膨胀土概要：定义、成因、结构、性质

膨胀土

作者：邓晓辉  （1993·10—）

简介：甘肃人，从事特殊土（沙漠、黄土、盐渍土、多年冻土）与流域生态修复研究。

01

什么是膨胀土？  

|YTU-CN|乐哥微信号|13601266631|

膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊黏性土，这一特性常造成底层建筑物开裂变形，造成开挖边坡发生滑动破坏。此外，其反复胀缩变形及引起的强度衰减还对工程的长期安全运行构成隐患。

矿物及化学成分和微观结构是膨胀土胀缩特性的内在因素。

膨胀土的黏土矿物主要为蒙脱石、伊利石和高岭石等，但胀缩性主要由亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石决定，它具有较大的比表面及阳离子交换量，在与水相互作用过程中，能吸水引起粒间膨胀及矿物晶体膨胀。笔者认为分布于甘肃地区的遇水具有极强崩解性的红色、黄色泥岩皆为膨胀土，中国膨胀土分布简图标识在兰州以南。

引洮工程红色碎屑岩类软岩的膨胀性， 由于细粒相红层极软岩含有一定数量的粘土矿物，具有一定的膨胀性，吸水后体积增大，压力升高。

红层的膨胀性因其风化程度和含水量的不同差异较大，全风化的粘土岩较中等风化的粘土岩的膨胀力大1～4倍。红层的膨胀随着含水量的增加而减小。据红层的膨胀性试验，其无荷膨胀率为9～21.9%，有荷（50kPa）膨胀率为2～4%，膨胀力一般30～65kPa，最大可达170kPa，岩石饱和吸水率18～33%，结合粘土矿物含量，参考有关标准，综合判断K1hk4和N的部分泥岩及泥质粉砂岩等具弱膨胀性。极软岩还具有流变特性，表现为岩石的蠕变，即在较小的应力下变形随时间逐渐增大的现象。

膨胀土是一种具有超固结性、多裂隙性、强亲水性和反复胀缩特性的高塑性黏土。

其吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特征导致了工程问题或地质灾害频繁发生，破坏具有浅层性。随着我国交通事业的迅速发展，交通建设工程对原始地质条件的可选择性大为降低。作为浅表层轻型构筑物，修筑在膨胀土地区的路基水毁破坏受到了降雨和干旱等气候作用的直接影响。而近年来全球变暖导致的气温升高和干旱使蒸发和降水速率加快，大气中富含的水蒸气和能量使高温、风暴等极端事件的发生越来越频繁，旱涝等灾害的出现机率大为增加。当膨胀土地理分布与严重旱涝耦合时，将会使膨胀土路基水毁破坏更加严重和频繁。

膨胀土路基的水毁失稳灾害是危害道路建设和运营的重大痼疾之一，也是交通工程领域长久以来的科技攻关难题。

在极其复杂的致灾因素中，最主要的内因和外因分别是路基土体的胀缩特性和气候变化扰动。前者受到膨胀土形成历史、矿物成分、初始含水率等因素的影响并反映在膨胀土的分级分类，是一个典型的复杂非线性科学问题。而后者包括干旱、降雨在内并随全球变暖出现诸多极端与异常现象，是一个典型的随机过程并具有明显的不确定性。

大气影响深度是膨胀土很重要的一参数，指在自然气候影响下，由降水、蒸发和温度变化等因素引起地基土胀缩变形的有效深度。黏土矿物在微观下具有不同的形状、排列方式及定向性等，不同的微观结构具有不同的膨胀特性。

02

膨胀土的结构特征  

|YTU-CN|乐哥微信号|13601266631|

对于土体结构的分类，目前国内外常采用三级分类法：

（1）宏观结构：指自然土体或原状土体中可用肉眼观察的结构特征，单元体大于2mm。各单元体的形状、大小、状态，相互间的排列及接触特征，裂隙方向、大小、有无充填及填充物的性质，再加上土体的颜色特征等一起构成土体的宏观结果特征。

（2）中观结构：指利用偏光显微镜对薄片、光片放大25~600倍进行观察获得的结果特征。结果单元体的大小为2~0.005mm。即为砂、粉粒组、原生矿物颗粒及黏粒的集聚体组成。

（3）微观结构：指利用各种电子显微镜和X光衍射仪等现代技术手段揭示的结构特征，常称为微结构。结构单元体小于0.005mm。它由单粒、团聚体、叠聚体和孔隙等组成。微观结构包括这种微小单元体的特征、在空间的分布状况以及它们之间的接触连接特点和微观孔隙特征。

膨胀土微结构类型

（1）絮凝结构，其基本单元主要为扁平状聚集体和片状颗粒。它们以边-面接触为主，边-边和面-面接触为辅构成。在这种结构中，扁平状和片状颗粒无明显的取向优势。絮凝结构是黏性土最不牢固的微观结构，其特点是孔隙率可以变化很大，吸湿可以产生剧烈的体积膨胀或产生膨胀力。

（2）层流结构，其基本结构单元为片状和叠片状颗粒，它们以面-面接触为主构成的高度定向排列结构。在光滑裂面上常可见到厚约10μm的这种高度定向排列薄层，土体中有时也可看到这种局部高度定向排列结构。

（3）紊流结构，其结构单元也以片状和扁平状颗粒为主，含有粒状颗粒，它们之间形成似山涧流水似的结构。从总体来看，片状、扁平状颗粒有一定的取向优势，介于（1）和（2）之间。

（4）粒状堆积结构，其基本结构单元主要为聚集体和单粒体，它们存在于以高岭石为主的残积土或石英等杂质含量较高的土中，常可见到这种结构。

（5）胶黏式结构，其结构单元可以是单粒体和团粒体，也可以是片状体和叠片体，它们之间可以以各种形式接触，然后被一层糊状物所包裹，单元体有明显的边界和清晰的轮廓。这种结构常发生在淋滤孔、淋滤裂隙面上。

（6）复式结构，对于大多数膨胀土来说，不可能仅有某一种结构特征，而往往是各种结构特征的综合，如叠片体的絮凝结构中嵌入粒状颗粒后则形成复式结构。

03

膨胀土的工程性质  

|YTU-CN|乐哥微信号|13601266631|

（1）胀缩性

膨胀土吸水后体积膨胀使其上面的建筑物或道路隆起。如膨胀受阻即产生膨胀力，失去水分后体积收缩，造成土体开裂，并会使其上面的建筑物下沉。因为膨胀土不同于其他黏土的胀缩性，反复的干缩湿胀导致土体的有效凝聚力下降，使得土体的强度降低。

（2）崩解性

膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限的条件下则发生吸水湿化。不同类型的膨胀土其崩解性不一样，强膨胀土浸入水后，几分钟内很快就完全崩解；弱膨胀土浸入水后，则需要经过较长的时间才能逐步崩解，且不完全崩解。

（3）裂隙性

膨胀土中的裂隙，主要可分为垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体层分割成具有一定几何形状的块体如棱块状、短朱状等，破坏了土体的完整性。膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形式主要受裂隙软弱结构面控制。裂隙的产生是由于膨胀土的胀缩特性导致的，由于反复的吸水膨胀、失水干缩，反复周期变化，导致土体结构松散，而结构的松散使得雨水进入，又为胀缩创造了条件。

（4）超固结性

膨胀土一般都会带来很强的超固结性，天然的孔隙，其初始结构的强度比较高，在路基开挖之后就会产生土体的超固结力释放现象，随即边坡以及路面就会产生膨胀的现象，目前这一现象被视为是造成边坡渐进性出现破坏的关键原因。

（5）风化特性

膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化等现象，使土体结构破坏，强度降低。按其风化程度，一般将膨胀土划分为强、中、弱三层。

膨胀土的力学性质从结构特征、渗透性、强度和变形四个方面体现。

（1）结构特征

泥岩残积膨胀土地层面裂隙较为发达，它是土体吸水、失水的良好通道，是使膨胀土具有强烈的胀缩性能的重要原因。

（2）渗透性

膨胀土的饱和度增大，孔隙水的渗透系数增大，孔隙气的渗透系数减小。但含水率小于最佳含水率，孔隙气的渗透系数减小的很缓慢；接近最佳含水率时，含水率的微小增加将引起孔隙气的渗透系数的迅速减小；等于和超过最佳含水率时，孔隙气的渗透系数基本为零，只有渗水。

（3）强度

膨胀土的的强度是指膨胀土的抗剪强度，现今的研究分为饱和土抗剪强度和非饱和土的抗剪强度。试验发现膨胀土的峰值强度相当的高，然而失稳的膨胀土土坡抗剪强度却往往低于其峰值。造成强度衰减的主要原因是膨胀土的工程特性：崩解性、胀缩性、裂隙性、超固结性的特点。

（4）变形

膨胀土的变形通常分为两类：一是外加荷载作用下的压缩变形；还有是外加荷载与气候共同作用导致土体产生湿胀干缩的变形。膨胀土的变形研究也分为饱和土理论和非饱和土理论。

04

膨胀土地区道路灾害防止措施  

|YTU-CN|乐哥微信号|13601266631|

（1）常见的灾害类型

由于膨胀土的胀缩性、崩解性、裂隙性、超固结性和风化特性使得膨胀土地区的道路路基经常遭受各种不同情况的破坏，给人们的生产生活带来了诸多的不便。

按照形成灾害的原因不同，可以将膨胀土地区道路灾害大致分为裂隙、翻浆冒泥、路基下沉、坍肩、溜坍、剥落、冲蚀、泥流等灾害，这里主要介绍裂缝、路基下沉、翻浆冒泥三种比较常见道路灾害以及它们一般的防治措施。

a.裂缝

天然情况下膨胀土裂隙分布大都呈混乱新裂隙网络，为了综合反映裂隙的分布特征和影响，通常采用裂隙率作为裂隙度量分布指标。裂隙率可以定义为单位面积上裂隙面积，或者单位面积上列席长度，或单位面积上的分块平均面积，以及单位面积上的分块个数等。

①成因：膨胀土在大量吸水后体积膨胀，而在释水后体积又大幅度收缩，这种反复胀缩活动使地表形成地裂缝而造成的灾害。缝宽一般约不超过10cm，深度一般在3cm左右。地裂缝形态多呈上宽下窄的“V”字形。伴随膨胀土的反复胀缩变形，地裂缝时闭时张，时大时小。在地裂缝活动的同时，常产生一定的侧向压力，因此引起局部地面隆起或下沉。

②影响因素：膨胀土的裂隙性、地下水含量、路基填土周围含水率以及温度变化等。

b.路基下沉

①成因：雨水或地面径流沿裂缝下渗，使膨胀土路基受水浸膨胀软化后，发生崩解或强度衰减，在车载作用下路床翻浆冒泥，路基下沉，并促使混凝土路面版错台、断裂。在上部路面、路基自重与汽车何在的作用下，路堤易产生不均匀下沉，如伴随有软化挤出则可产生很大的沉陷量，不均匀下沉导致路面的平整度下降，严重时可使路面变形破坏，甚至屡修屡坏。

②影响因素：路基填土含水率、行车荷载、膨胀土的崩解性等。

c.翻浆冒泥

①成因：路基顶部受外营力（气候、温度等）作用，多次膨胀变弱，再经水浸泡溶胀，强度骤减，受力后形成水囊，使道床下沉挤入土中泥浆上翻冒出引起轨道、路面变形。雨季路面渗水，土基受水浸并软化，在行车荷载作用下，形成泥浆，挤入粒料基层，并沿路面裂缝、伸缩缝溅浆冒泥。

②影响因素：膨胀土胀缩性、行车荷载、路基内外温差、路基含水量等。

d.剥落、冲蚀、泥流

①成因：主要因为公路路堑边坡地段风化，使土块破碎成细粒状、鳞片状剥落，在降雨、风或地表径流作用下冲蚀坡面，特别在雨季，坡面风化松散土与坡脚剥落堆积物易形成泥流，常造成边沟或涵洞堵塞，严重时可冲毁路基、淹没路面。

②影响因素：降雨、边坡防护不充分、路基填土成分等。

（2）路基破坏特点

a.集中性：裂缝以及路基的下沉等经常是成群、成片产生和分布的，破坏的情况比起其他的土壤也更为严重。

b.方向性：路基的边坡由于日照的作用，其干湿循环效应突出，因此也常常会发生边坡滑坡现象。

c.季节性：膨胀土的路基病害经常出现在多雨的季节，尤其是大旱之后的大雨期。

d.持续反复性：膨胀土的路基多数带有持续、反复性特点，只有多次整治之后才会稳定有效。

（3）膨胀土地区道路灾害的防治措施

a.防治原则

对膨胀土路基要从设计、施工、维修方面建立综合防治病害体系，要从路基防水、保湿入手，防治路基反复变形。路堤无论高度如何，其边坡都应进行防护，且以柔性或柔性配合刚性坡面防护为主。对于尚未达到膨胀土指标，但具有膨胀性的黏土，设计时应比照弱膨胀土，用提高设计标准的方法加以处理。

b.一般的防治措施

①换土

换土是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法，即挖除膨胀土，换填非膨胀土或砂砾土。

换土深度根据膨胀土的强弱和当地气候特点确定。在一定深度以下的膨胀土含水率根本不受外界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水率称之为该膨胀土在该地区的临界含量。由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水率也有所不同。换土深度要考虑受到地面降水影响而使土体含水率急剧变化的深度，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。

换土材料：石灰、水泥、石膏、磨细矿渣、粉煤灰、固化剂等化学改良膨胀土。

②防水保湿措施——湿度控制（保湿防渗）

湿度控制法包括预湿和保持含水率稳定。为控制由于膨胀土含水率变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水率受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或黏土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的水汽迁移。水利工程建设中经常采用膨胀土预湿法，用水浸泡地基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡。

③封闭路基坡面或路肩

借助二灰土或三合土进行封闭，厚度至少cm，也可以使用土工合成材料，但外部要有0.5m的黏土。此种方法操作简单，效果很好，成本也低，当然也可以用厚度0.25~0.30m的浆砌片石封面，但这种方法造价相对较高。

Ⅰ在路基以及边坡上及时喷沥青膜，如有必要可以延伸，位置可超出边坡特定高度。

Ⅱ借助垂直合成纤维完成水流阻截。

Ⅲ借助非膨胀土对堤身包盖，厚度控制在1m以上。

Ⅳ坡面封闭。借助3×3m的石砌棱形骨架，尺寸控制0.3m×0.35m，中间使用二灰土进行封闭，厚度至少15cm，当然，也可以在格内铺上草皮。

④挡土墙护坡

对于挖方路堑段，为避免坡脚处产生太大的剪应力，造成塑性破坏，可以把挡土墙制作成斜墙体形式，将其与排水沟连接，在避免路面水渗入成路基软化的同时，强化挡土墙的承载能力，增强抗滑稳定性；此外还应当对路基土进行保护，避免由于雨水漫入造成膨胀。

⑤土钉锚杆护坡

土钉锚杆护坡依托土钉为核心的受力构件，是一种边坡围护结构技术，广泛应用在基坑的围护过程当中，将土钉锚杆以及坡面的筋网架实现结合，对坡面进行框箍，既能够抵制土体产生的膨胀力，避免湿胀变形，控制坡面土的含水率以及干重度，又能够起补偿效果，即便是反复干缩湿胀影响到土体的抗剪强度，但是借助土钉锚杆也能够有效加大坡面筋架对坡面的预应力，保持边坡的稳定。考虑到此类护坡技术具备较高的施工难度，并且成本过高，因此建议对那些膨胀潜势较强的路基边坡使用。

⑥改良路基土质

在二级以下公路工程施工中，最为常用的膨胀土处理方法是改良土质，其中石灰土以其价格低廉、材料易得被作为首选固化材料。

改良土质就是利用石灰、水泥或其它固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的化学固化处理，以达到降低膨胀土的膨胀潜势，增加强度和提高遇水稳定性的目的。

土质改良措施有压力注浆加固膨胀土地基、石灰改良膨胀土、水泥、粉煤灰改良膨胀土等方式。

例：压力注浆加固膨胀土地基

膨胀性填土地基的主要工程地质问题是它的较低的地基承载力和较高的胀缩性。压力注浆的加固机理就是通过静压作用，将胶凝材料的浆液注入土体的裂隙和孔隙中，硬化后形成固结体，同时在地下水或渗流作用下，浆液中的成分与土发生一系列的物理化学反应，达到加固、改性和防渗堵漏的作用。注浆材料有普通硅酸盐水泥、粉煤灰、生石灰、水玻璃和陶土等。

压力注浆在膨胀土体中产生以下几个作用：压密-劈裂作用，骨架作用，防渗堵漏作用，土质改性作用。

⑦加固路基

Ⅰ建造抗滑桩

对于那些有着不良的工程及水文地质的路段，为避免产生危害性较强的滑坡事故，建议在路基的两侧使用单排或双排预制桩，并及时于桩体之间加设冠梁，进行横向的支撑等多种措施，强化路基的整体性以及抗滑稳定性，增强支撑效果。

Ⅱ建造重力式的挡土墙

大量的工程实践已经证明，膨胀土挡土墙的破坏模式经常会在墙体的上部被剪断。这主要是由于膨胀土的路基挡土墙受力特点所影响的，一个是挡土墙必须承受一般土的压力，此外还要承受土体膨胀的压力，它的作用范围处于墙体的中上部，也就是墙背填土含水率产生变化的范围内，即沿墙高的2m处即可。

⑧以柔治胀（边坡处理）

一是膨胀土中加设“麻绳”为筋体，自重产生支挡力，通过变形吸收坡体的膨胀能；二是内部排水通道疏排坡体的裂隙水，同时“防水布+（装防滑袋）废旧的编织袋”当做防水土工膜阻止地表水下渗；三是三叶草植被稳定表土层，吸收水分和水溶性的无机盐，将草根固定在坡面上，防止冲刷与水土流失，实现了“以膨胀土治理膨胀土”的环保新理念。

（4）膨胀土地区路基的施工工艺

a.路基断面

路基断面横坡尽可能大，必要时设防渗层；路肩尽可能宽一些，以利于保持路面下土基内水分的稳定，最好不小于2.0~2.5m；路肩横坡要尽可能大一些，以利于排水；路肩与路面结构层用相同的材料铺砌，以利于保持路幅内土基水分的均匀性，并铺较薄的不透水面层或作防渗处理，以防水分下渗；边沟适当加宽、加深，沟底应在土基顶面以下至少20~30cm，并尽可能离路面结构层远一些；路侧不应种树，特别是不应种生长快、吸水和蒸发量大的树种，如桉树等；若成排种树，其距离应在边沟外侧1.4~1.5倍成长后的树高以外，至少也得是成长后的树高以外，但不得小于5m。

b.路基高度

根据膨胀土风化作用后可能出现湿胀干缩效应的特点，为了避免膨胀土高路堤后期产生很大的沉陷量，则膨胀土路堤不宜过高，一般宜控制在3m以内，如超过3m则须考虑沉降稳定问题；如超过6m还须考虑预留沉降量和路基的加宽。

c.路基排水

路基排水设施对膨胀土路基的稳定尤为重要，所有排水设施均应精心设计，要做好路基地面排水工程，使排水通畅，防止地表水下渗，浸润土质。所有地面排水沟渠，尤其是近路沟渠均应铺砌和加固，防治冲刷渗漏。边沟应比一般地区适当加宽加深，路堑边沟外侧应设平台，保护坡脚免遭水浸，并防止剥落物堵塞边沟。堑顶设截水沟，以防水流冲蚀坡面和渗入坡体，截水沟纵坡应利于排水。对于台阶形高边坡应在每一级台阶内设截水沟以截排上部坡面水，且在截水沟与坡脚之间设一定宽度的平台以利坡脚稳定。另外还要注意防止基底蒸发失水引起膨胀土干裂收缩。

d.路堑

路堑施工前，应先进行截、排水设施的施工，将水引至路幅以外；边坡施工中，宜采取临时防水封闭措施保持土体原状含水率；挖方边坡不要一次挖到设计线，沿边坡预留厚度30~50cm一层，待路堑挖完时，再削去边坡预留部分，并立即进行加固和封闭处理；宜用支挡结构对强膨胀土边坡进行防护，支挡结构基坑应采取措施防止暴晒或浸水。膨胀土地区的路堑，高速公路、一级公路的路床应超挖30~50cm，并立即用粒料或非膨胀土分层回填或用改性土回填，按规定压实，其他各级公路可用膨胀土掺石灰处治。

05

膨胀土地区建筑防治措施  

|YTU-CN|乐哥微信号|13601266631|

房屋建筑区膨胀土的危害

（1）建筑物的开裂具有区域性成群出现的特点，建筑物裂缝随气候变化不停地张开和闭合。而且以低层轻型、砖混结构损坏最为严重。

（2）房屋在垂直和水平方向都受弯和受扭，故在房屋转角处首先开裂，墙上出现对称或不对称的八字形、X形缝。外纵墙基础移动而产生水平裂缝和位移，室内地坪和楼板发生纵向隆起开裂。

（3）膨胀土边坡不稳定，地基会产生水平方向和垂直方向的变形，坡地上的建筑物损坏要比平地上更严重。此外，膨胀土的胀缩性还会使公路路基发生损坏，堤岸、路堑产生滑坡，涵洞、桥梁等刚性结构物产生不均匀沉降，导致开裂等。

建筑工程措施

（1）设计措施

总平面图设计：场址应选择在排水通畅、地形条件简单、土质较均匀、胀缩性较弱以及坡度小于14°并有可能采用分级低挡土墙治理的地段，避开地裂、冲沟发育、地下水变化剧烈和可能发生浅层滑坡等地段。

（2）地基处理措施

膨胀土地基可采用换土、砂石垫层、土性改良方法，亦可采用桩基。确定处理方法根据土的胀缩等级、地方材料以及施工工艺等，进行综合技术经济比较。

（3）施工措施

膨胀土地基上的施工措施宜采用分段快速作业法。宜避开雨季和结冰期施工，必要时做好防排水及防冻胀措施。进行开挖工程时，应在达到设计开挖标高以上1.0m处采取严格保护措施。防止长时间暴晒或浸泡。

膨胀土的胀缩性、多裂隙性、超固结性是土体内部吸力和内应力变化的三种外在表现形式。膨胀土的治理应着重突出防排水措施，用于地基场地宜添加水泥、粉煤灰等胶凝材料，或建筑场地换土处理。

1膨胀土路基与气候的关系

1.1膨胀土的胀缩特性及其危害

在我国，膨胀土地区分布广泛，随着高速铁路和公路建设的发展，在铁路、公路修建过程中必将要遇到更多的膨胀土问题。作为一种典型的浅表层轻型工程，膨胀土路基在正常的自然气候条件下会对建设在其上（中）的路基和构筑物产生较大的危害，如不进行有效处治，还会对路面的质量和边坡的稳定性产生长期影响，导致膨胀土路基工程的安全性难以得到保证。

在膨胀土地区，无论是路堑或是路堤，其中存在的极其普遍而严重的边坡变形与路床变形都是在其他土质路基中罕见的。目前，我国膨胀土地带修筑的铁路、公路工程已有不少，铁路部门每年都要花很大代价对穿越膨胀土地区的铁路线路进行维护，路基边坡工程整治费用惊人。比如襄渝铁路由于膨胀土的原因，每公里造价提高了91.64万元。我国高速公路的大规模修建始于20世纪90年代，过去由于公路等级低，在定线设计时，对地质不良地段尽量绕避，公路路基受膨胀土破坏的问题不太突出。随着我国交通运输事业的迅速发展，交通建设工程对原始地质条件的可选择性大为降低，其中修筑在膨胀土地区的路基发生水毁的情况也越来越多，膨胀土对路基的危害和破坏也越来越受到重视。由于膨胀土路基水毁失稳而导致交通工程不能及时发挥效益或使用被迫中断，将对国民经济和国家形象造成无法估量的损失。

膨胀土对水非常敏感，只要土中含水率有1%的变化就会引起土体胀缩变形，从而导致路基失稳。作为膨胀势的主要媒介，气候条件对膨胀土的胀缩特性起到了促进作用，对工程建设具有很大的危害。降雨、干旱、气温、地温、湿度、日照、风等气候因素是影响膨胀土胀缩性的重要外因。湿胀、干缩、变形大师膨胀土的典型特征。在降雨过程中，由于降雨入渗土体，膨胀土产生膨胀变形，导致路基路面破坏。而且，导致膨胀土地区路基最严重的破坏不是路基的胀缩变形，而是路基由于干旱蓄积了巨大的膨胀潜势在降雨时的集中释放。

天气的晴雨转化促使并加强了膨胀土路基土体的干湿循环。在大气营力（主要是将于、蒸发和温度）作用下，膨胀土反复胀缩，产生的内应力导致膨胀土原生裂隙的扩展和新裂隙的产生，最终形成了错综复杂的裂缝网络。裂缝网络破坏了膨胀土体的完整性，降低了路基强度，造成了路基边坡溜坍和滑坡等病害。

在正常年份，受到气候周期性变化作用，在大气风化营力作用深度范围内，气候对膨胀土胀缩性的影响自地表向下逐渐减弱。而在气候异常时，大气影响深度往往超过了原来的设计标准，会对膨胀土路基的稳定性产生极大的危害，导致更为严重的工程事故。

1.2气候对膨胀土路基水毁的影响

气候条件作为膨胀势的主要媒介，对膨胀土的胀缩特性起到了促进作用，对工程建设具有很大的危害。当某一段时间气象突然或偶然急剧变化，大气影响深度超过了原来的设计标准，就会对膨胀土路基的稳定性产生极大的危害，可能导致更为严重的工程事故。

气候特征对膨胀土裂隙发育程度的影响是极其复杂的。在雨天，降雨和地表径流的渗透使土的含水率增加，降雨量越大，渗入土中的水量越多，土体的湿度也越大。在阴天或微雨天气，土中水分蒸发减少或停止，裂隙发展受阻，张开速度缓慢，甚至还将导致土体吸水，裂隙两壁产生部分微膨胀，造成裂隙暂时缩小的现象。而在晴天，气温和地温升高，则土中水分蒸发散失，土体收缩，裂隙张开加宽；若连日晴天，蒸发加剧，裂隙张开更快。温度的热力作用和风的吸扬作用使土中水分损失，当蒸发量超过降雨量时，土中水分也被蒸发散失，土体处于干燥状态。土体的这种一湿一干造成土中水分的迁移变化，从而导致土体产生膨胀与收缩变形。裂隙在气候干湿循环等作用下发生、发育、扩展，破坏了土体的完整性，同时为水分的渗流提供了通道，是影响膨胀土边坡稳定的关键因素。

实践表明，气候对膨胀土胀缩特性的影响，在正常年份受到气候周期性变化的作用，在大风营力作用深度范围内，其影响的程度自地表向下逐渐减弱。而在气候异常时，这种作用对膨胀土路基等浅表构筑物的危害更大。在特大干旱年月，土中水分将被强烈蒸发散失，土体收缩达到极限（入缩限状态），并伴随着严重开裂，这将造成建筑物基础或填土路堤的不均匀下沉和破坏。膨胀土地区土体的收缩变形大小，不仅与地区干燥温度（气温与地温）的绝对值有关，而且还与旱季干燥持续时间的长度、温差的大小有着密切关系。大量工程实践表明，即使地区的干燥温度不是很高，但只要干燥持续时间长，土体产生的实际收缩变形也有可能相当严重。

长期以来，人们一直以为全球变暖只会导致气温升高和干旱，却没想到由于气温导致蒸发和降水速率加快，大气中含有更多水蒸气和更多能量，高温、风暴等极端事件越来越频繁，旱涝等灾害的出现几率增加。如我国创纪录的暖年2006年就是气候异常、登陆台风和超强台风异常以及特大干旱频发的一年。2008年初中国南方遭遇的罕见冰雪灾害天气更是让人们对极端气候有了深刻而直观的认识。

受气候变暖影响，我国的日最高和最低气温都在上升，极端高温、热浪、干旱等气象愈发频繁，气候变暖可能使黄河及内陆河地区的蒸发量增加15%左右，水资源的不稳定性与供需矛盾进一步加剧。以降雨为代表性指标的气候条件及其异常表现使更多的降水发生在更短的时段内。大雨日数和降水量有显著增加，气候有呈恶劣化的趋势。

未来20年全球气温增高的趋势仍将持续，这将使我国极端气候灾害发生的频率、强度和区域分布变得更加复杂和难以把握。在气候变化的历史长河中，某一段时间内的气候总是围绕着某一平衡态而振荡，从一个平衡态转入另一个平衡态。气候异常使极端气候事件围绕平衡气候态的概率分布模型产生以下变动：（1）概率分布形式不变，但均值可能改变；（2）均值不变，但方差发生变化；（3）均值和方差同时都有变动或概率分布形式改变。另外，气候要素原始分布的均值变化可导致极值频率和强度呈非线性变化，即平均气候的微小变化可能引发极端气候值出现频率的很大变化。目前，愈来愈多的研究表明，原始分布的方差变化对于极值频率的影响要比平均值的影响大得多，降水量的平均值的变化改变其方差，而且降水方差的变化又影响极端降水发生的次数，从而造成总降水量增加时降水极值出现机会呈现非线性增大。显而易见，在这种极端气候频发条件下，膨胀土路基的稳定性面临着严峻的考验，膨胀土路基的安全性和稳定性更应引起足够的重视。

1.2国内外研究现状

气候条件是膨胀势的主要媒介，它对膨胀土的胀缩特性起了促进作用。尽管世界各地膨胀土分布的地理位置不同，环境各异，土质特性也很不均匀，但是各地膨胀土所处的气候环境却有着相似之处。历年的路基病害调查也表明，在膨胀土地区，无论是路堑或是路堤，其普遍而严重的边坡变形和基床变形与气候的关系是其他土质路基中罕见的。因此，必须从对膨胀土路基变形破坏的调查分析入手，寻找气候对其产生变形破坏的规律和原因，从而采取相应的防治与加固措施，以保证路基工程的稳定性。

1.2.1气候对膨胀土的影响

1.气候对膨胀土形成的影响

（1）古气候的影响

膨胀土的主要成分是蒙脱石类亲水性强的矿物。能继续保存和发育蒙脱石的气候条件是形成膨胀土的必要条件，在某种程度上说膨胀土是一定气候条件的产物。虽然世界各地膨胀土分布的地理位置不同，环境各异，土质特性也很不均匀，然而各地膨胀土所处的气候环境却有着相似之处，因为这种气候条件最适合于膨胀土的发生、发育和保存。尽管对于膨胀土堆积时期的古气候条件还缺乏研究，其气候条件可能与现在的情况也不完全相同，但是从膨胀土形成的地形地貌来看，当时就应当已经形成现代轮廓的基础，并且其气候条件也一定是有利于蒙脱石的环境。

世界上膨胀土分布区的气候条件基本一致，都是旱季和雨季分明、干湿交替显著的地区。湿热而半干燥的气候有利于水的交替循环，但是同时又使水的交替循环在一定程度上受到制约，Ga、Mg等碱土元素的有限淋滤，碱土金属碳酸盐的沉淀，同时SiO2的淋出减弱，使矿物分解的速度减弱，强度相应也减弱，于是矿物的阶段性风化变慢，甚至停止在一定的中间阶段，此时最有利于蒙脱石亲水性强的矿物形成。同时，在干燥或半干燥气候地区的碱性环境下，水溶液的pH值增加，也是蒙脱石易于形成的条件。而蒙脱石是膨胀土的主要成分，因此古气候对膨胀土的形成有着重要影响。

（2）大气对膨胀土裂隙的影响

大气因素包括气温、地温、湿度、日照、风、降水等，这些都是引起膨胀土地基变形的重要外因。现场研究表明，风化裂隙发育的程度及其风化速度，除受膨胀土土质内因控制外，一般与膨胀土露头在大气营力中的暴露时间、露头所处方位（阳坡、阴坡）、气候特征和环境等因素密切相关。膨胀土边坡所处的方位反映了日照时间、温度梯度、风向、雨量和植被等风化营力要素的差异，直接影响膨胀土的胀缩效应，因而裂隙发育的程度也不尽相同。

气候特征对膨胀土裂隙发育程度的影响是极其复杂的。在晴天气候，气温和土温升高，将导致土中水分蒸发散失，土体收缩，裂隙张开加宽。若连日晴天，蒸发加剧，裂隙张开更快。但在阴天或微雨天气，土中水分蒸发减少或停止，裂隙发展受阻，张开速度缓慢，甚至还将使土体吸水，裂隙两壁产生部分微膨胀，造成裂隙暂时缩小的现象。

（3）大气对土体含水率的影响

尽管膨胀土有着显著的吸水膨胀、失水干缩的特性，但是含水率不发生变化，其体积就不会发生变化。从目前的资料分析，膨胀土分布地区年降雨量大都集中于雨季，尔后是延续较长的旱季。如果施工场地潜水位较低，则表层膨胀土受大气影响，土中水分处于剧烈变动之中。在雨季，土中水分增加，在干旱季节则减少。季节性气候变化对路基土中水分的影响随深度的增加而递减。

大气降雨和地表径流的渗透使土中含水率增加，温度的热力作用和风的吸扬作用使土中水分蒸发。一般来说，降雨量越大，渗入土中的水量越多，土体的湿度也越大。当蒸发量超过降雨量时，土中水分也被蒸发散失，土体处于干燥。由于土体的这种一湿一干，使得土中水分发生迁移变化，从而导致土体产生膨胀与收缩变形。

地形地貌影响的实质仍然涉及土中水分的变化。我们经常能观察到这样的现象：地势低的膨胀土地基较地势高的同类地基胀缩变形要小得多；在边坡地带，坡脚地段比坡肩地段的同类地基胀缩变形要小得多。这是由于高地势的临空面大，地基土中水分蒸发条件好和重力排水条件良好，地基土含水率变化幅度大，影响也深，构造物破坏也严重。因此，含水率变化幅度大，地基土的胀缩变形也较剧烈。构造物所处的膨胀土地基表面的地貌单元不同，遭受破坏时其开裂变形程度也有较大差异：地处高阶地、坎肩、地面坡度较大处或者陡坡附近的构造物破坏会比较严重，而地势低洼、地形平坦、地下水位较高的地方，构造物破坏较少。

在炎热和干旱地区，建筑物周围的植物在没有地下水或地表水补给时，由于根系的吸水作用，会使土中含水率减小，从而加剧了地基土中的干缩变形，使附近的构筑物产生裂缝。日照时间和强度也是不可忽视的影响。调查表明，建筑物向阳面开裂较多，背阴面开裂较少。另外，当有局部水源补给时，会增加胀缩变形的差异。

2.气候对膨胀土分布的影响

湖北综合勘察院的王思义、田开明、彭达天受中国建筑科学研究院地基所委托，对全国膨胀土工程地质分类分布进行研究后绘制了《中国大陆膨胀土工程地质分类分布略图》。从中可以看出：膨胀土主要分布在赤道两侧从低纬度到中纬度气候区，尤其是在热带草原气候、热带季风气候和亚热带季风气候以及地中海式气候地带，膨胀土更为集中。而在高纬度寒带气候地区尚未发现有膨胀土的分布。以干湿和寒暖等气候要素为标准，按年降水量与年蒸发量的比值确定的干湿程度的分区原则，膨胀土主要分布在东半壁湿润区。若进一步根据膨胀土分布的具体地区的小气候要素划分，膨胀土主要分布在年蒸发量大于年降水量的半干旱和半湿润气候区，一般干燥度多在1.5倍以上，比如膨胀土发育的我国云南蒙自地区的干燥度为4.3。

中国大陆膨胀土工程地质分类分布略图

3.气候变化对膨胀土工程特性的影响

气候变化在自然界有着一定的规律。一天之中昼夜温差变化，一月之中晴雨变化，一年之中季节变化，以及多年气候变化，都将对土中水分的迁移变化产生直接影响。当然，大气风化营力作用深度有限，其影响程度自地表向下逐渐减弱。因此，地表浅层膨胀土胀缩性越强，变化幅度越大，也是造成轻型浅表建筑物破坏的重要原因。

气候对胀缩性的影响不仅表现在正常年份的周期性变化，在气候异常时影响往往更加严重。当特大干旱出现时，土中水分将被强烈蒸发散失，土体收缩达到极限（如缩限状态）。伴随着严重开裂，则将造成建筑物基础或填土路堤的不均匀下沉和破坏。膨胀土地区土体的收缩变形的大小，除与地区旱季干燥温度（气温和地温）的绝对值有关外，还与旱季干燥持续时间的长短、温差的大小有着密切关系。大量工程实践表明，即使地区的干燥温度不是最高，但只要干燥持续时间长，土体产生的实际收缩变形仍然可能相当严重。

即便如此，在膨胀土地区，由于强烈干缩导致建筑物的破坏也还不是最危险的。经过强烈干燥后，土体再度吸水产生的体积膨胀受到约束，产生强大的膨胀压力才是导致建筑物破坏的元凶。实践中大量建筑物破坏多集中在久旱后的第一个雨季，甚至取决于第一次持续降雨量的大小，就说明了这个问题。而促使土的含水率发生改变的其他气候因素，都是造成土体发生体变的诱发原因。而且膨胀土胀缩等级越大，对气候因素的变化敏感性越强，收气候的影响也就越大。

裂隙膨胀土渗流特性

膨胀土的渗流问题具有与一般非饱和土相同的普遍特性，同时又由于膨胀土本身所具有较强的胀缩性，使得土体中的裂隙与孔隙大小和分布都发生变化而影响渗透特性。许多研究学者在膨胀土边坡稳定性问题的研究中，均发现了裂隙的存在及其发展变化对边坡稳定有着重要的影响。反复胀缩使得土体产生纵横交错的裂隙，土体变得松散，再加上风化作用，进一步破坏了土体的完整性。这些裂隙网络又为雨水入渗和水分蒸发提供了良好的通道，使得气候与对土体的影响进一步向土体深部发展。这种气候影响深度一般在1.5~2.0m，最大深度可达4m。雨季时，正是在这一层浅层裂土中，雨水下渗迅速，并很快被土体大量吸收，吸力骤降，强度也随之骤降；另外，在气候影响深度以下，土体裂隙不发育，渗透性相对较低，从而形成了相对不透水层。从上部入渗的雨水在此交界面汇集，使得交界面处的土体很快达到饱和，吸力丧失，形成一层饱和软化带，其强度随着降雨的发展逐渐丧失，一旦这种饱水软化带贯通，就会形成浅层滑坡。由降雨入渗和大气蒸发所引起的膨胀土灾害屡见不鲜，如长期降雨造成的膨胀土路堑边坡的失稳；在蒸发量较大的地区，雨季过后长期干旱会造成膨胀土地面开裂，从而引起房屋结构破损等现象。其中降雨入渗是影响边坡稳定性、导致边坡失稳的最主要和最普遍的外部因素。

参考文献

[1]蔡耀军，阳云华，陈尚法. 膨胀土边坡工程地质研究[M].武汉：长江出版社，2013.

本文图片等来自网络，版权归原作者，如有侵权，请联系删除。