膨胀土裂隙对强度指标影响的思考

殷希麟

摘要：本文围绕裂隙对膨胀土抗剪强度产生的影响，从裂隙的产生和发展中，得出裂隙网分布的不同，影响着强度指标。也正因为不能很好的模拟野外裂隙网，使得室内直剪实验、三轴试验与现场大剪实验测得抗剪强度存在差异。如果可以使测得的强度指标更加接近野外实际，则边坡稳定分析计算会更加准确。

Abstract： The effect of fracture on shear strength of expansive soil is studied in this paper. From the creation and development of the fissure， the difference in the distribution of the Rift network influences the strength indicators. And because we can't model the rift net well， the shear strength measured by indoor direct shear test， triaxial test and on-site large shear test is different. If we can get the strength measured closer to the field， the slope stability analysis calculation will be more accurate.

关键词：膨胀土；强度指标；裂隙；室内与野外的差异

Key words： expansive soil；strength indicator；fracture；differences between the interior and the field

中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0111-04

0 引言

野外现场膨胀土由于大范围、不均匀裂隙的存在，使得其强度指标随裂隙的宽窄、深浅变化剧烈。在阳光曝晒下，裂隙发展得很快；在雨后，土体膨胀，裂隙收缩，土体之间的联系增加。人们早就知道裂隙对土体强度有较大影响，但是裂隙怎样对强度产生影响，怎样选取强度指标作为计算值，裂隙网的变化规律如何，以及室内测得的强度和野外实际具有怎样的差异等。这些问题值得深入研究。

工程中往往会出现较平缓的膨胀土边坡也会出现滑坡，比如南阳十八里岗试验路堑膨胀土，室内测得c为5kPa，φ为16°，堑坡的平均坡度为1：2，计算稳定系数大于2.7，结果却发生了滑坡。襄渝铁路安康膨胀土，测出的抗剪强度c为6.8-9.3kPa，φ为25°-27°。按极限平衡理论计算，当边坡高度为20m时极限坡度可达1：1，而实际上数米高1：1.5的边坡也产生滑动[1]。边坡稳定计算没有问题，造成结果的错误是在测定强度指标的时候出现了偏差。这种偏差从制样就开始产生；室内实验所用的试样是通过野外取土，在室内人为的对其进行干湿循环，迫使试样形成裂缝，这种裂缝比野外更小、更细，不能很好的反映野外膨胀土的裂隙网，此外三轴试验与直剪实验在测量膨胀土强度指标时又具有一些偏差，使测得的c值误差可达40%，φ值也有近10%的偏差。可见这么大的偏差，无疑使边坡稳定性分析变得更为困难。

1 膨脹土裂隙的发展

膨胀土作为一种特殊的粘性土，其膨胀性、收缩性与一般粘性土不同。众所周知，由于裂隙的存在，土体的抗剪强度会急剧下降，一般粘性土通常是没有裂隙的。但在炎热的夏天，尤其是大旱之年，受太阳照射，也会产生裂隙。夏季农田中就常见到裂隙，甚至有些裂隙的表层张开度还相当大。不过一般粘性土的地面裂隙均较浅，通常小于30-40cm；且受天气的影响，裂隙维持时间也短。

膨胀土由于其本身遇水显著膨胀以及失水显著收缩的性质，使得裂隙可以发展到3-4m，这对边坡稳定性造成了很大的危害。膨胀土无论在室内还是野外，之所以会产生裂隙，都是由于水的蒸发使土体收缩[2]。收缩包括两方面：

1.1 产生竖向裂隙

当然首先是近表层的膨胀土，因水分蒸发而收缩；尤其是受到太阳的照射。但要使下面膨胀土中的水分也跟着蒸发是要有一个过程的。因为表层膨胀土在阳光照射下温度可迅速上升；而下面2-3cm厚的膨胀土的温度上升须要一些时间；5-6cm深处的土温度上升就更慢。这就会使上下土层因温度不均，导致上下土层收缩不均。这样就使膨胀土层产生竖向裂隙，如图1所示。图中的两个相邻的裂隙AB和CD就在土层表面附近，由于阳光照射而产生的。

愈接近地面，裂隙张开度愈大；离地面愈深，裂隙张开度愈小。在一定深度以下就没有裂隙了。根据钻探取样的结果，对于膨胀土裂隙深通常可达2-4m，也有个别资料提到裂隙深可达5m的。

值得注意的是，表层裂隙往往是联系在一起的，如图2（a）中所示。也就是说，膨胀土因水分蒸发而产生横向收缩后，形成了一块块独立的竖向土体。这些独立的竖向土体之间就没有了力的联系。随着裂隙向深部发展，裂隙张开度会逐步减小。有些相邻的局部竖向裂隙之间可能会闭合。也就是说在某一深度以下，裂隙可能会是断断续续的了；如图2（b）中所示。那么成块的“竖向土体”之间就会有所接触。当然也就存在横向力的联系。

从（a）、（b）两图可以清楚的看出裂隙的宽度随着深度的增加，在减小；裂隙间的联系也随之减少，则土体的强度也逐渐增加。

1.2 产生水平向裂隙

在上面已提到，由于阳光照射加热表层土体，膨胀土会因水分蒸发而收缩。由于下层裂隙两侧稍远处，土的温度提高较慢。这样，在竖向裂隙附近的土，因受到外边温度的提升而发生收缩。而离裂隙较远处的膨胀土尚未收缩，则土体表层主要形成横向收缩，如图3所示。

既然有了竖向裂隙，附近膨胀土中水分也就会横向流入竖向裂隙中，并从中向外蒸发，如图1中所示。于是各竖向裂隙附近的土体有所收缩；相应地，竖向裂隙有所扩大。这就是竖向裂隙宽度常达1-2cm的原因。

此外还会存在另一个问题，即在阳光照射下竖向裂缝内的温度也会有所增加。这一方面会吸收裂隙周围土体中的气和水，使周围土体有所收缩；当然就使该竖向裂隙有所扩大。另一方面，周围土体的收缩又会产生微小裂隙；这种微小裂隙常常是水平向的。当然，这种微小裂隙仅仅在较浅的土层中存在。因为在较深部位的膨胀土，会受到上面土体重量所对应的压力，故一定深度以下，土体中就无法产生这种横向的裂隙。

2 裂隙对于膨胀土抗剪强度的影响

裂隙的存在，就意味着裂隙两侧土体被拉开，也就是说没有力的联系了。这就会显著影响土体的抗剪强度指标[3]。

前面提到，裂隙是从地面向下逐步发展的；当然愈深处，裂隙的宽度愈小，甚至在同一深度处会有部分裂隙消失，如图2（b）中所示。当然愈向下裂隙愈易消失。与此相应的是土体中力的联系逐步增加。也就是说，愈向下，土的抗剪强度愈高。

廖世文[1]所作的不同深度处的膨胀土抗剪强度指标的试验（膨胀土与铁路工程，中国铁道出版社，1984，p71），如表1中所示；土体的抗剪强度指标随深度而显著增大。就是由于愈到深处，土体中的裂隙的收缩和断开状态愈多，故裂隙的张开度也愈小；当然相应的抗剪强度指标c和φ也就愈大。

表1中的试验结果应该说是相当可靠的，它反映出了裂隙膨胀土许多特性。

2.1 裂隙随土体深度而显著变化

①在1.1m深的范围内，抗剪强度指标是相当低的，c仅为17kPa，φ仅为13°。这是因为：一方面，上层膨胀土的裂隙张开度是较宽的，各土块之间力的联系就很少；另一方面，前面提到，上层膨胀土还可能存在横向裂隙。因此，上层膨胀土抗剪强度指标必然是较低的。这也就是较为平缓的膨胀土边坡常会产生滑坡的根本原因。当然这里所指的膨胀土边坡是指裸露的，没有其它非膨胀土覆盖的。

②在2.5-3.0m深处，竖向裂隙的张开已较小了，自然就增加了土的抗剪强度。再者，在这样的深度处，土已被上层土的重量压得相当紧，也就不可能再存在横向裂隙了。因而抗剪强度指标必然是较大的。

③在3.5-5.0m深度以下，膨胀土是未风化的，几乎没有裂隙存在。膨胀土的抗剪强度指标c和φ当然就很高了。因此下层的膨胀土中，无特殊情况，是不可能产生滑坡的。

上述状态可见，裂隙对于土体的抗剪强度指标，有着很大的影响。

2.2 膨胀土裂隙对边坡稳定计算的影响

上面提到，膨胀土裂隙的宽窄、深浅等，显著影响到膨胀土的抗剪强度指标。当然也就显著影响到膨胀土边坡稳定安全系数的计算分析。

一般粘性土边坡稳定计算中，如果就是一种土，那么滑动面上的抗剪强度指标也就只需要取一种。因为不管是圆弧面达到较深处，还是接近地表处，其强度指标是一致，只有一种。然而对裂隙膨胀土作边坡稳定性计算时，其抗剪强度指标是随深度而变化的[3]，如表1中所示。这是裂隙膨胀土与一般粘性土作边坡稳定性计算分析时的一个很大差异。廖世文[1]在表1中的所给出的试验结果，充分显示这两者之间的不同。

3 裂隙膨胀土室内和野外试验的差异

对于通常的土体，野外钻探取样和室内试验的土样，是没有差别的。室内试验所用的试样，僅仅从野外钻探取得的土样中截取而得。无论怎样截取，都是一个整体的土块，土体中没有裂隙。因此，室内截得的试样与野外土体的状态就完全一致。因此，试验获得的力学参数，自然与野外土体的力学参数就完全一致。

然而裂隙膨胀土在现场和在室内，却有着相当大的差异。

3.1 裂隙网状态

野外现场的膨胀土的裂隙，是长期的日晒雨淋所造成的。其裂隙通常都是较宽的。表层可达1-3cm；甚至更宽。同时所形成的裂隙网也较大，有些宽度达10cm左右，甚至更大，如图4中所示。在裂隙向下发展时，裂隙宽度会逐步缩小，但裂隙网的状态大体上仍然与地面上看到的裂隙网相接近。只是部分逐渐消失，如图2（b）中所示。

3.2 膨胀土试验时的裂隙网处置

将现场取得的土样用于室内试验时，就会产生如何处理试样中的裂隙的问题。野外现场各裂隙间的距离是相当大的，可达10cm，甚至更大，如图4中所示。用薄壁取土器取得的试样也可能只含有局部裂隙，甚至一点裂隙也没有。再说，通常实验室所用直剪试验的环刀直径仅6.18cm。截取膨胀土试样时，取其裂隙可能性更少，甚至见不到裂隙。

图5中所示[4]，就是室内小试样的裂隙状态。应该说多裂隙膨胀土室内试样，仅仅是模拟性的；因此试验取得的结果，也是一种假定性的，与现场实际是有差异的。将其用于边坡稳定分析计算是值得推敲的。

图5（a）中，直径6.18cm的试样就有许多的裂隙，这远多于野外现场所见的裂隙分布状态；其裂隙宽度等又显著低于现场裂隙。图5（b）中直径3.9cm的试样，其裂隙宽度就更小，数量又更多。因此就更难以用于实际工程中的稳定性计算分析。

3.3 室内与野外试验所得裂隙膨胀土的强度参数

刘特洪[5]所著的“工程建设中的膨胀土问题”一书中，清楚地列出了室内试验和现场2试验所得南阳膨胀土强度参数的显著差异，见表2。这是很值得关注的。

表2中可见，现场大样试验所得强度指标c、φ，显著小于室内直剪试验所得强度指标c、φ。书中也提到“室内土快直剪强度平均值c=41kPa，tanφ=0.40；而现场土体大剪c=23kPa，tanφ=0.33”。存在很大的差距。

为什么会造成如此大的差异？有下列几点原因：

①室内直剪试验所用试样的竖向裂隙是狭窄的。如图5（a）中所示的试样裂隙。并没有完全的反映室外膨胀土的裂隙网，所以其测得的数值不能代表膨胀土的强度。

②试验时要对试样施加相当大的竖向荷载。这会使土体间的相互挤压而无法产生裂隙。因此土体的剪切破坏只能是上下土体的水平向错动破坏。所产生的强度指标就会更大。这是用室内直剪试验来确定膨胀土抗剪强度指标的弊病所在。

③直剪实验中土体的破坏面是固定的。因为实验中土体的裂隙宽度是自上而下不断减少的，在直剪实验中固定的破坏面并不是土体试样最薄弱的部分，所以测得的c和φ值都会偏高。

相较而言用三轴试验测得的数据竟然更为接近现场大剪的实际数据。c值都偏高，而φ值却偏小。三轴试样直径只有3.9cm，遇到的裂隙更少，更不能反映实际土样的裂隙网，理论上来说测得的c、φ值都应偏高。但是三轴试验的优势就在于它是可以反映土体最薄弱的部分，在剪切时容易沿倾斜隐裂隙结构面破坏，也就与实际状况更为相近。土中裂隙倾斜面与施加的剪切应力方向一致时，试样抗剪强度最低，最易破坏；裂隙面与剪切应力方向垂直，无疑测出的抗剪强度偏大。除此之外，直剪实验中，破坏面是水平的，所以强度指标取决于破坏面上裂隙间的联系、土体内颗粒的粘聚力，以及纵向裂隙的宽度。而在三轴实验中，强度指标取决于纵向裂隙宽度、深度、之间的联系，以及土体内颗粒的粘聚力，与实际相符。

在实际的膨胀土中，竖向裂隙存在的范围更广、裂隙的宽度更大、数量上更多，是影响膨胀土抗剪强度的主要因素，所以我们用三轴试验测得的强度指标明显要比直剪实验测得的更为精确，但是仍不能很好的反映实际膨胀土的强度指标，原因有二：①不能完整的反映裂隙网；②室内制作的实验试样与野外实际膨胀土有较大区别。其次在做室内实验中有很多不确定因素会干扰实验结果：第一就是取土做干湿循环中，对野外环境的模拟具有很多不确定因素。光照、风干、喷水等环节都会与野外膨胀土所受的天气影响产生出入，所形成的裂隙也会与实际有差别，对强度指标必然会产生影响；第二是在用环刀取土时，由于规格的限制，环刀必会从裂隙网中截取一部分，截取试样中的裂隙就会有较大差异，几次试验测得的指标就会有不小的偏差。当环刀压入土中时，就会挤压其中的土样，使土样收缩，裂隙张开度减小，也会使测得的强度指标产生偏差。这些因素的存在使得我们测得的实验数据精度降低，值得深入思考与改进。

4 结语

膨胀土强度的高低主要受竖向裂隙影响，裂隙在接近地表处张开度较大，使土基本失去了侧向拉应力，强度自然较低；而裂隙膨胀土随着深度的增加，裂隙网收缩，强度也就有所提高。由于各个裂隙的深浅不同，使得不同深度处强度指标变化较大，边坡计算中只用膨胀土某一深度处的强度指标或残余强度和非饱和土强度[3]作为计算值还是有差距的，在计算中应当考虑膨胀土强度指标随深度变化这一特性。

此外通过对比，三轴试验测得的实验数据往往比直剪实验更为接近现场大剪测得的数值，但是其试样中裂隙与直剪实验中的裂隙相比：裂隙更多，宽度更小；与现场实际裂隙网差距更大。人为制得的裂隙和实际裂隙还有相当大差别，控制既定的含水量、温度并不能模拟野外实际。

参考文献：

[1]廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京：中国铁道出版社， 1984.

[2]殷宗泽，韦杰，袁俊平.膨胀土边坡的失稳机理及其加固[J].水利学报，2010，41（1）：1-6.

[3]殷宗泽，徐彬.反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析[J].岩土工程学报，2011，33（3）：454-459.

[4]徐彬，殷宗泽，刘述丽.膨脹土强度影响因素与规律的试验研究[J].岩土力学，2011（1）：44-50.

[5]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.