1.3 膨胀土的工程性质研究现状
膨胀土是由膨胀性黏土矿物蒙脱石、伊利石等组成的，具有胀缩性、超固结性、多裂隙性以及强度衰减特性的一类特殊黏性土。
中国膨胀土主要分布在云南、河南、湖北、山西、陕西、甘肃、新疆、内蒙古、东北等地区。由于膨胀土黏粒成分含量较高及其强亲水性的矿物组成，使得膨胀土在天然干燥状态下常处于比较坚硬的状态，对环境气候和水文地质因素有着较强的敏感性，这种敏感性对工程建筑物会产生严重的危害。据统计，美国因膨胀土造成的经济损失平均每年高达20亿美元以上，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成损失的总和，全世界每年因膨胀土造成的损失高达50亿美元以上；我国前几年因膨胀土造成的直接经济损失也在数亿元。
膨胀土工程性质的研究已历经60多年，其过程是一个对膨胀土的胀缩性、超固结性、裂隙性以及强度衰减等特性逐渐认识的过程，这些特性使膨胀土具有不同于其他土类的工程性质，因而中外学者几乎都是围绕着膨胀土的这四大特性分别从膨胀土的成分与结构、胀缩机理、强度、变形、膨胀土地基处理方法等方面进行研究。
1.3.1 膨胀土的矿物成分与结构研究
1.膨胀土的矿物成分与其结构特性
对膨胀土的矿物组成、化学成分及其结构的研究不仅可以了解影响膨胀土工程特性的内因，探讨膨胀土的胀缩机理，而且对膨胀土地基的改良与加固也是非常重要的。目前，膨胀土的矿物组成鉴定主要采用差热分析、X射线衍射、红外光谱、电子显微镜等方法；化学成分的分析主要采用全量化学分析和微量元素分析等方法；而对膨胀土结构的研究随着X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等测试技术的发展及数字化图像处理技术的应用，使得人们对膨胀土结构的认识更加深入了一步。
通过对一些膨胀土基本性质的研究后认为，膨胀土胀缩性的强弱与黏土矿物种类有关，但是否属于膨胀土与土中主要矿物种类无关，对膨胀土的胀缩性起重要作用的颗粒粒径是小于2μm的黏土矿物，风干含水率能较好地反映土的膨胀收缩潜能。现有的研究结果表明，膨胀土的矿物成分主要由蒙脱石、伊利石和高岭石等细小颗粒组成；黏土颗粒的形状多数为片状或扁平状，且形成微集聚体，微集聚体中颗粒呈平行排列，微集聚体间彼此也呈平行排列，具有高度的定向性，呈平行层状排列结构；微集聚体间有面-面接触、面-边接触和面-边-角接触形式而形成各种结构类型。
2.膨胀土的裂隙性研究
膨胀土宏观结构的主要特征就是膨胀土的多裂隙性，产生裂隙的主要原因是由于膨胀土的胀缩特性，即吸水膨胀失水收缩，往复周期循环，导致膨胀土体结构松散，形成许多不规则的裂隙，而裂隙的发育又为膨胀土的进一步风化创造了条件，并且裂隙又成为雨水进入土体的通道，含水率的波动变化使膨胀土反复胀缩，从而进一步导致了裂隙的扩张。人们根据膨胀土裂隙的成因类型把裂隙划分为原生型裂隙和次生型裂隙，随后按生成机理又把次生型裂隙划分为风化与胀缩裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙与滑坡裂隙，并分析了各种裂隙产生的原因，把分形几何理论与膨胀土裂隙结构结合起来，探讨了膨胀土裂隙研究的定量化模式。
3.含水率对土性的影响
膨胀土的结构受含水率的大小、矿物成分的组成及所处的地理环境、地质水文和气候条件等因素的影响，其中影响最大的因素是膨胀土的含水率，因为含水率的变化会引起膨胀土体中的矿物发生物理、化学作用，使矿物元素之间的结合力发生变化，从而引起土体结构的变化。
1.3.2 膨胀土胀缩机理的研究
许多学者从矿物晶格构造理论和双电层理论出发，对膨胀土胀缩机理进行了深入的研究后认为，膨胀土的胀缩不但取决于膨胀土的矿物成分及其结构以及土颗粒表面交换性阳离子成分，而且取决于矿物表面结合水与扩散双电层的厚度。
晶格扩张理论是从组成膨胀土的矿物结构方面对膨胀土的胀缩机理进行解释的。但晶格扩张理论仅仅局限于晶层间吸附水膜夹层的楔入作用，而没有考虑黏土颗粒间以及聚集体之间吸附结合水的作用。双电层理论认为，在土-水-电解质系统中，土表面离子浓度很高，分子的热运动企图使离子均匀地分布在溶液中，产生一种扩散双电层，由于水是极性分子，在溶液中它要被粒子吸引并使离子发生水化形成结合水化膜，结合水化膜增厚使土颗粒间的距离增大，导致土体膨胀；离子水化膜的厚度与离子半径大小有关。一般而言，离子的半径越小，水化离子的半径就越大，形成的水化膜就越厚，膨胀性就越明显。
由以上研究可见，对于膨胀土机理的描述有“晶格扩张”理论、“扩散双电层”理论和“结构”理论，这些理论都很难独立圆满解释膨胀土的特性，只有相互弥补各自的不足，才能较好地解释膨胀土的特性。从笔者多年的学习和研究看，膨胀土中黏土矿物、碎屑矿物以及游离氧化铁、氧化铝和氧化硅的存在是膨胀土湿胀和干缩的主要原因。
1.3.3 膨胀土的强度研究
通常膨胀土的峰值抗剪强度是相当高的，但从失稳的膨胀土坡反算出的抗剪强度却往往远低于其峰值，这一现象引起了土力学专家们的注意，许多学者在各自研究的基础上提出了不同的理论和选取强度的方法，如渐进性破坏理论、滞后破坏理论、胀缩效应理论、气候作用层理论及分期分带理论等。综观这些理论可以看到，造成膨胀土强度衰减的主要原因来自四个方面，即胀缩性、裂隙性、超固结性和非饱和特性。
1.膨胀土的胀缩性对抗剪强度的影响
自然状态下膨胀土的强度较高，但遇水后会使膨胀土的原有结构发生改变，土体结构破坏，强度降低，其降低的程度不仅与膨胀土的初始含水率有关，而且与膨胀土的干湿循环有关。研究表明，黏聚力和摩擦角的对数分别与含水率呈线性关系，并认为浸水后的膨胀土具有一个稳态强度，不同地区和不同含水率的膨胀土稳态强度值不同。
2.膨胀土的裂隙性对抗剪强度的影响
膨胀土边坡破坏往往是在开挖比较长的时间后才会发生，这是由于膨胀土边坡开挖后长期暴露在外界，随着气候条件和温度的变化发生吸水膨胀失水收缩，往复周期循环，导致膨胀土土体结构松散，形成许多不规则的裂隙，而裂隙的发育又为膨胀土的进一步风化创造了条件，使得膨胀土的抗剪强度降低而形成滑坡。研究结果认为，由于裂隙性引起的应力集中和吸力下降等原因造成土层软化，使黏聚力随时间减小，引起滞后破坏；将膨胀土的裂隙性作为反映土体性状的主要方面，通过室内试验、现场观测以及数值模拟分析方法，对裂隙的观测手段与定量化描述、浸水愈合特征、裂隙网络渗流特性、裂隙土体强度特性等方面进行了全面、系统的试验研究，建立了膨胀土边坡裂隙网络入渗的数学模型和非饱和裂隙膨胀土固结的数学模型，并应用数学模型对降雨入渗条件下不同裂隙发育状态时膨胀土边坡中水汽运移、强度与变形特征进行了有限元数值分析，得出了膨胀土强度随裂隙发展变化的规律。
3.膨胀土的超固结性对抗剪强度的影响
超固结性是膨胀土的重要特性之一。膨胀土在沉积过程中逐渐加厚而产生固结压密，随着自然环境的变化和地质作用的影响，土的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程中，膨胀土在地质作用和不断的干湿循环作用下吸水膨胀失水收缩而发生剥落产生卸载作用，但是膨胀土体由于先期固结压力形成的部分结构强度阻止了卸载可能产生的膨胀而处于超固结状态。引起膨胀土的超固结性原因有风化、冲刷、剥蚀地质作用、冰川消融、地下水位长期下降、物理和化学作用及上覆压力卸除等，形成了土层的超固结。超固结膨胀土边坡的破坏是逐渐进行的，其抗剪强度并非在整个滑动面上同时发挥，利用现场众多滑动面反算得到的平均强度多介于峰值强度与残余强度之间，而且在逐渐性破坏中，强度不一定要降到残余强度，且初次滑动的强度略低于峰值强度。
4.膨胀土的非饱和强度特性
工程中所遇到的膨胀土绝大多数处于非饱和状态，因而采用非饱和土强度理论研究膨胀土问题是比较接近实际情况的。对非饱和土强度理论的研究，主要有以下几种典型形式：
（1）Bishop理论。Bishop根据饱和土有效应力原理以及土的饱和状态与干燥状态的特点，用一个参数χ构造出非饱和土有效应力公式，即
式中：σ'、σ、ua和uw为非饱和土的有效应力、总应力、孔隙气压力和孔隙水压力；χ为非饱和土有效应力参数，0≤χ≤1。
然后将有效应力和库仑的强度公式联系起来得到非饱和土的抗剪强度公式，即
Jennings通过试验指出，对于饱和度大于85%的黏土，式（1.18）是适用的，但包承纲、谢定义、邢义川、刘奉银等对式（1.18）持有怀疑态度，其原因是χ值是一个综合影响参数。
（2）Fredlund双变量理论。Fredlund等人把非饱和土视为有固相、液相、气相和收缩膜四相系，推导出描述非饱和土强度变形的三组双变量，即（σ-ua）和（ua-uw）、（σ-uw）和（ua-uw）以及（σ-ua）和（σ-uw），并通过分析比较认为用（σ-ua）和（ua-uw）来表达非饱和土的强度最为方便，其抗剪强度的表达式为
式中：c'、ϕ'为饱和土的有效应力强度参数；ϕb为基质吸力参数，即（ua-uw）与τ平面内强度包线的坡角（即吸力内摩擦角）。
双变量体系研究的成果主要体现在Fredlund与Rahardjo合著的《非饱和土力学》中，国内外其他专家学者也做过不少研究，它几乎成了当代非饱和土力学研究中的主流。
（3）卢肇钧的吸附强度理论。卢肇钧将膨胀力引起的强度称为吸附强度τs，并对非饱和土的黏聚力、摩阻力和吸附强度进行了系统地研究和分析，对膨胀压力与吸附强度的相互关系进行了探讨，提出了用膨胀压力来估算非饱和土吸附强度的关系式，即
式中：m为膨胀力的有效系数；Ps为膨胀压力，是非饱和土试样在侧向受约束的条件下浸水时为维持其体积不变所需要施加的竖向压力。然而其适用性还有待进行验证。
1.3.4 膨胀土变形的研究
膨胀土的膨胀变形特性是膨胀土最明显的特征，膨胀土也因此而得名；膨胀土的变形可分为两大类：①外加荷载作用下的压缩变形；②降雨入渗、浸水或与外加荷载共同作用下的湿胀、湿化变形，或外加荷载与蒸发、风干和水位下降而发生干缩变形等。
对膨胀土变形特性研究的学者较多，也取得了比较丰富的研究成果。典型的研究成果有以下几个：
（1）受温度应力场的启发，提出了一种新的湿度应力场理论，并给出了湿度应力场的耦合方程，并用湿度应力场理论对膨胀岩巷道围岩遇水后的稳定性及变形进行了分析。
（2）对非饱和膨胀土的结构模型和力学性质的研究，建立了膨胀土微结构的数学模型和膨胀土的结构性强度理论，并在饱和的弹塑性本构关系中增加吸力作为独立的应力状态变量得到非饱和膨胀土弹塑性本构模型。
（3）以复合体损伤理论为基础，建立了非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型，该模型可以反映原状膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结性三个主要特征所造成的独特力学特性。
（4）利用三向胀缩特性仪研究了一些膨胀土的各向异性，找出了垂直膨胀力和水平膨胀力之间的关系、变形和膨胀力之间的关系以及湿胀干缩循环膨胀力的变化。