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。     

干燥过程中膨胀土抗拉强度特性研究

膨胀土在干燥过程中由于失水收缩容易产生龟裂,裂隙产生后会极大削弱土体的工程性质.了解膨胀土在干燥过程中的抗拉强度特性,对从力学上进一步认识龟裂的形成和发展过程有重要意义.在室内配制了若干组初始饱和的膨胀土泥浆试样,当试样干燥到不同含水率时,利用改装的超微型贯入仪对试样开展了一系列抗拉试验,获得了膨胀土在干燥过程中抗拉强...     

干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究

膨胀土是一种气候敏感性土体,研究在干湿循环过程中膨胀土剪切强度的变化,对了解在自然界周期性蒸发和降雨作用下原位膨胀土体工程性质的变化以及由此导致的地质灾害发生过程具有重要意义。文中以重塑非饱和膨胀土为研究对象,模拟了3次干湿循环过程,对每次干燥路径中的试样进行了直剪试验,重点分析含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响,得到如下主要结果：（1）在干燥过程中,随着含水率的减小,试样的刚度、脆性、抗剪强度值（峰值剪切应力）、抗剪强度指标（黏聚力、内摩擦角）及抗剪强度损失（峰值强度与残余强度之差）均呈增加趋势;（2）正压力越高,试样的剪切强度和残余强度越大,而破坏后的峰值强度损失越小,破坏韧性增加;（3）在3次干燥过程中,试样的剪切强度及黏聚力呈先增加后减小的趋势,在第二次干燥过程中达到峰值,但内摩擦角受干湿循环的影响无明显规律;（4）试样经历多次干湿循环后,其剪切特性越来越类似于超固结土,脆性显著增加;（5）干燥过程和干湿循环对试样残余剪切强度的影响都不明显,残余剪切强度基本都在100 kPa附近变化;（6）非饱和膨胀土在干湿循环及干燥过程中剪切强度的变化除了与吸力有关外,还与其微观结构调整和裂隙发育状态密切相关,需要综合非饱和土力学和土质学理论对试验现象进行分析。     

干旱区土建筑遗址冻融耐久性研究

在我国的西北地区,强烈冻融、风蚀等对性质脆弱的土建筑遗址安全构成极大威胁。研究了冻融循环对土遗址耐久性的影响。选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行了冻融循环试验,监测冻融过程中的质量变化,并在冻融循环结束后进行了风洞试验和强度试验。冻融试验结果表明,在试样初始含水率较低的情况下,前5个冻融循环,试样经历了一个质量增大的过程;在随后的冻融过程中伴随着冻干和吸湿,原状试样质量的整体趋势是减小的,重塑样质量的变化趋势维持水平。随冻融循环次数增大,原状试样的微结构出现损伤,强度减小,风蚀量增大,即耐久性持续变差。相反,冻融循环初期,重塑样的强度有所增大,风蚀量减小,耐久性得到了提高;随着冻融循环的增加,重塑样的强度开始下降。重塑试样由于重塑过程中其结构受到破坏,强度弱化,冻融循环引起重塑土的“陈化”,愈合了土体的结构,但随着冻融进行,矿物颗粒的微结构损伤不断增大,试样的耐久性降低     

基于高密度电阻率成像技术的土体干缩开裂过程监测研究

为了探究土体干缩开裂问题,文章采用ERT技术,对黏性土开展了一维干缩开裂动态监测试验。配制初始状态饱和 的泥浆试样,在自然条件下干燥,采用ERT技术获得试样干燥过程中的电阻值变化。结合试样的电阻值图像和裂隙图像, 对土体干缩开裂规律进行了分析。研究结果表明：在干燥蒸发初期,土体电阻值随时间增加缓慢减小,其原因在于土体干 燥收缩导致土颗粒间接触面积增大,颗粒水化膜变薄,进而使得土颗粒表面双电层导电性增强。随着干燥继续进行,气体 进入土体内部,土体由初始饱和状态转变为非饱和状态,电阻值转为缓慢增加。当土体产生裂隙时,裂隙周围土体电阻值 急剧增大,而未发育裂隙的土体电阻依然保持缓慢增加的趋势。通过对比试样电阻值变化曲线和裂隙图像,发现两者所呈 现的裂隙发育位置和状态存在良好的一致性。因此,ERT技术能对干燥过程中土体裂隙发育进行有效的动态监测,准确掌 握裂隙发育的时空动态信息,并且能提前预测裂隙发育的可能位置,为研究极端干旱气候作用下土体的工程性质响应提供 了理想手段。     

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。     

灌注桩套管高频振动贯入过程中挤土效应研究

随着全套管振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但关于灌注桩套管高频振动贯入机制,特别是套管贯入引起的挤土效应研究还不全面。全面介绍了套管高频振动贯入全过程的有限元-无限元耦合模型的建立过程后,对地表隆起、土体侧移及超孔隙水压力等挤土效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明：水平向的挤土位移随套管贯入深度的增加而增大,竖向挤土位移随着套管贯入深度的增加,浅层土表现为隆起量增大,而深层土表现为下沉量增大;最大挤土位移与套管贯入深度存在滞后效应;浅层土体的隆起为水平向应力加载引起竖向应力增加所致,且隆起分界面深度随着动力荷载幅值增大而增大,随振动频率的增大而减小;超孔隙水压力随套管贯入深度增加而增大,随径向距离增大呈指数型衰减。     

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。     

超微型贯入仪的研制及其应用

为了解和掌握非饱和土中团聚体的分布和强度,自行研制了一台SMP-1型超微型贯入仪。首先介绍了该仪器的工作原理和组成,并以面团和石灰改性膨胀土为贯入试样,对该仪器测试结果的有效性和正确性进行了验证。测试结果表明,该仪器可以获得贯入探针刺入端阻力与刺入深度间的关系曲线,以及团聚体在三维空间上任一纵、横剖面内的强度分布等值线图,可显示出试样内部丰富的结构性和不均匀性信息。该超微型贯入仪的研制成功为研究工程土体中团聚体分布及其内部结构和强度提供了一个新的手段。     

干湿过程中花岗岩残积土抗拉强度变化研究

利用自制的土体直拉强度测试仪,研究了重塑花岗岩残积土在不同含水率下、增湿过程和干燥过程中抗拉强度的变化规律,并从胶结力和湿吸力的角度讨论了抗拉强度变化规律的微观机制。结果表明：不同含水率条件下抗拉强度随含水率增加呈现先增后减,峰值两侧呈较好的指数规律;增湿过程中抗拉强度随含水率增加呈先增后减趋势,峰值两侧为一次函数规律;干燥过程中抗拉强度随含水率降低出现指数增加阶段、平稳阶段和小幅降低阶段3个阶段,其抗拉强度峰值为不同含水率条件下抗拉强度的4倍。花岗岩残积土在不同含水率和增湿过程中的抗拉强度的变化主要受湿吸力控制,而干燥过程中抗拉强度变化的同时受湿吸力和胶结力的控制,且胶结力对抗拉强度的贡献超过70%。土体的干燥开裂过程对应干燥过程中抗拉强度变化的几个阶段,干燥时湿吸力是土体内部拉应力的来源,这说明湿吸力既是抗拉强度的贡献者,同时也是抗拉强度的破坏者。该研究结果从另一种角度解释了土体抗拉强度的形成来源及其变化的主控因素。     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

粘性原状土起动切应力与物理力学指标的关系

通过对中运河、长江长兴岛、淮河入海水道等河道原状土样起动试验,认为各河道土质由于其形成条件、土质结构等方面存在差异,即使具有相近的物理力学特性,其起动临界条件也不尽相同.而对同一条河流而言,起动临界条件与物理力学指标之间则存在明显的规律性:即对淤泥质粘土,起动临界条件随抗剪强度的减小而增大,随含水量的增大而减小;粉质粘土的起动临界条件最小,与抗剪强度、含水量呈非线性关系;粘土起动临界条件则随抗剪强度、含水量的增大而增大.     

膨胀土强度干湿循环试验研究

通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验,探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。研究结果表明：膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。在此基础上,利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布,发现干湿循环对土的粒间联结产生不可逆的削弱,使得土体形成更大的孔隙空间,在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加,在低含水率时集聚体内孔体积增加,从而降低土的抗剪强度。     

非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究

黄土强度受含水状态的影响作用较为显著,其随含水状态的周期性变化而变化,进而引起一系列病害。为研究非饱和黄土中水蒸气和温度的扩散运移规律,通过室内填筑模型试验,在重塑黄土中通入高温高压水蒸气,分析了非饱和重塑黄土中水蒸气和温度扩散运移规律。试验结果表明:在非饱和重塑黄土中,水蒸气扩散范围近似为椭球形;水蒸气扩散速率沿径向逐渐减小,增加蒸气压,蒸气扩散速率、扩散范围和增湿程度都将增大;蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃ ·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃ ·min-1;土体密度越大,水蒸气扩散时受到土颗粒的阻碍越大,随着水蒸气径向扩散距离增大,这种阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。     

典型黄土滑坡滑带土不同含水率下蠕变特性试验研究

黄土斜坡在受到降雨、人工灌溉、河流水浸润等作用后容易发生蠕变,最终发生滑坡,有时甚至会造成灾难性事故。以往研究中对不同含水率下黄土滑坡滑带土的蠕变性质研究较少,更缺乏定量化的规律分析。以榆林市色草湾村黄土滑坡滑带土为例,进行了一系列三轴蠕变试验,得到了黄土不同含水率下(w=10%、12%、14%、16%、18%,w表示含水率)的应力-应变-时间曲线与应力-应变等时曲线,分析了含水率对黄土蠕变特性的影响,并利用等时曲线法求取了黄土的长期强度,得出如下结论:(1)含水率越大,样品蠕变破坏所需的偏应力越小,轴向应变也越大,含水率增大后自由水厚度增大,土颗粒间胶结程度减小,且水膜会对土颗粒起润滑作用易于其错动滑移;(2)含水率越大,施加每级荷载后样品蠕变曲线达到稳定状态所需时间越长,水分的增加会使土体结构完整性降低,在应力的作用下土体内部结构调整相对缓慢,固结和蠕变过程中孔隙水压力消散需要的时间也越长;(3)通过分析黄土试样蠕变破坏表面形态发现,含水率较小时,蠕变破坏后的试样有明显的剪切破坏面,当试样含水率越大时,越容易发生横向鼓胀,表现出塑性破坏特征,表明含水率较大时,水的软化作用大于水对于...     

冻融循环对砼护坡界面抗剪强度影响试验研究

以混凝土铰接块+土工布+黏土护坡结构室内模型为研究对象, 分别讨论不同含水量及冻融循环次数下接触面间抗剪强度指标的变化规律. 分别测定常温下护坡结构含水量在15.7%~28%之间的黏聚力(C)和内摩擦角(φ)值, 含水量为18%以及饱和状态下经过10次冻融循环的C值和φ值, 采用多元回归法进行分析. 结果表明: 含水量对护坡结构的抗剪强度指标弱化十分明显, 斜面摩擦试验中黏聚力和内摩擦角均随含水量增加而降低; 含水量与内摩擦角呈线性相关关系, 与黏聚力呈乘幂关系. 冻融循环过程水分迁移导致砼护坡界面水分增大, 界面抗剪强度指标弱化. 随冻融循环次数的增加砼铰接块护坡界面的抗剪强度减小, 对于非饱和黏性土, 在5次冻融循环时减小幅度较大, 但10次冻融循环时减小幅度较小并基本趋于稳定; 而对于饱和黏性土, 其抗剪强度指标随冻融循环次数的增加减小幅度并不明显.     

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

黄土属于非饱和土,具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征,使得黄土地区工程地质灾害问题频发。由于黄土具有水敏性,因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究,得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小;在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感,含水率越高,其变化越小;在含水率达到饱和时基质吸力消失为零;并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。研究认为,滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格,是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。      

Influence of Drying on the Stiffness and Strength of Cement-Stabilized Soils

Nowadays, improving the strength and deformation properties of soft soils by deep soil mixing is a commonly used technique. There is also an increasing interest in the use of this technique for foundation/structural elements and excavation retaining walls applications. The compressive strength and elastic modulus of the soil mix material are key parameters in the design of these structures. However, there is very limited information available on the impact of exposure to air drying (in the case of retaining wall) on the strength and stiffness of cement stabilized soils. The aim of this study is to investigate the effects of different curing conditions (immersion in water, cycles of wetting and drying, continuous air drying) on the mechanical properties of soils treated with cement in the laboratory. Free–free resonance tests and unconfined compression tests were performed on specimens of silt and sand treated with blastfurnace slag cement. Strength increases more rapidly than stiffness between 7 and 30 days. The strength of stabilized soils submitted to cyclic wetting and drying before the cement hydration process is complete continues to increase. As long as the periods of drying do not induce microcracks, the stiffness of the treated soil specimens also increases with time. However, the stiffness is lower than for the specimens cured in water indicating a disruptive effect of the imposed wetting–drying cycles on stiffness. Continuous exposure to air drying inhibits strength development due to insufficient water for hydration. Significant stiffness decreases were observed on specimens of stabilized silt and are attributed to microcracking.