颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究

微生物固化技术（MICP）是岩土工程领域新兴起的一种不良地基处理技术,不同地基土体之间的颗粒粒径并不相同,其固化效果也可能存在一定差别。选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理,并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和洗酸处理,从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响。结合扫描电镜测试,从细观角度对微生物固化机制进行了初探。研究结果表明,微生物固化砂土中碳酸钙晶体以颗粒簇形式堆积在砂土颗粒表面及颗粒间接触处,其尺寸随碳酸钙晶体堆叠程度的增加而增大;对于颗粒粒径较小的砂土,颗粒间孔隙较易被碳酸钙晶体填充密实,固化试样内有效碳酸钙晶体比例较大,“结构性”较强,无侧限抗压强度较高。     

基于细观特征的含水砂层蠕变潜力评价研究

在地面沉降过程中含水砂层的蠕变量不可忽视。本文以石英砂为试验材料,研究颗粒粒径、级配及形状对砂土蠕变特性的影响,并从细观角度定性和定量分析其蠕变机制,建立与宏观变形的联系。结果表明：砂土的蠕变过程分为稳定蠕变、减速蠕变和衰减蠕变3个阶段,砂土的粒径、级配及颗粒形状对蠕变特性产生影响：粒径越大,级配越好,颗粒形状越复杂,则任意时刻的蠕变速率越大,最终蠕变应变也越大。砂土细观参数可较好地反映其宏观蠕变特性,砂土的最终蠕变应变越大时,颗粒破碎程度越高,颗粒最终平均形状系数越大,孔隙率变化越大,最终面积概率分布指数也越大。在此基础上,引入砂土蠕变潜力评价指数(I_cp),提出了利用砂土颗粒与孔隙特征评价地面沉降中不同砂土层蠕变潜力的方法。     

上海砂土蠕变变形特征的试验研究

采用室内单向压缩试验研究了上海砂土的蠕变变形规律和蠕变机制以及蠕变变形与应力历史的关系。试验结果表明,上海砂土具有明显的非线性蠕变特征,应变与应力、时间的关系可以用幂函数拟合;应力历史对砂土的蠕变性有显著影响,当荷载小于预压荷载时砂土的蠕变性显著减小。上海砂土的蠕变原因主要是砂土颗粒间的相互错动滑移所致。     

细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响研究

利用GDS循环三轴试验系统,进行一系列不同细粒含量砂土的不排水动三轴试验,研究细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响。试验结果表明,砂土的动弹性模量随细粒含量的增加而减小,但当超过细粒含量的临界值30%后,变化趋势则相反;阻尼比随着细粒含量的增加呈现先增大后减小的趋势,其细粒含量的临界值也为30%。当细粒含量小于30%时,砂土的动力特性主要由粗粒决定,粗粒间形成的骨架孔隙比随细粒含量的增加而增大,相同应变水平下抵抗变形的能力随之减弱,从而使动弹性模量减小。同时,土颗粒间接触点的减少使应力波在土中传播速度变慢,使得土体对动荷载反应的滞后性增强,阻尼比随之增加;当细粒含量大于30%后,砂土的动力特性主要由细粒决定,细粒间孔隙比随着细粒含量的增加而减小,从而使砂土的动弹性模量与阻尼比呈现出相反的变化趋势     

密实散粒体剪切破坏能量演化的离散元模拟

砂土等散粒体在剪切过程中的能量存储及耗散是其宏观力学响应的深层原因,但因量测难度较大而研究较少。将考虑抗转动的接触模型引入离散元软件PFC2D,基于热力学第一定律建立各种能量量测方法,并在平面应变双轴压缩试验中采用该方法统计密实散粒体在剪切过程中的能量演化规律。采取了4种耗散类型,即滑动-滚动（S-R）、滑动-非滚动（S-NR）、非滑动-滚动（NS-R）和非滑动-非滚动（NS-NR）。结果表明：密实散粒体加载时能量耗散以滑动摩擦为主;且小应变加载阶段,外力功主要转化为弹性应变能,但同时也存在均布于试样的耗散能;随着应变的增加,外力功的转化形式逐渐过渡为以耗散能为主,且集中分布在带状区域内;各个加载阶段的摩擦耗散均存在各向异性。     

软土固结蠕变特性及机制研究

以黄石地区软土为研究对象,在不同排水条件、固结压力作用下开展固结蠕变试验,对原状样与蠕变后试样进行扫描电镜观测,分析软土的固结蠕变特性及其微观机制。结果表明：不排水条件下蠕变特性表现更为显著。低偏应力作用下,排水条件下试样的变形大于不排水条件下的变形;高偏应力作用下,则与之相反。排水条件下,变形是由蠕变和固结共同产生的,具有线性蠕变特性;不排水条件下,蠕变是变形的主要原因,具有非线性蠕变特性。蠕变过程中,颗粒间以边-边、边-面为主的接触形式向以面-面为主的接触形式过渡,颗粒间距减小,大孔隙减少,小孔隙增多。固结过程中的主要是自由水以及渗透吸收结合水转化为自由水的排出,而蠕变阶段主要受结合水控制,随着压力加大,孔隙体积减小,结合水膜变薄,增大了土的黏滞性,在长时期就表现为蠕变特性。在软土地基加固过程中可提高土体的排水性能,增大土体的固结程度,降低蠕变带来的危害,提高建筑物的稳定性。     

饱和砂土蠕变特性及其影响因素试验研究

为了研究饱和砂土的蠕变特性及其影响因素,开展了不同密度、不同级配方法（相似级配法、等量替代法）、不同加载方式的侧限高压单向压缩试验。试验结果表明:饱和砂土的蠕变主要经历3个阶段,分别为瞬时变形阶段、快速变形阶段和稳态蠕变变形阶段;压缩模量随密度的增大而增大;用相似级配法所制试样加权平均粒径比等量替代法所制试样的加权平均粒径小42.4%,压缩模量高8%~18%。不同加载方式对试样的最终变形量也有一定的影响。循环加载后,试样压缩模量减小4.3%~10.1%,最终应变量增加4.6%~6.0%。对试验数据进行统计分析表明,用幂函数可以很好地拟合饱和砂土的应力、应变、时间关系,最终得到适用于本砂土的蠕变模型。研究成果可在砂土地基设计、评估中得到应用。     

滑带土蠕变过程及微观结构演化分析

滑带土的蠕变过程与微观结构密切相关,前人对滑带土的蠕变性质及微观结构做了大量研究,但对土体在蠕变过程中因时间效应发生的微观结构变化研究较少。本文选取延安二庄科北区滑坡滑带土为研究对象,采用直剪蠕变试验研究了滑带土的蠕变特性,用环境扫描电子显微镜对蠕变过程中不同阶段的土样进行SEM图像扫描,并对其微观结构孔隙特征进行定量分析。结果表明:滑带土样在400 kPa正应力荷载下具有明显蠕变特性,每一级剪应力加载均出现衰减蠕变和稳态蠕变阶段;当剪应力值达到255 kPa后,试样发生蠕变破坏,且滑带土样在蠕变过程中由于时间效应发生了塑性破坏。在每一级加载后,土样剪应变率均逐渐减小并最终趋于稳定;在各级剪应力加载后的衰减蠕变阶段,随着加载剪应力的增大,剪应变率也增大;蠕变过程中,土样的孔隙数逐渐减少,土颗粒重新定位排列,孔隙定向性增强,趋向于长条形的孔隙越来越多,孔隙轮廓越来越光滑,但圆形度越来越差。随着蠕变破坏的发生,在蠕变过程中形成的结构被迅速破坏,孔隙定向性减弱,数目急剧增加。     

饱和砂土液化后大变形机制的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。离散元细观数值模拟再现了室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机制。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好的相关性。     

高应力下颗粒材料一维力学特性研究(Ⅱ):蠕变性质

现场和试验观测表明,高应力下砂土的蠕变过程伴随着颗粒破碎现象。通过开展砂土的一维蠕变试验发现,试样的颗粒破碎量随时间增加而增加,且蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。在此基础上,分析了蠕变过程中能量转化关系,利用表面物理学和分形几何学理论,得到了一维蠕变条件下颗粒破碎速率与宏观蠕变速率之间的关系表达式。研究结果表明,高应力一维蠕变条件下颗粒材料的宏观蠕变速率与颗粒破碎速率成正比。最后,对该研究采用的等效化方法进行了讨论。     

基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析

流态化运动是高速远程滑坡的主要运动形式,是揭示高速远程滑坡运动机理的重要基础。基于粒子图像测速（PIV）分析方法,采用物理模型试验对不同粒径组成条件下的颗粒流内部的速度分布、剪切变形及流态特征进行了研究,并对高速远程滑坡流态化运动特征进行了讨论分析。结果表明:碎屑流流态化运动特征与颗粒粒径呈显著的相关性,随着粒径的减小或细颗粒含量的增加,颗粒流底部相对于边界的滑动速度以及整体的运动速度均呈逐渐减小的趋势,颗粒流内部剪切变形程度增加,颗粒的运动形式由“滑动”向“流动”转变;当颗粒粒径较小或细颗粒含量较高时,颗粒流内部剪切速率增大的趋势在颗粒流底部更加显著,反映了粒径减小有助于促进颗粒流内部剪切向底部的集中;在同一颗粒流的不同运动阶段及不同纵向深度,其流态特征具有显著差别,颗粒流前缘及尾部主要呈惯性态,颗粒间以碰撞作用为主,而主体部分则主要呈密集态,颗粒间以摩擦接触作用为主;在颗粒流表面及底部,颗粒间相互作用方式主要是碰撞作用,中间部分则以摩擦作用为主;对于不同粒径的颗粒流,随着粒径的增大或粗颗粒含量的增加,颗粒流内部颗粒的碰撞作用加强,颗粒流整体趋于向惯性态转变。     

火山灰增强微生物固化砂土效果的试验研究

为了提升微生物固化砂土的效果,考虑火山灰的多孔结构及活性特征,设计进行了火山灰增强微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）固化砂土试验,综合宏观物理力学试验和微细观检测,系统分析了火山灰对微生物固化砂土的增强效果及增强机制。结果表明：（1）火山灰能够显著提高砂土微生物加固过程中的固菌率和胶结物产量,火山灰掺量在10%左右达到最佳,与常规MICP相比,固菌率提高了118.28%,胶结物生成量提高了29.55%。（2）火山灰的掺入提高了固化体的抗压强度和抵抗变形的能力,不同围压下固化体的抗压强度提升了52.26%～62.96%,破坏时的应变增加了100.00%～112.58%。（3）火山灰掺入后,固化体的孔隙大小及孔隙率明显减小,整体的密实性及抗渗性能进一步提升,孔隙率从20.12%减小为14.17%,渗透系数降低了一个数量级。（4）火山灰对微生物固化砂土的增强机制主要包括3个方面,一方面,火山灰在砂颗粒间起到了良好的充填作用,大幅减少了颗粒间的大孔隙,使得固化体的密实性增强;另一方面,火山灰良好的吸附作用有效提高了试样内细菌的含量,使固化体碳酸钙的产量及分布的均匀性均增加;第3方面,火山灰中的活性物质参与反应生成的胶凝物质与碳酸钙晶体形成复合凝胶体,使得固化体的胶结性能和密实程度进一步增强。     

中主应力对砂土强度影响的细观机制研究

基于简化的颗粒单元体模型,分析总结了颗粒单元体的基本特点,针对中主应力对砂土强度的影响,重点分析了颗粒单元体之间的相互影响特点。对以往的真三轴试验结果进行了总结,得到了中主应力对砂土强度影响的规律,结合颗粒单元体的两种基本状态及其特点、大孔隙与颗粒单元体结构孔隙的特点以及颗粒单元体间相互影响的特点,揭示了中主应力对砂土强度影响规律的细观物理机制。这些规律包括：松砂的强度随着中主应力的增大是逐渐提高的;密砂随中主应力的增大,强度先提高,当中主应力接近大主应力时,却引起强度的降低;砂土越密实,强度平台段越长;在中主应力接近小主应力阶段,强度随中主应力的增大而提高的快慢与砂土的密实程度有关。     

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

小偏应力作用下吹填土蠕变过程中微结构特征演变研究

为了解吹填土长时期稳定蠕变变形的本质机理,对天津滨海吹填土原状土与重塑土开展分级加载固结不排水三轴蠕变试验,在围压75 k Pa、偏应力10 k Pa下开展多组蠕变平行试验,并选取8个时间节点取样进行扫描电镜与比表面积试验,主要研究小偏应力作用下稳定蠕变过程中微结构变化规律。结果表明,天津吹填土富含黏粒与黏土矿物、大孔隙比与高压缩性的物理性质、片架结构和片堆结构的结构类型,这些特征使其具有明显的蠕变特性。蠕变过程中,随着时间的增长,颗粒体积变大,数量呈减小趋势,比表面积呈减小趋势;孔隙变化遵循大孔隙优先改变原理,孔径与体积减小;颗粒与孔隙的外形趋于"圆滑",复杂度减小,圆形度增加,整体向无序状态发展。吹填土蠕变现象总结为其内部结构不断改变自我调整再造以适应外力变化的过程。最后,依据受力大小和结构破损程度将蠕变过程分为2个阶段,结构压密增长阶段与结构减损破坏阶段。     

饱和砂土液化后大变形机理的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。结果表明,试样初始状态并不会影响液化后的极限状态,仅对初始液化所需循环次数有影响。数值模拟可再现室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机理。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好相关性。     

饱和砂土液化后大变形机理的离散元细观分析

采用颗粒流软件模拟了饱和砂土在不排水条件下的循环剪切试验,研究了不同因素对液化的影响,并进一步分析了饱和砂土液化后宏观变形的基本规律。在此基础上,从孔隙分布角度解释了砂土液化后的大变形的细观物理机制。通过自编程序对颗粒排列和孔隙分布的演化过程进行定量描述,给出孔隙率标准差作为液化后体积收缩势的度量,并研究了孔隙率标准差与液化后大变形的关系。结果表明,试样初始状态并不会影响液化后的极限状态,仅对初始液化所需循环次数有影响。数值模拟可再现室内试验中的宏观现象,证实了室内试验中饱和砂土液化后的有限剪切大变形是客观真实的材料响应。土体体积收缩势的累积所导致的孔隙均匀化以及土颗粒间自由空隙增大正是饱和砂土液化后循环剪应变逐渐增大的细观机理。孔隙率标准差作为孔隙均匀化的量化指标,与循环剪应变各周次幅值有良好相关性。     

吹填软土蠕变过程中颗粒与孔隙演化特征分析

软土一般具有蠕变特性,蠕变在微观上表现为土颗粒与孔隙的变化。为了解长期变形内在机制,对天津滨海吹填软土原状土与重塑土进行了固结不排水三轴蠕变试验。在围压为75 kPa、偏应力为10 kPa情况下开展多组平行试验,选取蠕变过程中多个时间点的试样进行微观结构测试,提取了颗粒与孔隙变化参数,研究蠕变过程中微结构变化规律。研究结果表明：在文中所受荷载条件长期作用下,颗粒与孔隙定向性明显;平均孔径及平均孔隙体积呈逐渐减小趋势;结构性原状土比表面积逐渐增大,重塑土则呈减小趋势;结构性原状土颗粒与孔隙分数维呈减小趋势,但重塑土呈相反趋势。     

不同级配陷落柱充填体力学特征实验研究

为研究不同颗粒级配陷落柱充填物在不同固结荷载下的力学特性,基于土工固结试验制备不同状态下的相似模拟充填体试样,通过充填体在不同状态下的三轴加载实验、压汞及扫描电镜实验,研究了陷落柱充填体三轴应力状态下的力学特征及微观结构演化机制。结果表明：充填体具有明显的塑形特征,其应力-应变曲线可以划分为4个阶段：孔隙压密段、稳定变形段、变形破坏段和类蠕变阶段。充填体偏应力随Talbol指数n呈先增加后减小的趋势,充填体三轴抗压强度与Talbol指数之间符合二次多项式关系,均满足较高的拟合度并且偏应力强度达到最优的Talbol指数分别为0.71、0.65和0.64;偏应力随着固结荷载的增加而线性增加,增长率随着固结荷载和Talbol指数的增加呈逐渐减小的趋势。结合压汞和扫描电镜测试结果,固结荷载和Talbol指数的变化改变了颗粒间的接触状态,影响着岩土体试样的偏应力强度;随着Talbol指数的增加,充填体内颗粒间的相互作用增强,初始承受的外荷载比例增大,骨架结构效应更加显著,偏应力则主要来自岩土颗粒的接触应力集中。通过力学强度和微观结构特征研究在宏观和微观尺度上解释了充填体的颗粒级配效应提供参考。     

颗粒滚动-滑动转换机制及摩擦系数的试验研究

颗粒间的滑动、滚动摩擦对其微观、宏观动力特性有很大的影响。在颗粒流体动力学研究中,对颗粒介质的滑动摩擦已有深刻的认识,而对滚动摩擦及其与滑动摩擦间相互关系的研究还需进一步深入。滚动摩擦的影响因素较多,且作用机理复杂,至今没有形成统一的理论。通过颗粒滑动–滚动摩擦试验,分析了颗粒表面粗糙度和形状对颗粒摩擦力的影响,初步研究了颗粒滚动–滑动摩擦的转化机制。试验结果表明：颗粒在不同的粗糙度和不规则形态影响下表现出滑动或滚动的不同运动形式,并呈现出一定的转化特性。该试验还进一步测定了颗粒滑动、滚动摩擦系数,定性地分析了颗粒的表面粗糙度和几何形态对它们的影响。