荷载-干湿循环共同作用下泥岩的压缩特性

泥岩遇水易崩解泥化,特别是耦合荷载作用后,其力学性能衰减更加明显。为掌握泥岩在环境因素和外部荷载作用下的性能演化规律,开展了干湿循环与上覆荷载共同作用下的压缩特性试验。发现初次浸水后压实泥岩发生膨胀,但随着干湿循环作用的进行,泥岩试样发生压缩变形。然后,对压实泥岩试样进行孔隙分析,结果表明,泥岩孔隙分布呈现双峰特征,峰值大约位于0.3 ?m和10.0 ?m孔径处,干湿循环和荷载的作用引起孔隙体积减小,特别是对大孔径孔隙的影响最显著。最后,依据泥岩的膨胀、压缩和孔隙分布特征,提出了压实泥岩的孔隙-荷载-水分相互作用模型,将压实泥岩的孔隙体积分为团粒内孔隙和团粒间孔隙两类;分析了荷载-干湿循环引起泥岩团粒崩解破碎和充填团粒之间孔隙的演变过程。揭示了泥岩孔隙-水分-荷载的相互作用机制,为泥岩路基的填筑提供了理论参考。     

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。     

砂-粉土混合料在列车荷载作用下细颗粒迁移机制试验

荷载作用下砂粉土动水力特性与细颗粒迁移研究是分析振动液化、翻浆冒泥等自然或工程灾变过程细观致灾机理和演化机制的基础与关键。通过开展模拟列车动-静组合荷载作用下饱和砂粉土动水力特性及细粒迁移机制试验,试验结果表明：动-静组合荷载作用下试样的轴向变形呈现出台阶式变化特点;试样的总应力分布随着深度的增加表现出显著的指数减小趋势;孔隙水压力反复经历了动荷载作用下的累积与静荷载作用下的消散过程,并且在该过程中轴向孔隙水压力梯度逐渐对孔隙水形成“抽吸”作用,促使细颗粒产生迁移和集聚。进一步通过分析试样不同层位间细颗粒含量的组成变化,研究了动-静组合荷载作用对饱和砂粉土中细颗粒发生层间迁移流动的影响规律。     

干湿循环作用下边坡动力稳定性的试验研究和数值模拟

利用试验和数值模拟工具,对干湿循环和地震荷载作用下的边坡力学特性和动力响应规律进行研究,建立有限元边坡模型并进行稳定性分析。结果表明：随着干湿循环次数的增加,土体有效粘聚力逐渐降低趋势,干湿循环过程使得土颗粒的胶结作用被降低。干湿循环作用下,会改变土体的动力特性参数,如最终动剪切应变、初始动剪切模量和阻尼比。在动荷载作用下,使得边坡地下水位线升高,导致孔隙水压力重分布,水压力增高。在干湿循环和动力荷载共同作用下,边坡稳定性系数发生改变。边坡稳定性系数与干湿循环次数呈负相关,最大安全系数降低20%左右。     

干湿作用下受荷石膏质泥岩的不可逆膨胀特征

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明：（1）该试验装置可以实现干湿循环与特定应力状态（侧限压缩）的全过程耦合,且试样无自由表面,与地下岩体真实赋存状态较为接近;（2）当法向压力小于试样膨胀应力时,第1次吸水后试样有明显膨胀变形,在排水固结后可恢复的变形比例较小,而继续干湿循环,试样的胀缩变形将不再明显;（3）第1次干湿循环后,泥岩内矿物由颗粒胶结状态退化为絮状堆积状态,黏土化趋势明显,膨胀应力下降比例超过80%;(4)增加法向压力虽然可以减小甚至消除干湿循环过程中石膏质泥岩的膨胀变形,但无法抑制其细观结构的劣化;（5）通过有荷载的干湿循环,以一定的围岩变形为代价,可以减弱石膏质泥岩的膨胀性,但需要注意干湿循环也会降低石膏质泥岩的抗剪强度。上述结论对于石膏质泥岩地区隧道建设及地质灾害防治具有一定的指导作用。     

膨胀土干湿循环过程孔径分布试验研究及其应用

采用压汞法对膨胀土干湿循环过程孔隙大小分布的演化规律进行了试验研究,结果表明,随着循环次数的增加,膨胀土的总孔隙体积、孔隙率和平均孔径等微结构参数均递增;分析了试验结果产生偏差的原因,其一是干湿循环过程中膨胀土试样的体积收缩,其二是孔隙形状和测试压力有限的影响,在此基础上对试验数据进行了合理修正。结合毛细管模型,利用修正的孔径分布曲线推算了膨胀土干湿循环过程中的土-水特征曲线,并分析了干湿循环过程中基质吸力的变化规律：以含水率28%为分界点,含水率大于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递增,含水率小于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递减;在此基础上,建立了基质吸力与循环次数之间的关系,为解释膨胀土力学特性的干湿循环效应开辟了一条新途径。     

砂-粉土混合料在列车荷载作用下细颗粒迁移机制试验

荷载作用下砂粉土动水力特性与细颗粒迁移研究是分析振动液化、翻浆冒泥等自然或工程灾变过程细观致灾机制和演化机制的基础与关键。利用自主研制的试验系统,开展了模拟列车动-静组合荷载作用下饱和砂粉土动水力特性及细粒迁移机制试验。试验结果表明:动-静组合荷载作用下试样的轴向变形呈现出台阶式变化特点;试样的总应力分布随着深度的增加表现出显著的指数减小趋势;孔隙水压力反复经历了动荷载作用下的累积与静荷载作用下的消散过程,并且在该过程中轴向孔隙水压力梯度逐渐对孔隙水形成"抽吸"作用,促使细颗粒产生迁移和集聚。通过分析试样不同层位深度处3种粒径组颗粒含量及有效粒径d₁₀的变化规律,研究了动-静组合荷载作用对饱和砂粉土中细颗粒发生层间迁移流动的影响机制。     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙的定量分析

为研究膨胀土在降雨与蒸发过程中的胀缩裂隙演化规律,对原状膨胀土进行干湿循环的CT扫描试验。利用Matlab软件编写程序对土体CT图进行三维体重建以及裂隙信息的提取,从定性与定量的维度研究土体三维空间裂隙与干湿循环之间的关系。定性研究发现,裂隙发育开始于土体内部初始孔洞与微纹裂等薄弱处,并扩展延伸,形成裂隙面、裂隙体,最后形成复杂的三维裂隙网络;随着干湿循环的进行,裂隙面积和体积逐渐增加,最后趋于稳定。定量研究发现,裂隙面积沿试样轴向的分布具有明显的周期性规律,随着干湿循环的进行,周期逐渐减小,振幅A先增加后减小;裂隙开展分为3个阶段,即裂隙酝酿期、裂隙快速发育期和裂隙平稳发展期,而裂隙发育主要发生在裂隙快速发育期。得出了试样径向裂隙面积、轴向高度与累计干缩体变之间的近似关系,以裂隙体积定义了符合Logistic函数变化规律的扰动函数,可以预测裂隙在试样局部的发展及分布情况,为裂隙膨胀土的渗透特性以及整体与局部的应力、应变研究提供参考。     

冻融和干湿循环对原状黄土渗透系数的影响

为了反映冻融循环、干湿交替及其耦合作用对原状黄土纵横向渗透系数的影响,以延安Q₃黄土为研究对象,对比不同条件下黄土试样的表观结构特征,通过三轴渗透试验得到了渗透系数随循环次数、初始含水率、围压变化的规律,分析了各因素在耦合作用中的影响权重。结果表明:冻融引起的土体骨架结构破坏,与干湿造成的试样表面张拉裂隙均会对黄土体造成不可逆的损伤,冻融、干湿单一条件下土体典型的破坏形式均在耦合条件下有所体现。耦合作用下黄土纵横向渗透系数随循环次数及围压的变化规律与干湿条件下的最为相似,其数值远小于冻融条件下黄土的渗透系数,且只在冻融条件下考虑初始含水率对土体渗透性质的影响。试验规律与回归分析结果均表明,耦合作用中干湿交替起主导作用,冻融循环起促进作用。研究结果以期为黄土地区地质灾害防治与构(建)筑物设计提供参考。     

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。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性的影响

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T_2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T_2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与扫描电镜(SEM)微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究

揭示干湿循环作用下膨胀土力学特性的演化规律对防治膨胀土灾害有重要指导意义。提出了一种基于超微型贯入试验的土体内部力学特性研究方法,在干湿循环条件下对重塑膨胀土开展了一系列贯入试验,获得3次干燥过程中试样贯入阻力随深度和含水率的变化曲线。结果表明:(1)通过超微型贯入试验能够简单、快速和有效地掌握膨胀土在干湿循环过程中力学特性的时空演化特征;(2)试样的贯入阻力在干燥过程中总体呈增加趋势,相对于深部土体,表层土体的贯入阻力对干燥作用更加敏感;(3)干湿循环作用对膨胀土的力学特性有重要影响,随干湿循环次数的增加,膨胀土的贯入阻力总体上呈减小趋势,贯入曲线由单峰结构逐渐向多峰结构过渡,贯入阻力的空间差异性更加突出,且该现象在低含水率区间更加明显。基于土力学、土结构的基本理论以及试验中观测到的一些现象,对干燥过程和干湿循环作用下膨胀土的贯入力学特性进行了分析和探讨。干燥过程中土颗粒收缩靠拢、密实度和颗粒接触点增加及土吸力增加是导致膨胀土贯入阻力增加的重要原因,而干湿循环作用导致的土结构松散化、裂隙化则是引起膨胀土整体力学性质弱化的重要原因。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

干湿循环下南阳膨胀土的土水和变形特性

对初始状态相同南阳膨胀土试样进行1～6次干湿循环,选取其中的1、3、6次循环后的试样,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法测定其含水率、孔隙比、饱和度等与吸力的关系,并对比分析干湿循环对南阳膨胀土的持水能力影响。在1～6次干湿循环过程中,以环刀为参照物拍摄每次烘干后试样上表面照片,用数字图像处理提取图像中的裂隙与收缩面积,以此分析试样烘干过程中裂隙与收缩与干湿循环次数的关系。试验结果表明,干湿循环过程中相同吸力的试样含水率略降低、孔隙比略增大、持水能力略降低,烘干过程中试样收缩面积增大,裂隙展开面积增大,但上述性质变化幅度都随干湿循环次数增加而减小。试验成果为研究膨胀土的持水能力和湿胀干缩变形性质随干湿循环的变化规律提供实测数据。     

不同频率循环荷载作用下岩石阻尼比试验与变形破坏机制细观分析

通过对取自海南昌江核电厂一期工程主厂区的黑云母花岗岩,在RMT－150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机进行单轴不同频率的循环加卸载试验,研究花岗岩动应变-应力滞回曲线、动弹性模量和阻尼比同循环频率之间的规律,然后对破坏断裂断口进行细观电镜扫描试验,分析了不同频率下花岗岩断口细观形貌与结构特征。结果表明,花岗岩在循环荷载作用下的加卸应力-应变曲线并不重合,而是形成一个封闭的滞回环;当循环频率在0.01～1.0 Hz范围内变化时,随着频率增大,花岗岩滞回环面积、动弹模和阻尼比都增大;通过细观数字图像试验分析发现,循环荷载作用下,随着频率的增大,岩石断口细观裂纹总的数目、面积、分形维数均变大。文中给出不同频率循环荷载作用下岩石破裂的细观损伤力学机制,研究成果对海南昌江核电厂的地震反应分析和场地安全性评价有着重要参考价值。     

干湿循环作用下原状黄土力学性质及细观损伤研究

增湿-减湿循环作用是黄土地区工程发生病害的主要原因之一,探究增湿-减湿循环对黄土体结构损伤机理有重要的理论和工程意义。本文以延安地区的黄土为研究对象,开展不同含水率、不同次数的原状黄土增湿-减湿循环试验,分析干湿循环诱发黄土孔隙率、抗剪强度及其参数的变化规律,同时使用核磁共振技术获取黄土内部裂隙发展的损伤演化。结果表明:随着干湿循环次数的增多,土体呈现出孔隙率逐渐增大、液限和塑性指数相继减小、塑限基本不变的规律,究其原因是内部颗粒的集、散动态变化引发了黄土损伤;干湿循环次数和含水率的增加弱化了土体颗粒的胶结作用,使得抗剪强度、黏聚力和内摩擦角降低,当试样含水率超过塑限后下降趋势更加明显;黄土历经核磁共振表明,试样内部小于0.025 μm的微孔隙随着干湿循环次数的增加逐渐向0.025~0.63 μm的小孔隙组过渡,同时新生孔隙开始产生。     

干湿循环对填埋场压实黏土盖层渗透系数影响研究

针对干湿循环作用下填埋场封场覆盖系统压实黏土防渗失效等问题,系统开展了干湿循环作用下（室内模拟填埋场气候环境）压实黏土渗透特性及微观结构特征试验研究,探讨了干湿循环次数、压实度、试样尺寸对压实黏土渗透系数影响并从微观层次揭示其防渗失效内在本质。研究结果表明：干湿循环前,相同压实度的大、小两种尺寸渗透试样所测渗透系数基本相同,经3次干湿循环后,不同尺寸、不同压实度黏土渗透系数增加量却存在明显差异。干湿循环作用下,小尺寸高、低两压实黏土试样均只收缩不开裂,并且高压实黏土微观结构损伤大于低压缩黏土,其渗透系数的增加量也大于小尺寸低压实黏土。而大尺寸试样裂隙发育与现场压实黏土裂隙发育相似,高压实黏土内部裂隙体积小于低压实黏土,其渗透系数的增加量也小于低压实黏土。同时,大尺寸试样内部大量未闭合宏观裂隙致使其渗透系数增加量大于同等压实度条件下小尺寸试样渗透系数增加量。室内小尺寸试样无法体现干湿循环作用下压实黏土层内部干缩裂隙对其渗透性能的影响,因此,其渗透试验结果不宜作为评价压实黏土长期防渗性能的评价指标。     

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.