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。     

南阳重塑中膨胀土脱湿全过程裂隙开裂特征及影响因素分析

环境温度是影响膨胀土开裂的外部因素之一,初始含水率和干密度是影响膨胀土开裂的重要内部因素。为研究膨胀土的开裂特征及影响因素,对南阳重塑中膨胀土进行了多组脱湿全过程裂隙开裂试验。研究结果表明:脱湿开裂过程可分为3个阶段,脱湿收缩与裂隙酝酿阶段、裂隙产生并迅速扩展阶段和基本稳定阶段;采用试样收缩面积加裂隙总面积之和与试样初始面积的比值计算裂隙度,可描述脱湿收缩特性和开裂孕育过程,适用于描述小试样的脱湿开裂过程;环境温度对膨胀土脱湿过程有一定影响,当试样的脱湿温度较高时,其最终的裂隙度偏小;试样初始、含水率与收缩开裂裂隙度正相关,初始干密度与收缩开裂裂隙度负相关。     

干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究

裂隙性是膨胀土的典型工程地质特性之一,对其工程性质有重要影响,直接或间接地导致各种工程问题。通过对重塑膨胀土开展室内干湿循环试验,对获得的裂隙数字图像采用图像处理技术进行一系列预处理操作,提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量化指标,定量描述裂隙的形态特征,分析干湿循环过程中压实膨胀土的裂隙发育规律。结果表明:含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素。随着含水率的减小,重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。表面裂隙率、裂隙条数和总长度随含水率的减小逐渐增加,绝对收缩率随含水率减小而增大,而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律;随干湿循环次数的增加,裂隙进一步发育,裂隙条数、裂隙总长度、表面裂隙率增加,绝对收缩率总体增大,但裂隙平均宽度存在减小的现象,这与后期发育的大量微裂隙有关。     

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明：三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。     

膨胀土强度影响因素与规律的试验研究

针对同一种膨胀土,通过直剪试验和三轴试验研究了土体由无裂隙天然非饱和状态到无裂隙饱和状态再到裂隙充分发展的饱和状态的过程中强度的影响因素和变化规律。试验结果表明,含水率、密度以及裂隙是影响膨胀土强度的三个因素,其中含水率和裂隙对强度的影响较大,密度对强度的影响较小。膨胀土强度指标的确定应考虑裂隙的开展。建议用试样做5次干湿循环后的强度指标作为膨胀土裂隙发育区的强度指标。通过膨胀土残余强度试验分析表明,所得指标与裂隙充分发展的膨胀土强度指标是接近的,故也可用其作为裂隙发育区的强度指标近似值。     

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。     

膨胀土裂隙的平面描述分析

通过室外数码成像,记录了不同含水量下原状膨胀土表面裂隙的开展状态,基于MATLAB软件用二值化像素统计的方法对膨胀土表面裂隙率与含水量的关系进行了量化,并且在二值化图像的基础上,基于AutoLISP程序对原状膨胀土表面裂隙的分形维数进行自动化统计。分析结果表明,膨胀土表面裂隙率和分形维数与含水量的关系基本呈线性关系,单位含水量变化引起裂隙率和分维的不同变化特征可对膨胀土胀缩性做出相应区分;二值化像素和分形维数统计的方法均可对原状膨胀土表面裂隙进行描述分析,为进一步研究膨胀土的裂隙性提供了有效途径。     

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...     

干湿循环下南阳膨胀土的土水和变形特性

对初始状态相同南阳膨胀土试样进行1～6次干湿循环,选取其中的1、3、6次循环后的试样,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法测定其含水率、孔隙比、饱和度等与吸力的关系,并对比分析干湿循环对南阳膨胀土的持水能力影响。在1～6次干湿循环过程中,以环刀为参照物拍摄每次烘干后试样上表面照片,用数字图像处理提取图像中的裂隙与收缩面积,以此分析试样烘干过程中裂隙与收缩与干湿循环次数的关系。试验结果表明,干湿循环过程中相同吸力的试样含水率略降低、孔隙比略增大、持水能力略降低,烘干过程中试样收缩面积增大,裂隙展开面积增大,但上述性质变化幅度都随干湿循环次数增加而减小。试验成果为研究膨胀土的持水能力和湿胀干缩变形性质随干湿循环的变化规律提供实测数据。     

基于IPP图像处理的膨胀土微观结构定量研究

利用环境扫描电镜（ESEM）获取不同浸水时间下合肥膨胀土的微观结构扫描图像,基于专业图像处理软件Image-Pro Plus（IPP）对膨胀土的ESEM图像进行处理和分析,研究了不同浸水时间下合肥膨胀土的表观孔隙比、分形维数和大小组成情况。研究表明,膨胀土的表观孔隙比随着浸水时间的增大逐渐增大,其增长速率逐渐减小。运用小岛法对土样的颗粒和孔隙的分形维数进行研究,结果表明,膨胀土的颗粒和孔隙均具有明显的分形特征,分形维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的逐渐增大,颗粒的分形维数在减小,孔隙的分形维数在增大,二者呈现相反的变化趋势。对土样的颗粒和孔隙按照大（>5 μm）、中（2～5 μm）、小（1～2 μm）、微（<1 μm）4组进行分类,分析了不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比的演变趋势。     

结构性对膨胀土收缩特性影响的试验研究

膨胀土的收缩性明显,容易引发边坡与地基开裂,但有关结构性对收缩特性影响的认识甚少。采用收缩自动试验装置,在恒湿恒温条件下对原状膨胀土和重塑膨胀土开展了收缩对比试验和扫描电镜（scanning electron microscope,简称SEM）测试分析,结果表明：与原状土相比,重塑土在土中水流动阶段的蒸发速率较小,蒸汽扩散阶段收缩稳定速率较慢,最终体积收缩应变量更大;重塑土体积收缩−含水率关系曲线的线性段较长,斜率较大,直线段与稳定段之间的过渡不明显,而原状土则反之;重塑土和原状土的收缩特征曲线（soil shrinkage characteristic curves,简称SSC）在较高含水率段基本重合,随着含水率下降,重塑土的SSC下降更快,对应的含水率范围更宽,最后进入残余−零收缩阶段时,孔隙比明显较小;Chertkov收缩模型适用于原状膨胀土,但不适用于重塑膨胀土。SEM测试结果表明,原状膨胀土较重塑膨胀土具有更强的原生结构性,初始密度与湿度相同情况下,两者颗粒排列、接触方式、胶结状态、孔隙大小与分布特征等微观结构上差异明显,导致蒸发过程中重塑土的水分迁移速率较小、基质吸力较大,是重塑土收缩更剧烈的内在原因。研究结果可为膨胀土边坡的坡面工程防护设计提供参考依据。     

2017 - 2018年冬季乌梁素海湖冰表面裂缝形态分析

在2017 - 2018年冬季使用无人机对乌梁素海湖冰的冰面裂缝进行了航拍, 采用改进的自适应阈值分割方法进行图像二值化处理, 提取了冰裂缝的密度和分形维数。分析结果显示： 在固定区域的冰裂缝分形维数在1.35 ~ 1.50间变化, 冰裂缝数量随时间增加, 其分形维数也随之线性增大; 在冰生长期间, 冰厚度与冰裂缝分形维数也呈现出明显的线性关系（相关系数R²=0.75）。冰面不同区域的冰裂缝密度和分形维数在0.017 ~ 0.079、 1.38 ~ 1.64间变化, 且两者之间存在显著的对数相关性（相关系数R²>0.96）, 不同日期航拍数据拟合结果近似相等, 说明冰裂缝密度越大, 对应的分形维数越大。作为表征冰面形态特征的一种物理指标, 建立得到的冰裂缝分形维数与冰厚、 裂缝密度的相关关系, 对未来利用冰面裂缝形态监测冰层的生消过程可提供科学的参考。     

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。     

Influencing factors of geometrical structure of surface shrinkage cracks in clayey soils

In order to investigate the effects of temperature, thickness of soil layer, wetting and drying cycles and soil types on geometrical structure of surface shrinkage cracks in clayey soils, special software Crack Image Analysis System (CIAS) for analyzing shrinkage crack patterns was developed. Eight groups of soil samples were prepared and subjected to drying to crack in laboratory. The number of crack segments and intersections, average crack length, width and aggregate area, crack intensity factor (CIF), and the corresponding probability density functions (PDF) of these parameters were determined by analyzing several crack patterns derived from different experimental conditions. The results show that the soil cracking behavior and the geometrical structure of crack patterns are significantly influenced by these considered factors. There is a tendency of crack length, width, aggregate area and their most probable value (MPV) related to the PDF increases with temperature increase. With thicker soil layers, the average crack length, width, aggregate area and CIF are increased, and the main distribution ranges of crack length, width and aggregate area are increased also. When the soil is subjected to multiple wetting–drying cycles, the soil surface generates more irregular and coarse cracks. The number of short and narrow crack segments increases significantly, and the CIF decreases with an increase in wetting–drying cycles. It is also observed that the extent of cracking is directly related to the soil fines fraction and its plasticity index (I_P). The greatest CIF and crack width are observed in the soils with the largest fines fraction and highest I_P. In addition, the ratio of numbers of crack segments to intersections ranges from 1.5 to 2, and cracking mainly takes place in three stages: main-cracks initiation stage; sub-cracks initiation stage; terminal stable stage.     

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。