1緒論(1)

1.1導言(1)

1.2膨脹土裂隙研究現狀(2)

1.3膨脹土結構特征研究現狀(7)

1.4分形幾何在土體微結構研究中的應用(10)

1.5裂隙膨脹土滲流特性研究(11)

1.6主要研究內容(13)

本章參考文獻(14)

2原狀膨脹土裂隙發育模型試驗研究(22)

2.1引言(22)

2.2試驗土樣與研究方法(22)

2.3膨脹土平面裂隙圖像處理(24)

2.4原狀土土樣表面裂隙發育形態研究(30)

2.5原狀膨脹土裂隙三維空間分布特征(34)

2.6原狀膨脹土干縮開裂微觀結構變化特性(37)

2.7本章小結(41)

本章參考文獻(42)

3重塑膨脹土裂隙發育模型試驗研究(44)

3.1引言(44)

3.2土樣均勻性對裂隙發育的影響(44)

3.3裂隙發育的溫度敏感性(47)

3.4裂隙發育的尺寸效應(48)

3.5不同厚度下膨脹土裂隙擴展規律(52)

3.6不同干濕循環次數下膨脹土裂隙擴展規律(60)

3.7不同膨脹土裂隙的三維空間分布擴展規律(64)

3.8膨脹土干縮開裂微觀結構變化特性(67)

3.9干濕循環裂隙膨脹土電鏡試驗研究(79)

3.10本章小結(83)

本章參考文獻(85)

4裂隙膨脹土滲流模型試驗研究(86)

4.1引言(86)

4.2不同裂隙發育階段膨脹土降雨入滲試驗(86)

4.3不同壓實度裂隙膨脹土降雨入滲試驗(93)

4.4不同初始含水率裂隙膨脹土降雨入滲試驗(97)

4.5裂隙模型的建立(101)

4.6降雨入滲引起膨脹土邊坡的暫態滲流場(105)

4.7本章小結(108)

5活化膨潤土在垃圾填埋場襯裡中的應用研究(110)

5.1引言(110)

5.2溫度與土壤固體顆粒濃度對襯裡土壤材料吸附重金屬的影響(111)

5.3垃圾填埋場襯裡的設計與模型試驗研究(124)

5.4溫度梯度作用下污染物在襯裡中遷移的數值分析(138)

5.5本章小結(145)

本章參考文獻(147)

6結論與展望(148)

6.1結論(148)

6.2應用前景和展望(150)

膨脹土在世界範圍內分布極廣，迄今發現存在膨脹土的國家有40 多個，遍及六大洲。我國是膨脹土分布廣的國家之一，先後在20多個省、市和自治區發現膨脹土，其總面積在10萬平方千米以上。由於膨脹土的性質不穩定，這種不穩定的性質對基礎建築工程建設有強烈的破壞作用，所以膨脹土及其工程問題一直是岩土工程和工程地質研究領域中世界性的重大課題之一。

膨脹土主要由蒙脫石等親水性黏土礦物組成，對氣候和水文因素有較強的敏感性，這種敏感性對工程建築物會造成嚴重的危害，如垃圾衛生填埋場中，膨脹土襯墊層和覆蓋層會因水分蒸發出現開裂而失效，從而造成嚴重的污染問題。膨脹土顆粒組成中黏粒含量超過30%，且蒙脫石、伊利石或蒙伊混成等強親水性礦物占主導地位。膨脹土的“三性”（脹縮性、裂隙性和超固結性）對其強度都有強烈的影響，使得膨脹土的工程穩定性極差。

本書以膨脹土為研究對像，分別研究膨脹土裂隙擴展規律；研究膨脹土脫濕干燥後微觀結構變化，分析其微觀機理；通過室內降雨入滲試驗研究裂隙膨脹土滲透特性；研究膨潤土在填埋場底部襯裡繫統中的應用，通過靜態平衡吸附試驗確定采用酸活化膨潤土、顆粒活性炭及氧化鈣改良的襯裡土壤材料對垃圾滲濾液中重金屬的吸附能力以及吸附參數值。本書的第1章、第2章、第3章、第4章、第6章由武漢輕工大學汪為巍副教授撰寫，共15萬字；第5章由武漢輕工大學陸海軍教授撰寫，共4.6萬字。

本書主要針對裂隙膨脹土開展滲流模型試驗研究，內容繫統全面，資料詳實可靠，具有較深刻的理論研究和工程實踐意義。

本書的撰寫主要得到以下課題的支持。

（1）國家自然科學基金項目（11602183）：膨脹土裂隙演化三維分布特征及滲流特性研究。

（2）國家自然科學基金聯合基金重點項目(U20A20320)：長江中遊固廢填埋場生態污泥覆蓋屏障繫統失效機理與安全調控。

本書在撰寫過程中受到很多幫助，在此向所有提供幫助的人表示感謝！

由於時間倉促，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。



著者

2021年10月 

1緒論1.1導言

膨脹土及其工程問題一直是岩土工程和工程地質研究領域中的重大課題之一。膨脹土是一種具有顯著脹縮性的土體，其礦物成分以蒙脫石為主。膨脹土對外界環境特別是水的變化非常敏感。膨脹土在遇水或者濕化的情況下體積發生膨脹，在干燥失水情況下體積發生收縮，並且容易發育裂隙。膨脹土的這種性質對工程結構的安全性有重要影響，容易導致各種工程地質問題和災害發生，比如地面開裂、滑坡、地面沉降和地基失穩等。

通常從以下三個方面來描述膨脹土的特性。①膨脹土的脹縮性。膨脹土的脹縮性主要指“吸水膨脹，失水收縮”的性質。其中，土體內部蒙脫石的含量決定了膨脹土膨脹量的大小，是膨脹土特殊性質的主要物質基礎。膨脹量是用來衡量膨脹土的膨脹性的指標。膨脹土在受到一定外部荷載作用時，會產生膨脹力。膨脹量和膨脹力都可能導致相鄰建築物發生安全事故。此外，膨脹土的性質還受到微結構的影響。②膨脹土的裂隙性。膨脹土的土體膨脹產生裂隙，因此膨脹土的裂隙性和其膨脹性之間的關繫十分密切。膨脹土的裂隙主要可以分成原生裂隙和次生裂隙。原生裂隙是膨脹土在失水收縮過程中產生的裂隙。次生裂隙是由於膨脹土的內部不穩定性產生的，這種內部不穩定性包括土體內部不均勻移動或者在邊坡開挖時引起的土體內部應力的釋放。③膨脹土的超固結性。超固結性通常是由於山地土壤的侵蝕以及次生固結作用和膠結物質的陳化導致的超壓密作用形成的，也可能是由於土體長期受到水的飽和與浸潤作用而產生的。它導致土體產生較大的水平位移或強度的減弱，不利於土體的穩定。

膨脹土在天然狀態下常處於較堅硬狀態，對氣候和水文因素有較強的敏感性，這種敏感性對工程建築物可能造成嚴重的危害。膨脹土給工程建築物帶來的危害既表現在地表建築物上，也反映在地下工程中，成為淺表層輕型工程建設的全球性技術難題，引起了各國學術界和工程界的高度重視。首屆國際膨脹土會議於1965年在美國召開，每四年一屆；國際工程地質大會、國際土力學及基礎工程大會等都將膨脹土工程問題列為重要的議題；英國、美國、中國、日本和羅馬尼亞等國都先後組織力量專門研究膨脹土的工程性質，制定有關的規範；這些舉措充分反映了各國對膨脹土工程問題的高度重視。

目前學術界對於膨脹土遇水情況下的膨脹變形問題的研究相對較多，但是關於膨脹土收縮特性的影響研究較少。膨脹土的干燥失水收縮和開裂同樣會引起工程的安全問題。當膨脹土收縮到一定程度時，收縮產生的裂隙會在很大程度上削弱土體的強度。近些年來，由於全球干旱與干旱氣候的頻繁發生，在膨脹土分布較多的地區，因地基土收縮沉降導致房屋、橋梁、道路、水庫大壩等基礎設施破壞受損的報道層出不窮，膨脹土導致的工程問題造成了巨大的經濟損失［1］。馮研等［2］研究膨脹土地區路基下地基的物理力學特性與沉降變形，得出了可采用超固結法沉降計算方法進行沉降分析的結論。楊小明等［3］研究發現，裂隙面的存在會顯著降低膨脹土邊坡的穩定性，因為裂隙的存在會加速雨水入滲，導致滑坡等危害的發生。在膨脹土地基的隔離繫統中也存在干縮開裂問題，如垃圾衛生填埋場中膨脹土襯墊層和覆蓋層會因水分蒸發出現開裂而失效［4］；核廢料地質處置庫中核廢料的衰變發熱會使膨脹土緩衝回填材料發生干縮變形甚至開裂，進而危害核廢料儲庫的安全運營［5］。由此可見，膨脹土干縮開裂誘發的工程地質問題十分嚴重，危害巨大。

需要指出的是，受到工程地質和水文地質條件的影響，自然界中膨脹土的分布範圍及厚度存在明顯的差異性，這種尺寸效應在一定程度上會影響膨脹土的工程性質（尤其是干縮開裂特性），然而這方面的問題常被人們忽視。因此，加強關於尺寸效應對膨脹土干縮開裂特性影響的研究，繫統地分析膨脹土在不同尺寸下的裂隙發育規律，對指導膨脹土地區的工程防災減災具有重要的理論意義和社會意義。分析膨脹土體積干縮過程與裂隙發育過程的內在聯繫，有助於我們更好地掌握膨脹土裂隙的形成機制，為防治膨脹土可能造成的工程地質問題提供參考。