第 1 章 引言
1.1 非饱和膨胀土的研究背景
非饱和膨胀土由固相、气相、液相组成，具有显著的吸失水胀缩性、裂隙性和超固结性，是一种与饱和土在水力与力学特性上差异较大、结构性明显的非饱和特殊土[1, 2]。它广泛分布于澳大利亚、中国、英国、印度、阿根廷、西班牙等 60多个国家和地区；中国是膨胀土分布最为广泛的国家之一，先后发现有 20 多个省份和地区近 600000 km2的膨胀土分布[3]。因膨胀土特殊的工程性质，膨胀土灾害屡治不止，每年给全世界水利设施、农业、铁建、公路等带来 150 亿美元以上的经济损失[1, 4]；工程师们一致认为它是一种难对付的特殊土[5]，膨胀土致灾问题被称为岩土工程界的“癌症”[1]。南水北调中线工程干渠长 1277 公里，其中有 170km经过膨胀土地区，膨胀土渠坡的变形和稳定是工程界较为关切的事[6]；膨胀土的强度、变形、持水、稳定性问题，一直是世界性研究课题[7-10]。自1938年美国[11]垦务局工程建设中发现膨胀土引起倒虹吸管基础破坏的问题以来，愈来愈多的膨胀土问题被发现和报道；为此，众多的学者及工程师投入到膨胀土的致灾机理、滑坡超前预警、灾害防治的研究及工程实践中。1957 年，学者们在南非举行了第一届非饱和土研讨会，紧接着美国科罗拉多等地举行了一些区域性的膨胀土学术会议举行。1965 年在美国德克萨斯州举行的第一届国际膨胀土会议标着膨胀土问题成为世界性的研究课题；时隔四年，德克萨斯州举行了第二届膨胀土国际会议。1973 年，以色列海法举行了第三届国际膨胀土会议；之后，在美国（1980）、澳大利亚（1984）、印度（1987）、美国（1992）分别举行了第四~七届膨胀土国际会议[5]。国内，1994 年在武汉召开了中加非饱和土与膨胀土学术会议。这些膨胀土的地区及国际会议，促进了人们对膨胀土致灾机制、灾害防治的研究及认识。人们早就注意到影响膨胀土强度、变形以及裂隙的产生发育的核心影响因素——含水量的浮动与水分迁移。根据土体孔隙中是否充满水，可分为饱和土（充满水）和非饱和土（未充满水）两大类。1925 年，太沙基（Karl Terzaghi）发表第一部专著《土力学》[12]，标志着现代土力学学科的建立；其提出的有效应力原理和 Biot 固结理论成为其土力学核心内容之。由于地球上很大部分地区处于干旱和半干旱地带[5]，地下水位以上的土体，同时由于蒸发作用和蒸腾作用的存在，常处于非饱和状态；可以说，有陆地有土壤的地方，就有非饱和土的存在。由于太沙基的这些理论是针对饱和土，因而对于地球陆地上普遍存在的非饱和土强度表征、固结等问题却无能为力。
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1.2 破损膨胀土力学特性及土-水特征曲线国内外研究现状
膨胀土胀缩性主要取决于膨胀土所含的蒙脱石或伊利石等亲水性黏粒成分及其微观结构（内因）和水分的迁移（外因）两方面[23, 24]。亲水矿物对湿度变化非常敏感，在气候干湿交替等大气营力或加卸载过程中，超固结膨胀土随湿度增减而呈现出显著的胀缩现象，并产生膨胀压力或收缩裂隙。反复的胀缩进一步诱发裂隙的萌生、扩展，贯通，破坏了土体的完整性，使得渗透性及变形增强、强度及稳定性降低[25-29]；裂隙构造的发育为水分入渗提供了直接通道，进一步加剧了土体的劣化进程[16]。超固结性是裂隙性的促进因素，胀缩性和超固结性的影响，在一定程度上是通过裂隙性表现出来。这种多工况的水力-力学耦合作用过程，致使膨胀土形成了多形式的孔洞、裂隙面、剪切带、节理面、软弱夹层等损伤基元，本文称带有损伤基元的膨胀土为破损膨胀土。国内外学者对裂隙性膨胀土破损特性开展了大量研究，主要为宏观试验中强度与饱和度本构关系[30]、裂隙面对抗剪强度的影响[28]、干湿循环对抗剪强度指标（黏聚力及内摩擦角）的弱化效应[31]、温度场裂隙发育的数字图像处理表征[32]。文献[31, 33-35]的研究都表明：裂隙对膨胀土抗剪强度指标有显著的影响；干湿循环产生的裂隙发育或孔隙体积增加都大大降低土的抗剪强度。实际上，土体在环境改变及荷载作用下，形成宏细观的孔洞、裂隙面、剪切带、节理面、软弱夹层等多形式的损伤基元[26, 36]。由于宏观的力学性能与微观结构密切相关的，学者们使用可以动态、定量和无损地对细观层次对土体内部结构变化进行研究的计算机层析成像(computerized tomography，CT) 进行了系列的研究[36-39]。诱发膨胀土裂隙的开展的主要影响因素是含水状态及应力状态的不同，因此，对这两方面开展研究工作至关重要。大量研究[29, 40-46]发现：裂隙性与水分密切相关，膨胀土的裂隙性会极大地影响其渗透及持水特性。归结起来，影响非饱和土性质的外在因素是应力状态和含水状态[47]；用于表征含水状态的 SWCC 又可以用以预测土体强度。本章就破损膨胀土的强度表征、损伤变量的评价及双应力变量广义土-水特征曲线的国内外研究现状进行阐述。
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第 2 章 基于 CT 数的膨胀土损伤变量表征方法试验研究
2.1 基于 CT 数的损伤变量
CT 图像反映了被扫描物体各部位的密度大小，因为不同密度的物质对 X 射线吸收程度不相同， CT 机得到的物体某断面每个物质点的吸收系数，按式（2-1）换算成 CT 数[37]。某物质的 CT 数等于该物质吸收系数与水的吸收系数之差相对水的吸收系数比值的 1 000 倍，其单位为 HU（Housfield Unit）。空气、水的CT 数分别为 1000、0 HU。CT 数与对应位置处密度成正比，物质的密度越大，其 CT 数越大。CT 数大小在 CT 图像上由灰度表示，CT 图像的亮色表示高密度区，暗色表示低密度区。最后 CT 机根据断面上选定区域所有物质点的 CT 数，按有关规范统计该区域的总体 CT 值 ME 和一定置信水平的方差 SD。ME 反映了选定区域所有物质点的平均密度，SD 则反映了该区域所有物质点密度的不均匀程度，间接反映了该区域的结构性强弱。上述两类基于 CT 数的损伤变量是目前岩土类材料损伤研究中采用最为广泛的表达形式，但在裂隙的性状方面，岩石与土存在很大差异性。岩石中裂隙具有连续、相对定向性等特点，而土中裂隙特征刚好相反，断续、杂乱无序。所以，有必要研究到底哪种岩土损伤变量适合用在土的破损分析中。
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2.2 CT-三轴压缩剪切试验
试验用土为南水北调中线工程陶岔引水渠坡的膨胀土，试样直径为 3.91 cm，高度为 8 cm，横截面面积为 12 cm2，初始体积为 96 cm3。首先根据目标含水率 24%配好试验用土，然后在制样筒中分 5 层击实，试样的初始参数见表 2-1。本文设计了 5 个重塑膨胀土样的三轴剪切试验，A 为无孔试样，B 为 3 mm 中间孔破损试样，C 为 6 mm 中间孔破损试样，D 为 6 mm 周边孔破损试样，E 为 4个 3 mm 周边孔破损试样（孔位于 1/2 半径处，十字对称）。控制净围压和吸力分别为 100、50 kPa。先将试样置于三轴压力室内进行一定吸力下的等压固结，待变形和排水稳定后进行控制吸力和净围压为常数的三轴排水压缩试验。稳定的标准是体积应变在 2 h 内不超过 0.006 3 cm3，并且排水量在 2 h 内不超过 0.012 cm3。固结稳定后启动步进电机施加偏应力加载并控制剪切速率为 0.016 7 mm/ min，一直到轴向应变超过 15%。试验在后勤工程学院-汉中 CT-三轴科研工作站完成，如图 2-2 所示，仪器采用与CT机配套的多功能非饱和土三轴仪，CT机型号为GE公司生产的 prospeedAI螺旋 CT 机。
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第 3 章 破损膨胀土三轴加载下的强度特性及破坏模式 .......23
3.1 土体结构破损表征方法 ........... 23
3.1.1 损伤变量与净有效偏应力 ..... 23
3.1.2 净有效莫尔应力圆 ........ 24
3.2 方案及试验 .... 24
3.3 结果分析 ........ 27
3.4 本章小结.........32
第 4 章 膨胀土双应力变量广义土-水特征曲线理论模型.......33
4.1 经典 SWCC 评价与比较...........33
4.2 广义 SWCC 图示及概念..........34
4.3 双应力变量广义 SWCC 模型............35
4.4 双应力广义 SWCC 预测与评价........39
4.5 讨论........40
4.6 本章小结.........41
第 5 章 净正应力对 SWCC 的影响及广义 SWCC 模型验证..........43
5.1 K0状态覆土压力对 SWCC 的影响试验....43
5.2 K0状态覆土压力对 SWCC 的影响分析....47
5.3 广义 SWCC 表征方程的验证............51
5.4 讨论........585.5 本章小结.........59
第 5 章 净正应力对 SWCC 的影响及广义 SWCC 模型验证
5.1 K0状态覆土压力对 SWCC 的影响试验
SDSWCC-H 主要由 Fairchild 轴力压力表和调节器、Bellofram 气动加载缸、Dacell 轴力传感器、Dacell LVDT 位移传感器、Soilmoisture 恒温器、压力室、高进气值陶土板、气泡冲刷回路系统、水体积量测管、双精度（高/低压）压力表及调节器、Dacell 位移及轴力数显、经过滤的压缩气源等组成，具经典压力膜仪不具备的无卸载、连续、精确地测量体变、排水及施加净竖向压力的优点。相较于离心过滤法、分子吸附法、压力膜法等，试验可在不破坏试样结构及加卸载下，连续、精确地获取植物枯萎点范围（0~1500 kPa）膨胀土在不同覆土压力下的SWCC。研究采用 500 kPa 标准进气值陶土板，利用压力室底部陶土板实现水-气分离；通过调节器和压力表调节加载杆轴力施加竖向荷载，见图 5-2。因 SWCC 试验历时几个月，溶解在水中的微量气体会随脱-吸湿过程扩散。与压力膜仪不同，SDSWCC-H 可将扩散气体聚集到蛇形冲刷槽中，通过气泡冲刷系统冲刷至水-气分离器并排出体积量测系统，精确量测不同吸力下试样含水量。
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结论
通过不同初始破损的南阳膨胀土试样的 CT-三轴试验、三轴剪切试验定量研究了适宜表征破损膨胀土的损伤变量和表征方法；利用不同上覆压力的南阳膨胀土SWCC 实验，结合不同应力状态、孔隙状态、土壤类别、应力历史、增湿-脱湿路径下的文献数据，对新提出的广义土水方程进行了多角度验证。主要结论如下：
（1）CT 数的 SD 与轴向应变和偏应力之间都具有很好的近似单调线性关系；并且相同破损面积试样的这种关系是一致的，用 SD 作为本文研究土样的参数定义损伤变量是合适的；ME 可以用来定义岩样的损伤变量，但在本文试验中其与轴向应变和偏应力之间不具备上述一致性，不适合用来定义膨胀土的损伤变量。
（2）在初始含水率为 24%条件下，适宜孔洞破损试样强度反而更高。而当初始含水率为 7%条件时，不同程度圆柱孔破损对土体强度具有一定削弱作用，削弱效果与承载面积有关；破损膨胀土三轴加载下裂隙的开展形式对抗剪强度有重大影响，土体承载能力与土体结构整体性与内摩擦特性密切相关；其应力应变关系可抽象简化为线性硬化破坏模式、弹塑性破坏模式、脆塑性破坏模式、线性软化破坏模式，用以表征三轴加载下不同初始破损膨胀土在不同净围压的裂隙演化及相应的应力应变关系。因而，水分的增减决定着非饱和膨胀土的胀缩状态、裂隙演化、应力-应变模式以及破坏机制。
（3）SWCC 不仅与应力历史有关，还与工作应力状态有关；覆土压力会显著改变膨胀土结构及孔隙通道，进而改变 SWCC 边界效应区、过渡区形态；也改变了双重孔隙尺度土壤的进气值，特别是高吸力范围 SWCC 的进气值。第 1 个波峰SWCC 进气值均在 1 kPa 左右；相比于零覆土压力试样，40、100、200 kPa 覆土压力试样第 2 个波峰 SWCC 进气值分别高出 4.74、17.58、67.23 kPa。压力板法中考虑覆土压力的 SWCC 可作为获取及评估不同深度土壤持水特性及溶质运移的新手段。实验用土颗粒分布出现微弱的间断级配情形，SWCC 也成多峰分布，且覆土压力越大，其多峰效应越明显。
（4）双应力状态南阳膨胀土脱湿过程广义 SWCC 方程试验验证、 Burger 等的零净正应力状态双孔隙尺度硅藻土双峰SWCC的广义SWCC方程试验验证、Lee等不同净围压状态下 Korean 残积土单孔隙尺度 SWCC 试验数据验证、多应力路径法国 Bapaume 黄土脱湿-吸湿循环下的试验数据验证、不同初始干密度的日本Edosaki 砂土脱湿-吸湿 SWCC 试验数据验证均表明，提出的方程双应力广义 SWCC具有包容复杂影响因素的能力；相对于 van Genuchten 方程、Fredlund&Xing 方程，新方程能够利用至少 3 个土-水数据即可拟合出具有较高的精度的整条 SWCC，可大大降低获取 SWCC 的实验时间，具有工程应用优势。
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参考文献（略）