膨脹土裂隙演化及其研究方法綜述

李子森，崔家全，高佳翔

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,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出明顯的吸水膨脹和失水收縮特性。裂隙的產生與擴展演化破壞了膨脹土體結構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]。

中國南水北調中線工程及高寒地區高鐵工程等工程涉及到膨脹土邊坡及地基穩定性，相關科研單位與部門進行了大量的研究[2],膨脹土的基本力學性質、物理性質及工程應用理論逐漸趨于成熟。隨著“一帶一路”等國家工程建設的需求，膨脹土地區將會遇到更加復雜的工程問題并推動膨脹土的相關研究。筆者對膨脹土裂隙發育及演化規律成果進行歸納，并對多場耦合下膨脹土微觀結構-宏觀力學特性進行研究，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律

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

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下的膨脹土，長期進行干濕循環，反復脹縮、裂隙發育將產生閉合-裂開及擴展演化，因其對膨脹土的工程性質影響較大，國內外學者進行了大量的干濕循環下膨脹土的裂隙研究。冷挺等[4]通過對試樣的室內干濕循環試驗，并利用圖像處理技術對干濕循環前后的裂隙進行處理分析，從膨脹土表面裂隙率、分形數、裂隙大小，分析了裂隙的對收縮率等量化指標，定量描述了裂隙的形態特征。黎偉等[5]以膨脹土平面裂隙為研究對象，利用數碼攝影獲取多次干濕循環下的裂隙擴展圖像并進行提取，得到了干濕循環對裂隙發育方向的影響主要發生在第2次的結論。韋秉旭等[6]對干濕循環過程中壓實膨脹土樣的裂隙進行了動態、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、裂隙總長度、裂隙平均寬度變化的相關性。袁俊平等[7]利用二維斷層掃描技術實時反映了膨脹土在干濕循環后裂隙的產生-發育-貫穿的過程并用變異指標來研究裂隙的發育規律。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實驗并進行了CT 掃描，研究了試樣增濕和干燥所引發的裂隙產生和閉合規律。

以上研究成果認為裂隙的水分增減及變化次數對膨脹土的裂隙發育規律發揮了重要作用。水分的增減及干濕循環次數的前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，干濕循環對于膨脹土地區的淺部邊坡穩定是不利因素。

1.2 溫度對膨脹土裂隙的影響

我國東北高寒地區膨脹土渠道、鐵路等邊坡易經歷凍融循環的作用，在季節和晝夜交替過程中，土體內部的水分會發生凍結與融化，影響膨脹土裂隙的發育及演化，進而對該地區的邊坡穩定性帶來重要影響。為滿足該地區工程建設的需要，相關學者結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 - 琿春高速鐵路季節性凍土區域的膨脹土壤，并使用CT、X衍射等微觀手段研究了凍融循環過程中裂隙的發展演化規律，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。一些學者如Al-Mukhtar 等[10]從土體穩定性角度對凍融循環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過程中體積與凍融循環次數直接的關系，不同的凍結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論。

從以上學者的研究中可知，凍融循環對裂隙的影響主要為：① 凍結過程中膨脹土中自由水及毛細水等轉化為固體水，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，固體水轉變為自由水，相當于膨脹土本身含水率增大的過程，親水礦物發生碰撞，有利于裂隙的發展。因此，凍融循環加劇了裂隙產生、演化與貫通。

1.3 應力對膨脹土裂隙的影響

膨脹土在干濕及凍融循環過程中裂隙的演化與膨脹土本身的應力狀態密切相關。基于以上認識，學者們對膨脹土固結過程中裂隙的演化進行了相關研究。 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 連續損傷變量及Fredlund 非飽和土有效應力理論，提出了結構性損傷膨脹土的強度表征方法。根據破壞機制將該力學關系表示為裂隙發育及殘余強度2個階段。朱國平等[13]通過CT試驗研究了在側限壓縮過程中淺層膨脹土細觀結構的演化規律并得出。應力對裂隙開展有一定抑制作用，并影響裂隙的發育和裂隙網絡的形狀；原狀膨脹土的裂隙圍繞第1次形成的主裂隙發育，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、三軸浸水和各向等壓加載試驗，并結合CT技術從細觀上分析膨脹土裂隙的產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象，且屈服與裂隙在荷載作用下閉合并演化成孔洞有關。姚志華等[15]也進行了膨脹土在干濕循環和三軸浸水過程中細觀結構變化的研究并得出：無約束條件下的膨脹土試樣增濕和干燥都能引發裂隙的產生和閉合；在三軸浸水試驗中，裂隙均趨于閉合，而閉合程度與應力狀態有關。黎偉[16]等通過室內模型試驗研究了膨脹土裂隙的各特征參數，對裂隙平面擴展規律進行定量化描述分析。這些研究分析表明：膨脹土裂隙在應力作用下閉合；外部應力的存在使得膨脹土顆粒收到約束從而處于應力平衡狀態，抑制了其膨脹性進而減少了因失水而產生的收縮。

2 裂隙演化的研究方法

我國大規模工程建設的需求及科學試驗條件的發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現裂隙，用量角器、鋼尺等工具量測其寬度和長度,用羅盤量測其產狀并進行地質填圖，發展到現在采用室內土工模型試驗、數碼攝影測量、計算機成像技術、CT及XRD等研究方法，并對膨脹土裂隙網絡定量分析，取得了較為豐富的研究成果。

2.1 裂隙演化宏觀規律研究方法

膨脹土裂隙分布及演化規律的宏觀研究方法主要集中在對裂隙的現場調查及土工試驗試件的裂隙規律的定量研究方面。趙洪巖[17]等采用分布式光纖感測技術對膨脹土邊坡在失水干縮過程中的變形及裂縫發展情況進行了現場監測和分析。曹玲等[18]在實驗室進行了模擬降雨-蒸發條件膨脹土干濕循環的裂隙演化試驗，結合數字圖像處理技術研究了土樣干縮開裂、濕化愈合的動態演化過程。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干濕循環作用下的裂隙演化規律進行了室內試驗，研究了裂隙發育與土體完整性破壞之間的關系：裂隙越發育, 土體范性變形量越大。Tang 等[20]利用數字圖像處理技術開展了一系列室內試驗，對多次干濕循環土樣的裂隙網絡進行了定量分析，研究表明裂隙網絡的幾何形態指標在經歷第3次循環后基本趨于穩定，從土結構演化的角度對裂隙的發育機制進行了分析。以上研究主要集中在宏觀方面揭示了裂隙的發育與演化規律，膨脹土微觀結構的變化影響其宏觀物裂隙的演化規律，因此有必要從細觀及微觀角度進行研究。

2.2 裂隙演化細、微觀規律研究方法

膨脹土的裂隙宏觀擴展與演化與微觀結構及應力損傷密切相關，國內外不同學者從微觀角度研究了膨脹土內部力學作用下的演化規律。膨脹土細觀裂隙的演化主要集中在利用CT手段，盧再華等[21]利用CT技術對南陽重塑膨脹土在多次干濕循環結束時裂隙的演化進行了細觀試驗研究。

武科[22]等以土顆粒與水體尺度研究了土體內部產生裂隙的主要誘因及膨脹土失水收縮過程中基質吸力變化規律。張拳[23]等運用Fredlund數學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 結論與展望

3.1 結 論

我國南水北調中線工程及國家高鐵的建設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，有關學者在過去的幾十年內對我國膨脹土進行了大量的研究，本文對膨脹土裂隙發育與演化方面的有關研究進行了歸納并總結如下：

(1) 膨脹土的裂隙性是由其親水礦物而表現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，同時與膨脹土所處的環境密切相關。

(2) 膨脹土水分的變化對膨脹土中裂隙的演化起著關鍵作用，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，土體體積反復脹縮進而裂隙發育將產生閉合-裂開及擴展演化；凍融循環前3次對膨脹土裂隙的影響最為明顯，凍融循環過程中自由水的變化導致土體體積的脹縮，冰晶體的存在既有裂隙產生壓裂的過程，又進一步加劇了裂隙的演化；應力的存在對膨脹土裂隙的發育及演化具有一定的抑制作用。

(3) 科學技術的進步及國家工程建設的大量需求促進了膨脹土研究方法的發展，現場裂隙調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碼相機結合數字圖像處理技術是揭示膨脹土裂隙發育宏觀規律的常用方法。而CT、SEM 、X-射線衍射、透射電鏡、壓汞法和環境掃描電子顯微鏡等技術手段是揭示膨脹土在應力、干濕循環等條件下裂隙演化的重要手段。 顆粒角度結合非飽和土力學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開展了大量的研究，但是“一帶一路”等國家戰略工程方興未艾，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) 膨脹土所處的環境為水-熱-力等復雜的物理場，裂隙的演化不僅僅與降雨、溫度及荷載相關，現有的研究為了將問題簡化，大多數學者進行了單因素或者兩個因素下裂隙的演化規律研究。因此，對膨脹土在多場耦合作用下的裂隙發展規律的研究有助于解決如高寒地區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律決定了裂隙演化規律。在干濕、凍融及應力條件下親水礦物的形態及結構變化對裂隙的發育與演化有重要影響。因土顆粒或者孔隙結構幾何參數的簡單提取,難以找到裂隙的宏觀演化規律。如何客觀地將膨脹土微、細觀形態變化與宏觀裂隙演化相結合并從膨脹土本身結構的變化揭示其工程性質，將是未來膨脹土研究的重要方向。