降雨蒸发作用下膨胀土湿热和裂隙特性室内模拟试验

以广西白色强膨胀土为研究对象,对有、无植被覆盖的膨胀土样进行蒸发、降雨再蒸发试验,研究降雨、蒸发过程对膨胀土湿热和裂隙拓展特性的影响。结果表明,植被覆盖土样表面的反射量比无植被覆盖土样小100 W/m2左右,土样表面温差小5～6 ℃。无植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面裂隙率由1.28%增加到3.82%,表层土体累计脱湿量由3.42%增加到11.17%,脱湿速率由0.59%/d增加到1.44%/d,表层土体温度变化平均值由13.1 ℃增加到14.9 ℃。可见,降雨、蒸发过程使得土体水量变化加大,水分迁移速率增加,温度变化加剧,土体趋于破碎。植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面并未出现明显裂隙,表层土体累计脱湿量由3.16%变为2.36%,脱湿速率由0.58%/d变为0.37%/d,表层土体温度变化平均值由0.58 ℃变为0.37 ℃。可见,短期降雨、蒸发过程对植被覆盖下膨胀土的持水能力影响不大。     

植被作用下膨胀土渗透和力学特性及堑坡防护机制

以广西膨胀土为研究对象,考虑植被的影响,进行了现场渗透和植被根系加筋作用力学试验,并在试验结果的基础上,对膨胀土堑坡的植被防护作用进行数值模拟。研究结果表明,植被根系的加筋作用和植被的蒸发、蒸腾作用是从两个不同的方面维持边坡稳定的,并且在降雨过程中的发挥过程有着先后的顺序。根系的加筋作用增强了土体的强度,植被的蒸发、蒸腾作用阻止了土体强度的进一步衰减。此外,植被覆盖下土体的吸湿与脱湿过程应采用不同的渗透曲线,由于植被防护在施工后未长成的一段时间内十分脆弱,所以对生长期内的植被根系力学特性进行研究具有重要意义。项目研究成果可为膨胀土地区堑坡植被防护设计和施工的发展和应用提供有益参考。     

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     

基于变湿应力概念的膨胀土初始开裂分析

含水率变化时膨胀土体积会产生吸水膨胀或失水收缩,这与温度变化时一般材料的反应相似。当土体的胀缩变形受到约束时就会产生应力,据此提出了变湿应力的概念。借用温度应力理论分析思路,基于弹性力学理论,采用变湿应力来计算土体的胀缩变形,建立了用含水率变化计算变湿应力的理论模型。揭示了裂隙产生的机理是不同埋深处土体水分丧失速率的不同,产生了不均匀的收缩变形。提出了膨胀土初始开裂的临界变湿判据,经比较与实测结果较一致。利用该模型,推导了地表蒸发条件下膨胀土的裂隙初始开展深度,并对其与土体变形模量、胀缩特征参数等的关系进行了讨论。     

模拟日照条件下膨胀土的湿-热耦合性状及蒸发效应

利用长弧氙灯模拟太阳辐射,通过调节灯罩与土样间的高度产生不同的辐射强度,通过控制光照时间模仿自然环境中的日照状态,通过设定恒温、恒湿环境获得单因素的控制条件,对阳光辐射下原状膨胀土的湿-热耦合性状及降雨蒸发效应进行分析。研究结果表明：当太阳辐射、降雨等气象现象发生后,膨胀土水分迁移和温度变化呈现不同的状态,随着土体水分的往复迁移,浅层土体趋于破碎,疏松,在太阳辐射作用下,土体含水率变化幅度增加,从而进一步加剧土体裂隙的拓展。对于膨胀土,裂隙性和膨胀性是它内在的秉性,而大气作用是诱因,在大气与土壤之间的水分和能量交换过程中,膨胀土的工程性质逐渐发生改变。采用自制的太阳辐射模拟装置,针对大气作用下原状膨胀土的湿热耦合性状以及降雨蒸发效应展开分析,相关经验也可应用到其他土类的研究。针对膨胀土工程性质,可进一步开展太阳辐射对膨胀土水分迁移机制影响的量化分析。     

不均匀收缩方式对膨胀土工程性状影响试验研究

通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,改变膨胀土试样的蒸发路径,实现饱和膨胀土在不同脱湿速率下的不均匀收缩,结合有荷膨胀率试验和直接剪切试验,研究膨胀土不均匀收缩方式下胀缩特性和强度特性。试验结果表明,脱湿速率越小,膨胀土的胀缩性越大,剪切强度越高;对比不同收缩方式,均匀收缩下膨胀土的收缩与膨胀变形和剪切强度均大于不均匀收缩下的收缩与膨胀变形和剪切强度。造成这些差异的主要原因是不均匀收缩试验中水分蒸发的路径不同,沿深度方向的含水率不同,基质吸力不同,引起的应变也不同,这种不均匀性改变了原有膨胀土的均一性,限制了膨胀土胀缩特性和强度特性的发挥。     

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。     

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,...     

基于PPP-BOTDA的膨胀土裂隙发育特征的分析与表征方法研究

为了解非饱和膨胀土在干湿循环过程中土体应变的状态、变化以及土体裂隙的发育规律,在室内设计了一个长150cm、宽10cm、高60cm的模型箱,将传感光纤分4组按不同深度埋入土中,每组传感光纤包括4种类型,采用高空间分辨率的分布式光纤应变测量技术PPP-BOTDA,对干湿循环过程中土体的应变状态进行了监测。试验发现:埋深较浅的光纤受到裂隙发育的影响,在空间上,光纤应变状态呈现不均匀的拉压分布;在时间上,随着土体含水率的降低,裂隙区域的光纤应变呈现出先压缩后拉伸的变化规律,而且光纤应变变化同总裂隙张开度具有一定的相关性;随着光纤埋藏深度的加深,由于受土体裂隙的影响减小,光纤应变分布较为均匀;吸湿过程中,土体裂隙逐渐闭合,裂隙区域光纤应变由拉伸状态转变为压缩状态,而裂隙两侧区域光纤应变逐渐转变为拉伸状态。结果表明,通过PPP-BOTDA技术可以反映膨胀土干湿过程中土体的应变状态,并对土体裂隙进行准确的定位,从而为土体变形监测及灾害评价提供了新的技术手段。     

基于FBG技术的饱和膨胀土失水致裂过程试验研究

为了解饱和膨胀土在失水条件下,干缩裂隙发育过程中土体内的应变状态、分布以及变化规律,设计了一个长40cm、宽5cm、深3cm的一维模型槽,将3条FBG传感光栅串埋入饱和膨胀土试样中,对膨胀土不同位置的应变进行了测量,得到了土体失水干缩致裂过程中,各个FBG传感器的应变状态及其变化规律,并分析了首条干缩裂隙及其附近土体的应变分布特征及其时空演化规律。试验结果表明:随着土体含水率的降低,土体首先呈现出整体收缩,之后应变状态发生分异,呈现出拉张区和收缩区交替出现的分布规律; 位于最大收缩区的边缘,当FBG传感器的应变由压缩状态转变为拉伸状态,并且拉应变及其变化速率相对较大的区域将产生首条裂隙。可见,本文所采用的高空间分辨率FBG传感技术为分析膨胀土裂隙发育全过程、揭示膨胀土失水致裂机理,以及膨胀土裂隙性特征的研究提供了新的思路和技术手段。     

植被作用下土质覆盖层渗透特性的现场试验

通过现场试验监测了3种不同覆盖层的内部水分运移过程,研究了不同植被对覆盖层防渗性能的影响。首先在室外自然环境中修建了3种覆盖层场地,分别是无植被裸土覆盖层、狗牙根草覆盖层（须根系植被）、香根草覆盖层（直根系植被）。在亚热带潮湿气候条件下培育一年,选择降雨量和蒸发量较大的7~9月份实时监测了3种覆盖层内部不同深度处的体积含水率和基质吸力。研究发现,香根草的存在使得覆盖层的渗透系数增大,从而减弱了覆盖层的防渗性能;相反,狗牙根草降低了覆盖层的渗透系数,从而增强了覆盖层的防渗性能。这主要是因为须根类根系（狗牙根草根系）和直根系（香根草根系）对土体中水分运移的影响不同。监测结果显示,在覆盖层较浅的位置（如5 cm深度处）土体内的含水率主要受降雨和蒸发的影响,有无根系对此处的含水率变化影响较小。在覆盖层深处（如50 cm处）,只有香根草覆盖层还受降雨和蒸发的影响,而狗牙根草覆盖层和裸土覆盖层深处含水率基本没有变化,这说明了香根草覆盖层根系影响了覆盖层深处,而狗牙根草根系只对覆盖层浅处有影响。     

气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究

以广西膨胀土为研究对象,考虑气象因素的影响,通过现场试验对膨胀土的胀缩变形、变形模量与渗透特性进行了原位跟踪测试。结果表明,较小的降雨量就可以使表层土体的含水率和膨胀状态达到极限。对降雨过程而言,自然状态下膨胀土雨水入渗的影响深度是有限的;膨胀土变形模量随含水率的增加以幂函数的形式逐渐降低;当含水率较低、裂隙较发育时,土体的渗透性会大大提高,而植被的存在也会较大幅度地改善土体渗透性,为深入认识膨胀土边坡的灾变机制提供了依据。     

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。     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙的定量分析

为研究膨胀土在降雨与蒸发过程中的胀缩裂隙演化规律,对原状膨胀土进行干湿循环的CT扫描试验。利用Matlab软件编写程序对土体CT图进行三维体重建以及裂隙信息的提取,从定性与定量的维度研究土体三维空间裂隙与干湿循环之间的关系。定性研究发现,裂隙发育开始于土体内部初始孔洞与微纹裂等薄弱处,并扩展延伸,形成裂隙面、裂隙体,最后形成复杂的三维裂隙网络;随着干湿循环的进行,裂隙面积和体积逐渐增加,最后趋于稳定。定量研究发现,裂隙面积沿试样轴向的分布具有明显的周期性规律,随着干湿循环的进行,周期逐渐减小,振幅A先增加后减小;裂隙开展分为3个阶段,即裂隙酝酿期、裂隙快速发育期和裂隙平稳发展期,而裂隙发育主要发生在裂隙快速发育期。得出了试样径向裂隙面积、轴向高度与累计干缩体变之间的近似关系,以裂隙体积定义了符合Logistic函数变化规律的扰动函数,可以预测裂隙在试样局部的发展及分布情况,为裂隙膨胀土的渗透特性以及整体与局部的应力、应变研究提供参考。     

土地利用和覆被变化对岩溶区土壤CO2浓度的影响

通过选择3个具有不同地质背景、气候条件等环境特征的山西汾阳马跑-郭庄岩溶泉域、湖南湘西大龙洞地下河流域、广西桂江流域,对流域内具有代表性的不同土地利用方式和覆被类型下垫面土壤20~50cm深处CO2浓度进行检测。结果显示,土地利用方式和覆被变化对3个流域岩溶土壤中20cm、30cm、40cm和50cm深处CO2浓度具有明显的影响作用:湖南湘西大龙洞地下河流域多数样地土壤CO2表现为随土层的加深先增加后降低的双向梯度;山西马跑-郭庄泉域玉米地的土壤CO2浓度比种植马铃薯的高,且随着覆被条件由草地→灌丛→林地的改善,土壤的扰动性变小,CO2浓度差趋于减少,变幅趋于稳定。各个流域相同覆被类型,群落结构和优势种变化越小,土壤CO2浓度变幅越小。      

基于两种收缩试验的膨胀土地基变形预测方法的对比研究

基于两种收缩试验的膨胀土地基变形预测方法进行了比较研究。分析表明,两种预测方法的计算结果存在较大差异,其原因在于其考虑的膨胀土地基的侧限状态不同,分别为无侧限状态和完全侧限状态下的预测结果。基于以上分析成果,并考虑膨胀土的裂隙性和实际地基的侧限状态,给出了膨胀土地基变形预测的经验公式,并将其应用于实际工程,为膨胀土地基变形的准确预测及合理处置方案的制定提供了可靠的依据。     

地表蒸发条件下的膨胀土初始开裂分析

针对地表蒸发条件下的膨胀土开裂问题,从定性和定量两个方面进行了分析,提出了膨胀土初始开裂的基质吸力临界判据,经比较与现场实测结果基本一致。采用线弹性力学方法,研究了地表蒸发条件下的膨胀土初始开裂深度,对其与土体抗拉强度、泊松比及密度等特性参数的关系进行了详细的论述。