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。     

土壤热参数及其影响因素测试分析

热性质是岩土体基本的物理性质之一,用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况,以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见,这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明,土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大,粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值,然后减小,而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关,当含水率不超过20.0%时,其随干密度的增加而增大,而当含水率超过27.5%后,其随干密度的增加有减小趋势;当含水率在24.5%（液限）左右时,基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大;热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定,在低含水率下干密度的影响不明显,在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。     

干密度和含水率对岩溶地区黄壤抗剪强度的影响——以重庆市南川区木渡河小流域为例

选择广泛分布于岩溶地区的黄壤,通过对室内三轴剪切试验,测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响。试验表明:(1)在相同干密度情况下,黄壤粘聚力c随着含水率的增加呈现出先增加后减小的趋势,在相同土壤含水率水平下,粘聚力c随干密度增大而增大;黄壤内摩擦角φ在各干密度条件下均随着含水率增加呈明显减小的趋势,衰减速率基本一致;同一含水率水平下,内摩擦角φ随干密度变化不明显,土壤干密度为1.6g/cm3内摩擦角相对较大。(2)含水率和干密度的交互作用对黄壤粘聚力c有显著影响,粘聚力c在1.3~1.7g/cm3范围内随着干密度的增大而增大,且每一个干密度都有一个特定含水率与之对应,在这样一个交互作用下粘聚力c达到最大。(3)含水率和干密度的交互作用对内摩擦角φ影响相对较小,同一干密度下,其φ值差异不大,随干密度的增大缓慢增大,相对而言,含水率对内摩擦角φ的影响更明显,黄壤内摩擦角φ随含水率的增大呈非线性下降。      

Distribution characteristics and its influencing factors of active layer thickness in Tanggula area on the Qinghai-Tibet Plateau北大核心CSCD

多年冻土区活动层的冻融过程显著影响地-气间的水热交换、地表水文过程、冰缘地貌演变及寒区工程建设。活动层厚度的空间分异规律及其空间分布的准确模拟计算是冻土学研究的基础和核心问题之一。作为青藏高原中部东西走向最大的山脉和青藏高原多年冻土的主要分布区,唐古拉地区是青藏高原南部湿润区与北部干旱区的过渡区,该地区的活动层厚度空间分异规律研究对于揭示青藏高原多年冻土区活动层厚度整体空间分布规律具有重要意义。利用唐古拉地区南、北坡两个区域野外实测活动层厚度分布数据,分析了该区域活动层厚度的空间分异特征及其主要影响因素。结果表明,活动层厚度分布的突出特点是空间分异巨大,最小值仅为1.2 m,最大值达到5.6 m。以不同植被类型区活动层的平均厚度为对比标准,其分布特征为：沼泽草甸<高寒草甸<高寒荒漠<高寒草原,高寒草原的平均活动层厚度最大。对比南、北坡,南坡活动层厚度普遍大于北坡。Stefan方程的计算结果表明,活动层厚度的变化速率随土壤含水率的变化最大,其次为土壤热导率,而随地表融化指数的变化最小。实测土壤含水率、探坑数据及地表融化指数与活动层厚度分布关系表明,影响活动层厚度空间分异的最为敏感的因素为土壤含水率,其次为土壤热导率,地表融化指数的敏感性最小。     

皮羌走滑断裂控制构造裂缝发育的力学机制模拟

在深入探讨皮羌走滑断裂对构造裂缝控制作用的基础上,应用ANSYS有限元方法,模拟区域差应力、走滑断裂宽度和走向等因素影响下构造裂缝分布发育的规律。模拟结果表明,构造裂缝带宽随区域差应力增大呈线性增大,随断裂带宽度增大呈线性减小,随断裂走向与区域差应力夹角增大呈线性减小;施加的区域差应力值是影响构造裂缝发育的主要因素。      

祁连山黑河上游多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征

山地多年冻土的异质性影响其植被类型的分布特征,且对有机碳的分布也具有重要影响。通过采集黑河上游多年冻土区三种典型植被类型（高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原）8个活动层的土壤样品,测定其土壤有机碳密度及其理化性质。结果表明：高寒沼泽草甸土壤有机碳密度最高（49.50 kg·m^-2）,高寒草甸次之（11.22 kg·m^-2）,高寒草原最低（7.30 kg·m^-2）。土壤有机碳密度的剖面垂直分布特征具有差异性,高寒沼泽草甸土壤有机碳密度随深度变化不明显,高寒草原和高寒草甸土壤有机碳密度随深度逐渐减小,存在显著的表层聚集性。有机碳密度与土壤含水率和细粒含量呈显著正相关,与pH值呈显著负相关关系。一般线性模型结果表明土壤含水率、pH值和土壤颗粒组成解释了96.39%的有机碳密度变异,其中土壤含水率贡献了81.53%,pH值和土壤粒度分别贡献了9.33%和4.75%。研究表明多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征具有明显差异,山地多年冻土土壤含水率是控制有机碳密度分布特征的重要影响因素。     

廊坊市土壤墒情时空变化规律分析

本文选取了2016-2021年廊坊市12个旱情监测站土壤墒情资料,以及同时期降水量资料,(1)计算出10.00 cm、20.00 cm、40.00 cm及3层平均土壤含水率的多年月平均值,并绘制月平均土壤含水率及月平均降水量趋势图,得出土壤含水率年内变化规律与降水量季节性年内分配规律基本一致;(2)计算出10.00 cm、20.00 cm、40.00 cm及3层平均土壤含水率的多年平均值,并绘制多年平均土壤含水率及年降水量趋势图,得出年平均土壤含水率的年际变化受降水量影响显著;(3)按地域将廊坊市划分为南北两部分,计算出两个区域的月平均土壤含水率,并与廊坊市总的月平均土壤含水率对比分析,得出廊坊北部区域土壤含水率高于南部区域。本研究对廊坊市应对水旱灾害、合理指导农业生产活动及水资源合理利用,具有重要的意义。     

NUMERICAL SIMULATION OF STRUCTURAL FRACTURES CONTROLLED BY PIQIANG STRIKE-SLIP FAULT

在深入探讨皮羌走滑断裂对构造裂缝控制作用的基础上,应用ANSYS有限元方法,模拟区域差应力、走滑断裂宽度和走向等因素影响下构造裂缝分布发育的规律.模拟结果表明,构造裂缝带宽随区域差应力增大呈线性增大,随断裂带宽度增大呈线性减小,随断裂走向与区域差应力夹角增大呈线性减小;施加的区域差应力值是影响构造裂缝发育的主要因素.     

路南石林地区土壤空气中CO2 浓度分布规律与土下溶蚀形态研究

研究了路南石林地区不同植被、石灰岩表面溶沟内土壤空气中CO2 浓度的分布规律及石牙- 土壤接触带土壤空气CO2 浓度。讨论了土下溶蚀形态特征与土壤CO2 浓度分布规律间的对应关系。研究表明,土下溶蚀形态主要发育在土下0. 20～ 0. 60m 处,与土壤空气CO2浓度分布规律相吻合;不同植被对土壤CO2 浓度的影响次序为: 人工草坪> 柏树林> 天然草被> 松林> 无植被耕地;有土溶沟中土壤水的溶蚀能力比无土壤溶沟水高出一倍到几倍;与CO2 处于动力平衡的土壤水的潜蚀能力达到73. 242～ 202. 275mg /l。      

毛乌素沙地裸地与植被覆盖下非冻结期土壤水分时空分布特征

在水资源短缺的沙地生态系统中,土壤水分是植被恢复和水资源管理的主要控制因子,正确认识沙地土壤水分的分布特征及时空变化规律是促进沙地水资源可持续发展的基础。以毛乌素沙地为研究区,利用原位试验观测、经典统计学分析和聚类分析相结合的方法,揭示了有无植被覆盖下的土壤剖面水分时空变化特征,探讨了植物生长对土壤水分布的影响。结果表明:在2016年非冻结期内,地下水水位埋深较浅时,裸地与植被覆盖情况下土壤平均含水率均随土壤深度的增加而增大,可将0~350 cm土层划分为气候影响层、过渡层与地下水影响层。裸地剖面平均含水率为23.59%,变异系数为4.24%,属于弱变异,剖面含水率在观测期间明显上升,并在8月中旬强降雨时上升速率达到最大;植被覆盖下土壤剖面平均含水率为17.74%,变异系数为15.61%,属于中等变异,剖面含水率在观测期间显著下降,在8月沙柳发育成熟后剖面含水率下降最快。在垂向深度上,植被对土壤剖面含水率的影响近似呈高斯曲线变化,对过渡层含水率的影响最大,占总影响的50%以上,对气候影响层与地下水影响层的影响相对较小,且随着植物生长,气候影响层受到的相对影响逐渐减弱,地下水影响层受到的相对影响逐渐增强。研究成果可为半干旱区毛乌素沙地合理的水资源调控以及沙地生态系统的稳定发展提供参考依据。     

干湿循环作用下红黏土收缩特征研究

以贵州某高速公路沿线红黏土为研究对象,开展了干湿循环作用后红黏土的收缩特性试验研究,探讨了干湿循环次数和初始含水率对红黏土收缩性状的影响.试验结果表明：同一循环次数内,各试样的环向收缩率在6～8 h时达到稳定,而轴向线缩率则需更长的稳定时间;随着初始含水率增加,各试样的初始轴向线缩率减小,而初始环向收缩率增加;28%含水率试样具有相近的最终轴向变形和环向变形量,而34%含水率的试样环向变形量高于轴向变形量;初始含水率变化不大,但体缩率的变化率却明显不同,说明干湿循环过程使得土体内部结构变得不稳定,但颗粒间相互作用的本质未发生明显变化;干湿循环作用对重塑红黏土最优含水率位置的基本无影响,这说明其未能改变黏土集聚体内对结合水的最大吸附能力.通过压汞试验得到了不同干湿循环作用后试样的孔隙分布情况,随着干湿循环次数的增加小孔径尺寸和分布密度改变较小,而大孔径尺寸减小,分布密度也在减小.干湿循环作用对聚集体内孔径的影响大于对微聚体内孔隙影响,与所测得的宏观收缩规律相吻合.     

压实红黏土失水收缩过程的孔隙演化规律

失水收缩是诱发黏性土体开裂的主要因素之一,揭示收缩开裂的内在机制对预防工程灾变具有十分重要的意义。以压实红黏土为研究对象,开展自然风干条件下4种初始干密度试样的自由收缩试验。依据试样收缩曲线的特征,确定了4个特征含水率点,包括饱和含水率、比例收缩阶段中间含水率、缩限以及残余收缩阶段中间含水率。试样从饱和含水率状态风干到上述特征含水率点后立刻用液氮冻干法干燥,并通过孔隙分析仪测定该脱湿状态下的孔隙分布特征,着重探明细观孔隙体积与宏观总体积收缩的对应过程。结果表明：失水过程的前阶段（偏湿时）团聚体间的孔隙优先收缩,表现为大孔隙体积峰值半径随着含水率的降低而减小,小孔径的孔隙体积则增多;而当达到残余阶段后团聚体内的孔隙会发生收缩,表现为小孔隙的体积峰值会减小;随着含水率进一步降低,土体进入零收缩阶段,团聚体间和团聚体内的孔隙均不会发生变化。整个失水过程中孔隙总体积明显减小,与所测得的宏观变化规律相吻合。     

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。     

Shrinkage and desiccation cracking in bentonite–sand landfill liners

Data are reported on the shrinkage and desiccation cracking exhibited by bentonite-enhanced sand mixtures (BES) upon air-drying. Mixtures containing 10 and 20% bentonite by dry weight, compacted at moisture contents ranging from 8 to 32%, were investigated. Hydraulic conductivity data for BES specimens saturated and tested immediately after compaction, and for similar specimens that had no visible damage after air-drying, are also presented.

All the mixtures exhibited volumetric shrinkage upon air-drying with the amount of shrinkage increasing with increasing moisture content during compaction. At any initial moisture content mixtures containing 20% bentonite shrink more than those containing 10% bentonite, but the shrinkage is insensitive to the compactive effort. Compacted beds of BES containing 10 and 20% bentonite exhibit no visible desiccation cracking as the top surface is dried when compacted at 15 and 14% moisture content, respectively, and only minor cracking when compacted at initial moisture contents of 20 and 15%, respectively. For the range of mixtures tested, it appears that cracking only occurs when BES undergoes more than about 4% volumetric shrinkage when air-dried. The saturated hydraulic conductivity of intact BES specimens is unaffected by a drying episode prior to testing.     

边界约束对膨胀土干缩开裂的影响

膨胀土是岩土工程中常见的一类特殊土,具有失水收缩和吸水膨胀的变形特征,如何量化收缩变形及其与干缩裂缝之间的关系是土工建筑物稳定性和安全性评估的基本问题。本文利用Bishop有效应力原理和广义胡克定律证明了采用含水率或基质吸力为基本变量的两种分析方法的等价性。把岩土工程中常用的原状土收缩实验中测量的收缩系数与收缩应变关联,得到了土体两端存在和没有位移约束时的总水平应力及其与含水率分布之间的关系。结果表明,无边界位移约束时,收缩变形的不均匀性小,应力水平低,且含水率对应力分布的影响小;存在约束时,收缩变形将受到限制,易诱发干缩裂缝,其深度受土体弹性模量和收缩系数的影响。     

基于大型直剪试验的强风化粗粒料剪胀特性试验研究

剪胀性是岩土材料的重要特性之一,为研究不同工况条件下粗粒料室内大型直剪试验中的剪胀特性,采用新型室内大型直剪仪对3组不同含水率、4组不同剪切速率、5组不同含砾率等3种不同影响因素的试样进行了室内大型直剪试验,分析了剪切时试样的垂直位移与水平剪切位移及垂直应力的关系。试验结果表明：在保持其他影响因素相同条件下,垂直应力的增加导致相同水平剪切位移对应的剪缩量增加;试样的最大剪缩量随着含水率的增加有一定程度的增大,而随着剪切速率的增加而减小;含砾率低于30%试样的最大剪缩量较含砾超过于30%试样的剪缩量大很多,最大剪缩量差别为3倍。当试样含砾率小于50%时,由于试样中富含细颗粒的影响,使得应力-应变曲线具有应变软化属性以及剪胀性趋于一固定值。峰值强度前的应力比-位移增量关系采用非线性的二次项拟合比线性关系的拟合度更好,认为Matsuoka提出的二维剪胀公式不适用于粗粒料,将其修正成二次多项式并给出试验中的经验参数μ的取值区间。     

重塑膨胀土三向膨胀变形试验研究

以广西宁明灰白重塑膨胀土为研究对象,运用自制膨胀土三向胀缩测试仪开展了不同初始含水率和三向压力的膨胀试验,研究了初始含水率和三向压力对胀限、三向膨胀率的影响规律。试验表明,三向等压时,竖向的膨胀率始终大于水平向膨胀率,比值为1.21～1.27,该比值与初始含水率、三向压力无关;三向膨胀时程均可以分为快速膨胀、缓慢膨胀和趋于稳定3个阶段;胀限与三向压力的对数线性相关,与初始含水率无关;相等初始含水率和干密度条件下,三向膨胀率均与三向压力的对数线性相关。     

偏高岭土协同石灰抑制红黏土收缩的行为与机制

红黏土失水易收缩开裂而诱发工程灾害,为抑制或缓减红黏土的收缩特征,添加4%偏高岭土和5%石灰改善其水敏性。按照最优含水率制备压实试样,养护180 d后抽真空饱和,脱湿到预定含水率,随后开展收缩、无侧限抗压强度、吸力和孔隙分析等试验。结果表明,压实红黏土随着含水率降低,其无侧限抗压强度呈现先增大后减少的变化规律,这是脱湿导致的红黏土衍生微裂隙,进而引起结构性损伤所致。红黏土掺入石灰,尤其是掺入石灰-偏高岭土后,虽然脱湿也会引起强度减小,但接近完全干燥时,其强度又会增大。由此说明,偏高岭土协同石灰可以更加有效地抑制红黏土收缩效应,提高其整体强度。究其原因,是偏高岭土含有大量无定形硅、铝氧化物,且呈现边-面“搭接”的独特结构形态,使其能够快速捕获氢氧化钙溶液中的钙离子,在红黏土团（颗）粒间形成了胶结性水化物。     

三趾马红土失水收缩裂缝演化规律研究

黏性土失水收缩开裂对人类工程活动影响显著。通过设计室内试验监测装置,对重塑三趾马红土开展干燥脱湿试验,并运用数字图像定量处理技术获得其干缩裂缝演化的动态定量数据,发现其裂缝演化规律与传统规律（裂缝面积、平均宽度在干燥过程中始终增长,最终趋于稳定）有所不同,表现为试样裂缝在干燥中期出现收缩现象,呈现裂缝的自愈性。随后提出裂块理论深入分析了此现象的产生机制,并引入愈合度概念,研究了不同初始含水率下试样裂缝的愈合规律,结果表明：（1）初始含水率对试样裂缝愈合度影响显著,初始含水率越低,试样裂缝越早开始愈合且最终愈合度越大;（2）干密度1.7 g/cm3的试样在40℃脱湿条件下,试样最终愈合度与初始含水率呈良好的线性关系。