膨胀土变形特性的影响因素分析★

王亚辉 刘 杰 刘建政 刘航京

(河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

膨胀土与其他土体在物理及力学性能上都有较大的差异，膨胀土主要是由蒙脱石和伊利石组成，由于这两种黏土矿物的强亲水性，使得膨胀土的胀缩性尤为显著。膨胀土在干湿循环作用下吸水膨胀，失水收缩的特性对我国基础建设中的诸多领域都产生了极大的破坏作用。本文总结了膨胀土变形特性的研究现状，系统地介绍了初始含水率、干密度及上覆荷载对膨胀土膨胀率和膨胀力的影响进展。

1 膨胀率变化规律的研究现状

由于膨胀土中含有大量的蒙脱石、伊利石等强亲水性黏土矿物，因而膨胀土会有遇水膨胀，失水收缩的胀缩变形。这种特性不仅与膨胀土的矿物构成、空间结构等因素密切相关，也会受到膨胀土所处的初始状态，外部荷载及环境等因素的影响。

很多学者对膨胀土的胀缩变形进行了大量深入的研究，普遍认为膨胀土的膨胀变形是由亲水性黏土矿物与水发生的物理化学作用的结果。目前，该过程的作用机理主要有晶格扩张和颗粒间扩张[1]。

1.1 初始含水率的因素分析

膨胀土遇水膨胀、失水收缩的特性，决定了水的因素对膨胀土变形规律有一定的影响。早期就有许多的岩土工作者通过对不同初始含水率的膨胀土试样进行室内试验，认为初始含水率与膨胀率密切相关，且膨胀率随初始含水率的增大而减少[2]。初始含水率越低，黏粒周围的结合水膜就越薄，毛细管中水的张力也就越小，其吸水的能力越强，这样外界更多的水分进入土体中，与土中的亲水性黏粒矿物发生相互作用，使黏粒矿物内部的晶格出现扩张，并且黏粒周围的结合水膜厚度增加，从而导致黏土矿物的颗粒间间距增大，引起越大的体积膨胀[1,3]。

1.2 干密度的因素分析

膨胀土主要是由蒙脱石等黏土矿物组成，黏土矿物中的固体颗粒部分会因初始干密度的不同，造成固体颗粒间的空隙不同，进而会对膨胀土的变形产生影响。长期以来，许多岩土工作者致力于初始干密度因素对于膨胀变形影响的研究。王征等[2]对南水北调禹州段膨胀土进行了研究；李振等[4]开展了对于不同初始干密度下的膨胀土在分级浸水过程中的浸水特性研究，认为膨胀土的膨胀率是随着干密度的增大而增大。原因在于膨胀土的膨胀是土体内部亲水性黏土矿物与水发生相互作用的结果。随着初始干密度的增大，单位体积内所含亲水性的黏土矿物含量就会越多，从而膨胀率就会越来越大。

1.3 上覆荷载的因素分析

大多膨胀土地区的膨胀土上部都存在其他土层或附加荷载。研究上覆荷载对于膨胀土变形的影响是必不可少的。由于现场试验操作难度大、成本高等因素，所以上覆荷载对于膨胀土变形规律的研究大多都采用室内试验。卢坤林等[5]通过对不同压力下膨胀土的变形分析研究，认为上覆荷载对于膨胀土的膨胀变形有较大的抑制作用，且荷载越大，抑制作用越显著。上覆荷载对于膨胀土的变形特性是有很大影响的，其原因在于当膨胀土受到上覆荷载作用时，土体中的有效应力会随着上覆荷载的增大而增大。土中水的含量就会相应地减少，最终抑制了膨胀土的膨胀变形。

1.4 各种因素的耦合作用分析

膨胀土所受到的自身或外界因素，随各种环境因素是在不断变化。所以需要考虑各因素之间的耦合作用，以致于更好地揭示膨胀土的变形规律。在考虑初始含水率、初始干重度和上覆荷载三者的耦合作用下，建立了关于膨胀土膨胀量的计算模式，并满足于工程上的精度要求，对以后解决工程上问题有重要的现实意义。

2 膨胀力变化规律的研究现状

在《岩土工程基本术语标准》中定义膨胀力是指土体在不允许侧向变形下充分吸水，使其在吸水的过程中始终不发生竖向胀缩所施加的最大压力值。对于膨胀土的矿物组成、空间结构和干密度等因素与膨胀力的变化规律有关已得到普遍的认可，但是对于初始含水率对膨胀力的变化影响在早期并没有达成统一的认识。

2.1 初始含水率的因素分析

在早期就初始含水率对于膨胀力是否有影响，存在两种不同的看法。一种是认为两者之间没有关系，另一种则认为有关。丁振洲等[1]从力学的概念重新界定了膨胀力，认为膨胀力的大小与初始含水率是有关的，并把从力学方面定义的膨胀力视为自然膨胀力。王芳等[6]通过对南水北调中线工程淅川县地区的4种不同特性的膨胀土样进行了大量的试验研究，其研究结论为南水北调中线工程中涉及到的膨胀土处理提供了依据。

2.2 各因素的耦合分析

对于膨胀力变化规律的研究分析也是通过一系列的室内试验，从理论上来说对于研究的结果存在一定的局限性。王征等[2]通过回归分析，建立了考虑两者耦合作用下膨胀力的计算公式。许多研究表明，随着初始含水率增大，膨胀力不断减小。项伟等[7]通过对河南新乡地区弱膨胀的研究，得出了不一样的结论，即初始干密度一定时，随着初始含水率的增加，重塑弱膨胀土的膨胀力先增大后减小，存在着膨胀力峰值。考虑不同因素间的耦合作用对膨胀力变化的研究有着重要的意义。

3 结语

本文介绍的研究成果能够指导如何在实际工程中更好地预防和减小膨胀土所带来的危害，同时也能减少国家损失和确保人民生命财产安全。