浅析膨胀土胀缩变形以及渗透性规律试验

    曹万灵

    

    摘 要：本文通过对几种解释膨胀上胀缩变形机理的主要资料及其评析，探析了膨胀土的渗透性的相关特性，希冀对相关的工程提供一定的帮助和借鉴。

    关键词：膨胀土;胀缩;渗透性

    中图分类号：U416.1+67? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）08-0115-02

    现代地质学中出现了一个新的术语，即膨胀土。这种土是一种特殊的粘土，相异于其他地区的黄土、黑土、软土、冻土和普通粘土。由于膨胀土在地貌学和工程地质学中的特殊性以及对工程建筑的嚴重危害，世界各国都十分重视膨胀土。整个工程的建设环节中，膨胀土的危害能力是很大的，许多工程的不良地址会导致整个工程的毁坏，因此，在外部条件的影响之下，膨胀土膨胀收缩以及变型变成了一个研究的方向。

    1膨胀上胀缩变形的基本资料

    胀缩变型就是膨胀土的变型收缩。这是膨胀土的最本质特性之一。以往的研究展现，粘性土由于含水量的提高或减少会产生一定的膨胀和收缩变形，然而其强度不如膨胀土，通常不会对工程造成严重危害。目前关于膨胀土胀缩的资料很多，然而还不成熟。早期的资料包括由晶格结构提出的晶格膨胀资料和基于毛细现象的弹性资料。通常来说，有穿透资料、双电层资料和吸热资料，然后有热穿透资料、表面张力资料和弹性弯曲资料。

    2几种解释膨胀上胀缩变形机理的主要资料及其评析

    膨胀土是一种特殊的粘土，其膨胀收缩机理可用前面提到的变形资料来解释。其中，晶格扩开资料和双电层资料更为实用。

    2.1晶格扩张资料

    可交换阳离子成分。结果展现，交换阳离子价越高，水化膜越薄，膨胀系数越低;相反，交换阳离子价越低，水化膜越厚，膨胀系数越高。此外，膨胀和收缩也与初始温度密切有一定的关系。格构膨胀资料有助于了解膨胀土的膨胀和收缩，特别是对于相异初始温度下粘土矿物组成的膨胀土。然而，晶格膨胀资料仅限于层间吸附束缚水膜的楔入，不思考粘土颗粒和团聚体对束缚水的吸附。实际上，粘土膨胀不仅发生在晶格结构中的晶体层之间，也发生在颗粒和聚集体之间。以前的时期只有蒙脱石具有膨胀的晶格结构，而伊利石和高岭石没有晶格结构，因此不会产生膨胀。我国许多研究人员已经证明，以伊利石矿物为主的粘土，由于膨胀性大，也被归类为膨胀土。由此可见，粘土格构的膨胀膨胀资料难以全部解释膨胀土膨胀和收缩变形的成因。

    2.3渗透资料以及双电层资料的统一

    所谓渗透，是指溶剂通过渗透膜从低浓度溶液渗透到高浓度溶液的环节。土壤-水系统中含有渗透压力，是膨胀机理的基础。伊利石粘土和蒙脱石粘土的膨胀是由于吸附离子层中的渗透压过高造成的。根据渗透压是发生于土颗粒的唯一内力的资料，在土受到外部压力时，土颗粒之间的距离将减小，水分将被挤出。因此，土壤颗粒间的离子浓度会提高，渗透压也会提高。在渗透压等于外压时，最终达到平衡。相反，外部压力降低，离子浓度通过粒子间的渗透压吸收水分而稀释。这将提高颗粒之间的距离，导致体积提高和渗透压力降低，这将持续到建立新的平衡为止。由此可见，水分渗入是膨胀的最有意义成因。实际上，渗透资料和双层资料是统一的。很明显，渗透引起的颗粒表面水膜变化，这样的情况一般是结合水，由于黏土颗粒的表面上对于控制水合离子扩散层，实际上也是一种双层效应。

    3渗透性

    许多研究展现，膨胀土边坡失稳有两个显著的特征：①雨天常发生滑动;②以浅层滑动为主。因此，降雨渗流是研究膨胀土边坡稳定性的关键。由于要了解降雨作用下边坡渗流场的改变，有必要掌握膨胀土的渗流特征。然而通常室内试验测得的膨胀土渗透系数很小，资料上雨水很难渗透，与真实情况有很大的相异。板栗在干湿交替的气候条件下，膨胀土边坡经常出现大量的收缩裂缝，不仅打破了土壤的整体性，还把土壤的整体特性改变了，而且为降雨的渗漏提供了一条快速的途径。在多雨的季节，因为裂缝很多，地上的积水就会立马渗入边坡内部，土壤强度急剧下降。裂缝延伸深度以下的土壤仍然保持低渗透性。雨水不易渗漏，常在裂隙中堆积，在浅层形成饱和带，引发浅层滑坡。在研究膨胀土的渗透性时，有必要思考裂缝因子。

    研究所在干湿循环环节中，对于膨胀土展开了相关的实验，测试其渗透性，随即得出结果，膨胀土的渗透相关系数呈现出正态相关，随着干湿循环次数的提高而提高。他们将结果归因于内部裂纹数量的提高。采用干湿循环法对多种膨胀土进行了试验研究，结果展现，膨胀土的塑性指数和荷载含量对膨胀土裂缝的发展有一定的影响，渗透系数随干湿循环次数的提高而增大。通过首次干湿循环后，渗透系数提高最为显著，呈现出数个数量级，主要是由于第一次干湿循环后裂纹扩展程度最高，然后渗透系数略有提高。把这种现象归因于膨胀土的自愈。对膨胀土的渗透性进行了现场试验，发现在含水量较低的情况下，膨胀土的渗透系数大致处于砂位。在该范围内，它具有很强的渗透性，这展现裂缝的含有将大大提高膨胀土的渗透性。采用等水头渗透试验方法对膨胀土的渗透性进行了研究。结果展现，土样渗透系数在渗透初期最大，随着时间的推移逐渐减小，最终趋于稳定。同时发现渗透系数降低的环节伴随着土的膨胀环节，说明渗透系数变化的环节反映了裂缝的愈合环节。采用变水头渗透试验方法研究了膨胀土裂缝的渗透性。研究发现，随着干湿循环次数的提高，饱和膨胀土的渗透系数和非饱和膨胀土的初始渗透强度增大。渗透直径断裂长度是影响膨胀土渗透性的关键因素。用柔性壁渗透计对重塑膨胀土的渗透系数进行了试验研究，结果展现：有裂缝膨胀土的渗透系数比无裂缝膨胀土大两个数量级。浸水后，裂隙膨胀土的渗透性急剧下降。

    总之，裂缝产生的原因主要是在于膨胀土的内部因素，由于其渗透性的原因，最终引起了膨胀土边坡失稳的一些诱导因素。通过探究膨胀土边坡失稳机理和进行一定的关系数值模拟分析环节，需要思考裂缝一些原因对强度参数和渗流参数的作用。

    另一方面，垃圾的处理工程方面。膨胀土常被用作隔离污染物以及人类生活环境的工程屏障。例如，在高放废物的深地质储存库中，膨润土作为缓冲/回填料经常被用来防止地下水在周围岩石中的渗透和放射性核素在储存库中的向外迁移。垃圾的处理填埋中，膨胀土通常还作为内衬和表层土，以防止雨水和垃圾渗滤液渗透入地下水。所以膨胀土的渗透性测试的探究通常是非常重要的。然而，由于这种膨胀土通常是不饱和的，许多學者对其非饱和渗透特性进行了研究。一般的非饱和渗透系数测定方法有瞬时截面法、稳态法和空气超压法。其中，瞬时横截面法更适用于膨胀土的非饱和渗透系数的测定。采用自制的实验装置，对高压压实膨润土的非饱和渗透性进行了探析。研究发现，非饱和膨润土的渗透流速随着渗透环节的继续而降低;水力梯度在入水口初期迅速增大，然后逐渐减小;在入水口初期，渗透系数随吸力的减小而减小，在土壤含水量大于在取一定值时，渗透系数随之增大。

    4结语

    对于膨胀土来说，其收缩变形的因素是非常多的。膨胀土的胀缩性非常容易受到外界因素的影响。这里面膨胀土的一种材料构成和层次特征是引起膨胀变形结果的最有意义的问题，并且水是引起膨胀变形的最根本外因。如果只含有不受水影响的土壤，膨胀土的内在膨胀和收缩将不会显示出来。另外，地形、地貌、水文、气候、植物等其他环境条件是促进土壤结构和温度变化的间接外部条件，也是膨胀土变形的有意义因素。很显著的是，膨胀土的膨胀和收缩变形有两个有意义方面：①膨胀和收缩的内部成因—特殊的材料组成和结构特征;②水变化的外部条件—自然环境因素和人为因素，两者都是必不可少的。裂缝是影响膨胀土渗透性的关键因素，另外也最终引发了膨胀土边坡失稳定。在分析膨胀土边坡失稳机理和进行有一定的关系数值模拟探析时，需要思考裂缝因素对强度参数和渗流参数的影响。从相异角度提出的膨胀土膨胀资料，在一定程度上反映了膨胀土以及水相互作用的木材和规律，有助于了解膨胀土的膨胀收缩特性，在工程实践中可以提供一定的借鉴与帮助。

    参考文献：

    [l]BLIGHT G E. Interaction between the atmosphere andthe earth[刀.Geotechnique， 1997， 42（4）： 715-766.

    [2]孔令伟，郭爱国，赵颖文，等.荆门膨胀土的水稳定性及其力学效应[J].岩土工程学报，2004， 27（6）： 727-732.

    [3]KONG Ling-wei， GlIO Ai-guo， ZHAO Yn-wei， et al.Water stability of Xian自ing expansive soils and theirmechanical effect[JJ. Chinese Journal of CeotechnicalEngineering， 2004， 27（6）： 727-732

    [4]陈铁林，邓刚，陈生水，等.裂隙对非饱和土边坡稳定性的影响闭.岩土工程学报，2006， （2）： 1-6.

    [6]CHEN Tie-lin， DENG Gang， CHEN Sheng-shui， et al.Effects of fissures on stability of unsaturated soil slope.Chinese Journal of Geotechnlcal Engineering， 2006，（2）： 1-6.