基于CT的干湿循环-动荷载贯序耦合作用下压实粉质黏土细观结构特征研究

为进一步揭示多因素耦合作用下服役期路基土体性能劣化机制,在前期工作基础上,采用CT扫描技术对经历不同干湿循环、动荷载条件的压实粉质黏土试样细观结构特征开展研究,分析干湿循环-动荷载贯序耦合作用对试样孔隙三维空间分布、孔隙体积统计分布、图像灰度统计指标的影响规律,分析试样宏观性能与细观结构特征的关系。试验结果表明：干湿循环作用会导致试样产生更多大孔隙和贯通裂隙,动荷载作用可以使因干湿循环产生的部分孔隙或裂隙闭合;随着干湿循环和动荷载的贯序耦合作用,试样中的小孔隙数量呈增多趋势;干湿循环作用均会导致孔隙总体积增加,动荷载作用则会使孔隙总体积减小;试样细观结构特征参数可以用于解释试样宏观性能演化规律。     

基于FBG技术的饱和膨胀土失水致裂过程试验研究

为了解饱和膨胀土在失水条件下,干缩裂隙发育过程中土体内的应变状态、分布以及变化规律,设计了一个长40cm、宽5cm、深3cm的一维模型槽,将3条FBG传感光栅串埋入饱和膨胀土试样中,对膨胀土不同位置的应变进行了测量,得到了土体失水干缩致裂过程中,各个FBG传感器的应变状态及其变化规律,并分析了首条干缩裂隙及其附近土体的应变分布特征及其时空演化规律。试验结果表明:随着土体含水率的降低,土体首先呈现出整体收缩,之后应变状态发生分异,呈现出拉张区和收缩区交替出现的分布规律; 位于最大收缩区的边缘,当FBG传感器的应变由压缩状态转变为拉伸状态,并且拉应变及其变化速率相对较大的区域将产生首条裂隙。可见,本文所采用的高空间分辨率FBG传感技术为分析膨胀土裂隙发育全过程、揭示膨胀土失水致裂机理,以及膨胀土裂隙性特征的研究提供了新的思路和技术手段。     

压实红黏土失水收缩过程的孔隙演化规律

失水收缩是诱发黏性土体开裂的主要因素之一,揭示收缩开裂的内在机制对预防工程灾变具有十分重要的意义。以压实红黏土为研究对象,开展自然风干条件下4种初始干密度试样的自由收缩试验。依据试样收缩曲线的特征,确定了4个特征含水率点,包括饱和含水率、比例收缩阶段中间含水率、缩限以及残余收缩阶段中间含水率。试样从饱和含水率状态风干到上述特征含水率点后立刻用液氮冻干法干燥,并通过孔隙分析仪测定该脱湿状态下的孔隙分布特征,着重探明细观孔隙体积与宏观总体积收缩的对应过程。结果表明：失水过程的前阶段（偏湿时）团聚体间的孔隙优先收缩,表现为大孔隙体积峰值半径随着含水率的降低而减小,小孔径的孔隙体积则增多;而当达到残余阶段后团聚体内的孔隙会发生收缩,表现为小孔隙的体积峰值会减小;随着含水率进一步降低,土体进入零收缩阶段,团聚体间和团聚体内的孔隙均不会发生变化。整个失水过程中孔隙总体积明显减小,与所测得的宏观变化规律相吻合。     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT试验研究

对南阳重塑膨胀土在干湿循环过程中裂隙的演化进行了CT试验研究，试样的CT图像显示了原有裂隙开展，新裂隙产生，裂缝数量增加并连通，最后形成裂隙网络的过程。定义了基于CT数据的裂隙损伤变量，分析了裂隙损伤变量随累计干缩体变的变化规律。     

基于高密度电阻率成像技术的土体干缩开裂过程监测研究

为了探究土体干缩开裂问题,文章采用ERT技术,对黏性土开展了一维干缩开裂动态监测试验。配制初始状态饱和 的泥浆试样,在自然条件下干燥,采用ERT技术获得试样干燥过程中的电阻值变化。结合试样的电阻值图像和裂隙图像, 对土体干缩开裂规律进行了分析。研究结果表明：在干燥蒸发初期,土体电阻值随时间增加缓慢减小,其原因在于土体干 燥收缩导致土颗粒间接触面积增大,颗粒水化膜变薄,进而使得土颗粒表面双电层导电性增强。随着干燥继续进行,气体 进入土体内部,土体由初始饱和状态转变为非饱和状态,电阻值转为缓慢增加。当土体产生裂隙时,裂隙周围土体电阻值 急剧增大,而未发育裂隙的土体电阻依然保持缓慢增加的趋势。通过对比试样电阻值变化曲线和裂隙图像,发现两者所呈 现的裂隙发育位置和状态存在良好的一致性。因此,ERT技术能对干燥过程中土体裂隙发育进行有效的动态监测,准确掌 握裂隙发育的时空动态信息,并且能提前预测裂隙发育的可能位置,为研究极端干旱气候作用下土体的工程性质响应提供 了理想手段。     

膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究

采用普通固结仪和收缩仪分别进行蒙自重塑膨胀土浸水膨胀变形试验和膨胀土失水收缩变形试验,系统地研究了不同初始状态下膨胀土胀缩变形规律与致灾机制,并应用Does Response模型,定量模拟了膨胀土胀缩时程规律。研究表明,蒙自膨胀土胀缩变形差异较大,一般吸水膨胀率远大于失水收缩率,相似状态下试样膨胀系数越大,收缩系数亦越大,表现出较强的各向异性;膨胀土含有的大量细小黏土颗粒与较强的蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征,是其产生强烈胀缩变形灾害的内因与本质,而土中发育的微孔隙-裂隙结构及其初始状态,是发生胀缩变形灾害的外因。     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙的定量分析

为研究膨胀土在降雨与蒸发过程中的胀缩裂隙演化规律,对原状膨胀土进行干湿循环的CT扫描试验。利用Matlab软件编写程序对土体CT图进行三维体重建以及裂隙信息的提取,从定性与定量的维度研究土体三维空间裂隙与干湿循环之间的关系。定性研究发现,裂隙发育开始于土体内部初始孔洞与微纹裂等薄弱处,并扩展延伸,形成裂隙面、裂隙体,最后形成复杂的三维裂隙网络;随着干湿循环的进行,裂隙面积和体积逐渐增加,最后趋于稳定。定量研究发现,裂隙面积沿试样轴向的分布具有明显的周期性规律,随着干湿循环的进行,周期逐渐减小,振幅A先增加后减小;裂隙开展分为3个阶段,即裂隙酝酿期、裂隙快速发育期和裂隙平稳发展期,而裂隙发育主要发生在裂隙快速发育期。得出了试样径向裂隙面积、轴向高度与累计干缩体变之间的近似关系,以裂隙体积定义了符合Logistic函数变化规律的扰动函数,可以预测裂隙在试样局部的发展及分布情况,为裂隙膨胀土的渗透特性以及整体与局部的应力、应变研究提供参考。     

干燥过程中膨胀土抗拉强度特性研究

膨胀土在干燥过程中由于失水收缩容易产生龟裂,裂隙产生后会极大削弱土体的工程性质.了解膨胀土在干燥过程中的抗拉强度特性,对从力学上进一步认识龟裂的形成和发展过程有重要意义.在室内配制了若干组初始饱和的膨胀土泥浆试样,当试样干燥到不同含水率时,利用改装的超微型贯入仪对试样开展了一系列抗拉试验,获得了膨胀土在干燥过程中抗拉强...     

膨胀土湿干胀缩裂隙演化及其定量分析

膨胀土是一种分布广泛且具有明显胀缩性的裂隙土,其裂纹萌生及裂隙扩展会受到诸多因素的影响。此试验利用基于MATLAB开发的图像处理与裂隙定量分析程序,研究了膨胀土裂隙开展的尺寸和温度效应。制备25个不同初始状态的膨胀土泥浆试样,利用拍照台对其失水收缩过程中试样表面裂隙演化过程以及对应含水率进行记录。运用裂隙定量分析程序,分别对两类效应单独作用、耦合作用下的膨胀土裂隙度 、长径比C、裂隙平均宽度 、分形维数值等指标进行定量化分析发现：膨胀土裂隙的分形维数值具有较好的稳定性,其指标仅受试样厚度轻微影响,分形维数与含水率ω的关系呈近似对数曲线;在失水收缩过程中膨胀土最终裂隙指标主要受到试样厚度的影响,表面尺寸对裂隙长径比、宽度最终值也有一定影响,温度影响主要体现在促使裂隙更早、更快的发育并稳定,对最终指标影响相对不明显,影响显著性顺序为：厚度>表面尺寸>温度;此外还对膨胀土失水收缩开裂过程机制进行分析,进一步研究膨胀土的裂隙发育以及两类效应对其裂隙扩展的影响规律。     

CT技术在土体动测中的应用现状与展望

CT技术主要用于测定土体中的大孔隙、土体受力过程中一般性的结构变化和裂隙演化以及土体动三轴试验前后的变化等.层次上主要是细观、宏观的;针对的土体主要是黄土、膨胀土等特殊土.预计今后土体的CT检测会扩展到其他的土体中,并且会用到更高层次的CT技术.     

膨胀土干缩变形特性试验研究

膨胀土是一种典型的问题性土,对气候变化非常敏感,在干旱气候条件下,极易发生体积收缩变形,引发各种工 程地质问题。为了研究膨胀土的干缩变形特性,开展了一系列室内干燥试验,测定了膨胀土的收缩特征曲线,重点分析 了初始含水率和干密度对干缩变形过程的影响,并进一步探讨了水泥固化抑制膨胀土干缩变形的效果和机理。结果表 明：（1） 膨胀土的干缩变形过程存在三个典型阶段：正常收缩、残余收缩和零收缩;（2） 初始含水率越高,试样蒸发速 率越快,且干缩变形完全后试样孔隙比越小而最终收缩应变越大,干缩变形越明显;（3） 初始干密度越大,试样蒸发速 率和最终体积收缩应变越小,提高初始干密度对试样干缩变形具有一定的抑制作用;（4） 在膨胀土中掺入适量的水泥能 显著降低试样的体积收缩应变,对干缩变形具有良好的抑制效果;（5） 膨胀土的干缩变形具有明显的各向异性特征,并 且与初始状态有关。     

冻融作用下岩石孔隙扩展演化特征研究北大核心CSCD

为探究岩石在冻融循环作用下的裂隙演化特征,利用CT扫描技术,获取不同冻融次数岩石的三维图像,并通过孔隙网络模型参数进行定量表征,研究岩石随冻融循环的裂隙形貌演化过程,以及孔隙结构随冻融次数的变化。结果表明:完整岩石冻融微裂隙主要集中在岩石外围,呈环形片状;而裂隙岩石冻融产生的微裂隙主要存在于预制裂隙周围和岩桥区域,且分布范围更广。冻融循环作用后,完整与裂隙岩石的PNM中各类孔隙变化特征不一。前者孔隙数量减少,小孔占比逐渐减小,中大孔占比增大,孔隙分布位置较为均匀;后者孔隙数量增加,但中孔占比减小,大孔占比迅速增大且主要集中在岩心上下端面。在冻融过程中,岩石各类孔喉结构主要参数均呈增长趋势,裂隙岩石孔喉网络发育更剧烈,冻融结束后其最大喉道半径增长幅度约为完整岩石的2倍。在冻融前期,冻融循环作用主要促进岩石孔隙相互连通,后期主要表现为孔喉加速扩张,且裂隙岩石孔隙率增长速率均大于完整岩石。研究结果可为寒区岩体破坏机理及灾害防治提供参考。     

南京粉细砂空间孔隙结构表征单元体确定

确定统一的表征单元体(REV)尺寸是研究土体细观孔隙结构时首先需要解决的问题。使用6.5μm分辨率同步辐射显微CT扫描南京粉细砂试样,从土样三维重构模型的5个代表性部位提取5组立方体孔隙REV,对每个REV采用最大球算法分析,建立孔隙网络模型,从中提取孔隙率、单位体积孔隙数、孔隙平均体积、孔隙最小体积、孔隙最大半径、孔隙最小半径、孔隙平均半径、孔隙截面积平均形状因子等8个孔隙结构参数,建立其与REV尺寸间的相关性。利用假设检验T检验和F检验,最终确定样品孔隙结构参数的统一REV边长尺寸为400像素,即2.60mm。该方法可用于砂土、粉土等颗粒土体细观孔隙结构分析。     

膨胀土边坡渗透变形的表面裂隙图像特征分析

膨胀土在我国分布广泛。由于其具有涨缩特性,膨胀土边坡在干湿循环条件下易失稳形成滑坡,造成严重的地质灾害。裂隙的发育-扩展-贯通则是膨胀土边坡失稳致灾的前提,因此,准确把握裂隙的发育机制、图像特征,进而推演膨胀土滑坡的形成过程,是一条重要的预警途径。本文以安徽淠史杭灌区膨胀土边坡为研究对象,进行“降雨+自重”条件下的原位试验,对失稳过程中的土体表层裂隙图像特征进行系统研究,重点分析裂隙度、裂隙几何特征参数的变化与边坡失稳之间的关系。研究结果表明：通过土体表层裂隙图像的综合分析,进行边坡危险性评价,具有可行性;针对该地区膨胀土边坡,起始裂隙度处于0.19～0.03范围,后续裂隙度相较初始状态增加范围处于0.5%～1%,且沿软弱结构面存在的横向裂隙发育为主控裂隙时,边坡出现异常,应提出预警。     

膨胀土裂隙定量化基本指标研究

采用计算机图像处理技术,对室内干湿循环试验获得的膨胀土试样的表面裂隙进行定量化分析,研究了裂隙网络的几何结构和形态特征随循环次数的变化规律。基于聚类分析和逐步回归法,从定量描述膨胀土表面裂隙的指标中筛选出了表征其裂隙发育程度的基本指标,利用偏最小二乘回归法建立了基本指标和土体黏聚力的关系式。结果表明:1膨胀土表面裂隙率与分形维数呈正相关性,裂隙条数和总长度受节点个数控制,区块个数反映了区块面积的变化规律,裂隙率在总体上说明了土体的体积变化,平均长度则反映了表面裂隙的连通性;2裂隙的节点个数、块区个数、裂隙率和裂隙平均长度是描述其形态结构和几何特征的基本指标,可以用来描述裂隙的发育程度。     

基于变湿应力概念的膨胀土初始开裂分析

含水率变化时膨胀土体积会产生吸水膨胀或失水收缩,这与温度变化时一般材料的反应相似。当土体的胀缩变形受到约束时就会产生应力,据此提出了变湿应力的概念。借用温度应力理论分析思路,基于弹性力学理论,采用变湿应力来计算土体的胀缩变形,建立了用含水率变化计算变湿应力的理论模型。揭示了裂隙产生的机理是不同埋深处土体水分丧失速率的不同,产生了不均匀的收缩变形。提出了膨胀土初始开裂的临界变湿判据,经比较与实测结果较一致。利用该模型,推导了地表蒸发条件下膨胀土的裂隙初始开展深度,并对其与土体变形模量、胀缩特征参数等的关系进行了讨论。     

基于孔隙胀缩的土−水特征曲线滞后增量模型

土体孔隙比对土?水特征曲线（SWCC）具有重要影响。试验研究表明,土体在经历不同水力荷载路径后,孔隙发生胀缩致使SWCC产生滞后现象。基于这一发现,假设孔隙胀缩可致使SWCC曲线及扫描曲线产生滞后现象,并以轴平移技术为例解释了土体孔隙在水力载荷作用下胀缩的细观行为。在此基础上,将由变截面毛细管模型定义的孔隙等效半径与Fredlund-Xing方程相结合,通过将孔径控制参数?d简化为常量,推导得到了考虑孔隙胀缩并能反映滞后效应的非饱和土SWCC增量方程。该模型仅需通过主干燥及任意一条扫描曲线确定模型参数,即可预测其他扫描曲线。最后,通过5组试验数据验证了该模型对不同类型土的适用性且该模型具有预测高阶扫描曲线的能力。     

膨胀土干缩变形特性试验研究

膨胀土是一种典型的问题性土，对气候变化非常敏感，在干旱气候条件下，极易发生体积收缩变形，引发各种工 程地质问题。为了研究膨胀土的干缩变形特性，开展了一系列室内干燥试验，测定了膨胀土的收缩特征曲线，重点分析 了初始含水率和干密度对干缩变形过程的影响，并进一步探讨了水泥固化抑制膨胀土干缩变形的效果和机理。结果表 明：（1） 膨胀土的干缩变形过程存在三个典型阶段：正常收缩、残余收缩和零收缩；（2） 初始含水率越高，试样蒸发速 率越快，且干缩变形完全后试样孔隙比越小而最终收缩应变越大，干缩变形越明显；（3） 初始干密度越大，试样蒸发速 率和最终体积收缩应变越小，提高初始干密度对试样干缩变形具有一定的抑制作用；（4） 在膨胀土中掺入适量的水泥能 显著降低试样的体积收缩应变，对干缩变形具有良好的抑制效果；（5） 膨胀土的干缩变形具有明显的各向异性特征，并 且与初始状态有关。     

干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究

揭示干湿循环作用下膨胀土力学特性的演化规律对防治膨胀土灾害有重要指导意义。提出了一种基于超微型贯入试验的土体内部力学特性研究方法,在干湿循环条件下对重塑膨胀土开展了一系列贯入试验,获得3次干燥过程中试样贯入阻力随深度和含水率的变化曲线。结果表明:(1)通过超微型贯入试验能够简单、快速和有效地掌握膨胀土在干湿循环过程中力学特性的时空演化特征;(2)试样的贯入阻力在干燥过程中总体呈增加趋势,相对于深部土体,表层土体的贯入阻力对干燥作用更加敏感;(3)干湿循环作用对膨胀土的力学特性有重要影响,随干湿循环次数的增加,膨胀土的贯入阻力总体上呈减小趋势,贯入曲线由单峰结构逐渐向多峰结构过渡,贯入阻力的空间差异性更加突出,且该现象在低含水率区间更加明显。基于土力学、土结构的基本理论以及试验中观测到的一些现象,对干燥过程和干湿循环作用下膨胀土的贯入力学特性进行了分析和探讨。干燥过程中土颗粒收缩靠拢、密实度和颗粒接触点增加及土吸力增加是导致膨胀土贯入阻力增加的重要原因,而干湿循环作用导致的土结构松散化、裂隙化则是引起膨胀土整体力学性质弱化的重要原因。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。