马家树水库大坝防渗土料分散性判别和改性试验

基于分散性土修建挡水建筑物易受破坏而造成工程安全事故等因素考虑,开展双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水阳离子试验和交换性钠百分比试验,对马家树大坝防渗土料的分散性及其改性措施进行研究。试验结果表明,马家树大坝防渗土料属于低液限黏土,易溶盐和饱和孔隙水溶液中含有大量的钠离子,酸碱度呈强碱性或极强碱性;土样中的黏土矿物主要以伊利石为主,含有少量的高岭石、绿泥石和蒙脱石;分散性试验综合判别土料属于分散性土和过渡性土;石灰剂量为0.25 %时就对分散性土产生显著改性作用。研究表明,黏性土产生分散性的主因是土体中含有较多的钠离子和酸碱度呈强碱性;石灰是一种有效的分散性土改性剂。     

分散土分散性影响因素及其判别方法初探

分散土遇水分散的特性是造成分散土地区堤坝、渠道边坡、道路边坡被冲蚀和管涌破坏等的重要原因,开展土体分散性判别工作是分散土地区进行工程建设的重要前提。首先通过针孔试验、碎块试验等对分散土进行判别,随后基于扫描电镜、X衍射等试验,研究分散土的分散机制及微观结构,分析土体分散的主次要影响因素。针对标准吸湿含水率与土体矿物成分蒙脱石含量具有较强线性关系的情况,大数据总结典型分散性黏土的蒙脱石含量与pH值分布特点,提出基于标准吸湿含水率+p H值测试的土体分散性的综合判别法,并给出相应的判别指标及判别程序,最后采用工程实例进行了验证。结果表明：具有一定的蒙脱石含量以及较高的p H值赋存环境是土体具备分散性的物质基础和环境保障;若土体中的蒙脱石含量≥10%且pH≥8.5,则可判断为分散土;不在此区间的土料仍需采用土的分散性判别方法及野外调查结果来综合判断土的分散性。     

Si/Ca复合体系改性分散土的崩解特性及作用机制研究

分散土具有遇水分散流失的特性,在工程实践中常采用石灰、水泥等进行改性,但存在环境污染等问题。选取纳米硅溶胶和氯化钙组成Si/Ca复合体系作为分散土的改性材料,采用针孔试验、泥球试验、分散崩解试验研究改性效果,通过物理化学性质等试验分析作用机制。试验结果表明,单一纳米硅溶胶在25%掺量下可完全消除分散性;单一氯化钙在0.40%掺量下可完全消除分散性;1%纳米硅溶胶与0.05%氯化钙组成的Si/Ca复合体系可完全消除土体分散性,有效减少单独使用两种材料的掺量。纳米硅溶胶改性土的崩解过程与分散土存在差异,其最终崩解时间较短,且崩解速率更稳定;与氯化钙共同作用时,最终崩解时间进一步缩短,崩解速率增大。Si/Ca复合体系改性分散土的作用机制包括降低土体的交换性钠离子百分比和pH、形成水化硅酸钙等。研究表明,由纳米硅溶胶和氯化钙组成Si/Ca复合体系可有效改性分散土。     

离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究

利用离子土壤固化剂（ionic soil stabilizer,简称ISS）对河南安阳地区膨胀土进行化学改性试验研究,通过不同配比的自由膨胀率试验结果,结合施工成本,得出ISS溶液改良膨胀土的最优配合比为1:350。对ISS溶液最优配合比改性后土体进行收缩试验、膨胀性试验、固结快剪、高压固结及水浸泡试验。试验结果表明,改性土线缩率减小,膨胀性指标降低,抗剪强度增大,土体由亲水性变成憎水性,且能达到较好的水稳定性,即膨胀土经化学改性为非膨胀土。ISS改性膨胀土的机制可解释为,通过ISS溶液与土粒离子进行强烈的交换作用,打开土粒与水分子之间的“电化键”,降低土颗粒表面吸附水膜厚度,包裹在黏粒颗粒表面的疏水基团覆盖膜使土对水的敏感性减弱,从根本上减少了土体吸水性和膨胀性。     

土体分散性综合判别方法探讨

分散性土具有抗冲蚀能力低、遇水易分散的性质，容易造成路基失稳、堤坝管涌等事故。通常采用双比重计试验、碎块试验、针孔试验和交换性钠离子百分比试验来判别土样的分散性等级。但由于我国分散性土研究时间较少尚未形成统一的标准，不同的鉴别试验往往出现不同的结果，同时各判别试验的等级划分也不完全相同，对土体的分散性等级不能做明确的判别。以吉林乾安地区土样为研究对象，在测定土体性质及矿物组成的基础上，采用不同试验方法对其分散性进行测试，并综合考虑土体性质与分散机理，分别赋予碎块试验、双比重计试验、针孔试验和交换性钠离子百分比试验不同的权重值，同时将碎块试验、双比重计试验、针孔试验方法中的土体分散性等级划分为高分散性、分散性、过渡性、非分散性4种等级。根据碎块试验、双比重计试验、针孔试验和交换性钠离子试验，对各分散等级赋予一定的分值，最后根据权重值和评分综合判定研究土样的分散性等级。该方法可为分散性土体的分散等级综合判定提供相应的借鉴与参考。     

华北平原典型黏性土体固结特性的试验研究

针对华北平原地面沉降区衡水市漏斗中心分层标处所采土样,在其压缩固结试验基础上分析了典型黏性土体的固结特性,即压缩系数.根据黏性土结构、矿物成分及阳离子交换量的测试结果,得出黏性土的孔隙分维值、矿物质量分数与压缩系数呈正相关关系,阳离子交换量与压缩系数随埋深变化基本呈正相关关系.通过分析影响黏性土固结特性的内在因素和数量关系,阐明了黏性土物理化学性质对黏性土体固结特性的影响.     

基于不同改性方法的分散性黏土处治试验研究

分散土的改性和利用是岩土工程的热点和难点问题,传统的方法是利用石灰改性,具有成本高、破坏环境等不利影响,亟需探索新的处治材料与技术。采用铝化合物和传统特殊土改性剂(石灰)分别对中国东北地区某均质大坝典型分散性黏土进行处治,研究不同类别、不同掺量的改性剂对分散性黏土物理化学性质、分散性及力学性质的影响,通过扫描电镜等微观试验,研究铝化合物改性分散性黏土的微观机制和改性机制。研究结果表明,当石灰掺量达到1%～3%、铝化合物掺量达到(2～4)×10~(-4) mol/g时,两者均具有较好的改性效果,且均能提高分散性黏土的抗剪强度;石灰对土样的颗粒组成没有显著影响,随着石灰掺量的增加,分散土的p H值增大,分散性得到有效抑制;在对土样产生团聚、胶结等作用方面,铝化合物可以改变土样的颗粒组成,能有效地降低土样的酸碱度,亦能达到优良的处治效果。与石灰改性分散性黏土相比,铝化合物具有环境友好、施工方便能够实现原位处治等优点,在实际工程中具有较高的应用价值。     

动、静载环境下界面土直剪试验

为了探究土体界面土的力学性质及其变化规律,以粉土、粉质黏土和碎石土作为试验材料,以法向应力大小、上下土层类型、界面处理方式、动载环境、静载环境和动载作用时长等作为试验变量因素,运用正交试验设计方法对不同类型的原状土和重塑土试样进行室内直剪试验,得到了土体界面土的剪力-位移本构曲线,根据曲线中的峰值抗剪强度计算出了能够反映界面土抵抗黏性破坏能力的黏结系数。试验结果表明：粉土的黏结系数小于粉质黏土;界面土的抗剪强度与上下土层的结合类型相关,界面土的粗糙度越大,界面土处的土体接触越充分,则界面土的力学性质越好;随着动载作用时间的增加,土体界面土的抗剪强度会有所下降;并且,界面土的力学性质与上下土层性质之间有一定的联系。     

戈壁碎石土胶结作用机制及其微观力学模型研究

戈壁是广泛分布于我国西北地区的一类特殊土地基,由粗粒、细粒、细粒-粗粒间的相互接触与胶结作用而形成骨架颗粒结构,粒间胶结效应明显,工程性质也不同于一般"土石混合体"。以新疆和甘肃典型戈壁碎石土为对象,完成了戈壁碎石土p H值及可溶盐含量测试,并采用X射线衍射、扫描电子显微镜镜下观察和能谱分析等方法,测试获得了戈壁碎石土胶结矿物成分及其微观结构特征与元素组成,揭示了戈壁碎石土粒间胶结作用力类型与形成机制。根据戈壁碎石土胶结物组分及微细观结构测试结果,分析了戈壁碎石土中黏土矿物晶胞吸附其他胶结物或土颗粒中的阳离子所形成胶结的可能化学结构,建立了戈壁碎石土胶结力作用微观力学模型。以胶结黏土矿物含量为变量,得到了戈壁碎石土抗剪黏聚强度与颗粒胶结力间的关系式,并与现场试验结果对比。结果表明,戈壁碎石土宏观强度来源多样,是盐分胶结及土体胶结物微观晶面上离子键作用的综合结果;戈壁碎石土粒间黏土矿物胶结作用实质是黏土矿物或碳酸钙中非金属原子(如O原子)与土体中金属阳离子相结合而形成离子键,胶结力大小由连接胶结物微观晶面间的多个离子键综合贡献确定。     

基于圆弧主应力迹线的黏性土主动土压力分析

墙背粗糙导致墙后土体应力方向发生偏转,目前,黏性土中考虑土体应力方向偏转对土压力影响的研究较少。为此,本文首先在探讨墙后土体主应力偏转规律的基础上,采用沿主应力迹线分层形成曲线薄层单元。然后,通过分析曲线薄层单元的受力情况,建立曲线薄层单元的静力平衡方程,推导出平动模式下黏性土体土压力沿墙高分布的公式,进而获得黏性土土压力分析新方法。最后,将本文方法与实测结果和现有理论进行对比验证和参数分析,验证本文方法的可靠性和合理性。研究结果表明:考虑墙土摩擦效应的计算结果更能准确反映黏性土体土压力沿墙高的分布规律;土压力大小随黏聚力增大而减小;随着墙土摩擦角的增大,土压力合力逐渐减小,作用点高度缓慢升高。     

分散性土动剪切模量影响因素的试验研究

分散性土耐冲蚀性低、抗渗性能差,在纯水中具有很高的分散性,严重威胁水利工程的安全。在分散性土的鉴别和改性方面已有很多成果,但分散性土动力特性的研究见诸报端的还很少。利用日本诚研社生产的DTC-199型电液伺服加荷往复扭剪三轴仪,对取自宁夏某碾压均质土坝的分散性土的动剪切模量进行了探索。通过改变试样的含水率、干密度和围压等初始条件,研究分散性土在不同试验条件下的动力特性及剪切模量的变化规律,并进行对比分析。得出：分散性土的动剪应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型;控制初始条件,当其他条件相同时,含水率越低,动剪切模量越大;干密度越大,试样动剪切模量越大;围压越高,其动剪切模量越大;初始剪切模量及最大动剪应力的变化规律与之相似。动剪切模量随动剪切应变的增大普遍呈衰减趋势。     

活化粉煤灰抑制高矿化度水泥土膨胀的研究

水泥土可用做软土地基处理。在高矿化度水环境中,SO42-与水泥水化产生的AlO3-、Ca2+反应生成大量钙矾石(3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O)而引起水泥土膨胀破坏,使水泥土加固体强度降低。加入水泥土中的活化粉煤灰,释放出活性二氧化硅,增加了水泥土中SiO32-的浓度,使生成反应向有利于生成硅酸钙（CSH）的方向发展,减少了Ca2+与SO42-、AlO3- 反应,并生成钙矾石的机率,从而对水泥土的膨胀起到了一定的抑制作用。抑制水泥土膨胀的机理,改变离子浓度,控制化合物的生成方向、微粒充填界面效应。粉煤灰被活化的机理是以粉状硅酸钠为主剂的材料,突破了粉煤灰网络聚合度高的表层,使其内部的活性物质得以释放。     

化学改性联合真空预压法加固吹填土试验分析

通过开展室内真空预压模型试验和微观测试,针对黏粒含量较高的吹填土,探讨分析了化学改性联合真空预压法的加固效果及其机制。结果显示：经过化学改性后,吹填土的液限及塑性指数显著降低,渗透系数明显增大;此外,微观测试结果显示,经过化学改性后,改性外掺剂与吹填土颗粒间发生复杂的化学反应,吹填土颗粒表面附着大量的难溶物,使其表现为典型的团粒结构,孔隙直径明显增大,土体的渗透性显著提高;与常规真空预压法相比,化学改性联合真空预压法处理吹填土的加固效果得到大幅度的提升,其中排水量最大提升幅度达17.6%,表层沉降量明显增大,加固后土体十字板剪切强度最大提高69.0%。该研究为改进真空预压法的技术发展提供了理论依据。     

孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

针对桂林地区的粉质黏土,运用液、塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率,并利用扫描电镜（SEM）技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学-力学耦合作用对结构特性造成的影响。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度的增大,粉质黏土的界限含水率均减小,且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显,随着阳离子价位的增高,其下降的幅度更大;该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大,使得扩散双电层的厚度减小,而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。除此以外,通过探测土体的微观结构发现,水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用,致使土粒形成粒团,土颗粒间孔隙增大,架空孔隙变多。     

加积型网纹红土网纹化机制及形成环境

选取九江地区JL剖面网纹层段典型样品,针对红基质与白网纹的物质组成及理化性质展开异同分析,在此基础上探讨网纹红土形成环境。初步得到以下结论:1)红基质与白网纹的粒度组成、元素组成、风化特征基本一致,但铁元素有显著差异,"网纹"并非原生构造,不是岩性差异及差异风化的产物,而是同源物质经历化学风化过程中元素分馏的结果。2)地球化学分析、磁学分析和粘粒级矿物组成分析一致表明,白网纹与红基质在铁含量、铁氧化物形态、铁矿物类型方面存在明显差异。白网纹与红基质相比,全铁含量(4.30%)低于红基质(8.63%);Fe^3+/Fe^2+比值(40.66)低于红基质(90.95);游离铁量及游离度(7.01 g/kg,32.96%)低于红基质(76.21 g/kg,77.52%);铁活化度和晶胶率(25.31%,37.77%)高于红基质(8.77%,9.69%);赤铁矿和针铁矿含量极少,这充分表明白网纹局部存在明显的铁淋失。3)白网纹局部脱色机制主要受控于赤铁矿及其转化,红基质主导矿物为赤铁矿,并含有一定的磁赤铁矿和针铁矿,而白网纹则不含磁赤铁矿,赤铁矿含量也极少。此外高岭石含量也是影响色浅的因素之一,白网纹蛭石、高岭石含量(20.24%和45.08%)均略高于红基质(11.45%和41.82%)。4)赤铁矿的富集、局部铁迁移的特点,整体上指示高温、中强程度化学风化和季节性多水的环境。这在一定程度上暗示网纹红土形成时期气候高温多雨,且季节性反差增强。     

Effects of sheet flow rate and slope gradient on sediment load

Sheet erosion is known as one of the most important forms of erosion, particularly in agricultural land. The purpose of this study was to investigate the effect of flow rate and slope gradient on runoff and sediment discharges in two different soils. Experiments were conducted using a tilting flume facility with the test area of 0.2?×?1.0 m. Overall, 24 experiments on two soils (clay loam and sandy clay loam textures) including six flow rates (75, 100, 125, 150, 175, and 200 ml/s) and two slope gradients (1.5 and 2 %) were performed. The selected flow rates and flume slopes were generated to simulate sheet erosion. The results showed that for both soils and slopes, unit flow discharge (q) and sediment concentration increased with increasing flow rate; however, the effect of slope gradient on flow discharge depends on soil type. In addition, sandy clay loam exhibited higher values of q and sediment concentration and consequently, it showed greater amounts of sediment load. At the start of event, sediment concentration was high but it decreased to approach a steady state. In addition, the time needed to reach a steady state condition was shorter for sandy clay loam than that for clay loam soil and in lower flow rates than higher flow rates. For each soil and slope, there was a direct relationship between sediment load and flow rate. The result implied that the effect of slope gradient on sediment load was almost greater in sandy clay loam soil than clay loam soil. Moreover, the differences between sediment loads of two soils are enlarged at slope 2 %.     

Inference of creep mechanism in underground soil loss of karst conduits I. Conceptual model

Karst is widely distributed in the southwest of China, especially in Guizhou Province. The phenomenon of desertification in these areas is very serious. And soil erosion is the key link in the process of desertification. Through field monitoring, underground soil leakage is derived to the main mode of soil loss in this area. Shear strength tests and creep experiments were carried out with the aim of analyzing the creep mechanism in underground soil loss. It is shown that the water content can lead to the great influence on the shear strength of the brown clay. This variation has been combined with creep characteristics besides the structural geology, hydrology condition and brown clay distribution circumstance (field observation). A conceptual creep model of the brown clay sliding along the karst conduits has been unveiled to show the detailed inference of the creep mechanism in the underground soil loss: geology and hydrology control the development of the karst conduit system; and penetration of water induces the weakening of the shear strength of the surface soil and accelerates the creeping and sliding of the brown clay along the karst conduit system. This understanding of the creep mechanism has significant implications for the future management of the soil erosion in the karst area.     

蠕变条件下软土微观孔隙变化特性

研究软土蠕变过程的微结构变化可深入了解蠕变特性的内在机制。在对漳州软土进行多种蠕变试验的基础上,利用微观定量化技术,对比原状软土与蠕变条件下土样的微观孔隙,从微观角度对蠕变机制进行了解释。研究表明,土样产生蠕变变形后,孔隙大小变化遵循孔隙均匀化原理;孔隙的复杂度与定向性降低;孔隙形状趋向扁圆形发展。发现不同的蠕变试验方法下,孔隙的微结构参数对蠕变变形的敏感度是不一样的,建议针对不同的蠕变试验方法,宜采用不同的微观参数来进行微结构特征的描述。揭示了土体不同蠕变表现,实际上都是土内部结构不断改变自我调整再造的过程。通过对软土蠕变特性的本质因素的研究,可以解释宏观工程现象,为合理的蠕变本构关系提供了依据,以指导工程实践。