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。     

裂隙面对强膨胀土抗剪强度影响分析

膨胀土作为一种特殊性土,其抗剪强度取值不同于一般的黏性土。实践证明,在进行膨胀土边坡设计时,不仅要考虑土体的土块强度,而且也要考虑裂隙面强度,其抗剪强度在很大程度上受其裂隙面规模与产状的影响,尤其是对裂隙极发育的强膨胀土而言。为了更加真实地模拟强膨胀土在裂隙面控制下的剪切破坏,特在南水北调中线工程南阳段强膨胀土地段进行大剪试验,通过拟合试验数据,对强膨胀土抗剪强度影响因素进行分析。结果表明,裂隙面的发育程度、倾角、裂面的起伏程度都对强膨胀土的抗剪强度有着很大的影响。     

膨胀土裂隙的工程特性研究

裂隙是膨胀土的重要特征之一,长期以来,人们常常把分布于膨胀土大气影响深度范围内受干湿循环影响而产生的干缩裂隙与膨胀土地层中特有的原生裂隙混为一谈。在对膨胀土边坡失稳机制的研究中,也忽视了原生裂隙对边坡稳定的重要影响。为研究南水北调中线工程膨胀土地段渠道破坏机制,在河南省南阳市郊建设了一条长为2.05 km试验渠道,通过渠道开挖期间的地质勘察、现场观测和取样试验,以及对现场滑坡体的取样分析,研究了膨胀土裂隙及周边土体的物质成分、密度、含水率和强度特性,结合现场观测资料分析了裂隙与渠道滑坡的关系。研究表明,膨胀土地层中的原生裂隙有两种类型：光滑蜡状裂隙和有一定厚度充填黏土的裂隙。裂隙面上的物质成分与两侧土略有不同,且天然密度低、含水率高,强度远低于相邻土体的强度,一旦地层与边坡倾向一致,将产生沿裂隙面的滑动。     

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。     

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。     

南阳膨胀土裂隙面强度试验研究

裂隙性是膨胀土的基本特性之一,膨胀土中原生裂隙面的存在往往导致膨胀土边坡的失稳。选取南水北调中线工程南阳段膨胀土进行裂隙面强度特性试验,提出了裂隙面强度三轴试验新方法。首次将计算机X射线断层扫描技术引入裂隙面的强度试验,通过测量裂隙面真实产状,准确分析裂隙面上的破坏应力,提出了裂隙面强度参数的整理方法。研究成果表明,裂隙面的峰值强度不仅远小于两侧土的峰值强度,而且也小于两侧土的残余强度;裂隙面强度较低的原因主要是其具有较高的含水率、蒙脱石含量以及颗粒排列定向度。地下水淋滤作用对于膨胀土裂隙面存在3个方面的影响：微观上使得膨胀土中铁的氧化物由三价转变为二价,形成与两侧土颜色完全不同的灰白色裂隙黏土;细观上改变了母体土的矿物成分和颗粒排列结构,使得裂隙填充物具有较高的蒙脱石含量和颗粒定向度;宏观上形成了裂隙面与两侧土体力学强度的显著差异。     

干密度对加筋膨胀土强度与变形特性的影响

对双向土工格栅加筋膨胀土进行一系列不同压实密度下的无侧限压缩和固结不排水剪试验,研究了干密度对其强度与变形特性的影响。无侧限压缩试验表明,当小于最优含水率2%,干密度较大时,加筋对应力-应变特征的影响较大,加筋后峰值与残余强度及其分别对应应变提高的比例较大;干密度对加筋效果的影响趋势还与含水率有关。固结不排水剪试验表明,加筋后膨胀土峰值强度与硬化程度均得以提高,干密度对强度与变形特性影响程度也随含水率而异。     

不同剪切速率对风化砂改良膨胀土抗剪强度指标的影响

土的抗剪强度指标受含水率、剪切速率以及土样的类别等多个因素的影响。为了研究不同剪切速率对风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标的影响规律,分别在2.4,0.8 mm/min剪切速率下对不同含水率和不同掺砂比例的风化砂改良膨胀土样进行了室内直剪试验,得到了不同剪切速率下改良膨胀土的抗剪强度指标值。试验表明:采用2.4 mm/min的剪切速率测得的抗剪强度指标比采用0.8 mm/min的剪切速率测得的值要大;通过对比试验数据可知,剪切速率对内摩擦角的影响比对黏聚力的影响相对来说较小,对砂土的抗剪强度指标的影响比对黏土的抗剪强度指标要小,对含水率较小的土样的抗剪强度指标的影响比对含水率大的土样的抗剪强度指标要大。对于风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标的测定时的剪切速率应采用规范要求的0.8 mm/min。     

百色重塑膨胀土抗剪强度的试验研究

通过对不同初始含水率、不同干密度下百色重塑膨胀土直剪试验,研究了百色击实重塑膨胀土在不同垂直压力下的峰值强度和残余强度,分析了其抗剪强度的作用机制。研究表明：随着干密度的增加,土体的峰值强度增大,残余强度变化不大;随着上覆荷载的增加,土体的抗剪强度明显增加,表明物理处治技术填筑膨胀土路堤能保证其强度和稳定性;干密度对重塑膨胀土的峰值强度影响较大,而对残余强度影响很小;重塑膨胀土的残余强度与它的结构、应力历史、起始含水率没有关系,而只取决于黏土颗粒的形态、大小、含量和矿物成分等因素。     

重塑膨胀土非线性强度特性及一维固结浸水膨胀应力-应变关系

采用南水北调中线工程南阳膨胀土和新乡膨胀岩重塑试样,开展一系列干湿循环后的强度试验和一维固结后的有荷浸水膨胀试验。试验结果表明,(1) 膨胀土强度随竖向应力增加表现出明显的两阶段特性,低应力状态与高应力状态下的强度指标差别很大;(2) 同一上覆压力下,膨胀土的有荷膨胀率随着初始含水率的增大而线性减小,随着初始干密度的增大而线性增大,分别给出考虑初始含水率、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式和考虑初始干密度、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式,给出膨胀土一维固结后有荷浸水膨胀的应力-应变关系。分析认为,(1) 膨胀土边坡多发生浅层滑动,应测定低应力状态下的强度参数用于边坡稳定分析;(2) 膨胀土边坡浅层部分和坡脚的压实度不宜过高。     

黏粒含量对磁县段膨胀土抗剪强度影响的试验研究

利用电动应变控制式直剪仪及直剪/残余剪切试验仪对南水北调磁县段不同黏粒含量的原状膨胀土进行快剪、饱和快剪、饱和固结快剪和反复直剪试验,研究黏粒含量对其抗剪强度的影响。研究表明:饱和后试样的抗剪强度明显降低,固结后强度提高,且饱和作用对黏粒含量较大的中膨胀土强度的削弱作用更为显著,固结作用对黏粒含量较小的弱膨胀土强度的治愈作用更显著; 随黏粒含量的增大,黏聚力逐渐减小,内摩擦角则先减后增,其临界值在32%左右; 峰值强度后的抗剪强度降低幅度随黏粒含量的增加而增大; 土体的峰值强度f随黏粒含量则先减后增,变化趋势比较平缓; 残余强度r随黏粒含量增加逐渐减小,成指数关系; 残余强度内摩擦角r与黏粒含量成对数关系,黏聚力cr则比较离散。     

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压3、初始干密度d、初始含水量0、剪切速率、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。     

荆门非饱和膨胀土的变形与强度特性试验研究

通过压力板试验,对比分析了荆门原状膨胀土与石灰改良土持水特征的差异性;应用非饱和土三轴仪,开展了原状膨胀土、石灰改良膨胀土与重塑膨胀土的变形及强度特性试验。结果表明：①石灰改良膨胀土与原状膨胀土相比,其进气值有显著降低,残余含水率显著升高,土-水特征曲线两个特征点的斜率较为平缓,说明其水稳定性较好,土体性状更为稳定;②原状膨胀土和石灰改良膨胀土在非饱和与饱和状态的应力-应变关系曲线均呈应变软化型,随净围压的增大,应变软化的程度趋缓;随含水率的减小,峰值应力增大,应力峰值点有所提前,应变软化现象更加显著。饱和重塑膨胀土的应力-应变关系呈应变强化型,非饱和重塑膨胀土则呈现为应变软化型,但其应变软化的程度较前两类土大为趋缓;③经石灰改性后,膨胀土强度参数值有大幅度提高,即使在湿化饱和后,石灰改良膨胀土仍保持了相对稳定的力学性质和较高的抗剪强度参数值。相比之下,无论是重塑膨胀土,还是原状膨胀土,对湿化作用均十分敏感,其强度参数值或波动较大,或整体水平较低。     

温度影响下膨胀土强度的试验研究

通过对河南平顶山膨胀土温度影响下的抗剪强度试验,揭示了膨胀土的强度随温度、含水量、干密度、压力等参数变化的规律。结果表明：相同压力作用下膨胀土强度随含水量不同有较显著的变化,随含水量增加而减小。但当含水量增加到一定程度,强度不再随压力而变化,即内摩擦角为0。当含水量较高时,温度影响显著,相同压力、含水量和干密度情况下,液相为全液体时,随温度的升高抗剪强度增大;当液相有部分结冰时,其规律与干密度的大小有关。含水量较小时,压力较小情况下,温度对抗剪强度影响不明显。     

南阳膨胀土的工程地质特征和填筑适宜性

施工阶段的工程地质调查发现,宁（南京）西（西安）铁路内乡-镇平段南阳膨胀土成因类型上不仅有第四系冲积洪积粘土,而且发育上第三系湖相沉积粘土。不同成因的膨胀土具有不同的空间分布特征和工程性质,X射线衍射测试表明,南阳膨胀土的主要膨胀性粘土矿物是伊利石/蒙脱石混层矿物。物质组成和物理化学性质差异导致击实土在含水量变化条件下膨胀力和膨胀变形有明显的差别;对同一种膨胀土材料,其击实含水量越小,膨胀性越强,甚至含水量降低1 %～2 %,膨胀力就可以增加到200 %以上;击实膨胀土的直剪强度受到钙质结核含量的影响,对于膨胀势为高或强的膨胀土,结核含量小于15 % 时,经过干湿循环后直剪强度衰减量为40 %～65 %,结核含量为25 %～30 % 的强膨胀土直剪强度衰减量则低于30 %;对膨胀土的地质特征、工程性质、击实土的膨胀性和直剪试验结果进行分析,探讨其用于填筑铁路路基的适宜性,进行了填筑适宜性分级。依据研究成果制定的路基施工工艺取得了比较理想的工程效果     

渠坡非饱和膨胀土含水率与强度关系试验研究

南水北调中线渠首段渠坡土主要为膨胀土,渠坡膨胀土含水率的变化会影响坡体稳定性。为了探究含水率变化对渠坡稳定性影响的具体特征,对采集自南水北调中线渠首段的渠坡膨胀土进行了滴定直剪试验,获得了渠坡膨胀土抗剪强度指标与含水率的关系曲线,试验结果表明：抗剪强度随含水率增加而明显衰减,衰减过程先快后慢;试样初始含水率越低,黏聚力...     

考虑抗剪强度衰减特性的膨胀土边坡稳定性分析

针对传统膨胀土边坡稳定性分析中无法考虑膨胀土在降雨入渗过程中抗剪强度动态衰减的问题,本文开展了室内直剪试验,系统研究了干密度和含水量变化对膨胀土抗剪强度指标的影响;同时,以试验抗剪强度结果为参数,开展了基于强度折减法的膨胀土边坡稳定性分析,获得了抗剪强度动态衰减过程中边坡稳定性的变化规律。结果表明,含水量的增加和干密度...     

千枚岩残坡积土大型直剪试验研究

土体抗剪强度是边坡稳定性分析的重要力学参数,而大型直剪试验是确定粗粒土抗剪强度指标较为有效的方法,但获取所需原状土样较为困难。通过现场挖取边坡残坡积原状土样,开展原状土样和击实土样的室内常规小型直剪对比试验,证明在有效控制密度、干密度和含水率条件下采用击实土样获取的直剪强度指标可替代原状土样试验结果。击实土样的大型直剪与原状土样的常规直剪试验结果对比分析表明,由常规小型直剪试验获得残坡积土的抗剪强度略高于大型直剪试验结果。由于室内常规小型直剪试验获取的抗剪强度指标往往比边坡实际发生滑动时的抗剪强度指标稍大,建议在边坡稳定性分析中对抗剪强度指标选取时,采用以大型直剪试验获得的有效控制密度、干密度和含水率条件下击实土样的峰值强度和残余强度,由此进行的边坡稳定性计算将更为科学合理