曹萬(wàn)靈

摘 要：本文通過(guò)對(duì)幾種解釋膨脹上脹縮變形機(jī)理的主要資料及其評(píng)析，探析了膨脹土的滲透性的相關(guān)特性，希冀對(duì)相關(guān)的工程提供一定的幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：膨脹土;脹縮;滲透性

中圖分類號(hào)：U416.1+67? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）08-0115-02

現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)中出現(xiàn)了一個(gè)新的術(shù)語(yǔ)，即膨脹土。這種土是一種特殊的粘土，相異于其他地區(qū)的黃土、黑土、軟土、凍土和普通粘土。由于膨脹土在地貌學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)中的特殊性以及對(duì)工程建筑的嚴(yán)重危害，世界各國(guó)都十分重視膨脹土。整個(gè)工程的建設(shè)環(huán)節(jié)中，膨脹土的危害能力是很大的，許多工程的不良地址會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程的毀壞，因此，在外部條件的影響之下，膨脹土膨脹收縮以及變型變成了一個(gè)研究的方向。

1膨脹上脹縮變形的基本資料

脹縮變型就是膨脹土的變型收縮。這是膨脹土的最本質(zhì)特性之一。以往的研究展現(xiàn)，粘性土由于含水量的提高或減少會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹和收縮變形，然而其強(qiáng)度不如膨脹土，通常不會(huì)對(duì)工程造成嚴(yán)重危害。目前關(guān)于膨脹土脹縮的資料很多，然而還不成熟。早期的資料包括由晶格結(jié)構(gòu)提出的晶格膨脹資料和基于毛細(xì)現(xiàn)象的彈性資料。通常來(lái)說(shuō)，有穿透資料、雙電層資料和吸熱資料，然后有熱穿透資料、表面張力資料和彈性彎曲資料。

2幾種解釋膨脹上脹縮變形機(jī)理的主要資料及其評(píng)析

膨脹土是一種特殊的粘土，其膨脹收縮機(jī)理可用前面提到的變形資料來(lái)解釋。其中，晶格擴(kuò)開(kāi)資料和雙電層資料更為實(shí)用。

2.1晶格擴(kuò)張資料

可交換陽(yáng)離子成分。結(jié)果展現(xiàn)，交換陽(yáng)離子價(jià)越高，水化膜越薄，膨脹系數(shù)越低;相反，交換陽(yáng)離子價(jià)越低，水化膜越厚，膨脹系數(shù)越高。此外，膨脹和收縮也與初始溫度密切有一定的關(guān)系。格構(gòu)膨脹資料有助于了解膨脹土的膨脹和收縮，特別是對(duì)于相異初始溫度下粘土礦物組成的膨脹土。然而，晶格膨脹資料僅限于層間吸附束縛水膜的楔入，不思考粘土顆粒和團(tuán)聚體對(duì)束縛水的吸附。實(shí)際上，粘土膨脹不僅發(fā)生在晶格結(jié)構(gòu)中的晶體層之間，也發(fā)生在顆粒和聚集體之間。以前的時(shí)期只有蒙脫石具有膨脹的晶格結(jié)構(gòu)，而伊利石和高嶺石沒(méi)有晶格結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)產(chǎn)生膨脹。我國(guó)許多研究人員已經(jīng)證明，以伊利石礦物為主的粘土，由于膨脹性大，也被歸類為膨脹土。由此可見(jiàn)，粘土格構(gòu)的膨脹膨脹資料難以全部解釋膨脹土膨脹和收縮變形的成因。

2.3滲透資料以及雙電層資料的統(tǒng)一

所謂滲透，是指溶劑通過(guò)滲透膜從低濃度溶液滲透到高濃度溶液的環(huán)節(jié)。土壤-水系統(tǒng)中含有滲透壓力，是膨脹機(jī)理的基礎(chǔ)。伊利石粘土和蒙脫石粘土的膨脹是由于吸附離子層中的滲透壓過(guò)高造成的。根據(jù)滲透壓是發(fā)生于土顆粒的唯一內(nèi)力的資料，在土受到外部壓力時(shí)，土顆粒之間的距離將減小，水分將被擠出。因此，土壤顆粒間的離子濃度會(huì)提高，滲透壓也會(huì)提高。在滲透壓等于外壓時(shí)，最終達(dá)到平衡。相反，外部壓力降低，離子濃度通過(guò)粒子間的滲透壓吸收水分而稀釋。這將提高顆粒之間的距離，導(dǎo)致體積提高和滲透壓力降低，這將持續(xù)到建立新的平衡為止。由此可見(jiàn)，水分滲入是膨脹的最有意義成因。實(shí)際上，滲透資料和雙層資料是統(tǒng)一的。很明顯，滲透引起的顆粒表面水膜變化，這樣的情況一般是結(jié)合水，由于黏土顆粒的表面上對(duì)于控制水合離子擴(kuò)散層，實(shí)際上也是一種雙層效應(yīng)。

3滲透性

許多研究展現(xiàn)，膨脹土邊坡失穩(wěn)有兩個(gè)顯著的特征：①雨天常發(fā)生滑動(dòng);②以淺層滑動(dòng)為主。因此，降雨滲流是研究膨脹土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。由于要了解降雨作用下邊坡滲流場(chǎng)的改變，有必要掌握膨脹土的滲流特征。然而通常室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的膨脹土滲透系數(shù)很小，資料上雨水很難滲透，與真實(shí)情況有很大的相異。板栗在干濕交替的氣候條件下，膨脹土邊坡經(jīng)常出現(xiàn)大量的收縮裂縫，不僅打破了土壤的整體性，還把土壤的整體特性改變了，而且為降雨的滲漏提供了一條快速的途徑。在多雨的季節(jié)，因?yàn)榱芽p很多，地上的積水就會(huì)立馬滲入邊坡內(nèi)部，土壤強(qiáng)度急劇下降。裂縫延伸深度以下的土壤仍然保持低滲透性。雨水不易滲漏，常在裂隙中堆積，在淺層形成飽和帶，引發(fā)淺層滑坡。在研究膨脹土的滲透性時(shí)，有必要思考裂縫因子。

研究所在干濕循環(huán)環(huán)節(jié)中，對(duì)于膨脹土展開(kāi)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其滲透性，隨即得出結(jié)果，膨脹土的滲透相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出正態(tài)相關(guān)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的提高而提高。他們將結(jié)果歸因于內(nèi)部裂紋數(shù)量的提高。采用干濕循環(huán)法對(duì)多種膨脹土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果展現(xiàn)，膨脹土的塑性指數(shù)和荷載含量對(duì)膨脹土裂縫的發(fā)展有一定的影響，滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的提高而增大。通過(guò)首次干濕循環(huán)后，滲透系數(shù)提高最為顯著，呈現(xiàn)出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是由于第一次干濕循環(huán)后裂紋擴(kuò)展程度最高，然后滲透系數(shù)略有提高。把這種現(xiàn)象歸因于膨脹土的自愈。對(duì)膨脹土的滲透性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在含水量較低的情況下，膨脹土的滲透系數(shù)大致處于砂位。在該范圍內(nèi)，它具有很強(qiáng)的滲透性，這展現(xiàn)裂縫的含有將大大提高膨脹土的滲透性。采用等水頭滲透試驗(yàn)方法對(duì)膨脹土的滲透性進(jìn)行了研究。結(jié)果展現(xiàn)，土樣滲透系數(shù)在滲透初期最大，隨著時(shí)間的推移逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)降低的環(huán)節(jié)伴隨著土的膨脹環(huán)節(jié)，說(shuō)明滲透系數(shù)變化的環(huán)節(jié)反映了裂縫的愈合環(huán)節(jié)。采用變水頭滲透試驗(yàn)方法研究了膨脹土裂縫的滲透性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的提高，飽和膨脹土的滲透系數(shù)和非飽和膨脹土的初始滲透強(qiáng)度增大。滲透直徑斷裂長(zhǎng)度是影響膨脹土滲透性的關(guān)鍵因素。用柔性壁滲透計(jì)對(duì)重塑膨脹土的滲透系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果展現(xiàn)：有裂縫膨脹土的滲透系數(shù)比無(wú)裂縫膨脹土大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。浸水后，裂隙膨脹土的滲透性急劇下降。

總之，裂縫產(chǎn)生的原因主要是在于膨脹土的內(nèi)部因素，由于其滲透性的原因，最終引起了膨脹土邊坡失穩(wěn)的一些誘導(dǎo)因素。通過(guò)探究膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理和進(jìn)行一定的關(guān)系數(shù)值模擬分析環(huán)節(jié)，需要思考裂縫一些原因?qū)?qiáng)度參數(shù)和滲流參數(shù)的作用。

另一方面，垃圾的處理工程方面。膨脹土常被用作隔離污染物以及人類生活環(huán)境的工程屏障。例如，在高放廢物的深地質(zhì)儲(chǔ)存庫(kù)中，膨潤(rùn)土作為緩沖/回填料經(jīng)常被用來(lái)防止地下水在周圍巖石中的滲透和放射性核素在儲(chǔ)存庫(kù)中的向外遷移。垃圾的處理填埋中，膨脹土通常還作為內(nèi)襯和表層土，以防止雨水和垃圾滲濾液滲透入地下水。所以膨脹土的滲透性測(cè)試的探究通常是非常重要的。然而，由于這種膨脹土通常是不飽和的，許多學(xué)者對(duì)其非飽和滲透特性進(jìn)行了研究。一般的非飽和滲透系數(shù)測(cè)定方法有瞬時(shí)截面法、穩(wěn)態(tài)法和空氣超壓法。其中，瞬時(shí)橫截面法更適用于膨脹土的非飽和滲透系數(shù)的測(cè)定。采用自制的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)高壓壓實(shí)膨潤(rùn)土的非飽和滲透性進(jìn)行了探析。研究發(fā)現(xiàn)，非飽和膨潤(rùn)土的滲透流速隨著滲透環(huán)節(jié)的繼續(xù)而降低;水力梯度在入水口初期迅速增大，然后逐漸減小;在入水口初期，滲透系數(shù)隨吸力的減小而減小，在土壤含水量大于在取一定值時(shí)，滲透系數(shù)隨之增大。

4結(jié)語(yǔ)

對(duì)于膨脹土來(lái)說(shuō)，其收縮變形的因素是非常多的。膨脹土的脹縮性非常容易受到外界因素的影響。這里面膨脹土的一種材料構(gòu)成和層次特征是引起膨脹變形結(jié)果的最有意義的問(wèn)題，并且水是引起膨脹變形的最根本外因。如果只含有不受水影響的土壤，膨脹土的內(nèi)在膨脹和收縮將不會(huì)顯示出來(lái)。另外，地形、地貌、水文、氣候、植物等其他環(huán)境條件是促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)和溫度變化的間接外部條件，也是膨脹土變形的有意義因素。很顯著的是，膨脹土的膨脹和收縮變形有兩個(gè)有意義方面：①膨脹和收縮的內(nèi)部成因—特殊的材料組成和結(jié)構(gòu)特征;②水變化的外部條件—自然環(huán)境因素和人為因素，兩者都是必不可少的。裂縫是影響膨脹土滲透性的關(guān)鍵因素，另外也最終引發(fā)了膨脹土邊坡失穩(wěn)定。在分析膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理和進(jìn)行有一定的關(guān)系數(shù)值模擬探析時(shí)，需要思考裂縫因素對(duì)強(qiáng)度參數(shù)和滲流參數(shù)的影響。從相異角度提出的膨脹土膨脹資料，在一定程度上反映了膨脹土以及水相互作用的木材和規(guī)律，有助于了解膨脹土的膨脹收縮特性，在工程實(shí)踐中可以提供一定的借鑒與幫助。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]孔令偉，郭愛(ài)國(guó)，趙穎文，等.荊門膨脹土的水穩(wěn)定性及其力學(xué)效應(yīng)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，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]陳鐵林，鄧剛，陳生水，等.裂隙對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響閉.巖土工程學(xué)報(bào)，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.