高等土力学读书报告Word格式.docx

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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，用灰度嫡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）o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；

Asaokaetal.（2000）和Nakaetal.（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（Loetal.,1973）o

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（Miaoetal.,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。

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；

Rayhanietal.（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。

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并且渗透系数随干湿循环次数的增加而增大。

7.微观机理

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）。

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。

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，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。

杨和平（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。

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。

基质主要包括颗粒一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。

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（Alonsoetal.,1990,1999:

Gensetal.,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。

8.膨胀土工程处治技术

8.1膨胀土路基变形

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。

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。

8.2膨胀土路堑边坡滑坡

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。

9.结论

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,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。

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