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。     

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。     

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。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

岩土体吸水膨胀应力系数的试验研究

基于岩土体膨胀性是其含水量的函数的认识,提出了岩土体吸水膨胀应力系数的概念。从膨胀应力与含水率的变化关系出发,研制出吸水膨胀应力系数试验装置;根据试验得到的膨胀应力与含水率增量的关系曲线和计算得到的岩土体吸水膨胀应力系数,对不同状态与类型重塑土样吸水膨胀应力系数的变化规律进行了深入研究。试验研究结果表明:试验装置所测土样的最终含水率误差在1.0%左右,能够较好地得到不同岩土体的吸水膨胀应力系数;由于黏土颗粒水化程度的不断增加,各岩土体的膨胀应力都随含水率的增加而增大,且膨胀应力与含水率增量呈线性关系;初始含水率15.0%条件下云南呈贡强膨胀土、成都弱膨胀土、成都粉质黏土的膨胀应力系数分别为92.2(kPa/%)、42.6(kPa/%)、0.9(kPa/%),是由于不同类型岩土中黏粒含量的差别,导致不同类型岩土体的膨胀应力系数有较大的差别;膨胀应力系数能够有效地区分岩土体的膨胀性,可以用膨胀应力系数对岩土体的膨胀性进行分类。     

三星堆城墙干缩裂缝开裂与扩展机理

针对土遗址干缩裂缝病害,以三星堆月亮湾城墙剖面为依托,探讨干缩裂缝的开裂条件、扩展特征以及失稳扩展条件。研究结果有助于揭示土遗址开裂规律,对遗址保护的工程实践具有指导意义。针对月亮湾城墙土体进行室内干燥试验,通过电子天平记录试样失水过程,采用图像分析技术得到裂缝的开裂与扩展过程,利用数字图像相关技术得到开裂过程的位移场与应变场。结果表明:试样表面缺陷降低了开裂所需的拉应力,缺陷与边界的距离越小,引发开裂的缺陷临界尺寸就越小,因此裂缝更易在试样边界附近缺陷处产生;根据断裂力学理论,考虑含水率对土体性质的影响,裂缝失稳扩展需满足应力强度因子对含水率的增加率大于断裂韧性;理论推导出裂缝失稳扩展临界长度的计算方法,该方法初步得到了实测数据验证;随着含水率从45.6%降低到29.1%,失稳扩展临界长度与试样宽度比值从0.109减小到0.024,含水率越低裂缝越易进入失稳扩展阶段,开裂处一个微小的缺陷就可能引发裂缝的快速扩展;对土遗址表面进行保护时,应着重修补分布在土层边界区域的大尺寸缺陷;定期监测土遗址临空面,一旦发现开裂,应及时对裂缝及其附近缺陷进行修复,以防止裂缝失稳扩展。     

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。     

冻融循环下加筋膨胀土边坡稳定性模型试验

控制边坡在冻融循环中的劣化作用,可保障季节冻土区域膨胀土边坡长期稳定。为确定土工格栅对膨胀土边坡在冻融循环过程中的稳定效果与工程意义,本文开展了膨胀土边坡模型试验,对比冻融过程中边坡内土压力、含水率、位移、温度变化。结果表明：土工格栅可约束膨胀土冻融裂缝,使裂缝发育更为均匀一致,同时减小边坡位移;加筋材料能抑制边坡水分迁移与热传导并减小土压力变化;对膨胀土边坡加筋处理可显著降低含水率波动幅值,从而减小膨胀土受含水率变化引发的胀缩劣化;不同于普通黏土,膨胀土边坡冻融循环中呈现冻缩融胀特点,而边坡加筋可有效提升冻土区膨胀土边坡的冻融稳定性,具有工程应用价值。     

膨胀土地区边坡拟框锚结构工作特性的现场试验

以广西膨胀土为研究对象,考虑气象因素的影响,模拟单锚和框锚结构,进行了现场试验测试。膨胀土与结构物共同作用的结果表明,大气剧烈影响深度范围内土体的胀缩性会对锚杆的工作状态产生较大影响,实际工程中可以考虑对大气剧烈影响深度范围内的锚杆设置自由段。在雨季,框架梁可通过锚杆对梁的约束限制土体膨胀变形,维持土体干密度,进而阻止土体强度的衰减,以达到防止边坡发生浅层破坏的目的。膨胀土吸湿膨胀时,由于框锚结构是半刚性的体系,随着变形协调的过程,框锚结构会释放部分膨胀力,这使梁底土体反力维持在一个定值左右,同时,土体反力呈现中间大两边小的分布形式。现场试验测试结果可对框锚防护系统的设计起到优化的作用。     

南水北调渠坡膨胀土胀缩特性及变形模型研究

南水北调工程膨胀土渠坡变形受大气降雨、蒸发等干湿循环作用较为显著,揭示渠顶膨胀土在干湿循环作用下的胀缩变形和垂直位移变形特征,可为渠坡的稳定性评价与处治方案提供依据。利用膨胀土室内胀缩特性试验结果,结合垂直位移量、含水率、降雨量、蒸发量和气温监测等现场观测数据,分析渠顶位移量和影响因子间关联度,建立了干湿循环作用下渠顶膨胀土的竖向变形模型。研究结果表明,以含水率、降雨量、蒸发量等构成的胀缩因子与渠顶垂直位移呈负相关关系,胀缩因子引起垂直位移分量较小;温度因子与渠顶垂直位移呈正相关关系,对渠顶垂直变形有较大影响,是影响渠顶变形的主要因素;渠坡开挖（时效因子）在施工初期对渠顶垂直变形有一定的影响,开挖完成后对渠顶垂直变形影响甚微。     

干湿循环对合肥马鞍山路膨胀土强度特性的影响

膨胀土属高塑性黏土,是一种典型的非饱和土,性质极不稳定,其吸水膨胀、失水收缩、干缩裂隙发育等特性常常使建筑物产生不均匀的胀缩变形,造成在膨胀土地基上的建筑物位移、开裂、倾斜,甚至破坏,是一种典型的工程灾害性地质土。另外,膨胀土边坡也常由于雨水的作用失稳,造成不必要的损失。近年来,对膨胀土的强度和变形特性的研究已成为热点。其最大的特点是：在季节气候的影响下其强度特性具有明显的规律变动。通过模拟土体季节性的干缩湿胀,测定其自由膨胀率、液塑限、抗剪强度和无侧限抗压强度,并与掺入7％石灰后的改良土的试验数据及其他试验资料对比,探讨干湿循环效应对膨胀土强度的影响。     

重塑膨胀土的三向膨胀力试验研究

用三向胀缩仪对南阳陶岔重塑膨胀土做了12个三向膨胀力试验,9个湿胀干缩试验和9个控制变形的膨胀力试验。试验结果表明,三向膨胀力不等,水平膨胀力小于竖向膨胀力;湿胀干缩使重塑膨胀土的膨胀力降低,第一次干湿循环后膨胀力减小最多;微小的位移可以使膨胀力大大降低,膨胀力与位移呈对数关系;给出了膨胀力与初始含水率和干密度的关系式。     

土样厚度对橡胶加筋膨胀土裂缝演化规律的影响研究

膨胀土具有多裂缝性的不良工程特性,对边坡等膨胀土地区工程具有潜在威胁。再生橡胶加筋膨胀土(ESR)对膨胀土动力、静力以及胀缩性有良好的改良效果。膨胀土的裂缝演化形态会受到土样厚度的影响,本文使用橡胶加筋膨胀土,对照素膨胀土探究橡胶粉末对膨胀土裂缝演化的影响与ESR裂缝的厚度效应。试验共设计未添加橡胶素膨胀土与ESR各4组不同厚度试样展开研究,结果如下:(1)膨胀土自然干燥过程含水率可分为3阶段变化,ESR的含水率变化更为迅速;(2)膨胀土的开裂过程存在明显厚度效应,ESR的厚度效应相较更不明显,裂缝演化更具有均匀性;(3)膨胀土开裂过程中的裂缝总长度与总面积受厚度效应影响严重,橡胶加筋可以约束膨胀土裂缝长度与面积并减少不同厚度样品间差值;(4)膨胀土裂缝发育的分形维数最终在1.4~1.5之间,不同厚度橡胶加筋膨胀土的分形维数变化更为接近。     

南水北调潞王坟段弱膨胀土膨胀性研究

河南新乡潞王坟段膨胀土系第三系泥灰岩风化而成,以高岭石黏土矿物为主,具有弱膨胀性,其膨胀变形特性受孔隙结构影响比较大。为了清楚地研究试验段弱膨胀土的膨胀特性,从有荷膨胀变形、膨胀应力、循环胀缩变形3个方面进行研究,得出不同于以往其他膨胀土的膨胀变形特性：（1）当初始干密度比较小时,上覆压力超过膨胀应力,此时试样遇水不发生膨胀变形,反而出现明显的湿陷现象;当压实度大于96%后,即使上覆压力超过膨胀应力,试样遇水后也不发生湿陷现象,膨胀变形随上覆压力增大而趋于稳定值;（2）试验段弱膨胀土的膨胀应力随初始含水率的增加先增大后减小,出现膨胀应力峰值;（3）随着循环胀缩级数的增加,弱膨胀土的胀缩特性迅速降低,在循环级数达到4时,其胀缩特性就趋于稳定。上述3方面的膨胀特性充分表明,该弱膨胀土的膨胀特性与孔隙结构有着密切的关系     

聚丙烯纤维改良膨胀土干缩裂隙试验研究

为了更好地探究聚丙烯纤维对膨胀土干缩裂隙的抑制作用,在相同的蒸发温度下分别从定性和定量两个方面对有纤维和无纤维的膨胀土表面裂纹发展、演变和特征进行分析。研究结果表明,水分蒸发过程中聚丙烯纤维对膨胀土的裂缝有显著的抑制作用,而在干缩裂缝形成过程中裂缝数量与裂缝接缝的比值γ能够反映裂缝的穿透程度,其值越小,裂缝的穿透程度越强。这种物理改良方式能够使聚丙烯纤维与膨胀土连接成为整体,进而将干缩应力扩散到膨胀土中,有效减缓其裂缝发展的速度。研究成果可在干缩裂隙膨胀土地区路基处理中推广应用。     

气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究

以广西膨胀土为研究对象,考虑气象因素的影响,通过现场试验对膨胀土的胀缩变形、变形模量与渗透特性进行了原位跟踪测试。结果表明,较小的降雨量就可以使表层土体的含水率和膨胀状态达到极限。对降雨过程而言,自然状态下膨胀土雨水入渗的影响深度是有限的;膨胀土变形模量随含水率的增加以幂函数的形式逐渐降低;当含水率较低、裂隙较发育时,土体的渗透性会大大提高,而植被的存在也会较大幅度地改善土体渗透性,为深入认识膨胀土边坡的灾变机制提供了依据。     

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。     

汉中盆地膨胀土研究

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩,具有较大胀缩变形能力的高塑性粘性土。即使在一定的荷载作用下,它仍然具有胀缩变形能力。在膨胀土分布的地区建造房屋或构筑物,若不采取必要的措施,就会导致产生裂缝和损坏。汉中盆地内膨胀土分布较广,因此研究它具有现实意义。     

重塑膨胀岩热传导性能及影响因素试验研究

以南宁第三系膨胀泥岩为研究对象,采用热探针法研究含水率、干密度、温度及体积变形率对重塑膨胀岩试样导热系数的影响。研究表明：重塑膨胀岩的导热系数随着含水率、干密度的增加而升高,当含水率从10.4%上升至21.9%时,其导热系数最高上升了135.7%,当干密度从1.50 g/cm~3增加到2.00 g/cm~3时,其导热系数最高上升了133.9%,主要原因是含水率的增加减少了土中空气的热阻作用,干密度的增加使土颗粒之间的接触更为紧密;在潜热传输的作用下,重塑膨胀岩的导热系数随温度的增长而升高,土颗粒在温度的影响下粒径不断增大并发生聚集,为潜热传输提供了有利的条件,重塑膨胀岩导热系数随温度的增长呈现缓慢增长和迅速增长2个不同的阶段;重塑膨胀岩的导热系数随体积变形率的增加而降低,当变形率从0.5%增加到5%时,膨胀岩的导热系数降幅在5.7%～29.5%之间,这是由于吸水膨胀后膨胀岩试样更为松散,土颗粒之间的接触减少。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。