水在非饱和膨胀土中的作用机理研究

龚小丽，文海珍

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



水在非饱和膨胀土中的作用机理研究

龚小丽，文海珍

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

龚小丽(1987—)，助理工程师，研究方向：岩土工程项目管理及生产经营管理；

文海珍(1982—)，助理工程师，研究方向：岩土试验。

摘要：文章从水引起非饱和膨胀土边坡的破坏出发，将微观与宏观相结合，提出了水在非饱和膨胀土中的三个作用机理：强结合水的晶层膨胀作用、弱结合水扩散膨胀及自由水的渗透膨胀作用和自由水对基质吸力的影响及与膨胀土微裂隙之间的相互作用，并以现场及室内试验数据为基础，验证了含水率与膨胀性增加及抗剪强度降低的关系。

关键词：晶层膨胀；扩散膨胀；渗透膨胀；基质吸力；膨胀力

0引言

膨胀土为含有大量亲水矿物、具有吸水显著膨胀、软化，失水急剧收缩、开裂，强度可以大幅度衰减的特殊性岩土[1]。该类岩土在中国西南部广泛分布，随着西部大开发的推进，膨胀土地区建设所引发的地质灾害也越来越频繁[2-6]，且其处理难度大，被认为是“土体癌症”，是一个尚未被了解的世界难题。本文从广西南宁、百东新区等道路边坡现场破坏案例出发，对大量的试验

数据进行了统计，引入矿物学、胶体化学、断裂力学等理论，从微观与宏观相结合的角度，提出了水在非饱和膨胀土中的三个作用机理，即：(1)强结合水的晶层膨胀作用；(2)弱结合水扩散膨胀及自由水的渗透膨胀作用；(3)自由水对基质吸力的影响及与膨胀土微裂隙之间的相互作用。

本文还以现场及室内试验数据为基础，对膨胀土中含水量与自由膨胀率、膨胀力及抗剪强度之间的内在关系进行了较深入的分析探讨，得出了其影响关系，即这三种作用机理的数据验证。希望本文的基本观点能为以后膨胀土的灾害治理提供一定的理论依据。

1水在非饱和膨胀土中的分布状态

土由固相(颗粒)、液相(水)和气相(气体)三相构成，当土中空隙完全由液相填充时称之为饱和土。而空隙由水和空气填充时称之非饱和土，即0<饱和度<100。据广西南宁和百色东地区的部分试验成果认为，这些地区的膨胀土多为非饱和膨胀土，如图1所示。

图1　非饱和膨胀土饱和度分布图

根据水的分布状态，非饱和土中的水又可分为结合水(强结合水和弱结合水)和自由水：(1)强结合水存在于最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列非常紧密；(2)弱结合水距土粒表面较远，水分子的排列不如强结合水紧密，可产生扩散迁移(这种运动与重力无关)，不能传递静水压力；(3)自由水主要指重力水，受重力作用，在孔隙中可以流动，可传递动静水压力，具有溶解能力，可产生浮托力，还可以形成渗流，对土粒产生渗透力，使土体发生渗透变形。

2强结合水层引起的晶层膨胀

强结合水层能引起非饱和膨胀土的晶格膨胀与其特殊的晶体结构直接相关。从图2可知，膨胀土所含的特殊矿物——蒙脱石晶体具有特殊的2∶1三层结构，其晶层两面为氧原子，不能形成氢键，故分子间作用力弱，水分子及水化阳离子易进入晶体层间(强亲水性)，并在晶体表面形成定向排列的水分子层，最终形成强结合水层。强结合水层的存在破坏了原有晶体的结构，使晶体粒间间距增大，分子间作用力减小，发生晶层膨胀。

图2　水分子增加与晶层膨胀示意图

3弱结合水的扩散膨胀及自由水层引起的渗透膨胀

膨胀土矿物晶体还具有同晶置换特性，同晶置换作用后，晶格内呈负电性。根据双电层理论[7]，在静电场及浓度差作用下，膨胀土的晶体外部形成扩散层，扩散层中的水多为弱结合水，弱结合水层厚度更大，对原有晶体结构的破坏(扩散膨胀)也大于强结合水层。当扩散层厚度达到一定程度，弱结合水重力大于静电力时，弱结合水便转变为自由水，产生水压力、渗透力，在这些力的作用下产生渗透膨胀。研究表明，因弱结合水和自由水能相对自由的扩散，其产生的扩散膨胀和渗透膨胀比晶层膨胀要大得多[8，9]，是膨胀的主要过程。

4自由水与非饱和膨胀土中的基质吸力、膨胀力的关系

受表面张力影响，非饱和土孔隙中的水气界面会发生弯曲，并且使弯液面两边的气和水承受不同的压力，这个压力差就是土体的基质吸力。它的作用是提高土颗粒间的有效应力、提高土体抗剪强度和压缩模量[10]，抵抗渗流力、膨胀力。

前面章节已经论述，无论水处于何种状态，非饱和膨胀土吸水后都有一定的膨胀趋势，当这种膨胀趋势受到限制时，它将以膨胀力的形式表现出来。故膨胀力与基质吸力是个矛盾体，呈相互减弱的关系。

文献9认为，对于给定的土体，基质吸力主要取决于含水量的大小，含水量越大，吸力越小，并通过湖北枣阳膨胀土试验进行了验证。本文根据水的作用机制及基质吸力与膨胀力相互消减的关系，推测出随着非饱和膨胀土吸水量的增加其膨胀力也随之增加，当膨胀力大于基质吸力与抗剪强度之和后，土体发生破坏。见图3。

图3　基质吸力与含水量关系示意图

5自由水与非饱和膨胀土微裂隙的相互作用

调查发现，非饱和膨胀土具有丰富的微裂隙，

这也是膨胀土的一个主要特征。形成其微裂隙性的原因很多，本文认为自由水的作用是其形成的内部主因，其他卸荷、冷热交替等为外部辅因。

⑤黄庭坚《卜算子》(要见不得见)：双调46字，上阕4句2仄韵，下阕4句2仄韵。句式：55733。55733。

5.1水对微裂隙萌生、发育、扩展的作用

根据热激活理论，微裂隙是在矿物晶体分子键开始的。当强结合水分子进入到矿物晶体后，使晶层间距增加，当弱结合水形成扩散层时，层间距进一步增大，当其形成自由水时，在渗流、膨胀作用下，层间距超过限值，微裂隙开始萌生。随着渗流、膨胀力的增加，微裂隙开始局部发育。当层间间距超过限值，渗透压力、膨胀力持续大于基质吸力和抗剪强度时，将进入不可逆的塑性破坏阶段，裂隙开始扩展。当水分蒸发进入干缩状态，孔隙水压力、渗透压力减小，空间应力出现不平衡，导致原有微裂隙周边出现一系列的拉张裂隙，如图4所示。

图4　水进入后晶体膨胀及裂隙发展示意图

5.2水对裂隙的软化、润滑作用

干湿交替加剧了裂隙的发展：降雨时膨胀土遇水沿着表层的张裂隙下渗，刚开始时，水直接贯入，直到裂隙灌满，并沿更微小裂隙向土体四周渗透。土体表面被水分子大面积覆盖时，裂隙表层物质颗粒被水软化，裂隙逐步增大，如图5所示。降雨同时还对土体有软化作用，使土体的抗剪强度急剧降低，并加剧裂隙的蔓延。

图5　水对膨胀土裂隙的软化、润滑作用实例图

6试验验证水在非饱和膨胀土中的作用

本文以广西南宁市轨道交通2号线及百色市百东新区路网工程的膨胀试验数据为基础，统计出含水率与自由膨胀率等参数间的数量关系，从数据上验证了水在非饱和膨胀土破坏中发挥了重要作用。

(1)含水率与自由膨胀率的关系

图6　南宁地区含水率与自由膨胀率的关系示意图

图7　百东新区含水率与自由膨胀率的关系示意图

从图6、图7可以看出，南宁和百色东地区的非饱和膨胀土的自由膨胀率与含水量大致呈线性增长关系。

(2)含水率与膨胀力的关系

图8　南宁地区含水率与膨胀力的关系示意图

图9　百东新区含水率与膨胀力的关系示意图

从图8、图9可以看出，南宁和百色东地区的非饱和膨胀土的膨胀力与含水量的增长关系离散性较大，说明膨胀力的增长受约束条件影响较大，与含水率的增长非线性增长关系。

(3)自由膨胀率与膨胀力的关系

图10　南宁地区自由膨胀率与膨胀力的关系示意图

图11　百东新区自由膨胀率与膨胀力的关系示意图

从图10、图11可以看出，南宁和百色东地区的非饱和膨胀土的自由膨胀率与膨胀力大致呈增长关系。

(4)含水率与抗剪强度的关系

本文还以百色市凤凰巷经济适用住房片区路网工程的试验数据为基础，对含水率与抗剪强度的关系进行了统计，发现随着含水率的增大，粘聚力及内摩擦角均相应减小，如图12、图13所示。

图12　含水率与内摩擦角的关系示意图

图13　含水率与粘聚力的关系示意图

7结语

(1)水在非饱和膨胀土中存在强结合水、弱结合水和自由水三种状态。

(2)非饱和膨胀土中的强结合水层引起晶层膨胀，弱结合水层引起扩散膨胀，自由水层引起渗透膨胀。非饱和膨胀土吸水后产生的结果：体积膨胀，基质吸力减小，膨胀力增加，抗剪强度降低。

(3)水的作用是其形成膨胀土微裂隙发育的内部主因，其他卸荷、冷热交替等因素为外部辅因。水还对微裂隙起到了润滑软化作用，加剧微裂隙的发展。

参考文献

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Research on the Action Mechanism of Water in Unsaturated Expansive Soil

GONG Xiao-li，WEN Hai-zhen

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：Starting from the damage to unsaturated expansive soil slope caused by water，and combi-ning the micro and macro perspectives，this article proposed three action mechanisms of water in un-saturated expansive soil：the crystal layer expansion action of strong binding water，diffusion expansion action of weakly binding water，osmotic swelling effect of free water，the effect of free water on the ma-trix suction，and the interaction with expansive soil micro-cracks，and then based on field and laboratory test data，it verified the relationship among water content，increased expansion and reduced shear strength.

Keywords：Crystal layer expansion；Diffusion expansion；Osmotic swelling；Matrix suction；Expansion force

收稿日期：2016-01-29

文章编号：1673-4874(2016)02-0017-05

中图分类号：U416.1+67

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.004

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