膨脹土裂隙對強度指標影響的思考

殷希麟

摘要：本文圍繞裂隙對膨脹土抗剪強度產生的影響，從裂隙的產生和發展中，得出裂隙網分布的不同，影響著強度指標。也正因為不能很好的模擬野外裂隙網，使得室內直剪實驗、三軸試驗與現場大剪實驗測得抗剪強度存在差異。如果可以使測得的強度指標更加接近野外實際，則邊坡穩定分析計算會更加準確。

Abstract： The effect of fracture on shear strength of expansive soil is studied in this paper. From the creation and development of the fissure， the difference in the distribution of the Rift network influences the strength indicators. And because we can't model the rift net well， the shear strength measured by indoor direct shear test， triaxial test and on-site large shear test is different. If we can get the strength measured closer to the field， the slope stability analysis calculation will be more accurate.

關鍵詞：膨脹土；強度指標；裂隙；室內與野外的差異

Key words： expansive soil；strength indicator；fracture；differences between the interior and the field

中圖分類號：TU411 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0111-04

0 引言

野外現場膨脹土由于大范圍、不均勻裂隙的存在，使得其強度指標隨裂隙的寬窄、深淺變化劇烈。在陽光曝曬下，裂隙發展得很快；在雨后，土體膨脹，裂隙收縮，土體之間的聯系增加。人們早就知道裂隙對土體強度有較大影響，但是裂隙怎樣對強度產生影響，怎樣選取強度指標作為計算值，裂隙網的變化規律如何，以及室內測得的強度和野外實際具有怎樣的差異等。這些問題值得深入研究。

工程中往往會出現較平緩的膨脹土邊坡也會出現滑坡，比如南陽十八里崗試驗路塹膨脹土，室內測得c為5kPa，φ為16°，塹坡的平均坡度為1：2，計算穩定系數大于2.7，結果卻發生了滑坡。襄渝鐵路安康膨脹土，測出的抗剪強度c為6.8-9.3kPa，φ為25°-27°。按極限平衡理論計算，當邊坡高度為20m時極限坡度可達1：1，而實際上數米高1：1.5的邊坡也產生滑動[1]。邊坡穩定計算沒有問題，造成結果的錯誤是在測定強度指標的時候出現了偏差。這種偏差從制樣就開始產生；室內實驗所用的試樣是通過野外取土，在室內人為的對其進行干濕循環，迫使試樣形成裂縫，這種裂縫比野外更小、更細，不能很好的反映野外膨脹土的裂隙網，此外三軸試驗與直剪實驗在測量膨脹土強度指標時又具有一些偏差，使測得的c值誤差可達40%，φ值也有近10%的偏差?？梢娺@么大的偏差，無疑使邊坡穩定性分析變得更為困難。

1 膨脹土裂隙的發展

膨脹土作為一種特殊的粘性土，其膨脹性、收縮性與一般粘性土不同。眾所周知，由于裂隙的存在，土體的抗剪強度會急劇下降，一般粘性土通常是沒有裂隙的。但在炎熱的夏天，尤其是大旱之年，受太陽照射，也會產生裂隙。夏季農田中就常見到裂隙，甚至有些裂隙的表層張開度還相當大。不過一般粘性土的地面裂隙均較淺，通常小于30-40cm；且受天氣的影響，裂隙維持時間也短。

膨脹土由于其本身遇水顯著膨脹以及失水顯著收縮的性質，使得裂隙可以發展到3-4m，這對邊坡穩定性造成了很大的危害。膨脹土無論在室內還是野外，之所以會產生裂隙，都是由于水的蒸發使土體收縮[2]。收縮包括兩方面：

1.1 產生豎向裂隙

當然首先是近表層的膨脹土，因水分蒸發而收縮；尤其是受到太陽的照射。但要使下面膨脹土中的水分也跟著蒸發是要有一個過程的。因為表層膨脹土在陽光照射下溫度可迅速上升；而下面2-3cm厚的膨脹土的溫度上升須要一些時間；5-6cm深處的土溫度上升就更慢。這就會使上下土層因溫度不均，導致上下土層收縮不均。這樣就使膨脹土層產生豎向裂隙，如圖1所示。圖中的兩個相鄰的裂隙AB和CD就在土層表面附近，由于陽光照射而產生的。

愈接近地面，裂隙張開度愈大；離地面愈深，裂隙張開度愈小。在一定深度以下就沒有裂隙了。根據鉆探取樣的結果，對于膨脹土裂隙深通?？蛇_2-4m，也有個別資料提到裂隙深可達5m的。

值得注意的是，表層裂隙往往是聯系在一起的，如圖2（a）中所示。也就是說，膨脹土因水分蒸發而產生橫向收縮后，形成了一塊塊獨立的豎向土體。這些獨立的豎向土體之間就沒有了力的聯系。隨著裂隙向深部發展，裂隙張開度會逐步減小。有些相鄰的局部豎向裂隙之間可能會閉合。也就是說在某一深度以下，裂隙可能會是斷斷續續的了；如圖2（b）中所示。那么成塊的“豎向土體”之間就會有所接觸。當然也就存在橫向力的聯系。

從（a）、（b）兩圖可以清楚的看出裂隙的寬度隨著深度的增加，在減小；裂隙間的聯系也隨之減少，則土體的強度也逐漸增加。

1.2 產生水平向裂隙

在上面已提到，由于陽光照射加熱表層土體，膨脹土會因水分蒸發而收縮。由于下層裂隙兩側稍遠處，土的溫度提高較慢。這樣，在豎向裂隙附近的土，因受到外邊溫度的提升而發生收縮。而離裂隙較遠處的膨脹土尚未收縮，則土體表層主要形成橫向收縮，如圖3所示。

既然有了豎向裂隙，附近膨脹土中水分也就會橫向流入豎向裂隙中，并從中向外蒸發，如圖1中所示。于是各豎向裂隙附近的土體有所收縮；相應地，豎向裂隙有所擴大。這就是豎向裂隙寬度常達1-2cm的原因。

此外還會存在另一個問題，即在陽光照射下豎向裂縫內的溫度也會有所增加。這一方面會吸收裂隙周圍土體中的氣和水，使周圍土體有所收縮；當然就使該豎向裂隙有所擴大。另一方面，周圍土體的收縮又會產生微小裂隙；這種微小裂隙常常是水平向的。當然，這種微小裂隙僅僅在較淺的土層中存在。因為在較深部位的膨脹土，會受到上面土體重量所對應的壓力，故一定深度以下，土體中就無法產生這種橫向的裂隙。

2 裂隙對于膨脹土抗剪強度的影響

裂隙的存在，就意味著裂隙兩側土體被拉開，也就是說沒有力的聯系了。這就會顯著影響土體的抗剪強度指標[3]。

前面提到，裂隙是從地面向下逐步發展的；當然愈深處，裂隙的寬度愈小，甚至在同一深度處會有部分裂隙消失，如圖2（b）中所示。當然愈向下裂隙愈易消失。與此相應的是土體中力的聯系逐步增加。也就是說，愈向下，土的抗剪強度愈高。

廖世文[1]所作的不同深度處的膨脹土抗剪強度指標的試驗（膨脹土與鐵路工程，中國鐵道出版社，1984，p71），如表1中所示；土體的抗剪強度指標隨深度而顯著增大。就是由于愈到深處，土體中的裂隙的收縮和斷開狀態愈多，故裂隙的張開度也愈??；當然相應的抗剪強度指標c和φ也就愈大。

表1中的試驗結果應該說是相當可靠的，它反映出了裂隙膨脹土許多特性。

2.1 裂隙隨土體深度而顯著變化

①在1.1m深的范圍內，抗剪強度指標是相當低的，c僅為17kPa，φ僅為13°。這是因為：一方面，上層膨脹土的裂隙張開度是較寬的，各土塊之間力的聯系就很少；另一方面，前面提到，上層膨脹土還可能存在橫向裂隙。因此，上層膨脹土抗剪強度指標必然是較低的。這也就是較為平緩的膨脹土邊坡常會產生滑坡的根本原因。當然這里所指的膨脹土邊坡是指裸露的，沒有其它非膨脹土覆蓋的。

②在2.5-3.0m深處，豎向裂隙的張開已較小了，自然就增加了土的抗剪強度。再者，在這樣的深度處，土已被上層土的重量壓得相當緊，也就不可能再存在橫向裂隙了。因而抗剪強度指標必然是較大的。

③在3.5-5.0m深度以下，膨脹土是未風化的，幾乎沒有裂隙存在。膨脹土的抗剪強度指標c和φ當然就很高了。因此下層的膨脹土中，無特殊情況，是不可能產生滑坡的。

上述狀態可見，裂隙對于土體的抗剪強度指標，有著很大的影響。

2.2 膨脹土裂隙對邊坡穩定計算的影響

上面提到，膨脹土裂隙的寬窄、深淺等，顯著影響到膨脹土的抗剪強度指標。當然也就顯著影響到膨脹土邊坡穩定安全系數的計算分析。

一般粘性土邊坡穩定計算中，如果就是一種土，那么滑動面上的抗剪強度指標也就只需要取一種。因為不管是圓弧面達到較深處，還是接近地表處，其強度指標是一致，只有一種。然而對裂隙膨脹土作邊坡穩定性計算時，其抗剪強度指標是隨深度而變化的[3]，如表1中所示。這是裂隙膨脹土與一般粘性土作邊坡穩定性計算分析時的一個很大差異。廖世文[1]在表1中的所給出的試驗結果，充分顯示這兩者之間的不同。

3 裂隙膨脹土室內和野外試驗的差異

對于通常的土體，野外鉆探取樣和室內試驗的土樣，是沒有差別的。室內試驗所用的試樣，僅僅從野外鉆探取得的土樣中截取而得。無論怎樣截取，都是一個整體的土塊，土體中沒有裂隙。因此，室內截得的試樣與野外土體的狀態就完全一致。因此，試驗獲得的力學參數，自然與野外土體的力學參數就完全一致。

然而裂隙膨脹土在現場和在室內，卻有著相當大的差異。

3.1 裂隙網狀態

野外現場的膨脹土的裂隙，是長期的日曬雨淋所造成的。其裂隙通常都是較寬的。表層可達1-3cm；甚至更寬。同時所形成的裂隙網也較大，有些寬度達10cm左右，甚至更大，如圖4中所示。在裂隙向下發展時，裂隙寬度會逐步縮小，但裂隙網的狀態大體上仍然與地面上看到的裂隙網相接近。只是部分逐漸消失，如圖2（b）中所示。

3.2 膨脹土試驗時的裂隙網處置

將現場取得的土樣用于室內試驗時，就會產生如何處理試樣中的裂隙的問題。野外現場各裂隙間的距離是相當大的，可達10cm，甚至更大，如圖4中所示。用薄壁取土器取得的試樣也可能只含有局部裂隙，甚至一點裂隙也沒有。再說，通常實驗室所用直剪試驗的環刀直徑僅6.18cm。截取膨脹土試樣時，取其裂隙可能性更少，甚至見不到裂隙。

圖5中所示[4]，就是室內小試樣的裂隙狀態。應該說多裂隙膨脹土室內試樣，僅僅是模擬性的；因此試驗取得的結果，也是一種假定性的，與現場實際是有差異的。將其用于邊坡穩定分析計算是值得推敲的。

圖5（a）中，直徑6.18cm的試樣就有許多的裂隙，這遠多于野外現場所見的裂隙分布狀態；其裂隙寬度等又顯著低于現場裂隙。圖5（b）中直徑3.9cm的試樣，其裂隙寬度就更小，數量又更多。因此就更難以用于實際工程中的穩定性計算分析。

3.3 室內與野外試驗所得裂隙膨脹土的強度參數

劉特洪[5]所著的“工程建設中的膨脹土問題”一書中，清楚地列出了室內試驗和現場2試驗所得南陽膨脹土強度參數的顯著差異，見表2。這是很值得關注的。

表2中可見，現場大樣試驗所得強度指標c、φ，顯著小于室內直剪試驗所得強度指標c、φ。書中也提到“室內土快直剪強度平均值c=41kPa，tanφ=0.40；而現場土體大剪c=23kPa，tanφ=0.33”。存在很大的差距。

為什么會造成如此大的差異？有下列幾點原因：

①室內直剪試驗所用試樣的豎向裂隙是狹窄的。如圖5（a）中所示的試樣裂隙。并沒有完全的反映室外膨脹土的裂隙網，所以其測得的數值不能代表膨脹土的強度。

②試驗時要對試樣施加相當大的豎向荷載。這會使土體間的相互擠壓而無法產生裂隙。因此土體的剪切破壞只能是上下土體的水平向錯動破壞。所產生的強度指標就會更大。這是用室內直剪試驗來確定膨脹土抗剪強度指標的弊病所在。

③直剪實驗中土體的破壞面是固定的。因為實驗中土體的裂隙寬度是自上而下不斷減少的，在直剪實驗中固定的破壞面并不是土體試樣最薄弱的部分，所以測得的c和φ值都會偏高。

相較而言用三軸試驗測得的數據竟然更為接近現場大剪的實際數據。c值都偏高，而φ值卻偏小。三軸試樣直徑只有3.9cm，遇到的裂隙更少，更不能反映實際土樣的裂隙網，理論上來說測得的c、φ值都應偏高。但是三軸試驗的優勢就在于它是可以反映土體最薄弱的部分，在剪切時容易沿傾斜隱裂隙結構面破壞，也就與實際狀況更為相近。土中裂隙傾斜面與施加的剪切應力方向一致時，試樣抗剪強度最低，最易破壞；裂隙面與剪切應力方向垂直，無疑測出的抗剪強度偏大。除此之外，直剪實驗中，破壞面是水平的，所以強度指標取決于破壞面上裂隙間的聯系、土體內顆粒的粘聚力，以及縱向裂隙的寬度。而在三軸實驗中，強度指標取決于縱向裂隙寬度、深度、之間的聯系，以及土體內顆粒的粘聚力，與實際相符。

在實際的膨脹土中，豎向裂隙存在的范圍更廣、裂隙的寬度更大、數量上更多，是影響膨脹土抗剪強度的主要因素，所以我們用三軸試驗測得的強度指標明顯要比直剪實驗測得的更為精確，但是仍不能很好的反映實際膨脹土的強度指標，原因有二：①不能完整的反映裂隙網；②室內制作的實驗試樣與野外實際膨脹土有較大區別。其次在做室內實驗中有很多不確定因素會干擾實驗結果：第一就是取土做干濕循環中，對野外環境的模擬具有很多不確定因素。光照、風干、噴水等環節都會與野外膨脹土所受的天氣影響產生出入，所形成的裂隙也會與實際有差別，對強度指標必然會產生影響；第二是在用環刀取土時，由于規格的限制，環刀必會從裂隙網中截取一部分，截取試樣中的裂隙就會有較大差異，幾次試驗測得的指標就會有不小的偏差。當環刀壓入土中時，就會擠壓其中的土樣，使土樣收縮，裂隙張開度減小，也會使測得的強度指標產生偏差。這些因素的存在使得我們測得的實驗數據精度降低，值得深入思考與改進。

4 結語

膨脹土強度的高低主要受豎向裂隙影響，裂隙在接近地表處張開度較大，使土基本失去了側向拉應力，強度自然較低；而裂隙膨脹土隨著深度的增加，裂隙網收縮，強度也就有所提高。由于各個裂隙的深淺不同，使得不同深度處強度指標變化較大，邊坡計算中只用膨脹土某一深度處的強度指標或殘余強度和非飽和土強度[3]作為計算值還是有差距的，在計算中應當考慮膨脹土強度指標隨深度變化這一特性。

此外通過對比，三軸試驗測得的實驗數據往往比直剪實驗更為接近現場大剪測得的數值，但是其試樣中裂隙與直剪實驗中的裂隙相比：裂隙更多，寬度更??；與現場實際裂隙網差距更大。人為制得的裂隙和實際裂隙還有相當大差別，控制既定的含水量、溫度并不能模擬野外實際。

參考文獻：

[1]廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國鐵道出版社， 1984.

[2]殷宗澤，韋杰，袁俊平.膨脹土邊坡的失穩機理及其加固[J].水利學報，2010，41（1）：1-6.

[3]殷宗澤，徐彬.反映裂隙影響的膨脹土邊坡穩定性分析[J].巖土工程學報，2011，33（3）：454-459.

[4]徐彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強度影響因素與規律的試驗研究[J].巖土力學，2011（1）：44-50.

[5]劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京：中國建筑工業出版社，1996.