水平膨胀变形,同时格栅与土形成的整体成为了具有一定膨胀推力的柔性支护体(谭波等,2010)。同时,在加筋体与开挖坡面间设碎石排水层,用于疏干坡内裂隙水,在坡面采用混凝土网格花饰及内植绿化,减弱雨水冲刷和抑制土体干湿变化。柔性支护在允许边坡少量变形条件下能对土体有效地保湿防渗,边坡土体大部分应力和膨胀力得以释放,在柔性支护体自重作用下有效能抵抗土压力,此即“保湿防渗”和“刚柔相济”的技术思路(杨和平等, 2005a, 2005b, 2013, 2015Yang et al., 2007c)。

近些年来,膨胀土路基物理处治技术和膨胀土路堑边坡柔性支护技术在广西、云南、北京等省市区多条高速公路上成功应用(杨和平等, 2005c, 2009, 2010, 2011, 2013, 2015Yang et al., 2007c李迎春等,2010),产生了良好的经济和生态环保效益,且相关成果获得了国家科技进步一等奖,对我国膨胀土地区的工程实践具有重要参考价值。

8 总结

在过去几十年里,国内外的学者在膨胀土的工程地质特性方向上进行了大量研究,本文着重从膨胀土的胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构特征及工程处治技术等几个方面对相关研究成果进行了归纳总结,得到如下认识:

(1) 胀缩性是膨胀土的典型性质之一,是膨胀土水敏性或气候敏感性的突出表现,是膨胀土地区常见工程地质问题的直接原因。目前学术界关于胀缩机理存在不同的观点,但归根究底,都是取决于亲水性黏土矿物与水之间的相互作用方式、过程及微观结构响应。

(2) 裂隙性也是膨胀土的典型性质之一,裂隙是导致膨胀土工程性质弱化和膨胀土灾害的重要因素之一。裂隙的发育是土质条件、土力学条件和环境气候条件共同作用的结果。对于工程中的膨胀土问题,在勘察、设计和施工的各个阶段,以及强度参数、渗透参数的确定、稳定性评价等方面,都有必要考虑裂隙因素的影响。

(3) 超固结性也是膨胀土的典型性质之一,相对于胀缩性和裂隙性,目前学界对超固结性的研究偏弱。超固结性使膨胀土具有较正常黏土更大的结构强度和水平应力,但在边坡开挖时,其卸荷效应也强于正常固结黏土,易产生裂隙,是导致边坡失稳的重要因素。膨胀土的上述“三性”是其工程地质问题的根源,三者在本质上是相互关联相互影响的,实际工程中应综合考虑,避免片面化。

(4) 膨胀土的强度受含水率、结构特征和裂隙发育程度等因素的综合影响。在干湿循环条件下,膨胀土的强度一般随循环次数的增加而不断衰减,最终趋于稳定。裂隙发育是导致膨胀土在干湿循环过程中力学性质出现弱化的主要因素。因此,在膨胀土工程中,强度指标应如何选取非常关键。如果以无裂隙原状膨胀土试验获得的力学参数作为依据,必然高估膨胀土的稳定性,可能引发灾害。反之,如果全部采用偏低的经多次干湿循环试验后测得的强度指标,则可能导致设计偏保守,造成浪费。

(5) 膨胀土的渗透性主要取决于内部裂隙的发育程度,含裂隙和不含裂隙膨胀土的渗透系数往往有几个数量级的差异,且渗透系数一般随干湿循环次数的增加而增大。在降雨条件下,膨胀土边坡的失稳破坏过程与裂隙发育状态密切相关。

(6) 微观结构在一定程度上决定了膨胀土的宏观工程性质。膨胀土由于富含强亲水性黏土矿物,其微观结构特征与一般黏性土有所不同,正是由于土质学因素和土结构因素的共同作用,造就了膨胀土的特殊性。但在研究膨胀土的微观结构时,如果仅仅局限于微观尺度下获得的有限的信息,容易做出片面的判断。为了避免“只见树林,不见森林”,在研究方法上应特别强调微观与宏观、实验室与现场、土样与土体的密切结合(李生林等,1992),尤其应该综合考虑地质成因和水文地质条件与微观结构之间的关联。

(7) 膨胀土工程性质研究除了重点考察力学变形指标外,尤其应该把气候环境条件纳入研究范畴,即有必要在干湿循环条件下开展针对性研究,以便使研究结果更接近真实情况,更具代表性。

(8) 针对膨胀土路基的变形和边坡失稳问题,除了传统的换填、化学改性及刚性支护等防治措施,近些年发展起来的膨胀土填筑路堤物理处治技术和膨胀土路堑边坡柔性支护技术也具有良好的效果,并在许多工程中得到成功应用,具有较好的推广价值。

尽管目前围绕膨胀土工程地质特性已经开展了较多研究,成果也比较丰富,但工程中膨胀土问题和相关工程地质灾害仍然时有发生,在面临一些特殊问题时还无法找到有效的解决办法,说明在某些方面还存在研究不足。笔者认为今后有必要在以下几个方面开展重点研究:

(1) 膨胀土胀缩性及力学性质的各向异性问题。胀缩性是绝大部分膨胀土灾害的根源,也是国内外膨胀土研究比较集中的一个课题。然而,无论是膨胀变形还是收缩变形,当前大部分研究都只考虑轴向方向的变形。而实际上,由于地质成因和环境条件的影响,膨胀土结构往往具有明显的各向异性,尤其是当膨胀土中含有节理裂隙时,其变形性质和力学性质也因此存在各向异性特征,而这方面却常被忽略。

(2) 膨胀土裂隙的形成机理。无论是原生裂隙还是次生裂隙,都对膨胀土的工程性质有重要影响,但关于裂隙究竟是如何形成的,国际上还没有统一的认识,主要是因为目前关于膨胀土裂隙形成和发育机制的系统研究还比较少,从而极大制约了理论研究的深入和人们对这一常见自然现象的认知水平。今后可在裂隙形成的力学机理及数值模拟方面开展针对性研究,但需综合考虑土质学和土结构因素对裂隙发育的制约作用。

(3) 裂隙量度指标与膨胀土宏观工程性质指标之间的量化关系。含裂隙和不含裂隙膨胀土的工程性质存在极大差异,针对含裂隙的膨胀土,需要重点考察裂隙的影响,以便在工程实践中做出正确的判断和评价。然而,目前关于裂隙的研究主要还是局限于几何形态指标的量化描述,很少将裂隙量度指标与宏观工程性质指标建立量化关系,因此还难以将裂隙研究成果应用于指导膨胀土地区的工程实践,相关研究亟须加强。

(4) 膨胀土微观结构的精细化研究及微观结构量化参数与宏观力学模型的耦合问题。微观结构研究一直是该课题的重要研究内容,也是从本质上掌握膨胀土宏观性质的重要方法。从早期的定性描述到后来的定量分析,一直到今天各种量化手段和量化指标的提出,充分反映了膨胀土微观结构研究的发展。即使如此,微观结构的量化分析总体上还是停留在比较粗糙的阶段,大部分研究还是局限于常规扫描电镜照片中土颗粒或者孔隙结构几何参数的简单提取或者统计分析,所获得的结果受制样过程、图像处理过程和人为操作的影响较大,往往存在很多不确定性。更重要的是,这些量化结果无法反映膨胀土工程性质的动态演化过程。因此,如何进一步提升现有微观结构的研究水平,并提取更精细更可靠的微观量化参数,是今后的研究重点。笔者认为,借助环境扫描电镜、微观CT、高精度三维激光扫描成像及数字图像相关技术(DIC)或其他图像处理技术,可实现复杂热-水-力条件下膨胀土2D/3D微观结构演化的动态观测及精细化定量研究,对深化膨胀土宏观性质的认识有重要意义。此外,如何基于微观结构量化参数建立膨胀土微观力学模型,并同相应的宏观力学模型进行耦合,实现两者之间的有机统一,将是未来充满挑战的研究课题。

(5) 多场耦合作用下膨胀土的工程性质响应特征。膨胀土的工程性质受土质、土结构、地质条件和环境气候条件等多种因素的耦合影响,尤其是当一些膨胀性土体被当作特殊材料应用到一些工程中时,其变形和力学性质也受到热、水、力甚至化学等多场耦合作用的影响。因此,掌握膨胀土在多场耦合作用下的工程性质响应特征,对正确防治工程中的膨胀土灾害及合理有效地利用膨胀土材料具有重要意义。但当前国际上关于这方面的研究还存在严重不足,我国基本处于起步阶段,且大部分研究依然停留在探讨干湿循环作用对膨胀土工程性质的影响,这显然是不够的。

致谢 感谢长沙理工大学杨和平教授对论文修改提供的建议和帮助。
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