弱膨胀土的膨胀特性试验研究

目前测量土体膨胀力的主要方法有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法和恒体积法。基于测量膨胀力的恒体积法,利用TST-55型渗透仪、高精度压力传感器和数采系统改进了测量土体膨胀力的装置,并研究了膨胀土的膨胀特性。试验结果表明,土样初始含水率和干密度对土体的极限膨胀力都有显著的影响,并建立了极限膨胀力与两者之间的关系式;较低初始含水率时,不同干密度的土样在膨胀力达到峰值之后,都有不同幅度的降低,随着干密度的增大而降低的越多,并且发现极限膨胀力降低值与干密度之间在双对数坐标轴上存在线性关系;而在较高初始含水率时,不同干密度的土样在膨胀力达到峰值之后,会保持平稳趋势。极限膨胀力的对数与初始含水率之间具有很好的线性关系,土样吸水量的对数与初始含水率以及干密度均有着很好的线性关系。     

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。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究

压实膨胀黏土常用于防止填埋场中固体废物产生二次污染,或作为核废料处置库通道隔绝层,这主要取决于压实膨胀黏土衬垫层或隔离层的防渗特性,而这种压实膨胀黏土层通常又呈现出非饱和特性。基于GDS非饱和土三轴试验系统,开发拓展其试验功能,研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法,同时结合电镜扫描试验,从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。结果表明,压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果;压实膨胀黏土水渗透系数受吸力、围压、干密度、饱和度等因素控制。     

延吉膨胀岩膨胀力的水-力路径效应与应用适宜性分析

膨胀力是膨胀岩土地区工程设计和施工中的重要参数,目前常用的膨胀力试验方法主要有膨胀反压法、平衡加压法和加压膨胀法3种。膨胀力大小容易受试验方法的影响。为了研究试验方法对膨胀力的影响,以延吉膨胀岩为研究对象,采用上述3种方法开展了不同初始含水率试样的膨胀力试验,分析比较了3种试验方法的特点和适用范围。结果表明,膨胀力具有强烈的水-力路径效应,3种方法确定的膨胀力存在较大差异,膨胀反压法测得的膨胀力最大,加压膨胀法最小;3种方法确定的膨胀力与初始含水率之间存在明显的线性负相关关系,随着试样初始含水率的增加,不同方法得到的膨胀力与初始含水率的关系曲线逐渐靠拢,水-力路径对膨胀力试验结果的影响逐渐减弱,每一种方法有其自身的特点和特定的适用范围,膨胀力测试应该根据实际工况选择合适的试验方法。     

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     

高庙子膨润土水化膨胀特性及其微观机理研究

膨润土具有遇水膨胀的特性,是高放核废料深地质处置库理想的缓冲回填材料。膨胀特性是其作为缓冲材料最重要的性能之一,同时受多方面因素的影响。本文以我国首选缓冲材料高庙子膨润土为研究对象,以含水率和干密度为控制变量,以恒体积法为试验方法,研究了高压实高庙子膨润土的水化膨胀特性,采用压汞试验法(MIP)对膨润土微观结构进行了研究,并以此对水化膨胀特性进行了解释。膨胀力试验结果表明,高庙子膨润土的膨胀力发展形式和最大膨胀力均受试样含水率和干密度影响,干密度较小时,水化曲线呈明显的双峰结构,干密度较大时,水化曲线形态与含水率相关,随着含水率增大,双峰结构逐渐消失。MIP试验结果表明,高庙子膨润土的孔径分布同样受含水率和干密度影响,随着含水率和干密度降低,集合体间大孔隙体积增多。膨润土的水化膨胀曲线受集合体间大孔隙影响显著。大孔隙较多时,膨润土集合体能迅速膨胀形成临时结构,当膨胀力超过临时结构的极限荷载时发生坍塌,膨胀力回落,内部结构重组后继续水化达到最大膨胀力,因此其水化膨胀曲线呈明显的双峰结构。随着大孔隙量减少,水化膨胀曲线由双峰结构演变成一条平滑曲线。     

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。     

基于功能原理的南宁膨胀土竖向膨胀能研究

基于改进的室内膨胀能测定实验,联合静力压入法的试样制作新方法,以功能原理为出发点,从能量的角度对南宁膨胀土的膨胀能进行了试验研究和理论分析,探讨了南宁膨胀土的静力压实功和膨胀释放能与含水量、干密度之间的关系。试验表明,膨胀能和压实功均与初始含水率近似成线性反比关系,与干密度成线性正比关系;干密度是影响压实功和膨胀能的主要因素。     

弱膨胀土浸水变形特性及其预测

对取自江苏省淮安市的膨胀土进行了浸水后的膨胀变形和压缩变形试验。在竖向压力25~800 k Pa范围下,研究了不同初始含水率和初始干密度对浸水膨胀变形特性的影响。结果表明:浸水饱和膨胀变形量主要取决于初始干密度,且初始含水率也有一些影响;在相同的含水率下,膨胀变形量随着干密度的增加而增大;在相同干密度条件下,含水率越大,浸水膨胀变形量略微减小。根据各组的固结状态线和浸水饱和膨胀后状态线的交点,得出了介于浸水膨胀和浸水压缩的分界状态线,此线基本上不受初始含水率的影响,进而可以判定不同孔隙比、不同竖向压力下土样处于浸水膨胀还是压缩。最后,基于浸水变形试验结果,提出了一种简便的预测弱膨胀土在不同竖向压力下膨胀变形量的方法。     

压实过程对红黏土的孔隙分布影响研究

为研究压实作用对红黏土孔隙分布的影响,采用液氮冻干法对经过压力板仪脱至残余含水率后的压实试样进行干燥,继而利用孔隙仪测试其孔隙分布特征。结果表明,不同干密度试样的孔隙分布特征在孔径d >10 μm范围内差异性比较明显,干密度越大分布在该范围内的孔隙越少,但所有试样的大部分孔隙主要分布在孔径d <0.1 μm的范围内,并且分布密度十分相似。换言之,常规压实作用只能改变土体某一较大孔径范围内的孔隙,而对小孔径的孔隙改变不大,这也对于说明红黏土路基填料的压实,常规的压实作用对提高土体的压实度幅度有一定范围。     

压实红黏土的持水性能与机制分析

了解压实红黏土的持水性能是预防路基土体开裂和失稳的基础。首先,利用15 bar压力板仪研究了4种干密度压实试样脱湿路径下的土体持水特征曲线。发现持水曲线随着干密度减小,曲线中间部分呈现水平台阶状,且干密度越小水平台阶的长度越长。然后,结合相同干密度试样的孔隙分布特征曲线,从微观结构的角度分析了压实土体不同持水性能的原因。最后,通过数据拟合的方法建立了不同压实度土体的持水特征曲线方程     

An upscaling method and a numerical analysis of swelling/shrinking processes in a compacted bentonite/sand mixture

This paper presents an upscaling concept of swelling/shrinking processes of a compacted bentonite/sand mixture, which also applies to swelling of porous media in general. A constitutive approach for highly compacted bentonite/sand mixture is developed accordingly. The concept is based on the diffuse double layer theory and connects microstructural properties of the bentonite as well as chemical properties of the pore fluid with swelling potential. Main factors influencing the swelling potential of bentonite, i.e. variation of water content, dry density, chemical composition of pore fluid, as well as the microstructures and the amount of swelling minerals are taken into account. According to the proposed model, porosity is divided into interparticle and interlayer porosity. Swelling is the potential of interlayer porosity increase, which reveals itself as volume change in the case of free expansion, or turns to be swelling pressure in the case of constrained swelling. The constitutive equations for swelling/shrinking are implemented in the software GeoSys/RockFlow as a new chemo‐hydro‐mechanical model, which is able to simulate isothermal multiphase flow in bentonite. Details of the mathematical and numerical multiphase flow formulations, as well as the code implementation are described. The proposed model is verified using experimental data of tests on a highly compacted bentonite/sand mixture. Comparison of the 1D modelling results with the experimental data evidences the capability of the proposed model to satisfactorily predict free swelling of the material under investigation. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

击实黄土孔隙结构对土水特征的影响分析

土水特征曲线是非饱和土的基本土物理-力学关系,即将含水率这一物理参数转化为土粒间力的作用,土水特征曲线受土的结构控制。为了探讨击实黄土孔隙结构对土水特征曲线的影响,本文在3种不同的初始含水率（小于最优含水率8%、最优含水率17%和大于最优含水率19%）下制备不同结构的击实黄土试样,分别用压汞试验测其孔隙分布曲线,用滤纸法测其土水特征曲线,并用扫面电镜获得其微观结构图像。对以上测试结果的分析表明,3种击实土样的孔隙分布曲线在相应的大孔径范围内相差较大,在小孔径范围内趋于一致;土水特征曲线在低吸力区差异较大,小于最优含水率的击实黄土土水特征曲线最陡;在高吸力区,3种击实土样的土水特征曲线趋于一致,这与孔隙分布特征一致。对比孔隙密度分布曲线与土水特征区曲线发现,土的土水特征受孔隙分布的控制,孔隙密度越大,土水特征曲线的斜率越陡。SEM图像也显示出3种击实土样的结构特点,小于最优含水率的土样有较多架空孔隙,优势孔径最大;高于最优含水率的土样,大孔隙减少,小孔隙增多,优势孔径最小。而最优含水率的击实黄土的孔隙分布较均匀,优势孔径覆盖范围大。     

延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法

传统测试土−水特征曲线（soil-water characteristic curve,简称SWCC）方法耗时较长,开发快速确定非饱和土的SWCC具有重要的实践意义。为了实现压实黄土SWCC快速预测,对不同干密度压实黄土进行了水势和水分测试,并且运用核磁共振（nuclear magnetic resonance,简称NMR）技术对其孔径分布曲线进行了测试。根据测试结果建立了基于孔隙比的延安压实黄土土−水特征曲线快速预测方法,并利用实测数据验证了方法的准确性。结果表明：预测模型中的分形维数D可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率确定;基于孔隙比和优势孔径在双对数坐标中的线性关系,D可用孔隙比进行表示。SWCC进气值受大孔隙直径控制;过渡段斜率受中孔隙体积控制;压实黄土存在一个临界孔径,而残余含水率主要受孔径小于临界孔径的孔隙体积控制,并且提出了求取残余体积含水率的经验方法。与传统方法相比,所提出的方法可以在确定SWCC时节省大量时间。     

K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究

以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力（体积应力）关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明：采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。     

支挡结构上的水土压力特性试验研究

针对当前水土压力计算中很少考虑土自身性质对其影响的研究现状,以自制试验槽为研究工具,通过使用3种不同渗透性土样进行的支挡结构上水土压力测试研究,对比了水土压力实测值和由水土压力分算、水土压力合算得到的理论计算值,分析了孔隙水压力和土压力的变化规律。由试验结果可以得到,由水土压力合算得到结果偏小,但在一定条件下尚可以接受,在发生主动位移情况下墙后土体会产生负超孔压,渗透系数影响着负超孔压的消散和孔隙水压力的传递程度,并进一步影响支挡结构上水土压力的分布情况。由试验结果推知,当土体渗透系数小到一定程度时,水土压力合算的方法是合理的。     

Swelling model study of expansive soil at K-0 and triaxial stress stateEI北大核心CSCD

A series of swelling tests is performed on a typical Nanyang expansive soil with medium swelling capacity compacted at various initial densities and water contents. The swelling tests are separately conducted using the conventional oedometer to confine the lateral swelling of the soil specimens, and using the GDS triaxial apparatus to allow the free volumetric swelling. The multiple nonlinear mathematical method is adopted to obtain the lateral swelling model (i.e. K-0 model), which fully considers the coupled effect of initial degree of compaction, moisture content and overburden pressure on the swelling strain. Also, an empirical model for the relationship between spherical stress and volumetric strain is proposed by triaxial swelling test. Based on the K-0 swelling model, a formula is proposed to quantitatively evaluate the swell potential, and also a theoretical calculation method is derived to determine the processing layer thickness of expansive soil slope. Based on the assumption that volumetric swelling strain only changes with spherical stress and is not affected by the deviatoric stress, the correlations between the K-0 model and triaxial model are analyzed, and a method to calculate the volumetric swelling strain by only employing the K-0 model is given. Experimental results show that the proposed K-0 model with multifactor coupling is reasonable to predict the swelling potential of compacted expansive soil. It is found that the key factor to link the K-0 model and triaxial swelling model is assuming an average static lateral pressure coefficient. The average static lateral pressure coefficient tends to decreases with increasing overburden pressure by inversion method. This tendency of average static lateral pressure coefficient is believed to rely on the fact that lateral swelling pressure decreases with the increase of overburden pressure.     

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。