粘性土压缩过程中的微细结构变化试验研究

利用河海大学自行研制的土体微细结构光学测试系统,对某坝体粘性土在压缩过程中微细结构变化进行了定量分析研究,并分析了导致该坝体填料压缩性偏高因素,提取并分析了相关微细结构特征参数,为研究粘性土压缩变形与微细结构变化间的定量关系提供了一条可行的途径。     

基于Mindlin解的土压力位移计算模型

以不同土压力状态与静止土压力状态时的压力差值计算分布力,基于Mindlin应变解建立了任意土压力变化下的土体侧向位移计算模型,计算得到土体达到主动极限状态下土体位移和达到被动极限状态下的土体位移。通过编制的程序研究了不同计算参数对土体达到主（被）动极限状态下土体位移的影响规律,包括土的内摩擦角、黏聚力、计算深度、计算宽度等,研究了土体主动极限位移和达到被动极限位移相关性规律。通过模型试验的实测资料验证了土压力位移计算模型的有效性和合理性。利用计算模型可以得到不同位移限值要求下的侧向土压力,从而为不同工程中土压力的合理取值提供了理论依据。     

基于Matlab的土体SEM图像处理方法

土的微观结构决定了其物理力学性状,对于土体的微结构研究主要通过对土体的显微图像的定性和定量分析完成。而由于影响土体显微图像成像的因素较多,其往往不能直接用于定量分析,所以需要通过图像处理技术来相对准确地定量表达土体的孔隙和颗粒实际状况。本文利用Matlab,针对土体显微图像的特征,系统提出了Matlab条件下适用于土体显微图像全流程三阶段处理方法:图像预处理、图像分割和优化成像、图像定量统计。通过对比分析处理效果,提出图像不均匀背景消除、对比度调整、图像降噪、图像二值、优化成像、定量分析等方面处理步骤的适用函数和方法,为科研人员进行土体微结构图像定性和定量分析提供技术支持。     

土中水分的蒸发过程试验研究

土中水分的蒸发是含水量动态减小的过程,伴随着土结构、应力和应变状态的演化,对土体的工程性质有重要影响,是一些工程问题的直接诱因.以初始饱和的黏土试样为研究对象,在控制环境温度(25 ～45℃)和试样初始厚度(5 ～11mm)条件下,开展了一系列室内干燥试验.通过监测试样在干燥过程中的失水量变化,获得了试样的蒸发曲线.结...     

膨胀土收缩开裂特性研究

在干燥环境中,由于蒸发失水,膨胀土发生收缩,表面容易产生纵横交错的裂隙网络(龟裂)。龟裂的产生会极大弱化土体的工程性质,并导致各种工程问题。随着极端干旱气候的频发,膨胀土龟裂问题将会越来越多,越来越显著。开展龟裂研究对揭示龟裂现象的本质规律和指导膨胀土地区的工程实践有重要意义。龟裂的形成和发展是一个动态的过程,与土中水分的蒸发速率、应力状态、收缩特性等直接相关:龟裂形成时水分蒸发处于常速率阶段; 吸力和抗拉强度是制约龟裂形成的两个关键力学参数,当土体中的吸力引起的张拉应力超过土体的抗拉强度时,龟裂便会产生; 龟裂是孔隙发生收缩的直观表现。总体上,力的作用和收缩空间是土体龟裂形成的两个必要条件。此外,膨胀土龟裂具有非常复杂的发生发展过程,受土质学、土力学、土结构、试验条件和方法等许多因素的影响。龟裂定量分析是龟裂研究的重要内容之一,能为龟裂机理研究及相关理论模型的建立提供必要参数。计算机图形处理技术具有效率高、操作性强、精度高等优点,为龟裂定量分析提供了强有力的工具。目前关于土体龟裂研究还存在许多不足之处,在今后的工作中,应该重视龟裂形成和发展过程的动态特征,围绕与土体龟裂相关的水-土作用关系、力学机制、收缩变形机制、大尺度现场试验和三维观测分析技术等方面开展更多的针对性研究,综合考虑龟裂形成过程中的土质学、土力学和土结构因素,结合宏观现象与微观分析,建立土体龟裂的理论体系。     

砂土微观结构样品制备技术及量化方法研究

土体的微观结构是决定其工程特性的重要内在因素,但对于砂土而言,如何制备适合微观分析的样品以及快速准确量化结构参数一直面临诸多挑战。为此,提出一种真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术,该技术可在有效去除土样水分的同时保持样品原状结构不被扰动,并可用于后续加工处理。针对不同粒度的砂土样品,分别使用扫描电子显微镜和光学显微镜对制备的试样进行观察,基于自主研发的土体微观结构定量分析系统SMAS对拍摄的照片进行精细量化分析,提出了由土颗粒数量、颗粒周长、表观孔隙率、形状系数、等效直径、分形维数和形态比等参数构成的量度指标体系对砂土样品微观结构特征进行定量评价。研究结果表明：提出的真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术具有操作简单、稳定可靠等特点,能有效维持砂土的原状结构;比较而言,扫描电镜更适用于粉细砂的微观结构分析,而光学显微镜更适用于中粗砂的微观结构分析;SMAS能有效识别微观结构图像中的土颗粒及孔隙,为定量分析砂土或其他土体的微观结构特征提供了高效的工具。     

非极限状态非饱和土主动土压力试验及理论分析

目前土压力研究大都以极限状态下的土体为研究对象,且假定土体处于饱和或干燥状态,未考虑墙体位移与土体非饱和特性对土压力的影响,在实际工程的应用中有局限性。鉴于此,开展主动平动模式下墙后不同含水量砂土的刚性挡墙土压力室内模型试验,并采用渗压计和土压力盒分别量测不同深度处土中的基质吸力和土压力,以及利用DIC图像关联技术观察不同挡墙位移时的土体位移情况。试验结果表明,当墙后土体处于非极限状态时,土体破坏面始终通过墙踵,且其形态接近于平面;其次,在此基础上,结合非极限状态下墙土摩擦强度发挥特性和非饱和土强度准则,提出位移相关的非饱和土强度模型,并建立非极限状态下非饱和土主动土压力计算模型,以及与室内试验结果对比验证了该模型的合理性;最后,针对提出的计算方法探讨了墙体位移和土体基质吸力对主动土压力的影响。参数分析结果表明,非饱和土主动土压力随挡墙位移量的增大而逐渐减小,而随着基质吸力的增大呈现先减小再增加的趋势,且存在一极小土压力值,朗肯土压力值和Fredlund扩展朗肯土压力值分别为该模型在饱和与非饱和情况下位移达到极限状态时的特殊值。     

非饱和膨胀土的土-水特征曲线研究

在干旱和半干旱地区 ,土体中含水量的变化常会引发各种工程问题。研究表明 ,非饱和土的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态 ,还与土中的吸力密切相关。非饱和土的土 -水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系 ,是非饱和土研究的重要内容之一。     

北京典型地面沉降区土体压缩特征研究

北京平原区地面沉降目前处于快速发展阶段,影响因素十分复杂,其中粘性土体的存在是其赖以形成的物质基础。以北京昌平八仙庄典型地面沉降区为研究对象,采取逐级加荷、逐级卸荷以及反复加卸荷,分析100 m以浅粘性土体在不同加卸载方式下的固结特征。实验结果表明：荷载从25 kPa分级加荷到1 600 kPa,粘土变形量大于粉土,分别为2.822 mm、1.000 mm;荷载从400 kPa分级卸除到50 kPa,粘土的回弹量大于粉土,分别为0.277 mm、0.121 mm;反复加卸荷条件下粉质粘土及粉土较之粘土更容易达到固结状态,蠕变时间效应为粘土>粉质粘土>粉土。建议在制定地面沉降灾害防治措施方案时,应充分考虑沉降区地层土体特征影响。     

基于超微型贯入试验的黏性土干燥过程中结构强度演化规律研究

研究土体结构强度对了解土体开裂破坏过程和预防相关工程地质问题有重要意义。以南京地区下蜀土为对象,采用超微型贯入试验方法,分析了试样在干燥过程中的结构强度演化特征。结果表明:所采用的超微型贯入试验方法为定量研究土体在干燥过程中结构强度的演化规律提供了可行的途径,该方法具有操作简单、精度高和含水率适应范围大等优点; 在干燥过程中,当试样处于高含水率阶段时(w24.27%),剖面上的结构强度基本保持一致,空间差异性较小; 在低含水率阶段(w24.27%),试样结构强度空间差异性显著增强,随深度的增加,结构强度呈递减趋势并逐渐趋于稳定; 总体上,土体的结构强度在干燥过程中随平均含水率的减小呈指数递增趋势,这主要是由于土体水分蒸发导致吸力增加,土颗粒之间的作用力增强。此外,由于土体发生收缩变形,土体孔隙比减小,土颗粒间联接点增加,也会对结构强度产生贡献。     

苏州软弱敏感层的土体微观结构定量分析

本文结合苏州城市地质调查工作,综合考虑沉积时代、成因类型、沉积环境及土性特征等要素,对东部堆积平原区进行了工程地质层组划分,并对城市地质体的关键持力层组和软弱敏感层进行了判识。采用自由活塞薄壁取样器和冷冻掰断-黏贴法,制作了用于微观结构分析的土样。基于扫描电镜图像的处理分析,对苏州软弱敏感层的软土微观尺度结构特征进行了对比研究,得到了原状土天然状态下的微观结构类型,颗粒排列的定向特征,颗粒偏心度,定向概率熵等量化指标。研究表明:苏州软弱敏感层的颗粒长轴与水平x轴的夹角分布区间较为集中,土体的各向异性程度相对较低; 滨浅海相沉积环境以及晚第四纪以来海侵、海退的水动力作用导致⑦层软土的定向概率熵和颗粒偏心度在(0.6,1.0)区间内的分布概率值较高。上述工作为深入理解其基本工程性质,建立土体沉积环境、微观结构与宏观工程特性的联系提供了重要的试验依据。     

海积软土前期固结压力与结构强度的关系及成因分析

通过对不同地区海积软土的大量试验，对原状土样和重塑土样的压缩曲线确定了海积软土前期固结压力和结构强度，并研究了海积软土前期固结压力及结构强度的关系。由于考虑了土的结构强度，对结构性土根据超固结比(OCR)对土的压密状态的判断与实际结果更加相符。为了定量地反映海积软土的结构强弱，首次引入反映海积软土结构性及其对扰动敏感程度的结构稳定系数，反映了海积软土结构性的稳定程度。初步分析了海积软土结构强度的成因。     

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。     

Material Composition and Engineering Characteristics of Red Clay in Guigang, Guangxi

Red clay is highly silty clay with red and yellowcolors, formed by the weathering and laterization ocarbonate rocks in hot and wet climate condition(Wiesner, 1999; The Committee of the Handbook oGeological Engineering, 1993). Guigang in Guangxis in a low latitude, sub tropical climate, so its sum mer is long and its winter is short, and heat and pre cipitation are profuse. Carbonate rocks are wideldistributed. Given such a geological environment anweathering conditions, …     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

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。     

黏土不透水层确定及水压力分布规律试验研究

工程上将满足一定条件下的黏土层介质视为隔水层。通过模型试验的方法,对黏土层为不透水层的确定方法以及黏土层内部的水压力分布规律进行了研究。通过试验分析得出了某给定黏土层为隔水层的特定条件：即找出了黏土层的厚度、渗透系数及层上水头高度三者的关系和给定黏土层的起始水力坡降,得到了黏土层内已渗透水部分的水压力分布规律。试验结果对工程实际具有一定的指导作用。     

粘土的杨氏模量试验研究

三轴试验被应用于评定未扰动和重塑Kitan粘土的弹性性质。Kitan粘土的杨氏模量分别在最初加载、蠕变后,小的周期加载和滞回圈时测定。为了测定在应变小于0.01%时的准确性,试验采用局部位移测量传感器(LDT)。试验结果显示:在相同应力水平条件下,未扰动Kitan粘土的杨氏模量大于重塑土;对于同一种粘土,在应变率大的情况下,它的杨氏模量同样大;在应变小于0.01%时,未扰动Kitan粘土呈线弹性。      

Molecular dynamics modeling of a partially saturated clay-water system at finite temperature

The mechanical and hydraulic properties of unsaturated clay under nonisothermal conditions have practical implications in geotechnical engineering applications such as geothermal energy harvest, landfill cover design, and nuclear waste disposal facilities. The water menisci among clay particles impact the mechanical and hydraulic properties of unsaturated clay. Molecular dynamics (MD) modeling has been proven to be an effective method in investigating clay structures and their hydromechanical behavior at the atomic scale. In this study, we examine the impact of temperature increase on the capillary force and capillary pressure of the partially saturated clay-water system through high-performance computing. The water meniscus formed between two parallel clay particles is studied via a full-scale MD modeling at different elevated temperatures. The numerical results have shown that the temperature increase impacts the capillary force, capillary pressure, and contact angle at the atomic scale. The capillary force on the clay particle obtained from MD simulations is also compared with the results from the macroscopic theory. The full-scale MD simulation of the partially saturated clay-water system can not only provide a fundamental understanding of the impact of temperature on the interface physics of such system at the atomic scale, but also has practical implication in formulating physics-based multiscale models for unsaturated soils by providing interface physical properties of such materials directly through high-performance computing.     

川西红层软岩崩解演变特征与微观响应机理试验研究

红层软岩透水性弱、亲水性强,受含水量和水热(温度和降雨)变化影响极易发生软化崩解,给红层软岩地区工程建设和地质环境带来挑战。为研究不同含水量和多种水热试验工况下红层软岩的崩解特征和微观机理,以川西金堂县和中江县两处开挖红层软岩边坡工程为依托,利用自制降雨装置和温控设备,开展不同梯度初始含水量红层软岩在多种水热试验工况下的循环崩解试验。从红层软岩宏观形貌演变、微观结构及矿物组成、崩解系数、R值(崩解质量损失率)和崩解后颗粒分析5个方面对红层软岩崩解情况进行了研究,试验结果表明:红层软岩宏观形貌演变特征与微观结构变化及矿物差异存在一定的对应关系;黏土矿物的含量是红层软岩发生崩解的主要内因且与崩解呈正相关关系;崩解程度与初始含水量及水热效应联系密切;两处红层软岩R最小/大值差距明显,分别为0.22%、0.05%和1.63%、2.17%;粒径分布对红层软岩的崩解程度具有较好的评价作用,崩解越强烈,大颗粒越少,小颗粒越多,小颗粒更集中于0.075~0.5 mm之间。崩解系数、R值和最终粒径分布曲线可以很好地结合起来对红层软岩的崩解进行量化分析,并与微观结构及矿物差异相联系解释红层软岩的崩解演变特征。研究成果可为金堂、中江及其他红层软岩地区的工程建设和地质评价提供一定参考。