加卸荷条件下饱和软黏土蠕变特性试验研究

为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。     

卸荷作用下软黏土回弹吸水试验研究

为了研究软黏土试样在经受卸荷作用后回弹变形中的吸水规律,设计了新的渗透固结试验仪器。以饱和软黏土试样为研究对象,通过室内试验,分析了卸荷作用下软土的回弹吸水特点。试验结果表明,研制的渗透固结仪器密封性能好,可以收集试样固结过程中排出的孔隙水。软黏土试样在大于临界卸荷比的情况下发生回弹吸水,其规律与预压荷载持续时间有关。当预压荷载持续时间为主固结完成时,则软黏土试样回弹变形引起的体积变化等于进入土体的孔隙水的体积;若荷载持续时间为24 h,则回弹变形可以分为主回弹阶段与次回弹阶段。在主回弹阶段,土样的体积变化等于吸入土体的孔隙水的体积;在次回弹阶段,试样并未吸水,仍然有少量变形。卸荷后软黏土试样吸入土体的水量与固结沉降排出土体的水量之比普遍小于10%。     

一维回弹试验中卸载条件下的负超孔隙水压力响应

针对卸载条件下的孔隙水压力(简称孔压)响应问题,通过一维加载压缩和卸载回弹试验,研究了不同卸载量和卸载速率对孔压变化的作用影响,并基于Terzaghi一维固结理论建立了线性加载和卸载条件下孔压响应的预测方法,结合固结-渗透联合试验测定的压缩和回弹条件下的固结系数,评估了该类预测方法对于卸载条件下孔压响应预测的适用性。结果表明,卸载产生的负超孔压随着卸载量和卸载速率的增加而增加,在卸载初期,超孔压减小速率较快,之后则以近似恒定的速率减小,而基于Terzaghi一维固结理论建立的孔压预测方法并不完全适用于分析卸载过程中的这类孔压响应特性。     

循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究

土体所经历的干湿循环和应力历史,对其孔隙结构和持水性能影响明显。为进一步深入研究二者耦合作用的影响,开展了先竖向固结再循环脱吸湿以及先气压脱湿再反复竖向加卸载两种不同加载路径的水分变化测量试验,探索土样持水性能和变形能力的演化规律。研究结果表明:(1)脱湿与吸湿路径对比,土体的持水能力具有明显的差异性,且土体越密实,这种差异性越强烈;(2)随着脱吸湿循环次数的增加,土样的进气值略有增大,减湿段和吸湿段的斜率都会减小,但影响趋势随循环次数增多而减弱;(3)对于气压减湿后的非饱和土样,其前期固结压力随气压值增加而增大,而加卸载形成的滞回圈的面积却随之减小,土体的持水性能和变形能力也降低;(4)重塑土样从不同加载路径首次达到同一应力状态时,先固结再脱湿路径下土样的体积收缩更多,而先施加气压再加载路径下土样持水性能减弱的更多。     

广州饱和软土固结过程微孔隙变化的试验分析

软土的孔隙特征及其变化规律对软土的压缩性和渗透性有重大的影响,软土孔隙特征随荷载变化规律的试验研究为揭示软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的广州番禺淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明：淤泥土中介于0.4～2.5 μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10 μm的大孔隙和小于30 nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性。在固结前期( 200 kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小;在固结后期( 200 kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。     

特殊应力路径下岸坡饱和土体变形特性模拟

库岸边坡土体受到库水位涨落的周期性影响,其受力过程可描述为在前期固结压力范围内有效应力的多次循环加、卸载过程。通过室内应力路径三轴试验模拟土体孔隙水压力的循环加、卸载,并通过对统一硬化模型的扩展和加、卸载准则的修正,来预测土体的变形发展规律,研究结果表明:循环加、卸载过程中,土体的体积变形呈周期性弹性变化,剪应变呈螺旋上升趋势且增幅随循环次数逐渐减小;卸围压屈服阶段,土体变形呈现体积膨胀的剪胀特征和剪应变增幅加快的脆变趋势,且土体剪切变形在6%左右时即出现实测孔压骤减和峰值强度点;建立压缩曲线系数与加、卸载次数的关系,并修正超固结土的加、卸载准则,扩展后的统一硬化模型能够较好地预测特殊应力路径下岸坡饱和土体的变形特性。     

软黏土层一维有限应变固结的超静孔压消散研究

根据土力学固结理论计算分析软黏土层固结过程的超静孔隙水压力值,确定软黏土体固结过程的强度增长,对排水固结法处理软土地基至关重要。软黏土层固结过程中土体变形较大时,有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土固结所得结果差异较大。利用非线性有限元法及程序,通过对软黏土层固结工程算例的计算结果分析,研究了有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土层一维固结超静孔压值消散的差异;探讨了软黏土体一维固结过程中,几何非线性、土体渗透性变化和压缩性变化对超静孔隙水压力消散的影响。研究结果表明,当土体的变形较大时,有限应变固结理论计算出的超静孔压要比小应变固结理论得到的值消散的更快。考虑土体固结过程中渗透性的变化时,超静孔压消散变慢;可用软黏土渗透性变化指数ck 反映渗透性变化对超静孔压消散的影响,渗透性变化指数ck值越小、超静孔压消散越慢。固结过程中软黏土压缩性的大小及变化也影响超静孔压的消散,可用软黏土的压缩指数cc反映固结过程中压缩性的大小及变化对超静孔压消散的影响,软黏土的压缩指数cc越小,固结过程软黏土层中的超静孔压消散越快。     

不同应力路径下K_0固结结构性黏土微观结构特征试验研究

研究结构性黏土在不同应力路径下的微观结构变化可深入了解K_0固结下结构性黏土结构性特性变化的内在机制。在对衡水地区天然黏土进行不同应力路径条件下三轴剪切试验的基础上,利用微观定量化技术,对比不同应力路径条件下土样的微观结构,从微观角度对结构性黏土的微观结构特征变化机制进行了解释。结果表明:在不同应力路径下土体的孔隙直径、颗粒和孔隙的定向排列变化较大,而颗粒和孔隙的形状特征变化较小。增大球应力使土颗粒变得密实,使孔隙压缩,土体体积减小;减小球应力使土颗粒变得松散,孔隙直径增大,土体体积膨胀。增大或减小偏应力对土体微观结构的影响相似,在土体结构破坏前使土骨架变形产生一定压缩,在土体结构破坏后使颗粒错动、翻滚并相互搭接,扩大了粒间孔隙,使土体出现剪胀。土颗粒形状的不规则性导致球应力和偏应力对体应变和剪应变的交叉影响。研究结果揭示了不同应力路径下结构性黏土应力-应变特性的微观机制。     

浸水-循环加卸载条件下压实膨胀岩的变形特征

膨胀岩的体积变形具有明显的水-力路径效应,为了研究浸水-循环加卸载条件下压实膨胀岩的变形特征,以延吉膨胀岩为研究对象,开展了不同初始含水率试样的一维膨胀-循环压缩试验。根据试样浸水膨胀后的压缩-回弹曲线,确定了压缩指数、回弹指数以及二者之差,并引入累积总变形率和累积残余变形率的概念来表征其在循环加卸载条件下的变形特征。结果表明:膨胀率与初始含水率具有显著的线性负相关关系;随着循环次数增加,加、卸载曲线越来越平缓,卸载-再加载滞回环面积逐渐减小,试样的压缩指数、回弹指数以及二者之差均呈逐渐减小的趋势,单次循环产生的总变形和残余变形逐渐减小,累积总变形和累积残余变形先增加后逐渐趋于稳定;初始含水率越小的试样,压缩指数和回弹指数越大,累积总变形和累积残余变形越大;循环加卸载过程对不同初始含水率试样的力学性质有强化和同化作用。     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

应力路径试验前后不同黄土的孔隙分形特征

为了解不同黄土孔隙形状复杂程度的差异和应力路径对孔隙形状复杂程度的影响,对两种黄土应力路径前后孔隙分形特征进行了研究。首先比较了3种分维模型所得孔隙分形维数的可靠性,然后选用热力学关系模型,由进汞、退汞试验得到地裂缝区黄土、充填黄土初始样和三轴应力路径试验后的孔隙分布,据此分析了两种土体进汞孔隙和退汞孔隙分形维数的差异和受载后的分形维数变化,根据退汞过程仅管形孔内的汞流出及孔隙由管形孔和球形孔组成的假定,得到了应力路径试验前后孔隙形状的改变。结果表明,热力学关系模型得到的孔隙分形维数合理、可靠。初始状态,原状和重塑充填黄土的孔隙形状比原状和重塑黄土复杂;常规三轴试验后试样孔隙比减少,孔隙分形维数增加,球形孔向管形孔转变;相对于常规三轴压缩试验,减围压三轴压缩试验后试样的孔隙分形维数较小,管形孔占总孔隙的体积比例较少;总体上管形孔的分形维数比球形孔大,且基本不受应力路径的影响,其占总孔隙的体积比例随着试样宏观孔隙比的减少而增加。     

Fractal analysis of the fabric changes in a consolidating clay

Electron microscopy and mercury intrusion porosimetry studies on the fabric of clays undergoing consolidation tests have indicated that the clays have pores of different sizes and shapes. After pressure is applied to the clay samples, the larger pores change in size and shape, with the smaller pores being relatively unaffected. The size of the pores and their distribution have been determined from mercury porosimeter tests. The shape of the pores and the changes they experience during the consolidation process have received only a qualitative evaluation from the photomicrographs obtained with the scanning electron microscope. In this study, a quantitative evaluation of the shape of the pores in a clay subjected to consolidation stresses is presented. This evaluation is done using fractal theory. Fractal theory employs the concept of fractal dimension to evaluate the shape (roughness) of closed profiles such as pores. The larger the fractal dimension, the rougher is the shape of a closed profile. The fractal dimension of a pore in a clay sample undergoing consolidation changed progressively from 1.4623 (very rough pore) to 0.9856 (very smooth pore). Thus, during consolidation, the pore, besides changing in size, also experienced a change in its degree of roughness. In addition, a theoretical analysis of the influence of the shape of the pores on the rate of water flow from a saturated clay undergoing consolidation is presented.     

基于核磁共振技术的贵阳红黏土剪切全过程孔隙演变规律研究

为研究常规三轴压缩条件下贵阳红黏土剪切全过程孔隙结构的演化规律,探讨分析贵阳红黏土细-微观结构形态变化,揭示贵阳红黏土宏观破坏形态与细-微观结构变化的关联性。采用全自动三轴仪、低场核磁共振技术以及SEM扫描电镜对贵阳红黏土开展全过程剪切测试,并结合颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)对剪切前后的试样进行分析。研究结果表明:贵阳红黏土T₂谱图呈现出3种峰型,分别对应大孔隙、中孔隙以及小孔隙;荷载作用下贵阳红黏土试样的变形破坏主要以内部颗粒之间相对位置的调整为主,孔隙体积整体表现为减小;随着应力的增加,红黏土逐渐形成肉眼可见的弧形小褶皱,大尺度孔隙逐渐向小尺度的孔隙发展,小孔隙数量逐渐增加,大-中孔隙数量逐渐减少,孔隙方向越来越混乱;当小褶皱逐渐扩展、贯通形成大的滑移面,孔隙形态表现出短暂的方向性,之后滑移面的压密将使小孔隙数量减少,大-中孔隙数量增加;在整个剪切过程中,贵阳红黏土孔隙形态逐渐趋于相似,孔隙边界趋于复杂。     

锦屏大理岩单轴压缩过程中的微结构演化

为了研究锦屏大理岩受载过程中内部孔隙结构的演化规律,文章先对其进行矿物成分测定和单轴压缩试验;随后对施加不同轴压后的试样开展了核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）测试,并分析相应试验结果;最后,根据NMR孔隙度参数,建立起试样损伤度、有效应力比系数与轴压比之间函数关系。结果表明:大理岩内部孔隙分布具有多尺度特性;加载过程中核磁共振 T ₂谱分布曲线整体向右移动,小尺寸孔隙占比减少而中等尺寸孔隙占比增加;岩样内部孔隙具有多重分形结构,小孔占比影响孔隙的分形维数和连通性。当小孔占比小时,孔隙结构相对简单,分形维数较低;当小孔占比大时,孔隙结构则较复杂,分形维数增大。大理岩孔隙度和损伤度均随荷载增加呈指数增大,且损伤和未损状态下有效应力比也增大。此项研究对揭示岩石损伤与破坏机理具有重要指导意义,同时在岩石损伤检测方面也具有一定参考价值。     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.     

上新世红土微观结构参数与渗透系数的变化关系研究

新近系上新世（N₂）红土是实现我国西北地区保水采煤和生态环境保护的关键隔水层,研究红土的微观结构有利于分析其渗透性变化的内在机理。文章利用Matlab对不同渗透系数的N2红土的SEM图像进行了预处理和二值化分割,提取孔隙轮廓,得到其孔隙大小、排列、形态和类型等微观特征,并分析了红土的灰度熵、平均孔径、扁圆度、分布分维和概率熵等孔隙微观结构参数与渗透系数之间的关系。结果表明:图像灰度熵与渗透系数之间无明显变化规律,灰度熵在0.88~0.92之间;平均孔径在2.7~3.7μm之间,渗透系数随平均孔径的增加呈指数型增加;对孔隙大小按照微孔隙（<1μm）、小孔隙（1~4μm）、中孔隙（4~16μm）、大孔隙（> 16μm） 4组进行分类,发现小孔隙的数量最多,约占总孔隙数的50%以上,中孔隙和大孔隙的面积约占总孔隙面积的80%以上,渗透系数的增大主要与中孔隙和大孔隙有关;孔隙扁圆度在0.54~0.57之间,形状系数在0.63~0.75之间,孔隙主要呈扁椭圆状,渗透系数随扁圆度的增加呈指数型缓慢减小,随形状系数的增加呈线性减小;孔隙的分布分维数在1.00~1.40之间,随着分布分维的增加,孔隙由大变小,渗透系数随之呈指数型减小;不同土样的概率熵在0.97~0.99之间,孔隙缺乏明显定向性。     

基于IPP图像处理的膨胀土微观结构定量研究

利用环境扫描电镜（ESEM）获取不同浸水时间下合肥膨胀土的微观结构扫描图像,基于专业图像处理软件Image-Pro Plus（IPP）对膨胀土的ESEM图像进行处理和分析,研究了不同浸水时间下合肥膨胀土的表观孔隙比、分形维数和大小组成情况。研究表明,膨胀土的表观孔隙比随着浸水时间的增大逐渐增大,其增长速率逐渐减小。运用小岛法对土样的颗粒和孔隙的分形维数进行研究,结果表明,膨胀土的颗粒和孔隙均具有明显的分形特征,分形维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的逐渐增大,颗粒的分形维数在减小,孔隙的分形维数在增大,二者呈现相反的变化趋势。对土样的颗粒和孔隙按照大（>5 μm）、中（2～5 μm）、小（1～2 μm）、微（<1 μm）4组进行分类,分析了不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比的演变趋势。     

Analysis of microscopic pore structures of the silty clay before and after freezing–thawing under the subway vibration loading

With the rapid development of the subway rail transit, the effect of the cyclic loading on the surrounding foundations and buildings has drawn wide attention. In addition to the in situ tests and the laboratory triaxial tests, microscopic tests also provide an effective way to clarify the physical and mechanical characteristics of soils. On the other hand, the characteristics of the soft silty clay before and after freezing–thawing has been less studied. In this paper, the scanning electron microscope (SEM) tests following the cyclic triaxial tests of silty clay layer were performed to investigate the variations of the microscopic pore structures of the layer before and after freezing–thawing. The corrected Otsu method was used to obtain the binary SEM images of silty clay. The porosity results demonstrate that the magnifications from 1000× up to 5000× were suitable for observation of the silty clay microstructures. The binary SEM images of soil pore structures were quantitatively analyzed, including the porosity, the size distribution, the pore shape coefficient, the pore orientation distribution and the fractal dimension. The pore orientation of samples without loading is arranged in the horizontal direction, while the pores of samples under cyclic loadings are arranged in the vertical. After freezing–thawing, the mean anisotropy value of the microscopic pore structures increased about 12% and the porosity of samples without loadings increases about 11.24%. The lower the freezing temperature is, the larger the porosity within the samples becomes. However, the freezing–thawing has little effect on the pore shape coefficient of the silty clay. The porosity of the silty clay increases with an increase in pore diameter, but it decreases with the increase in excess pore pressure. In addition, the microscopic pore structures of the silty clay exhibit fractal characteristics. The fractal dimension is reduced by the disturbance from the effect of freezing–thawing, coupled with the effect of cyclic loading.     

粉质黏土周期荷载后的不排水强度衰化特性

在3种不同围压下进行了一系列重塑粉质黏土的静三轴和动-静三轴不排水剪切试验,得到了不同动应力水平条件下粉质黏土的孔压、动应变和不排水剪切强度值。通过对土样的不排水强度、孔压和动应变的无量纲化处理,确定了周期荷载作用后粉质黏土的不排水强度比与动载引起的孔压比和动应变比之间的相关关系。试验结果表明：粉质黏土在周期荷载作用后的不排水强度衰减程度取决于动载引起的动应变比值和孔压比值。当周期荷载引起的动应变比值小于0.1时,孔压比增长较快,土样的不排水强度几乎没有衰减;当动应变比大于0.1时,孔压比增长变慢,土样的不排水强度明显衰减;当动应变比值接近1时,孔压比值达到0.9,土样的不排水强度衰减程度约达到55 %