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考虑膨胀力的膨胀土基坑边坡土压力精细化研究：理论、模型与工程实践

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的快速推进，基础设施建设和房地产开发项目日益增多，在工程建设中，膨胀土作为一种特殊的黏性土，广泛分布于世界各地，我国也有超过20个省、区存在膨胀土，其分布面积广泛。膨胀土具有显著的吸水膨胀、失水收缩特性，这一特性使其在工程建设中成为一个极具挑战性的问题，被称为“工程中的癌症”。

在基坑工程中，膨胀土的存在严重威胁着基坑边坡的稳定性。当膨胀土基坑边坡遭遇暴雨时，雨水入渗导致土体含水量增加，进而引发两个关键问题：一方面，水对土体产生软化作用，使得土体的抗剪强度显著降低；另一方面，膨胀土吸水后体积膨胀，产生附加的膨胀力。这两种因素的共同作用极大地增加了基坑边坡失稳的风险。据相关统计资料显示，在膨胀土地区的基坑工程中，因膨胀土特性导致的边坡失稳事故时有发生，不仅造成了巨大的经济损失，还可能引发严重的安全事故，威胁到人们的生命财产安全。例如，某膨胀土地区的高层建筑基坑工程，在施工过程中遭遇暴雨，由于未充分考虑膨胀土的膨胀力影响，导致基坑边坡局部坍塌，不仅延误了工期，还增加了大量的工程处理费用。

然而，当前在基坑边坡支护设计中，对于膨胀土吸水产生膨胀力的问题，主要采用经验手段，通过降低土体强度指标来间接考虑其影响，而未能直接对膨胀力进行精确计算和分析。这种处理方式存在明显的盲目性，可能导致两种不良后果：一是过于保守的设计，造成工程材料和资金的浪费；二是设计不足，无法有效抵抗膨胀力的作用，从而引发工程破坏。因此，深入研究考虑膨胀力的膨胀土基坑边坡土压力具有极其重要的现实意义。

从工程安全角度来看，准确计算膨胀土基坑边坡土压力，充分考虑膨胀力的影响，能够为基坑边坡支护设计提供更为科学、可靠的依据，有效提高基坑边坡的稳定性，降低工程事故的发生概率，保障工程建设的顺利进行以及周边环境的安全。从成本控制角度而言，精确的土压力计算有助于优化支护结构设计，避免过度设计造成的资源浪费，同时也能防止因设计不合理导致的工程返工和修复费用，从而实现工程经济效益的最大化。

1.2国内外研究现状

膨胀土作为一种特殊土类，其特性及工程问题一直是岩土工程领域的研究热点。国内外学者在膨胀土特性、土压力计算方法以及膨胀力对土压力影响等方面开展了大量研究，取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。

国外对膨胀土的研究起步较早，在膨胀土的基本特性研究方面，取得了丰硕的成果。例如，美国、英国、荷兰等国家的研究者们对膨胀土的矿物成分、物理力学性质、胀缩特性等进行了深入系统的研究。他们通过大量的室内试验和现场观测，揭示了膨胀土的微观结构与宏观特性之间的关系，为膨胀土的工程应用提供了重要的理论基础。在土压力计算方法研究方面，经典的土压力理论如朗肯土压力理论和库仑土压力理论，在常规土体的土压力计算中得到了广泛应用。然而，这些理论在考虑膨胀土的特殊性质时存在一定的局限性。随着研究的深入，一些学者开始尝试对经典土压力理论进行修正和改进，以使其更适用于膨胀土的土压力计算。例如，通过引入膨胀土的膨胀性指标，对土压力计算公式进行调整，试图更准确地反映膨胀土的土压力特性。在膨胀力对土压力影响的研究方面，国外学者也进行了一些探索。他们通过试验研究和数值模拟，分析了膨胀力的产生机制、分布规律以及对土压力的影响程度。一些研究表明，膨胀力的存在会显著改变土压力的大小和分布，在基坑边坡支护设计中必须予以考虑。

我国对膨胀土的研究虽然起步较晚，但近年来发展迅速。在膨胀土特性研究方面，通过引进国外先进技术、加强国内科研攻关、结合我国实际情况进行创新性研究，我国在膨胀土工程性质、评价方法、加固改造技术等方面取得了显著进步。例如，我国学者通过对不同地区膨胀土的大量试验研究，建立了适合我国国情的膨胀土判别与分类标准，明确了膨胀土的工程特性指标及其相互关系。在土压力计算方法研究方面，我国学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合国内工程实践，提出了一些新的计算方法和模型。例如，基于极限平衡理论和有限元方法，考虑膨胀土的非线性力学特性和应力路径对土压力的影响，建立了相应的土压力计算模型。在膨胀力对土压力影响的研究方面，我国学者也开展了大量的研究工作。通过现场监测和室内试验，分析了膨胀力在不同工况下的变化规律及其对土压力的影响机制。一些研究成果已应用于实际工程，取得了较好的效果。

然而，当前关于膨胀土基坑边坡土压力的研究仍存在一些不足与空白。在膨胀土特性研究方面，虽然对膨胀土的基本特性有了较为深入的认识，但膨胀土的工程性质受多种因素影响，如土体结构、矿物成分、膨胀潜势等，具有明显的非均匀性和空间变异性，这使得对其精确性能评价和合理设计较为困难。在土压力计算方法研究方面，现有的计算方法大多基于简化