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。     

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。     

膨胀土和黄土的细观结构及其演化规律研究

应用CT-三轴仪,系统地研究了河南南阳靳岗村和陶岔渠坡的膨胀土、宁夏扬黄扶贫工程11号泵站Q3黄土和陕西蒲城电厂Q2黄土在多种应力路径、湿干循环、浸水膨胀、浸水湿陷过程中的细观结构演化特性,取得了大量CT图片和数据资料。研究结果表明：膨胀土和黄土的各种宏观力学反应与它们的细观结构变化及其CT数据是密切相关的;原状膨胀土在加载和侧向卸荷过程中以及重塑膨胀土在无载湿干循环过程中裂隙萌生扩展,结构损伤;而具有初始裂隙的重塑膨胀土在加荷过程和三轴浸水过程中裂隙均趋于闭合,细观结构得到修复;原状黄土在加载过程中细观结构的变化趋向与吸力和围压水平有关;在一定应力状态下浸水,原状黄土中的空洞和裂隙逐渐减小以至消失,并可能形成新的均质结构;较高应力单独作用或低应力下浸水都不能使大孔隙破坏。依据CT数据,定义了描述膨胀土和黄土细观结构的定量指标,提出了这两种土在多种工况下的细观结构演化方程,建议了一种确定土的结构屈服应力的新方法。CT技术使土的细观结构研究达到了定量阶段,建立土的结构演化方程和结构性本构模型有了实在的试验基础。     

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Q_3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。     

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。     

压实宽级配砾质土干-湿循环效应研究

为探索在干-湿循环条件下,宽级配砾质土作为垃圾填埋场复合防渗系统中土工织物黏土垫和土工膜（GCLs/GM）防渗衬垫的保护层时其水力特性的变化规律,采用压力膜仪测试了土样干-湿循环作用下的土-水特征曲线参数,并借助van Genuchte方程和Fredlund 3参数方程拟合了0～3次干-湿循环的压实宽级配砾质土样的4条脱湿土-水特征曲线。结果显示：随着干-湿循环次数的增加,试样的土-水特征曲线在0～100 kPa的低吸力区间内逐渐变陡,含水率随吸力增加而逐渐减小,在位于400 kPa附近趋于平缓;干-湿循环过程中,试样的饱和含水率存在峰值,而残余含水率逐渐降低并趋于稳定;两种模型拟合的宽级配砾质土土-水特征曲线的差异不大,van Genuchte模型略优于Fredlund 3参数模型。在此基础上,将试验结果与已有文献中干-湿循环条件下的黏性土以及膨润土的土-水特征曲线进行了比较,表明作为防渗垫保护层的宽级配砾质土更有利于GCLs的吸湿与水化。     

干湿循环下新近系黏土杂岩裂隙演化研究

本文对武乡盆地黏土杂岩在反复干湿循环下的裂隙演化特征进行室内试验研究。试验采用烘干法模拟脱湿过程,水膜转移法模拟增湿过程,每完成一次脱湿增湿过程都要进行数码摄影、称重以记录裂隙变化情况,从而进行定性分析。通过应用Matlab软件进行图像处理以获取裂隙演化过程中的几何特征值。定性分析与定量分析相结合得到裂隙演化规律有:（1）脱湿过程:黏土杂岩裂隙率不断增加最终趋于稳定,第2次脱湿对裂隙率影响最大;几何特征上裂隙的变化先是沿着中间大裂隙向四周继续生长发育,然后随着循环次数增加转而形成新的大裂隙。（2）增湿过程:黏土杂岩吸水膨胀,裂隙逐渐趋于闭合,但出现不可逆形变量,随着增湿次数增加,这种累积变形量逐渐减小,第5次的干湿循环后,累积变形量基本消失,试样结构重新归于相对均一的松散结构。     

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,...     

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。     

干湿循环下高庙子钙基膨润土持水和变形特性

膨润土因具有湿胀、干缩特性,其水力-力学性质易受干湿循环的影响。采用饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了干湿循环对压实高庙子钙基膨润土持水特性的影响。对相同条件下制作的试样进行0～6次干湿循环,选取其中的原试样（0次）、循环3次和6次试样,进行蒸汽平衡法试验,测定其土-水特征曲线。同时,在0～6次干湿循环过程中,对每一次脱湿后试样表面采集图像,用数字图像处理技术提取了收缩及裂隙开展区域,分析得到收缩率与裂隙率。试验结果表明：随着干湿循环次数的增加（0→3次时）,土-水特征曲线向下平移、持水性下降、孔隙比增大、平均骨架应力减小,试样烘干时收缩率和裂隙率增加明显;但随着循环次数的继续增加（3→6次时）,持水性、收缩率和裂隙率趋于稳定。     

基于工程包边法的膨胀土抗剪强度干湿循环效应试验研究

根据包边法施工中填芯重塑膨胀土和包边石灰改性膨胀土的实际工程状态,设计了反映其运营状态的干湿循环过程,对6次干湿循环前、后膨胀土的强度特性进行了较为系统地试验研究。结果表明,在压实度为90%~96%时,干湿循环前重塑膨胀土和石灰改性膨胀土慢剪强度及强度参数均随干密度单调增加,而干湿循环后其黏聚力c随干密度单调增加,干密度对内摩擦角φ的影响则明显变小;重塑膨胀土和石灰改性膨胀土干湿循环后的残余强度受干密度制约性不大,但干湿循环前、后重塑膨胀土和石灰改性膨胀土的残余强度参数存在差异,且干湿循环幅度对膨胀土强度参数也有一定的影响;在分析干湿循环前、后反复剪切试验结果及膨胀土边坡长期破坏机制的基础上,认为对于膨胀土路堤,在进行强度参数选取时宜适当考虑干湿循环及其幅度对于残余强度参数的影响;利用石灰改性膨胀土包边处理填筑膨胀土路基较为适宜。     

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。     

固化铅污染土的干湿循环耐久性试验研究

在商用高岭土、膨润土与商业黄砂混合物中加入硝酸铅溶液,添加水泥和石灰两种固化剂,采用室内压实制样方法获得固化的铅污染土试样。进行干、湿循环试验,测试固化体的质量损失和无侧限抗压强度等参数随干、湿循环次数的变化规律,评价固化铅污染土的干、湿耐久性。测试结果表明,本试验8种配比的试样都满足干、湿循环的要求;黏土矿物为膨润土的试样干、湿循环耐久性比黏土矿物为高岭土的试样要差;水泥固化土的干、湿循环耐久性要略优于石灰固化土;加入 8 000 mg/kg的铅可略增大土体的抗干、湿循环耐久性。水泥和石灰固化/稳定化重金属污染土时,土体中含水率是保证加固效果的关键参数之一。土体中含水率应能满足固化剂充分水化、水解、火山灰和碳酸化反应之需要。     

红黏土工程性状的干湿循环效应试验研究

为研究湿热多雨气候条件诱发的干湿循环过程对红黏土长期性能的影响规律,对制样过程中干湿循环含水率变化幅度控制技术进行改进,制备不同干湿循环次数以及含水率变化幅度试样。利用固结排水三轴剪切与压缩试验,研究了干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对压实红黏土工程性状的影响规律。结果表明,压实红黏土的黏聚力 与内摩擦角 均随干湿循环次数 的增加而衰减,首次干湿循环之后衰减效应最显著,其后较弱并趋于稳定, 的衰减程度小于c,且在低围压下的抗剪强度随干湿循环衰减更加显著;压缩模量E1-2随N的总体衰减规律与强度参数类似,但衰减幅度小于c而大于 ;随着干湿循环含水率变化幅度增大,压实红黏土c与E1-2略有减小, 基本不变,压实红黏土含水率在 4%变化范围内,具有相对稳定的力学特性。该研究表明,红黏土不宜直接用于填筑路床与边坡表层的填料,可以作为上下路堤堤心的填料,但必须采取防排水工程措施与边坡防护措施。     

水库消落带岩石崩解过程中所处湿干交替作用环境模拟研究

水库运行期水库岸坡防洪限制水位及正常蓄水位之间消落带内的岩石,由于库水位的周期性变化而处在湿干交替作用的环境中.针对目前在研究水库运行期岸坡消落带软岩崩解机理过程中消落带湿干交替作用环境模拟不合理的问题,选取三峡库区三叠系巴东组中风化紫红色泥岩为研究对象,将泥岩置于室内周期性湿干交替作用的环境中,对湿化和干燥过程中泥岩崩解物的宏观质量、物质组成及微细观结构和湿化溶液的化学成分的变化进行测试.测试结果表明：崩解物的质量在湿干交替作用5个周期后不再增加;随着湿干交替作用次数的增加,黏土矿物中含量较大的蒙皂石矿物的含量在减少,第1次湿干交替作用后减少最为明显,4次后趋于稳定;随着湿干交替作用次数的增加,阳离子交换量在5个周期后变化很小.根据测试结果,确定了水库运行期消落带三叠系巴东组中风化紫红色泥岩在湿干交替作用过程中的湿化和干燥的模拟时间,即一个湿干交替作用周期的湿化时间为4天、干燥为2天;泥岩在湿干交替作用5个周期后不再崩解.研究成果为揭示水库岸坡消落带软岩崩解机理提供了消落带湿干交替作用环境的合理模拟方式.     

干湿循环路径下弱膨胀土峰值及残余强度演化研究

膨胀土具有胀缩性、多裂隙性和超固结性,在自然条件下极易受到降雨和蒸发的干湿循环效应,土的抗剪强度会随着时间的延续而衰减,造成边坡失稳。以荆门弱膨胀土为研究对象,对经历不同干湿循环次数的荆门弱膨胀土开展环剪试验,并探讨分析其峰值强度和残余强度的变化规律。试验结果表明,试样的抗剪强度与法向压力的大小有关,无论是峰值强度还是残余强度均随着法向压力的增大而增大,同时法向压力越大,试样达到残余强度时所需要的剪切位移也会越小;随着干湿循环次数的增加,膨胀土的峰值强度明显衰减,残余强度虽略有变化但并不明显,可近似认为稳定;经历3次干湿循环后膨胀土的峰值黏聚力和残余黏聚力指标已经近乎一致,峰值内摩擦角和残余内摩擦角之间始终保持在2o左右的差异,基本不受循环次数的影响。     

膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:（1）胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;（2）裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;（3）超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;（4）膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;（5）渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;（6）微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

冻融循环下钢渣粉水泥改良膨胀土室内试验研究

膨胀土遇水膨胀失水收缩,是一种不良的工程地质土体。本文采用水泥、钢渣粉和NaOH改良膨胀土,对其经受不同冻融循环作用次数的冻融循环试验,并将冻融试验后的改良膨胀土及未改良膨胀土进行体积、自由膨胀率、无侧限抗压强度等物理力学性质测试,同时进行微观电镜扫描分析,研究冻融循环作用下钢渣粉水泥改良膨胀土的物理力学特性变化规律。试验结果表明,在冻融循环作用下,改良后的膨胀土与未改良膨胀土相比,体积变化率明显降低。随养护龄期的增长,改良后的膨胀土在冻融循环作用下体积膨胀变小,随冻融循环次数的增加,体积变化率趋于平稳,自由膨胀率降低。冻融循环作用下,钢渣粉水泥改良膨胀土(ES-SSP-C)试样的无荷膨胀率较低,改良后的膨胀土较未改良膨胀土具有较好的抗膨胀性能,掺NaOH活性激发剂的钢渣粉水泥改良膨胀土(ES-SSP-C-SH)抗膨胀性能效果最为明显。