膨胀土裂隙演化及其研究方法综述

李子森，崔家全，高佳翔

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

膨胀土因其富矿物蒙脱石、伊利石等含亲水性而表现出明显的吸水膨胀和失水收缩特性。裂隙的产生与扩展演化破坏了膨胀土体结构完整性并为水分的渗流提供了通道，进一步加剧了膨胀土的胀缩和裂隙的演化[1]。

中国南水北调中线工程及高寒地区高铁工程等工程涉及到膨胀土边坡及地基稳定性，相关科研单位与部门进行了大量的研究[2],膨胀土的基本力学性质、物理性质及工程应用理论逐渐趋于成熟。随着“一带一路”等国家工程建设的需求，膨胀土地区将会遇到更加复杂的工程问题并推动膨胀土的相关研究。笔者对膨胀土裂隙发育及演化规律成果进行归纳，并对多场耦合下膨胀土微观结构-宏观力学特性进行研究，以期对膨胀土的研究进行有益的探索。

1 不同因素下膨胀土的演化规律

膨胀土在形成过程中因矿物结合及生成过程中发生损伤而产生原生裂隙，该部分裂隙一般处于闭合状态[3],在天然状态下对膨胀土的性质影响较小。而工程中作为建筑材料或者基础的浅部膨胀土在水分、温度、降雨及荷载等作用的影响下，膨胀土裂隙将在数目、长度与贯通性等方面发生演化。

1.1 水分对膨胀土裂隙的影响

膨胀土因其富含亲水性黏土矿物，容易遇水软化。因此，水分对膨胀土裂隙的演化起着重要作用。特别是处于因气候变化而引起的干湿循环下的膨胀土，长期进行干湿循环，反复胀缩、裂隙发育将产生闭合-裂开及扩展演化，因其对膨胀土的工程性质影响较大，国内外学者进行了大量的干湿循环下膨胀土的裂隙研究。冷挺等[4]通过对试样的室内干湿循环试验，并利用图像处理技术对干湿循环前后的裂隙进行处理分析，从膨胀土表面裂隙率、分形数、裂隙大小，分析了裂隙的对收缩率等量化指标，定量描述了裂隙的形态特征。黎伟等[5]以膨胀土平面裂隙为研究对象，利用数码摄影获取多次干湿循环下的裂隙扩展图像并进行提取，得到了干湿循环对裂隙发育方向的影响主要发生在第2次的结论。韦秉旭等[6]对干湿循环过程中压实膨胀土样的裂隙进行了动态、定量测量并对其进行了直接剪切试验，研究了抗剪强度与裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度变化的相关性。袁俊平等[7]利用二维断层扫描技术实时反映了膨胀土在干湿循环后裂隙的产生-发育-贯穿的过程并用变异指标来研究裂隙的发育规律。姚志华等[8]对重塑膨胀土进行了无约束条件下的干湿循环实验并进行了CT 扫描，研究了试样增湿和干燥所引发的裂隙产生和闭合规律。

以上研究成果认为裂隙的水分增减及变化次数对膨胀土的裂隙发育规律发挥了重要作用。水分的增减及干湿循环次数的前3次对裂隙的扩展影响最为显著。同时，裂隙的扩展为水分在土体中的运用提供了通道，干湿循环对于膨胀土地区的浅部边坡稳定是不利因素。

1.2 温度对膨胀土裂隙的影响

我国东北高寒地区膨胀土渠道、铁路等边坡易经历冻融循环的作用，在季节和昼夜交替过程中，土体内部的水分会发生冻结与融化，影响膨胀土裂隙的发育及演化，进而对该地区的边坡稳定性带来重要影响。为满足该地区工程建设的需要，相关学者结合工程需求进行了大量的研究工作。Hotineanu A等[9]研究了东北吉林 - 图们 - 珲春高速铁路季节性冻土区域的膨胀土壤，并使用CT、X衍射等微观手段研究了冻融循环过程中裂隙的发展演化规律，通过定义的平均损伤变量采用CT值来量化这种微损伤演化。一些学者如Al-Mukhtar 等[10]从土体稳定性角度对冻融循环条件下膨胀土的裂隙演化进行了较为深入的研究。许雷[11]研究了膨胀土试样在冻融循环过程中体积与冻融循环次数直接的关系，不同的冻结温度会改变试样的残余孔隙比及裂隙的变化，并得出了第1次冻融对膨胀土的强度及裂隙影响最大的结论。

从以上学者的研究中可知，冻融循环对裂隙的影响主要为：① 冻结过程中膨胀土中自由水及毛细水等转化为固体水，加剧了膨胀土的失水收缩过程；② 冰晶体的存在既有裂隙产生压裂的过程，又进一步加剧了裂隙的演化。在融化阶段，固体水转变为自由水，相当于膨胀土本身含水率增大的过程，亲水矿物发生碰撞，有利于裂隙的发展。因此，冻融循环加剧了裂隙产生、演化与贯通。

1.3 应力对膨胀土裂隙的影响

膨胀土在干湿及冻融循环过程中裂隙的演化与膨胀土本身的应力状态密切相关。基于以上认识，学者们对膨胀土固结过程中裂隙的演化进行了相关研究。 程明书等[12]以南阳膨胀土为研究对象进行了三轴压缩试验并基于Kachanov 连续损伤变量及Fredlund 非饱和土有效应力理论，提出了结构性损伤膨胀土的强度表征方法。根据破坏机制将该力学关系表示为裂隙发育及残余强度2个阶段。朱国平等[13]通过CT试验研究了在侧限压缩过程中浅层膨胀土细观结构的演化规律并得出。应力对裂隙开展有一定抑制作用，并影响裂隙的发育和裂隙网络的形状；原状膨胀土的裂隙围绕第1次形成的主裂隙发育，而重塑膨胀土的裂隙呈龟背状或辐射状。王晓燕等[14]对重塑膨胀土进行了干湿循环、三轴浸水和各向等压加载试验，并结合CT技术从细观上分析膨胀土裂隙的产生以及裂隙在水和外力作用下的闭合全过程，进而研究裂隙对膨胀土变形特征的影响。裂隙膨胀土在各向等压加载过程中存在明显屈服现象，且屈服与裂隙在荷载作用下闭合并演化成孔洞有关。姚志华等[15]也进行了膨胀土在干湿循环和三轴浸水过程中细观结构变化的研究并得出：无约束条件下的膨胀土试样增湿和干燥都能引发裂隙的产生和闭合；在三轴浸水试验中，裂隙均趋于闭合，而闭合程度与应力状态有关。黎伟[16]等通过室内模型试验研究了膨胀土裂隙的各特征参数，对裂隙平面扩展规律进行定量化描述分析。这些研究分析表明：膨胀土裂隙在应力作用下闭合；外部应力的存在使得膨胀土颗粒收到约束从而处于应力平衡状态，抑制了其膨胀性进而减少了因失水而产生的收缩。

2 裂隙演化的研究方法

我国大规模工程建设的需求及科学试验条件的发展促进了膨胀土裂隙的研究， 膨胀土裂隙的研究由初始的通过肉眼发现裂隙，用量角器、钢尺等工具量测其宽度和长度,用罗盘量测其产状并进行地质填图，发展到现在采用室内土工模型试验、数码摄影测量、计算机成像技术、CT及XRD等研究方法，并对膨胀土裂隙网络定量分析，取得了较为丰富的研究成果。

2.1 裂隙演化宏观规律研究方法

膨胀土裂隙分布及演化规律的宏观研究方法主要集中在对裂隙的现场调查及土工试验试件的裂隙规律的定量研究方面。赵洪岩[17]等采用分布式光纤感测技术对膨胀土边坡在失水干缩过程中的变形及裂缝发展情况进行了现场监测和分析。曹玲等[18]在实验室进行了模拟降雨-蒸发条件膨胀土干湿循环的裂隙演化试验，结合数字图像处理技术研究了土样干缩开裂、湿化愈合的动态演化过程。张家俊等[19]通过试样烘干及图像处理方法对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验，研究了裂隙发育与土体完整性破坏之间的关系：裂隙越发育, 土体范性变形量越大。Tang 等[20]利用数字图像处理技术开展了一系列室内试验，对多次干湿循环土样的裂隙网络进行了定量分析，研究表明裂隙网络的几何形态指标在经历第3次循环后基本趋于稳定，从土结构演化的角度对裂隙的发育机制进行了分析。以上研究主要集中在宏观方面揭示了裂隙的发育与演化规律，膨胀土微观结构的变化影响其宏观物裂隙的演化规律，因此有必要从细观及微观角度进行研究。

2.2 裂隙演化细、微观规律研究方法

膨胀土的裂隙宏观扩展与演化与微观结构及应力损伤密切相关，国内外不同学者从微观角度研究了膨胀土内部力学作用下的演化规律。膨胀土细观裂隙的演化主要集中在利用CT手段，卢再华等[21]利用CT技术对南阳重塑膨胀土在多次干湿循环结束时裂隙的演化进行了细观试验研究。

武科[22]等以土颗粒与水体尺度研究了土体内部产生裂隙的主要诱因及膨胀土失水收缩过程中基质吸力变化规律。张拳[23]等运用Fredlund数学模型对膨胀土土水特征曲线进行拟合,得到拟合曲线,建立了该土样的土水特征方程，揭示了其裂隙的演化对膨胀土体积的影响。

3 结论与展望

3.1 结 论

我国南水北调中线工程及国家高铁的建设等国家工程所面临膨胀土冻融作用下裂隙演化带来的工程问题，有关学者在过去的几十年内对我国膨胀土进行了大量的研究，本文对膨胀土裂隙发育与演化方面的有关研究进行了归纳并总结如下：

(1) 膨胀土的裂隙性是由其亲水矿物而表现出的明显的吸水膨胀和失水收缩特性。膨胀土裂隙的演化不仅仅与其矿物组成有关，同时与膨胀土所处的环境密切相关。

(2) 膨胀土水分的变化对膨胀土中裂隙的演化起着关键作用，膨胀土中亲水性黏土矿物遇水软化。膨胀土长期进行干湿循环，土体体积反复胀缩进而裂隙发育将产生闭合-裂开及扩展演化；冻融循环前3次对膨胀土裂隙的影响最为明显，冻融循环过程中自由水的变化导致土体体积的胀缩，冰晶体的存在既有裂隙产生压裂的过程，又进一步加剧了裂隙的演化；应力的存在对膨胀土裂隙的发育及演化具有一定的抑制作用。

(3) 科学技术的进步及国家工程建设的大量需求促进了膨胀土研究方法的发展，现场裂隙调查仍是工程中不可或缺的方法，宏观的试件尺度的高分辨率数码相机结合数字图像处理技术是揭示膨胀土裂隙发育宏观规律的常用方法。而CT、SEM 、X-射线衍射、透射电镜、压汞法和环境扫描电子显微镜等技术手段是揭示膨胀土在应力、干湿循环等条件下裂隙演化的重要手段。 颗粒角度结合非饱和土力学理论有助于从微观层面对裂隙的演化进行研究。

3.2 展 望

尽管目前围绕膨胀土裂隙演化问题已经开展了大量的研究，但是“一带一路”等国家战略工程方兴未艾，膨胀土工程问题仍不可避免 ，膨胀土的裂隙问题研究还需进一步加强。笔者提出以下几点供大家探讨：

(1) 膨胀土所处的环境为水-热-力等复杂的物理场，裂隙的演化不仅仅与降雨、温度及荷载相关，现有的研究为了将问题简化，大多数学者进行了单因素或者两个因素下裂隙的演化规律研究。因此，对膨胀土在多场耦合作用下的裂隙发展规律的研究有助于解决如高寒地区所面临的膨胀土工程问题。

(2) 膨胀土的矿物组成及其变化规律决定了裂隙演化规律。在干湿、冻融及应力条件下亲水矿物的形态及结构变化对裂隙的发育与演化有重要影响。因土颗粒或者孔隙结构几何参数的简单提取,难以找到裂隙的宏观演化规律。如何客观地将膨胀土微、细观形态变化与宏观裂隙演化相结合并从膨胀土本身结构的变化揭示其工程性质，将是未来膨胀土研究的重要方向。