分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力 和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明：沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当 ≤ 时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当 ＞ 时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。     

干湿循环条件下膨胀土膨胀特性试验研究

通过对北疆膨胀土开展干湿循环条件下无荷膨胀率、有荷膨胀率及微观扫描试验,探讨膨胀土吸水膨胀的特性及微观机理。试验结果表明：（1）在无荷膨胀率试验中,随着时间的增加,无荷膨胀率逐渐增加,在试验后期逐渐趋于稳定;随着干湿循环次数的增加,无荷膨胀率逐渐减小,第5次循环后趋于稳定值;（2）在有荷膨胀率试验中,随着时间的增加,有荷膨胀率逐渐增加且试验后期趋于稳定,上覆荷载越大,膨胀土试样有荷膨胀率越小;随着干湿循环次数的增加,有荷膨胀率逐渐减小,有荷膨胀率随循环次数及上覆荷载的增大而减小;（3）电镜扫描结果显示,无循环膨胀土试样结构较为牢固,经过干湿循环作用,膨胀土试样微观结构发生明显变化,土体微观结构逐渐破碎,颗粒面积减少,出现较多微小孔隙,导致膨胀率随循环次数的增加而逐渐减小。研究成果可为北疆膨胀土稳定性评价提供理论基础。     

有荷干湿循环条件下不同膨胀土抗剪强度基本特性

针对膨胀土分布区公路边坡常浅层坍滑现状,选取南、北方3种典型膨胀土样,模拟干湿循环并计及边坡破坏时滑面的上覆压力,改变常规试样吸湿及施剪条件开展试验研究,以获得较符合实际的膨胀土抗剪强度及其衰减规律。结果表明：不同上覆压力对膨胀土抗剪强度的影响为荷载越大其强度绝对衰减率越小;用双直线能较好表征其抗剪强度线特征,强度指标c、? 宜按高、低应力段分别获取;随干湿循环次数增加,c值呈指数函数衰减,是造成边坡浅层坍滑的主要原因;? 值随作用次数增加虽有减小趋势,但降幅不大;通过控制基本相同的试验条件,实测得3种膨胀土的最终抗剪强度均降至某一幅值范围。研究结论为解读膨胀土坡为何多浅层坍滑提供了有价值的信息。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

原状膨胀土剪切力学特性的应变速率效应

为研究应变速率对原状膨胀土力学性状的影响,通过GDS三轴试验系统进行了不同速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了应力−应变曲线、孔隙水压力、剪切强度以及破坏模式随应变速率的变化规律。结果表明：不同应变速率下,膨胀土应力−应变曲线均呈应变硬化型。随着应变速率的增加,不排水剪切强度单调递增,引入应变速率参数ρ_0.9后发现,不排水强度增长率为14.3%～23.2%,平均值为18.4%。低围压下,应变速率对孔隙水压力影响较小,随着围压的增大,孔隙水压力的发展趋势由软化型转变为硬化型,孔隙水压力峰值随应变速率的增大而减小。原状膨胀土应变速率效应与其多裂隙性密切相关,破坏形式表现为小应变速率下主剪切带与次剪切带共存,大应变速率下仅有主剪切带,裂隙或多剪切带的出现强化了膨胀土强度的应变速率效应。     

原状膨胀土的强度变形特性及其本构模型研究

对南阳原状膨胀土进行了不同吸力下的三轴剪切试验，试验结果表明原状膨胀土在剪切过程中呈脆性破坏形式，原生裂隙和软弱面是决定原状膨胀土强度的主要因素，建议采用四屈服面的非饱和弹塑性模型描述原状膨胀土的湿胀干缩特性和剪胀剪缩特性。     

原状膨胀土剪切力学特性的卸荷速率效应试验研究

利用GDS三轴试验系统,对南阳原状膨胀土进行了3种卸荷速率下的固结不排水三轴剪切试验,分析了卸荷速率和卸荷路径对膨胀土剪切力学特性的影响。结果表明,膨胀土在不同卸荷速率下的归一化应力-应变关系曲线均呈双曲线型。卸荷速率由0.02 kPa/min增加至2 kPa/min时,被动压缩路径和被动挤伸路径下的膨胀土不排水强度单调增大。在160～320 kPa固结应力范围内,两种卸荷路径下膨胀土孔隙水压力始终为负值,均表现为卸荷速率为0.02 kPa/min时其降幅最大。引入卸荷速率参数ρ_(0.02)后发现,卸荷速率每提高10倍,被动压缩路径和被动挤伸路径下的不排水强度分别增加约5.6%和4.8%。原状膨胀土样的破坏模式与剪切速率及裂隙性有关,表现为小卸荷速率下主剪切带与副剪切带共存,而大卸荷速率下仅有主剪切带。     

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,...     

增湿条件下膨胀土隧道衬砌破坏数值分析

针对小河沟膨胀土隧道降雨增湿塌方现象,以围岩含水率分布变化引起膨胀应力场为主要研究内容,展开增湿对隧道支护结构的影响研究。首先,利用热传导热能量平衡方程与孔隙渗流连续方程数学描述相似性,推导出热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程。然后,结合室内试验和文献资料,率定膨胀土膨胀力及渗流参数。最后,在正确考虑地质构造影响的基础上运用有限差分软件FLAC3D热-力耦合模块进行建模计算,分别对不同膨胀力模型的增湿过程进行仿真模拟,得出支护结构受力变形随含水率分布及膨胀力大小的变化规律。分析得到了对隧道支护结构造成不良影响的关键含水率和膨胀力值。研究成果可以有效指导膨胀性黄土隧道支护设计和变形控制。     

地表蒸发条件下的膨胀土初始开裂分析

针对地表蒸发条件下的膨胀土开裂问题,从定性和定量两个方面进行了分析,提出了膨胀土初始开裂的基质吸力临界判据,经比较与现场实测结果基本一致。采用线弹性力学方法,研究了地表蒸发条件下的膨胀土初始开裂深度,对其与土体抗拉强度、泊松比及密度等特性参数的关系进行了详细的论述。     

Heating effect on swelling behaviour of expansive soils

To minimise potential structural damage to the overlying structures, foundation sites that contain expansive soils need treatment. One of the numerous improvement techniques currently available is thermal stabilisation. In an attempt to enhance the knowledge base on this subject matter, this paper presents the results of a study on the swelling behaviour of two heated expansive soils. The test specimens were heated in a programmable furnace at desired heating rates to desired temperatures. Swelling tests were performed to determine both the amount and rate of swelling. Based on the test results, the effect of heating on swelling behaviour was evaluated and the mechanism of swelling are discussed using the principles of physical chemistry and clay mineralogy. Meanwhile, the engineering significance of the research findings in terms of practical applications of thermal stabilisation are discussed. The findings of this study would provide a database useful for the design of structures that involve cohesive foundation soils using a holistic system approach.     

The impact of natural ornamental limestone dust on swelling characteristics of high expansive soils

Expansive soils are considered as a potential natural hazard if they are not adequately treated. Expansive soils have high potential for shrinking and swelling under changing moisture conditions and cause extensive damages to engineering infrastructures. This study is concerned with the suitability of natural ornamental limestone dust to reduce the swelling characteristics of high expansive soils. The results are revealed that the swelling pressure and percent of heave are greatly decreased with increasing the inserted core diameters and mixing percentages of limestone dust. The average reduction percent values of swelling pressure and percent of heave are increased from 2.21% to 43.09% and from 2.56% to 45.64%, respectively, for treated soil samples with increase in limestone dust core diameters from 5 mm to 20 mm (1% to 16% of total soil area). The average reduction percent values of swelling pressure and heave percent are increased from 10.29% to 70.73% and from 22.29% to 82.90%, respectively, for treated soil samples with increase in limestone dust mixing percentages from 10% to 30%. The results are revealed that the enhancement in swelling characteristics of high expansive soils that are treated by ornamental limestone dust is mostly attributed to the replacement of high expansive fine clay particles by non-expansive and non-plastic coarse limestone dust particles, and to the presence of a considerable amount of free lime in limestone dust (4.97% as [Ca(OH)₂]) that is responsible for converting the high expansive soils to less expansive soils by pozzolanic reaction. The mixing treatment method is more suitable for surficial and shallow foundation high expansive soil beds, while the compacted limestone dust piles “inserted limestone dust core method” are more suitable for deep foundation high expansive soil beds.     

膨胀土膨胀力原位测试方法

由于室内测定的膨胀力结果往往不能真实地反映现场情况,因此,测定膨胀土的原位膨胀力有着极其重要的现实意义.采用加压膨胀法,即利用现场有荷膨胀率试验结果,由内插得到膨胀力值的测试方法,并通过现场试验与室内试验结果的对比,对该方法进行了验证.对比结果表明,该方法能真实地反映膨胀土的膨胀趋势,所测结果能真实地反映现场膨胀力值.且易于操作,有较好地推广应用前景.     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜(SEM)试验和氮气吸附(NA)试验。为充分考虑膨胀岩内部颗粒之间的胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明:膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加,峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势,弹性模量和黏聚力呈增加趋势;在围压保持不变的情况下,随着含水率的增加,膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变,并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示,泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

The impact of cyclic wetting and drying on the swelling behaviour of stabilized expansive soils

Black cotton soil (BCS) deposits, stabilized with waste materials-wood-ash and organic matter (leaves, grass, etc.) exist in BCS areas of North Karnataka, India. These ash-modified soils (AMS) are apparently stabilized by hydrated lime produced by biochemical, dissolution, and hydration reactions. The influence of cyclic wetting and drying on the swelling behaviour of wood-ash-modified BCS and laboratory lime-treated BCS specimens are examined in this study. Such a study is required to assess the long-term behaviour of chemically stabilized soils in geotechnical applications. Cyclic wetting and drying caused the AMS specimens to become more porous and less saturated. Consequently, the cyclically wetted and dried (or desiccated) AMS specimens collapsed significantly at the experimental flooding pressures. The beneficial effects of lime-stabilization of the BCS specimens were also partially lost in cyclically wetting and drying them. The clay contents of the lime-treated BCS specimens increased on cyclic wetting and drying. The increased clay contents in turn, affected their Atterberg limits and swell–shrink potentials. Partial loss of inter-particle cementation, increased porosity, and reduced degree of saturation, also imparted small to moderate collapse potentials to the desiccated lime-treated BCS specimens.     

循环荷载下红层泥岩土的动态特性

针对红层泥岩土这种特殊的粒类材料,通过动三轴试验研究了其在循环荷载下的动态特性。分析了应变和围压对动态参数(动模量、阻尼比)的影响,在对动模量归一化的基础上,并考虑最大阻尼比与围压的关系,提出了一个阻尼比的计算方法。引入了动应力水平的概念,由试验数据得到红层泥岩土的临界动应力水平为30%左右。动强度随围压增加而增大,而随振次的增加减小;在较小的破坏应变标准下,动应力对动强度的影响起主导作用,破坏应变标准增大时,振次的影响起主要作用。根据累积应变曲线的发展趋势,把红层泥岩土的累积变形分为稳定型和破坏型,分析了产生不同变形曲线的原因,并分别采用不同的经验公式对两种累积变形进行计算,得到了各参数的取值范围。     

应力状态对膨胀土SWCC的影响研究

探讨了应力对膨胀土的土-水特征曲线的影响。试验研究表明：膨胀土的首次干湿循环过程的“滞后”现象明显。应力状态对膨胀土的土-水特征曲线影响显著,与常规试验方法相比,一维固结状态和各向等压应力状态下的土-水特征曲线更具线性关系,干湿循环甚至出现了逆向回滞现象。     

非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究

压实膨胀黏土常用于防止填埋场中固体废物产生二次污染,或作为核废料处置库通道隔绝层,这主要取决于压实膨胀黏土衬垫层或隔离层的防渗特性,而这种压实膨胀黏土层通常又呈现出非饱和特性。基于GDS非饱和土三轴试验系统,开发拓展其试验功能,研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法,同时结合电镜扫描试验,从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。结果表明,压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果;压实膨胀黏土水渗透系数受吸力、围压、干密度、饱和度等因素控制。     

膨胀土含水量记忆膨胀模型

在现场施工过程中膨胀土切坡很稳定,但当降水时膨胀土遇水膨胀,发生破坏,挖除坍滑的部分,切坡遇雨又继续破坏,不断往复,针对这一实际情况,结合以往的杆件单元模型提出了膨胀土的含水量膨胀模型。膨胀模型在外力作用以及历史上的最大含水量作用下对最大含水量具有记忆性,外力卸除,表现出一般土的特性,只有再次来临的含水量大于历史上的最大含水量时,才表现出膨胀土所特有的膨胀性。给出了此模型的应力-应变关系,与以往的弹塑性硬化体所不同之处的直观上的表现在于,此模型的应力-应变关系曲线整体发生了向左移动。     

南阳膨胀土的工程地质特征和填筑适宜性

施工阶段的工程地质调查发现,宁（南京）西（西安）铁路内乡-镇平段南阳膨胀土成因类型上不仅有第四系冲积洪积粘土,而且发育上第三系湖相沉积粘土。不同成因的膨胀土具有不同的空间分布特征和工程性质,X射线衍射测试表明,南阳膨胀土的主要膨胀性粘土矿物是伊利石/蒙脱石混层矿物。物质组成和物理化学性质差异导致击实土在含水量变化条件下膨胀力和膨胀变形有明显的差别;对同一种膨胀土材料,其击实含水量越小,膨胀性越强,甚至含水量降低1 %～2 %,膨胀力就可以增加到200 %以上;击实膨胀土的直剪强度受到钙质结核含量的影响,对于膨胀势为高或强的膨胀土,结核含量小于15 % 时,经过干湿循环后直剪强度衰减量为40 %～65 %,结核含量为25 %～30 % 的强膨胀土直剪强度衰减量则低于30 %;对膨胀土的地质特征、工程性质、击实土的膨胀性和直剪试验结果进行分析,探讨其用于填筑铁路路基的适宜性,进行了填筑适宜性分级。依据研究成果制定的路基施工工艺取得了比较理想的工程效果