黏土失水开裂演化过程的影响试验

裂隙性为黏土的主要特性之一。探讨黏土的开裂规律,对于分析地裂缝成因机理,开展预测研究具有重要的理论意义和工程价值。通过室内试验,研究了黏土干燥收缩过程中含水率的变化规律。分别制备不同厚度、宽度、含砂量的试样,获得不同条件下黏土失水过程含水率的变化规律。在试验所设定的条件下,土体开裂时的含水率很接近,平均约为33.48%;当样品宽度不变时,土层越厚,含水率变化速率越小;当样品厚度相同时,宽度不同,含水率变化速率几乎相同;当厚度、宽度都相同时,含水率变化速率随含砂量的增大而减小。对于同一样品,土体厚度越大,样品裂隙率越小;土体厚度相同时,样品的裂隙率随着样品宽度的增大先减小后增大,且样品的开裂周期与样品的裂隙率同步变化。     

黏土失水干缩裂缝发育动态试验研究

饱和黏土中水分的丧失会引起土体基质吸力和表面收缩率的变化,并导致其表面开裂。在室内对黏土干裂过程中土体的失水率、裂缝面积率等开裂特征参数随时间变化的关系进行研究。结果表明:(1)根据表面开裂率、裂缝节点和开裂块数特征随失水率和时间变化,可划分为开裂前、快速开裂、开裂停滞三个阶段,在快速开裂阶段,土体的失水率和表面裂隙发育率呈现为显著的正相关关系;(2)开裂后土体裂缝呈现为多个期次性,1、2期次裂缝之间夹角大都大于90°,第3期次(或更高期次)裂缝大都近似垂直于器壁(或第2期次裂缝)平行发育,且有等间隔发育倾向。第1、2期次裂缝的长度和宽度都远大于第3期次裂缝。     

基于高密度电阻率成像技术的土体干缩开裂过程监测研究

为了探究土体干缩开裂问题,文章采用ERT技术,对黏性土开展了一维干缩开裂动态监测试验。配制初始状态饱和 的泥浆试样,在自然条件下干燥,采用ERT技术获得试样干燥过程中的电阻值变化。结合试样的电阻值图像和裂隙图像, 对土体干缩开裂规律进行了分析。研究结果表明：在干燥蒸发初期,土体电阻值随时间增加缓慢减小,其原因在于土体干 燥收缩导致土颗粒间接触面积增大,颗粒水化膜变薄,进而使得土颗粒表面双电层导电性增强。随着干燥继续进行,气体 进入土体内部,土体由初始饱和状态转变为非饱和状态,电阻值转为缓慢增加。当土体产生裂隙时,裂隙周围土体电阻值 急剧增大,而未发育裂隙的土体电阻依然保持缓慢增加的趋势。通过对比试样电阻值变化曲线和裂隙图像,发现两者所呈 现的裂隙发育位置和状态存在良好的一致性。因此,ERT技术能对干燥过程中土体裂隙发育进行有效的动态监测,准确掌 握裂隙发育的时空动态信息,并且能提前预测裂隙发育的可能位置,为研究极端干旱气候作用下土体的工程性质响应提供 了理想手段。     

干湿循环下压实红黏土胀缩特性试验研究

为了研究红黏土的变形特性,使用常规固结仪和自制收缩仪,对压实桂林红黏土进行了无荷载条件下4次膨胀和收缩试验。结果表明:红黏土的胀缩变形过程是不可逆的;随着干湿循环次数增加,膨胀试验试样高度变化较小,收缩试验试样高度逐渐增大,膨胀变形和收缩变形均呈逐渐减小趋势;稳定后膨胀率和收缩率均逐渐减小,收缩系数不断减小,最终趋于一个较稳定数值;采用绝对膨胀率、绝对收缩率、相对膨胀率、相对收缩率等参数可以定量分析干湿循环作用下压实红黏土的胀缩变形程度及其变化规律。     

武汉地铁三号线土层盾构开挖引起的地表沉降研究

为了研究红黏土的变形特性,使用常规固结仪和自制收缩仪,对压实桂林红黏土进行了无荷载条件下4次膨胀和收缩试验。结果表明:红黏土的胀缩变形过程是不可逆的;随着干湿循环次数增加,膨胀试验试样高度变化较小,收缩试验试样高度逐渐增大,膨胀变形和收缩变形均呈逐渐减小趋势;稳定后膨胀率和收缩率均逐渐减小,收缩系数不断减小,最终趋于一个较稳定数值;采用绝对膨胀率、绝对收缩率、相对膨胀率、相对收缩率等参数可以定量分析干湿循环作用下压实红黏土的胀缩变形程度及其变化规律。     

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.     

剑麻纤维-聚丙烯酰胺改良客土干缩开裂试验研究

裸露岩质边坡的数量随着基础设施建设规模和数量的不断增大,客土喷播技术作为一种有效的边坡护坡绿化技术可以改善岩质边坡的表层稳定性,但多种因素造成表层土体失水开裂,影响客土喷播的修复效果。针对此问题,采用剑麻纤维和聚丙烯酰胺(PAM)对客土进行改良,开展了不同土层厚度、剑麻纤维和聚丙烯酰胺(PAM)含量条件下干缩开裂试验,研究了不同条件对土体干燥失水、表面裂隙发育的影响,采用微观扫描技术(SEM)对改良后客土的内在结构变化进行了测试。结果表明：随土层厚度增大,改良土蒸发稳定时间有所延长,且土层厚度增大能有效抑制试样表面裂隙的发育。剑麻纤维和PAM的掺入有效延长了黏土蒸发的路径,且随着纤维和PAM含量增加土体蒸发速率逐渐降低,抑制了土体表层裂隙发育。PAM的强吸水性能够降低土体的蒸发速率,纤维的“桥接作用”可以抑制裂隙的扩展,提高土体的整体性。     

昆明呈贡石灰岩上覆红黏土干缩裂隙的温度效应

温度是影响土体干缩开裂的重要外部环境因素之一。为研究温度对红黏土干缩裂隙的影响,以昆明呈贡石灰岩上覆红黏土为对象,经风干、碾碎和筛分后,选取2 mm以下的细颗粒,用正方形钢化玻璃容器制备9个厚度为10 mm的饱和泥浆样,分成3组,每组3个平行样,利用控温烘箱分别进行30℃、50℃和70℃的干燥试验,试验过程中定时称重试样和对土样表面进行拍照,然后用PCAS软件对照片进行图像处理。结果表明：红黏土的蒸发过程可分为3个阶段,干缩裂隙的形成和发展可分为5个阶段;温度升高,干燥完成时间减短,常速率阶段的蒸发速率和蒸发量增大,最终含水率降低;初始临界含水率随温度升高而增大;随着土体含水率持续减小,表面裂隙率先缓慢增加,然后快速增大,最后趋于稳定;温度升高,裂隙交点数、裂隙条数、裂隙总长度和土块数减少,裂隙平均长度、裂隙平均宽度、表面裂隙率、土块平均面积、土块最大面积、干缩厚度和干密度增大。温度显著影响红黏土的水分蒸发过程,干缩裂隙的形成和发展,以及表面裂隙结构和形态。     

卢氏膨胀岩在干湿循环作用下的胀缩特性研究

为研究卢氏膨胀岩的胀缩特性,开展了干湿循环作用下膨胀岩的胀缩特性试验研究,并在膨胀岩经历干湿循环后利用扫描电子显微镜（SEM）和氮吸附试验（NA）,从微观的角度分析了膨胀岩吸水膨胀失水收缩的现象,并解释了胀缩特性改变的原因。研究结果表明：卢氏膨胀岩膨胀率随干湿循环次数增加而增大,绝对膨胀率增加25%;收缩曲线出现明显的“收缩拐点”,一般在收缩总时间的20%时出现,这时膨胀岩失水状态由自由水的散失转变为结合水的散失;在膨胀岩第1次胀缩过程中出现裂缝,裂缝为贯通状;在之后的胀缩过程中出现的裂缝较浅且随干湿循环次数的增加裂缝发育逐渐稳定;在干湿循环次数达到6～8次后,卢氏膨胀岩胀缩率达到稳定值,绝对膨胀率稳定在17%,绝对收缩率稳定在9%;微观方面随干湿循环次数的增加,膨胀岩的微观结构中黏土颗粒聚集形态由紧密状态转变为松散状态。此外,试样的孔隙特征随干湿循环次数的增加表现出孔隙总体积逐渐增大、孔径逐渐减小、比表面积逐渐增大的规律。     

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。     

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。     

击实黏土抗拉强度研究

对具有不同干密度和含水率的击实黏土试样进行直接拉伸试验、直接剪切试验,并量测试样的基质吸力,分析了含水率、干密度对土体抗拉强度的影响以及抗拉强度与抗剪强度参数、基质吸力之间的关系,讨论了击实黏土抗拉强度的形成机理。研究结果表明,在试验所涉及的含水率和干密度范围内,击实黏土的抗拉强度随干密度的增加而增加,随含水率的增大而减小,它们之间具有很好的线性关系;击实黏土的抗拉强度与基质吸力、黏聚力都具有明显的正相关关系,但这三者并不相等,在数值上基质吸力最大,黏聚力其次,抗拉强度最小;击实黏土的抗拉强度与其内摩擦角之间没有明显的相关性;击实黏土的抗拉强度主要来源于土粒间的联结,其次来源于土粒之间的咬合作用。     

降雨-蒸发条件下土体开裂临界含水率演变规律研究

为研究降雨-蒸发过程中土体裂隙发展演化规律,依托裂土边坡足尺模型试验,测量土体表层含水率,采用图像矢量化技术提取裂隙率,对土体裂隙域及基质域开裂含水率演变规律进行了研究,基于非饱和土水平应变增量本构模型推导并计算了土体基质域临界开裂基质吸力及含水率。研究结果表明,降雨-蒸发过程中土体开裂具有可重复特征,且裂隙率随降雨-蒸发次数增加总体呈增加趋势;土体裂隙域开裂含水率随降雨-蒸发次数增加而增加,基质域与之相反;基质吸力对裂隙的开裂扩展既可有抑制作用,也可产生促进作用;基于均质各向同性非饱和土应变增量本构模型计算得到的土体基质域开裂含水率范围与实测值较为接近,且该模型能较好地解释裂隙域与土体基质域开裂含水率的变化规律。     

高温干燥-室温加湿循环作用下压实黄土体变和电阻率特征

工程地质环境中,高温加速土体干燥,降雨浸湿土体。干湿循环导致土体劣化易引起基础设施和建筑物损害。所以,有必要研究干湿循环对压实黄土体变特性的影响以评价地基和路基等的稳定性。本研究制备了初始含水量为11%,不同干密度(1.5 g·cm^-3、1.6 g·cm^-3和1.7 g·cm^-3)的3组试样。试样在80℃下干燥,然后室温下浸入去离子水中饱和,直达预定的干湿循环次数。同时,用数字LCR仪测量土样电阻率,以表征土样的结构变化。采集干燥状态试样表面图像,以分析裂隙开展情况。干湿循环结束后,进行饱和土样的恒应变速率(CRS)试验,获取压缩曲线并确定压实黄土的变形参数。结果表明,随着干湿循环次数的增加,土样电阻率逐渐增大,并且裂隙比增大。无竖向压力下,开始从非饱和状态高温干燥引起土样收缩,随后室温饱和使土样膨胀;之后,从饱和状态高温干燥引起土样膨胀,随后室温下饱和土样引起其收缩。另外,随干湿循环次数增加,弹性压缩指数增加,对于较低密度土样塑性压缩指数减小而屈服应力增大,对于较高密度土样塑性压缩指数呈现增大趋势而屈服应力减小。本研究...     

干湿循环作用下压实黏土力学特性与微观机制研究

针对干湿循环作用下填埋场封场覆盖系统压实黏土防渗结构损伤等问题,系统开展了干湿循环作用下（室内模拟填埋场气候环境）压实黏土力学特性及微观结构特征试验研究,从微观层次揭示了压实黏土在干湿循环作用下变形特性和强度衰减内在本质。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加,压实黏土初始变形段区间割线模量增加,末段区间割线模量大幅度降低,变化幅度随初始压实度的增加而增加;同时,压实黏土剪切强度呈减小趋势,但减小幅度随初始压实度和围压的增加而减小。经过3次干湿循环后,压实黏土发生不可逆的体积收缩,体积收缩比例随压实度的增加而减小,低压实黏土和高压实黏土的体积收缩20.5%和11.5%。同时,低压实黏土和高压实黏土的大孔体积增加25.7%和53.9%,微裂隙体积增加3.1%和41.7%,增加幅度随初始压实度的增加而增加。压实黏土不可逆的体积收缩致使土体更加密实,从而导致压实黏土初始切线模量和强度增加。同时,大孔体积增多和微裂隙的发育,导致压实黏土剪切强度和末端切线模量降低,干湿循环对不同压实度黏土力学特性影响是二者的综合表现。     

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。     

不同环境温度和含砂率对黏性土干缩开裂影响试验研究

在工程建设与自然环境中,土体因失水而产生收缩、开裂的过程受多重因素的影响,且各因素之间的相互作用关系十分复杂。其中,环境温度在土体开裂的起始与结束中,起至关重要的影响;同时,鲜见关于土体内部黏土、砂粒配比对于裂隙发育影响的研究。故本研究设置了不同环境温度、含砂率条件,展开一系列室内蒸发试验,通过记录试验过程中土体内部水分散失以及表面裂隙发育、发展情况,利用相关图形分析软件,对裂隙率、裂隙网络的几何形态进行定量分析,进而探究不同温度、含砂率对土体干缩、开裂的影响机理。研究结果表明：（1）砂粒的存在,导致土体内部的结构发生改变,部分输水通道被堵塞,从而延长了自由水的运移路径,水分蒸发速率随着含砂率的增加而降低。（2）砂粒的存在将导致土体表面提前产生开裂,此现象受含砂率的影响较小,与是否含砂有关。（3）土体内部含砂率越高,裂隙发育纵深越小,延伸长度越短,同时裂隙的宽度与含砂率呈反比。（4）相同含砂率条件下,环境温度越高,水分蒸发速率、土体表面形成的裂隙宽度越大,且在一定程度上促使表面裂隙提前产生。     

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。     

干湿循环下高庙子钙基膨润土持水和变形特性

膨润土因具有湿胀、干缩特性,其水力-力学性质易受干湿循环的影响。采用饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了干湿循环对压实高庙子钙基膨润土持水特性的影响。对相同条件下制作的试样进行0～6次干湿循环,选取其中的原试样（0次）、循环3次和6次试样,进行蒸汽平衡法试验,测定其土-水特征曲线。同时,在0～6次干湿循环过程中,对每一次脱湿后试样表面采集图像,用数字图像处理技术提取了收缩及裂隙开展区域,分析得到收缩率与裂隙率。试验结果表明：随着干湿循环次数的增加（0→3次时）,土-水特征曲线向下平移、持水性下降、孔隙比增大、平均骨架应力减小,试样烘干时收缩率和裂隙率增加明显;但随着循环次数的继续增加（3→6次时）,持水性、收缩率和裂隙率趋于稳定。     

基于DIC技术的三趾马红土表面干缩裂纹扩展与自愈规律

新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同初始干密度试样干燥过程中均出现开裂现象,其表面干缩裂纹演化过程可分裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹自愈、裂纹稳定4个阶段;小干密度试样表面干缩裂纹网络展布密集均匀,而大干密度试样表面开裂以“宽大稀疏”裂纹为主;(2)试样表面应变场变化能够较好反映试样表面干缩裂纹演化过程,蓝色压应变区代表试样失水整体产生的体积收缩,红色应变条带代表试样表面受拉而产生的干缩裂隙;试样干燥过程表面蓝色压应变区不断扩大,红色拉应变条带区逐渐变小,表明表面裂纹受到试样整体收缩牵拉而产生“自愈”收缩。且干密度越小,试样干缩过程表面红色拉应变网络越密集,干缩裂纹自愈程度越高;(3)试样表面应变场变化表明各等级干缩裂纹均出现自愈现象,但主裂纹的主应变减少量最大,自愈程度最高,对试样整体裂纹自愈起主导作用;试样初始干密度越小,各等级裂纹的峰值应变越大,自愈时的应变缩减量越高,表明试样失水收缩特征越显著。研究成果对进一步揭示压实黏土干燥裂纹的复杂演化过程机理研究提供新参考。