冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响

干湿与冻融耦合作用是构成高寒地区恶劣气候条件的基本形式之一,对高寒区膨胀土输水渠道的正常运行产生严重影响。以北疆供水工程渠道现场渠基膨胀土为研究对象,开展了单向湿干及湿干冻融耦合循环作用下的裂隙试验,探讨了冻融过程对膨胀土裂隙演化规律的影响。通过对不同试验条件下的膨胀土试样进行CT扫描及三维重构,获得了不同循环次数作用下膨胀土内部裂隙的演化特征。试验结果表明：湿干及湿干冻融耦合循环作用下试样内部裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律,裂隙的区域性分布明显。对比不同试验条件下试样内部裂隙的演化特征可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程对试样裂隙的开展深度影响显著,冻融过程造成试样内部裂隙的破碎断裂,宏观表现为非水平向长裂隙向短裂隙的转化。此外,研究还发现采用裂隙体积分数能较好地评价膨胀土试样经受不同循环次数作用下的裂隙发育规律。     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

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。     

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。     

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。     

膨胀土强度影响因素与规律的试验研究

针对同一种膨胀土,通过直剪试验和三轴试验研究了土体由无裂隙天然非饱和状态到无裂隙饱和状态再到裂隙充分发展的饱和状态的过程中强度的影响因素和变化规律。试验结果表明,含水率、密度以及裂隙是影响膨胀土强度的三个因素,其中含水率和裂隙对强度的影响较大,密度对强度的影响较小。膨胀土强度指标的确定应考虑裂隙的开展。建议用试样做5次干湿循环后的强度指标作为膨胀土裂隙发育区的强度指标。通过膨胀土残余强度试验分析表明,所得指标与裂隙充分发展的膨胀土强度指标是接近的,故也可用其作为裂隙发育区的强度指标近似值。     

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。     

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,...     

膨胀土裂隙定量化基本指标研究

采用计算机图像处理技术,对室内干湿循环试验获得的膨胀土试样的表面裂隙进行定量化分析,研究了裂隙网络的几何结构和形态特征随循环次数的变化规律。基于聚类分析和逐步回归法,从定量描述膨胀土表面裂隙的指标中筛选出了表征其裂隙发育程度的基本指标,利用偏最小二乘回归法建立了基本指标和土体黏聚力的关系式。结果表明:1膨胀土表面裂隙率与分形维数呈正相关性,裂隙条数和总长度受节点个数控制,区块个数反映了区块面积的变化规律,裂隙率在总体上说明了土体的体积变化,平均长度则反映了表面裂隙的连通性;2裂隙的节点个数、块区个数、裂隙率和裂隙平均长度是描述其形态结构和几何特征的基本指标,可以用来描述裂隙的发育程度。     

裂隙形式对岩体强度特征及破坏模式影响的试验研究

利用RMT－150C电液伺服机对含不同预制裂隙形式（单、双、T形交叉及X形交叉裂隙）的类岩石试样进行了单轴压缩试验,系统地研究了裂隙形式对试样强度特征及失稳模式的影响。试验发现,（1）不同裂隙形式下裂隙的起裂破坏模式主要表现为初始裂隙起裂破坏,裂隙形式与破坏模式关系不突出;（2）单轴抗压强度受裂隙形式影响明显,随着裂隙形式由单裂隙到X形交叉裂隙变化,裂隙试样抗压强度呈现增高趋势,同时试样起裂和失稳时的声发射总能量也逐渐增大。进一步对裂隙形式影响强度特征的机制进行了初步分析,研究成果可以反映不同裂隙形式组合对工程岩体稳定性的影响规律。     

高水压条件下大理岩破坏机理试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞中大理岩洞段处于高水压力和高应力环境中, 该段在施工过程中多次发生严重突水灾害。对该段大理岩的高水压条件岩石力学试验表明, 高水压条件下, 岩石应力-应变曲线在峰值应力附近出现明显平缓段, 应力降大, 岩石峰值强度及脆性破坏后破碎程度随水压力升高而升高, 岩石试件以压致拉裂破坏为主。基于高水压条件下裂纹周边应力解析分析, 认为裂隙中高水压力存在降低了裂隙尖端附近高应力集中效应, 与加载方向一定小夹角范围内的微裂隙尖端附近最大拉应力集中程度接近, 这使得岩石中应变能可进一步积累、压致拉裂型微裂隙数量进一步增加, 岩石呈脆性破坏, 并且破碎程度明显增加。研究工作对深埋隧洞突水灾害防治及强降雨诱发高速滑坡灾害预防具有重要的理论和现实意义。     

单轴压缩条件下含三叉裂隙类岩石试样力学特性的细观研究

三叉裂隙是自然界普遍存在的一种岩体缺陷形式,其对岩体的力学特性有重要影响。对含预制三叉裂隙的水泥砂浆试样进行室内单轴压缩试验,配合使用摄像机拍摄裂纹的起裂、扩展、贯通过程,通过数字图像技术处理获取试样的应变场云图,并结合PFC2D程序研究不同?、? 条件下试样的强度特征、裂纹模式和裂纹演化扩展规律。研究表明：三叉裂隙对试样单轴抗压强度有明显的削弱作用。当? 恒定为120°时,试样在? = 30°时达到最大抗压强度;当? 恒定为90°时,随?增大,试样抗压强度呈先减小后增大的趋势,且当? = 45°时达到最大抗压强度。试样产生的裂纹可分为3类,分别是张拉型裂纹(Ⅰ型裂纹)、剪切型裂纹(Ⅱ型裂纹)、混合型裂纹(Ⅲ型裂纹)。这3类裂纹通常从裂隙尖端开始产生,并且Ⅰ型裂纹沿加载方向扩展,通常未扩展至试样边界;Ⅱ型和Ⅲ型裂纹通常与加载方向呈一定角度扩展至试样边界。通过对裂纹的几何形态和组成宏观裂纹的微裂纹成分的分析,得知导致含三叉裂隙试样在单轴压缩条件下失效的是张拉破坏。数字图像技术得到的应变云图表明,当载荷达到一定阶段,裂隙尖端出现应力集中,微破裂开始发育并聚集成微破裂区,微破裂区扩大产生宏观裂纹。通过对主应变和剪应变云图分析,发现导致试样失效的是张拉破坏,剪应变在裂纹扩展过程中的影响较小。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称"孔-隙"）赋存条件下的裂纹扩展规律,利用RFPA软件,对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析,获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线,同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生,含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生;翼裂纹贯穿试件的同时,在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹,并产生分叉,非均质系数影响次生裂纹走向;压载前期试样以拉破坏为主,压载后期以拉-剪组合破坏为主,次生裂纹的产生与剪切破坏有关;声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大,后期迅速增大,预制裂纹倾角越小,非均质系数越大,声发射累计能量越大;不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段,孔-隙的存在降低了试样的峰值强度,影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。      

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

基于CT-CA的天然裂隙岩石受拉破坏特性研究

岩石内部存在的裂隙、孔洞等天然损伤对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响,依据细胞自动机理论结合CT无损识别技术实现了含天然裂隙岩石在劈裂条件下裂纹扩展和贯通全过程及其力学性能变化规律的研究。从裂隙砂岩的真实细观结构出发,构建了天然裂隙岩石的数值计算模型,运用CASRock数值计算软件完成了含不同裂隙倾角的砂岩劈裂破坏的数值试验,分析了裂隙倾角对砂岩的力学特性、裂纹扩展过程及能量演化的影响规律。研究表明:(1)天然裂隙砂岩的抗拉强度与裂隙倾角密切相关,随着裂隙倾角的增加,其抗拉强度呈现先减小后增加的趋势;(2)裂隙起裂于天然裂隙尖端,当裂隙倾角0°≤θ<48°时,岩样的破坏是由错开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近垂直方向扩展;当裂隙倾角48°≤θ<94°时,岩样的破坏是由张开型裂纹引起,裂纹沿着与天然裂隙近平行方向扩展;(3)劈裂过程中裂纹尖端应力场存在拉应力区和压应力区,拉应力造成翼裂纹由天然裂隙尖端沿加载端方向萌生扩展,而压应力则引发次生裂纹沿天然裂隙方向扩展;(4)含天然裂隙砂岩劈裂破坏过程能量演化可划分为4个阶段,随裂隙倾角的增大,峰值点处的总能量密度、弹性能密度先缓慢减少再迅速增加,但对岩样耗散能影响不大。     

双边非对称裂纹平板试样拉伸试验研究

采用自制的压–拉转换装置,配合RMT 150C岩石力学试验系统及数字散斑相关方法,对双边非对称裂纹类岩石平板试样进行直接拉伸试验,得到类岩石试样的拉应力–应变曲线、试样表面应变场演化过程和裂纹扩展模式。研究发现,类岩石试样直接拉伸的拉应力–应变曲线大致可以分为4个阶段：（1）近似线性阶段,预制裂纹基本不起作用,应力随应变增加较快,试样表面应变场的分布主要受试样内部的孔隙及颗粒的影响;（2）整体缓慢增加阶段,两预制裂纹和试样内部的孔隙及颗粒共同影响试样表面应变场的分布,整体上应力随应变呈增加趋势;（3）短暂峰值过渡阶段,试样中某个预制裂纹对试样表面应变场的分布起决定性作用;（4）破坏阶段,裂纹起裂位置在应变场相对集中区域,并扩展导致试样破坏。对于直接拉伸条件下的双边非对称裂纹平板试样,其中某条预制裂纹会率先扩展,先向远离前方裂纹的方向扩展,再向靠近前方裂纹的方向扩展,对采用数值模拟方法研究张拉应力状态下裂纹相互作用扩展规律具有重要意义。     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

冻结膨胀土应力-应变关系试验研究

通过冻结膨胀土三轴力学试验,主要研究了土体在不同温度与围压条件下的应力-应变关系.结果表明：冻结膨胀土的应力-应变曲线为应变硬化型,具有明显的弹塑性变形阶段;在相同围压条件下,随着温度的降低,偏应力增量随应变的增加而增大,最终达到塑性破坏时应力也随之增大. 通过回归分析,抗压强度与温度呈良好的线性关系.随着围压的增加,土体进入塑性变形阶段时的应力有所提高,抗压强度也随之增加,相比温度,围压对抗压强度的影响不是很大.对试验数据进行拟合表明,应用邓肯-张模型能够很好的描述冻结膨胀土应力-应变关系.