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。     

干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性

实地调查发现河南省南阳市南阳盆地周边受持续降雨、干旱极端气候影响,出现了房屋破坏、边坡失稳等膨胀土灾害问题,危害人民财产生命安全。以南阳盆地弱膨胀土为研究对象,通过自由膨胀率试验,研究木质素磺酸钙改良弱膨胀土的最佳掺量问题,并在最佳掺量的基础上对试样进行无荷膨胀和收缩试验,进一步研究干湿循环条件下木质素磺酸钙对弱膨胀土胀缩特性的影响,结合试验过程中试样的裂隙发展规律,探究干湿循环条件木质素磺酸钙改良弱膨胀土胀缩特性的原因。试验结果表明对于弱膨胀土,木质素磺酸钙掺量在0.75%、养护天数14 d时改良效果最佳,此时改良土自由膨胀率最低。干湿循环条件下的无荷膨胀和收缩试验数据显示改良前后弱膨胀土绝对膨胀率最高由29%降至3%,绝对收缩率最高由17%降至2%,改良土相对膨胀率与相对收缩率基本不随干湿循环次数发生变化,说明木质素磺酸钙可以有效降低干湿循环过程中弱膨胀土的胀缩形变,保持干湿循环过程中弱膨胀土胀缩特性的稳定,且木质素磺酸钙的改良效果不受干湿循环次数的影响。对比未改良土与改良土裂隙发展规律,木质素磺酸钙在弱膨胀土中主要起到抑制裂隙发育,提高土体胶结能力的作用,使土体形成更致密的结构,...     

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。     

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。     

冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响

干湿与冻融耦合作用是构成高寒地区恶劣气候条件的基本形式之一,对高寒区膨胀土输水渠道的正常运行产生严重影响。以北疆供水工程渠道现场渠基膨胀土为研究对象,开展了单向湿干及湿干冻融耦合循环作用下的裂隙试验,探讨了冻融过程对膨胀土裂隙演化规律的影响。通过对不同试验条件下的膨胀土试样进行CT扫描及三维重构,获得了不同循环次数作用下膨胀土内部裂隙的演化特征。试验结果表明：湿干及湿干冻融耦合循环作用下试样内部裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律,裂隙的区域性分布明显。对比不同试验条件下试样内部裂隙的演化特征可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程对试样裂隙的开展深度影响显著,冻融过程造成试样内部裂隙的破碎断裂,宏观表现为非水平向长裂隙向短裂隙的转化。此外,研究还发现采用裂隙体积分数能较好地评价膨胀土试样经受不同循环次数作用下的裂隙发育规律。     

膨胀土初始破损与湿干交替耦合作用下的力学行为

为研究不同初始破损程度、不同干湿循环次数及两者耦合工况对膨胀土孔洞及裂隙发育、演化规律的影响,以及相应的土体变形、力学行为,以合肥膨胀土为研究对象,对制备的不同初始破损程度（圆柱孔直径分别为0、2.5、5 mm）的3组20个试样进行干湿循环试验及三轴剪切试验（控制吸力为50 kPa,有效围压分别为100、200、400 kPa）。并解释了孔洞-裂隙的产生及发育新机制。结果表明：干湿循环次数为0时,一定程度的初始破损会提高土体的强度;与常规认识不同,干湿循环次数为1～2次时,初始破损的存在会诱导土体裂隙开裂的方向和贯通模式,形成的结构块较无破损土体形成的更完整,因而具有相对于无初始破损土体更高的强度;干湿循环次数为3次时,裂隙完全扩展,土体结构性被严重破坏,有无初始破损的土体强度趋于一致;孔洞-裂隙的演化机制是：脱湿-增湿过程中产生的水力梯度使土体具有不同的软硬性质和胀缩变形,产生的拉压应力在微裂纹、尖端形成应力集中而开裂,更易与具有的初始孔洞破损联合、交汇、贯通,萌生的裂隙增大了水汽交换界面面积,进一步平衡拉压应力而最终完全碎裂。研究可为普遍存在初始破损的膨胀土工程研究提供新的思路。     

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。     

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。     

膨胀土强度特性的研究进展

膨胀土地区的工程灾害问题日益严峻,其本质是膨胀土强度的变化而造成的。研究表明:膨胀土的黏土矿物类型和含量是影响膨胀土强度的关键内在因素,蒙脱石的有效含量对其影响最大。含水量与密度都会影响土体强度,对于膨胀土而言,含水量的影响更为明显。膨胀土自身的胀缩性与超固结性使得其强度劣化。干湿循环与裂隙研究结合紧密,干湿循环过程中产生的裂隙是强度劣化的直接原因,土体强度随干湿循环次数增加而逐渐降低。在非饱和土理论和土体结构的各向异性两个方面有待深入研究。     

干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验研究。试验中采用烘干法模拟脱湿过程,采用抽气饱和法模拟饱和过程。在脱湿过程中,定时对土样进行称重、定点拍照,以记录裂隙发育状况。利用矢量图技术对裂隙照片进行矢量化处理,以提取裂隙的各种几何要素,继而进行裂隙度计算。裂隙度变化规律分析结果表明,影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率,而是含水率梯度,而脱湿速率的空间分布、土块渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素;膨胀土裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育,主要体现在裂隙总面积与总长度的增加,但此作用有限,裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止;反复干湿循环会使土体产生范性变形,该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系,其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏,裂隙越发育,土体范性变形量越大     

膨胀土强度干湿循环试验研究

通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验,探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。研究结果表明：膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。在此基础上,利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布,发现干湿循环对土的粒间联结产生不可逆的削弱,使得土体形成更大的孔隙空间,在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加,在低含水率时集聚体内孔体积增加,从而降低土的抗剪强度。     

膨胀土干湿循环过程孔径分布试验研究及其应用

采用压汞法对膨胀土干湿循环过程孔隙大小分布的演化规律进行了试验研究,结果表明,随着循环次数的增加,膨胀土的总孔隙体积、孔隙率和平均孔径等微结构参数均递增;分析了试验结果产生偏差的原因,其一是干湿循环过程中膨胀土试样的体积收缩,其二是孔隙形状和测试压力有限的影响,在此基础上对试验数据进行了合理修正。结合毛细管模型,利用修正的孔径分布曲线推算了膨胀土干湿循环过程中的土-水特征曲线,并分析了干湿循环过程中基质吸力的变化规律：以含水率28%为分界点,含水率大于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递增,含水率小于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递减;在此基础上,建立了基质吸力与循环次数之间的关系,为解释膨胀土力学特性的干湿循环效应开辟了一条新途径。     

基于工程包边法的膨胀土抗剪强度干湿循环效应试验研究

根据包边法施工中填芯重塑膨胀土和包边石灰改性膨胀土的实际工程状态,设计了反映其运营状态的干湿循环过程,对6次干湿循环前、后膨胀土的强度特性进行了较为系统地试验研究。结果表明,在压实度为90%~96%时,干湿循环前重塑膨胀土和石灰改性膨胀土慢剪强度及强度参数均随干密度单调增加,而干湿循环后其黏聚力c随干密度单调增加,干密度对内摩擦角φ的影响则明显变小;重塑膨胀土和石灰改性膨胀土干湿循环后的残余强度受干密度制约性不大,但干湿循环前、后重塑膨胀土和石灰改性膨胀土的残余强度参数存在差异,且干湿循环幅度对膨胀土强度参数也有一定的影响;在分析干湿循环前、后反复剪切试验结果及膨胀土边坡长期破坏机制的基础上,认为对于膨胀土路堤,在进行强度参数选取时宜适当考虑干湿循环及其幅度对于残余强度参数的影响;利用石灰改性膨胀土包边处理填筑膨胀土路基较为适宜。     

膨胀土干湿循环效应及其对边坡稳定性的影响

膨胀土的干湿循环性状在膨胀土边坡的稳定性分析中占有重要地位。结合膨胀土边坡的现场含水率观测数据和南宁地区大气影响深度的计算结果,确定了室内试验的干湿循环幅度并进行了膨胀土强度干湿循环室内试验,对干湿循环引起膨胀土强度指标衰减的变化规律进行了初步探讨; 在此基础上,结合干湿循环效应对膨胀土边坡进行了稳定性分析。研究结果表明:(1)膨胀土的黏聚力随干湿循环次数递增而减小,第1~2次循环时黏聚力衰减程度最强,但经历2~3次循环后,黏聚力衰减程度减弱,最终趋向稳定; 干湿循环次数引起内摩擦角的波动变化极小,基本保持一恒定值。(2)干湿循环的强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。(3)由于干湿循环效应,膨胀土的粒间联结产生了不可逆的损伤,致使土体微结构劣化、抗剪强度降低。(4)随着干湿循环次数的增加,边坡稳定性降低,安全系数递减; 结合当地大气影响深度对膨胀土边坡进行干湿循环分层的稳定性分析方法更符合工程实际,可为相关边坡设计和防护的计算参数选取提供参考。     

膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:（1）胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;（2）裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;（3）超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;（4）膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;（5）渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;（6）微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。     

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。