考虑前期固结影响的吹填软土安全运营阶段微结构演化特征

天津滨海新区吹填土为高黏粒含量细粒土,具有孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。虽然成土时间短,但具有一定的结构性。土体微观结构决定土体的力学性质,在工程实际中,经过固结处理后的吹填土在安全运营阶段由于上部荷载的持续作用,结构性也会发生变化。为了研究此过程中微结构演化特征,本文试验土样为天津滨海新区重塑土,将其进行先期固结与后期不排水蠕变试验,模拟固结排水地基处理后吹填土安全运营过程,并在此过程中取样进行微结构制样及电镜扫描,定量化分析微观参数的演化规律。试验结果表明:经过固结排水后的吹填软土在持续荷载作用下,土中颗粒和孔隙数量都呈减少趋势,颗粒等效直径、形态比都增大,孔隙等效直径、形态比则呈相反趋势,且在蠕变初期这些变化较为明显,后期变化逐渐趋于平稳。前期固结时间越长,蠕变开始时结构性参数体现出土体结构性越强,固结过程中偏压和固结时间对土体结构性的影响一致。     

小偏应力作用下吹填土蠕变过程中微结构特征演变研究

为了解吹填土长时期稳定蠕变变形的本质机理,对天津滨海吹填土原状土与重塑土开展分级加载固结不排水三轴蠕变试验,在围压75 k Pa、偏应力10 k Pa下开展多组蠕变平行试验,并选取8个时间节点取样进行扫描电镜与比表面积试验,主要研究小偏应力作用下稳定蠕变过程中微结构变化规律。结果表明,天津吹填土富含黏粒与黏土矿物、大孔隙比与高压缩性的物理性质、片架结构和片堆结构的结构类型,这些特征使其具有明显的蠕变特性。蠕变过程中,随着时间的增长,颗粒体积变大,数量呈减小趋势,比表面积呈减小趋势;孔隙变化遵循大孔隙优先改变原理,孔径与体积减小;颗粒与孔隙的外形趋于"圆滑",复杂度减小,圆形度增加,整体向无序状态发展。吹填土蠕变现象总结为其内部结构不断改变自我调整再造以适应外力变化的过程。最后,依据受力大小和结构破损程度将蠕变过程分为2个阶段,结构压密增长阶段与结构减损破坏阶段。     

Hydromechanical characteristics and microstructure of unsaturated loess under high suctionEI北大核心

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。     

蠕变条件下软土微观孔隙变化特性

研究软土蠕变过程的微结构变化可深入了解蠕变特性的内在机制。在对漳州软土进行多种蠕变试验的基础上,利用微观定量化技术,对比原状软土与蠕变条件下土样的微观孔隙,从微观角度对蠕变机制进行了解释。研究表明,土样产生蠕变变形后,孔隙大小变化遵循孔隙均匀化原理;孔隙的复杂度与定向性降低;孔隙形状趋向扁圆形发展。发现不同的蠕变试验方法下,孔隙的微结构参数对蠕变变形的敏感度是不一样的,建议针对不同的蠕变试验方法,宜采用不同的微观参数来进行微结构特征的描述。揭示了土体不同蠕变表现,实际上都是土内部结构不断改变自我调整再造的过程。通过对软土蠕变特性的本质因素的研究,可以解释宏观工程现象,为合理的蠕变本构关系提供了依据,以指导工程实践。     

结构性软土渗透特性研究

本文对原状软土和重塑软土进行渗透特性试验,考察了饱和软土的渗透特性。原状样加载初期,渗透系数变化较小,当固结应力大于结构屈服应力时,渗透系数急剧下降,而结构屈服应力前后阶段的孔隙比与渗透系数对数坐标的直线关系没有发生变化,说明胶结对渗透性的影响较小。重塑土的渗透系数在加载过程中变化相对较小。试验结果表明,相同孔隙比时原状土渗透系数要明显大于重塑土。这是由于两者的组构不一样,即原状样的大颗粒和凝聚体间的大孔隙以及历史上形成的土颗粒的排列使其渗流通道要比重塑土通畅。用相同重塑方式制样得到的不同含水量土样,其渗透系数值相近;而用不同重塑方式制样得到的相近含水量土样,其渗透系数相差相对较大。确定饱和软粘土渗透性时要考虑孔隙比和组构的影响。     

固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

固结条件与荷载条件对吹填土的力学特性具有明显的影响,且土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素,为了研究吹填软土力学特性在不同固结条件和荷载条件下的变化规律及与微结构参数的关联性,对天津滨海新区重塑吹填软土进行不同初始固结条件与荷载效应综合作用下的蠕变试验和微观结构测试,研究此条件下吹填土力学特性的变化规律,并通过灰色关联度理论建立宏观力学参数与微结构参数之间的关联性。试验结果表明:稳定性蠕变对吹填软土强度的增长起到积极作用,有偏压固结较无偏压固结强度增长更快,且初始固结越充分,强度增长越快;随蠕变时间的增加,颗粒的等效直径、形态比和圆度呈增大的趋势,而颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度则呈减小的趋势;抗剪强度指标C,φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大,但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。关联度分析表明,颗粒（孔隙）等效直径和圆度是影响吹填土力学性质演化的重要微结构参数,固结与蠕变越充分,土体微结构参数调整越稳定,强度越高。     

滑带土蠕变过程及微观结构演化分析

滑带土的蠕变过程与微观结构密切相关,前人对滑带土的蠕变性质及微观结构做了大量研究,但对土体在蠕变过程中因时间效应发生的微观结构变化研究较少。本文选取延安二庄科北区滑坡滑带土为研究对象,采用直剪蠕变试验研究了滑带土的蠕变特性,用环境扫描电子显微镜对蠕变过程中不同阶段的土样进行SEM图像扫描,并对其微观结构孔隙特征进行定量分析。结果表明:滑带土样在400 kPa正应力荷载下具有明显蠕变特性,每一级剪应力加载均出现衰减蠕变和稳态蠕变阶段;当剪应力值达到255 kPa后,试样发生蠕变破坏,且滑带土样在蠕变过程中由于时间效应发生了塑性破坏。在每一级加载后,土样剪应变率均逐渐减小并最终趋于稳定;在各级剪应力加载后的衰减蠕变阶段,随着加载剪应力的增大,剪应变率也增大;蠕变过程中,土样的孔隙数逐渐减少,土颗粒重新定位排列,孔隙定向性增强,趋向于长条形的孔隙越来越多,孔隙轮廓越来越光滑,但圆形度越来越差。随着蠕变破坏的发生,在蠕变过程中形成的结构被迅速破坏,孔隙定向性减弱,数目急剧增加。     

考虑结构性的冻融作用对黄土湿陷系数的影响

结构性是黄土的基本属性,黄土的湿陷特性与其结构性之间有着必然的联系。针对冻融作用对不同结构性黄土湿陷性的影响,以水泥作为模拟土颗粒间的联结材料制备了人工结构性土,开展了不同水泥含量的人工结构性土与相应的原状土、重塑土的湿陷试验,分析了结构性、冻融作用、初始含水率、湿重度及荷载大小对湿陷系数的影响规律。试验结果表明：冻融前后,人工结构性黄土的湿陷系数均比原状土、重塑土的湿陷系数小,且随着水泥含量的增加,湿陷系数有所减小;冻融之后,各土样的湿陷系数几乎均有所增加,但增加的程度和土样初始结构、含水率、干密度（压实系数）及竖向荷载关系密切,尤其当含水率接近最优含水率和土样为重塑土或水泥含量较低的人工结构性土时,冻融后湿陷系数增大幅度显著。在标准荷载200 kPa下,冻融前后原状土、重塑土的湿陷系数与其湿重度之间基本呈较好的线性负相关关系,而人工结构性黄土湿陷系数与湿重度之间并不呈线性关系;竖向荷载为50 kPa时,重塑黄土和5%水泥含量黄土的湿陷系数与冻融次数之间存在着较好的对数关系。以水泥作为土颗粒间联结材料,制备的人工结构性土是否能很好地代替原状土反映结构性黄土的湿陷特性,还需更进一步深入研究。     

结构性吹填软土蠕变模型研究

以天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理的吹填软土为试验材料,对原状土及其重塑土基本性质与蠕变特性进行了试验研究。试验结果表明：经过真空预压处理后的吹填软土同时具有结构性和蠕变性,结构性的存在,对土体蠕变具有重要的影响。在修正的剑桥模型的基础上,对其进行改进,使其考虑结构性的影响,并以此作为蠕变屈服函数,建立了考虑结构性影响的吹填软土半经验半理论蠕变模型。计算结果表明,该模型符合结构性吹填软土实际,可在工程实践中应用。     

福州地区结构性软土次固结试验研究

为研究福州地区浅层软土的结构性特征,特进行了一组原状土和相应的重塑土的一维固结试验。通过原状土和预压后软土的一维次固结试验,探讨了软土的次固结特性。试验结果表明,原状土和重塑土的固结曲线明显不同,说明福州地区浅层软土具有结构性;原状土主次固结的划分以及次固结系数Cα与结构强度有关,经预压结构破坏以后土样的主次固结分界及次固结系数Cα主要受预压荷载Pp影响。     

针对黏性土胶质联结特征的SEM-EDS试验研究

采用 “整区→微区→胶结点”的逐步分区测试方法,对湛江原状黏土与重塑土开展SEM-EDS试验研究,观察土体微观结构的胶质联结特征,确定胶结物质的元素组分及其空间分布状态,建立微观结构-化学物质-宏观力学行为的相互关系与灵敏性分析。结果表明,土的基本性质很大程度上取决于微观层面的颗粒联结特征。湛江黏土的结构单元实际上是以许多黏土矿物薄片堆叠而成的黏土畴,开放式的絮凝结构加上以游离氧化铁为主要成分的胶质联结特征是导致湛江黏土具有高灵敏性、强结构性的根本原因。当应力水平超过土体的结构屈服应力后,力学性能迅速劣化,结构单元体逐步转为联结强度弱,分散性强的凝聚体或叠聚体。研究还表明,土的颗粒联结强度、结构形态特征及其对结构强度的贡献是导致原状土与重塑土性质差异的本质,天然状态下的湛江黏土土性受控于微观结构特征,而重塑土土性受控于黏土矿物颗粒本性。     

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。     

不同排水条件下软土蠕变特性与微观孔隙变化

对东莞软土进行了固结排水与固结不排水三轴蠕变试验、原状样与蠕变后试样水平测面微结构的扫描电镜试验,分析了不同排水条件的软土蠕变特性与微观孔隙变化规律。结果表明,不同排水条件对试样应变-时间、应变-偏应力关系产生较大影响,土样在不排水条件下屈服破坏,蠕变变形明显;在排水条件下则未有明显屈服,排水过程中的固结效应使其蠕变非线性弱化。蠕变后土样可见大孔隙减少、小孔隙数量增加、形状趋向圆状发展、定向性略有增加,不同排水条件下微观孔隙变化是土体蠕变表现差异的微观内因,孔隙特征的渐变过程揭示了软土蠕变变形的微观机制。     

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。     

基于综合结构势概念的海口原状红黏土K-G模型修正

土的结构性是引起天然土和重塑土各项性质差异的最主要原因。基于考虑土体结构性影响的岩土工程方法和手段应代表岩土工程实践发展方向的这一认识,本文以建立海口原状红黏土的结构性本构模式为研究目标。在结构性定量化指标上,引入综合结构势的概念,建立岩土微结构、胶结作用与宏观力学效应之间的定量表达关系。通过对海口地区所取原状红黏土和相应重塑土进行等向固结排水试验和p=常数的三轴压缩排水试验,分别定义应力型结构性参数和应变型结构性参数。同时发现两者相对于平均主应力存在着归一性化特性,能较好地描述海口原状红黏土的结构性。在此基础上对K-G模型进行了结构性的修正,并进行了数值模拟。结果显示,修正K-G模型能够定量描述海口红黏土的结构性,较好地反映原状红黏土的结构性及预测原状红黏土的应力应变关系。     

马兰黄土渗气率与饱和渗透系数的关系研究

利用改进的ZC-2015型渗气仪和TST-55型渗透仪进行马兰黄土渗气和饱和渗透试验,确定稳定渗气率对应的稳定渗径,进而探讨渗气率ka和饱和渗透系数Kw的关系。研究结果表明: ka不仅能描述非饱和土孔隙和结构特征,也能用于预测Kw。气体渗气率随着渗径的增大而减小,最终趋于稳定,原状和重塑黄土的稳定渗径均约8 cm。ka和Kw间呈明显的双对数线性关系,不同深度的原状风干黄土和不同粒组的重塑土的lgka和lgKw间的相关性都比较明显,但原状风干黄土和重塑土之间的拟合公式有很大差异。另外,黏粒含量较高时,重塑土拟合直线的斜率β和截距α明显增大。不同含水率下,重塑土拟合公式有很大的差异,当含水率较大时,随着干密度的增大,ka的变化程度比Kw大,拟合直线的斜率β和截距α都有明显的减小。     

孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

考虑微结构特征的黄土动力特性影响因素研究

选取1920年海原地震震中滑坡密集分布区宁夏回族自治区西吉县庞湾乡的黄土,分别进行了不同围压,不同含水率条件下的原状、重塑土动三轴试验。结合动三轴试验前后的微观变化图像,探讨围压和水分对黄土试样土颗粒的作用机制,从微结构的角度阐释了两者对黄土动力特性影响的特点。研究结果表明:所取试样动剪切模量与动剪应变的关系可以用H-D模型的推导式拟合,随含水率增加,围压减小,参数a,b值增大;水分在原状试样和重塑试样的作用不同,随着含水率的增加,动剪切模量降低,阻尼比增大,原状试样动剪切模量和阻尼比的变化速率先快后慢,而重塑试样相应值的变化速率先慢后快;除了水分和围压等外在条件的影响,土样本身土体的微观特征如孔隙分布、颗粒大小、粒间间距、联结方式、密实程度等因素对土体动剪切模量和阻尼比等宏观特性产生重要影响。