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。     

干湿循环下石灰改良膨胀土离心模型试验研究

为研究南宁石灰改良膨胀土高铁路堤在干湿循环作用下的工程特性,运用相似原理,以室内离心模型试验为主要手段,对路堤模型进行三次干湿循环试验,探究土压力、吸力、含水率、温度等随时间、深度及干湿循环次数变化的规律。研究表明:在离心模型试验中,自行推导建立的蒸发相似关系对蒸发时间和强度的控制适用可行,效果良好;路堤边坡变形与含水率变化密切相关,蒸发过程中产生少量裂缝,最大宽度不足2 mm,降雨过程裂缝消失;三次干湿循环后路堤整体变形不明显;土压力、吸力、含水率、温度随时间和深度等具有明显的变化规律,随深度增加大气影响减弱,试验测得其影响深度为8.0 m。研究结果可为现场石灰改良膨胀土高铁路堤施工提供一定参考,具有良好的工程应用价值。     

干湿循环对合肥马鞍山路膨胀土强度特性的影响

膨胀土属高塑性黏土,是一种典型的非饱和土,性质极不稳定,其吸水膨胀、失水收缩、干缩裂隙发育等特性常常使建筑物产生不均匀的胀缩变形,造成在膨胀土地基上的建筑物位移、开裂、倾斜,甚至破坏,是一种典型的工程灾害性地质土。另外,膨胀土边坡也常由于雨水的作用失稳,造成不必要的损失。近年来,对膨胀土的强度和变形特性的研究已成为热点。其最大的特点是：在季节气候的影响下其强度特性具有明显的规律变动。通过模拟土体季节性的干缩湿胀,测定其自由膨胀率、液塑限、抗剪强度和无侧限抗压强度,并与掺入7％石灰后的改良土的试验数据及其他试验资料对比,探讨干湿循环效应对膨胀土强度的影响。     

石灰改良红层无侧限抗压强度试验研究

红层是一种特殊岩土,作为路基材料时,常会导致不均匀沉陷、翻浆冒泥等病害。为改善其力学性质,工程上通常掺入一定剂量的石灰（Ca（OH）₂）进行改良。由于降水-蒸发的周期性变化,运营期间反复干湿循环作用对路基土的工程性质造成较大影响。基于此,结合室内无侧限抗压强度试验,研究了干湿循环作用对不同掺量的石灰改良红层无侧限抗压强度的影响。结果表明：在最佳含水率下,石灰改良红层的无侧限抗压强度随石灰掺量的增加而增大;干湿循环作用对改良红层无侧限抗压强度的影响与石灰掺量有关,石灰掺量较低时,改良红层的抗压强度随干湿循环次数的增加而减小,石灰掺量较高时,改良红层的无侧限抗压强度随干湿循环次数的增加而显著增大;未改良红层塑性较大,试样均为塑性鼓胀破坏,掺入石灰后,红层强度增大,脆性增强,呈脆性剪切破坏,经历干湿循环作用后,石灰改良红层试样呈多缝锥形破坏。     

干湿循环下粉质黏土强度及变形特性试验研究

为了研究干湿循环作用下粉质黏土强度及变形特性的变化规律,以取自三峡库区某边坡的原状粉质黏土为研究对象,通过干湿循环和三轴剪切试验,对不同荷载条件下,经历不同干湿循环次数的粉质黏土的强度和变形进行了研究。结果表明:随着干湿循环次数的增加,强度峰值、有效黏聚力和割线模量都逐渐降低,且先快后慢;而有效内摩擦角保持稳定。干湿循环对原状粉质黏土强度和变形特性的劣化是因为裂隙的开展破坏了土体的结构。荷载约束了干湿循环时裂隙开展,从而抑制了干湿循环的劣化作用,荷载越大,抑制能力越强。最后,通过拟合试验数据,对干湿循环作用下的原状粉质黏土的摩尔-库仑强度准则表达式进行了修正。     

干湿循环下红黏土裂隙演化规律及对抗剪强度影响

应用计算机图像处理技术和三轴试验分析了干湿循环下红黏土裂隙演化规律和抗剪强度指标的变化规律,建立了红黏土的抗剪强度指标与裂隙密度的关系,采用强度指标折减法对边坡稳定性计算参数进行了探讨。结果表明,裂隙密度随干湿循环次数的增加而增大,最终趋于稳定,第一次和第二次干湿循环作用对红黏土的裂隙发育影响最大。干湿循环下红黏土应力-应变为弱硬化型,破坏形式为鼓胀破坏。干湿循环显著降低红黏土抗剪强度指标,第一次衰减幅度很大,最终强度指标趋于稳定状态。黏聚力的衰减幅度比内摩擦角明显大。干湿循环下边坡稳定性计算参数取值建议采用长期强度指标值,即黏聚力稳定值为未经循环值的54%～57%,内摩擦角稳定值为未经循环值的45%～63%。干湿循环下红黏土抗剪强度指标与裂隙密度的关系可用二次多项式来拟合。     

膨胀土与红黏土石灰改性对比试验研究

为探讨石灰改性膨胀土与红黏土的强度发展规律,以生石灰与消石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土为研究对象,进行了无侧限抗压、固结快速直剪和固结压缩试验的对比研究。研究发现：在1 a养生龄期内,石灰改性的南阳膨胀土与郴州红黏土无侧限抗压强度与养生龄期的对数基本呈线性关系;按大于最佳含水率3%制样的强度在养生28 d以后高于按最佳含水率制样;生石灰改性效果比消石灰改性效果好,由于矿物成分不同,石灰改性南阳膨胀土的效果比石灰改性郴州红黏土好     

循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析

根据设计改装的循环动单轴压缩试验,研究不同含水率、不同轴向应力水平、不同循环加载次数、不同应力加载路径条件下路基土的塑性力学行为,并结合shakedown概念,界定了循环动荷载作用下红黏土的安定界限（shakedown limit）和临界应力水平,系统地分析了影响循环动荷载作用下路基土力学行为的因素和永久变形的发展趋势,以及路基土在循环载荷作用下的力学行为发展规律。通过试验结果的分析,把红黏土的塑性变形分为稳定、破坏和临界3个阶段,并按3个阶段划分出可接受状态和不可接受状态,由此确定路基红黏土在循环荷载作用下的临界应力水平为41.8 %。     

武汉地铁三号线土层盾构开挖引起的地表沉降研究

为了研究红黏土的变形特性,使用常规固结仪和自制收缩仪,对压实桂林红黏土进行了无荷载条件下4次膨胀和收缩试验。结果表明:红黏土的胀缩变形过程是不可逆的;随着干湿循环次数增加,膨胀试验试样高度变化较小,收缩试验试样高度逐渐增大,膨胀变形和收缩变形均呈逐渐减小趋势;稳定后膨胀率和收缩率均逐渐减小,收缩系数不断减小,最终趋于一个较稳定数值;采用绝对膨胀率、绝对收缩率、相对膨胀率、相对收缩率等参数可以定量分析干湿循环作用下压实红黏土的胀缩变形程度及其变化规律。     

干湿循环下压实红黏土胀缩特性试验研究

为了研究红黏土的变形特性,使用常规固结仪和自制收缩仪,对压实桂林红黏土进行了无荷载条件下4次膨胀和收缩试验。结果表明:红黏土的胀缩变形过程是不可逆的;随着干湿循环次数增加,膨胀试验试样高度变化较小,收缩试验试样高度逐渐增大,膨胀变形和收缩变形均呈逐渐减小趋势;稳定后膨胀率和收缩率均逐渐减小,收缩系数不断减小,最终趋于一个较稳定数值;采用绝对膨胀率、绝对收缩率、相对膨胀率、相对收缩率等参数可以定量分析干湿循环作用下压实红黏土的胀缩变形程度及其变化规律。     

干湿循环下云南加砂红土物理力学特性研究

针对不同加砂比例的云南红土,在相应最优含水率及最大干密度的初始条件下,采用土工试验与相关理论研究相结合的方法,运用Excel分析试验数据,揭示干湿循环作用与加砂红土物理力学特性变化之间的关系。结果表明:在干湿循环过程中,不同加砂比例的红土比重均呈先上升后下降的趋势,干密度均呈上升趋势,抗剪强度及抗剪强度参数均呈下降趋势,并最终都在循环10次左右趋于稳定。在干湿循环次数一定条件下,加砂比例越大的红土,其黏粒降幅越小,粉粒和砂粒增幅也越小,裂隙数量越少,土样越密实。抗剪强度及抗剪强度参数降幅最大的是加砂比例为15%的红土,降幅最小的是加砂比例为10%的红土。     

干湿循环下滑带土强度特性与微观结构试验研究

库区水位周期性波动,巨大的水位变幅使库岸滑坡滑带土处于干湿循环变化之中,而干湿循环作用影响土体的强度特性。基于此,以三峡库区某典型库岸滑坡滑带土体作为研究对象,对经历不同干湿循环次数的土样进行环剪试验、扫描电子显微镜（SEM）试验和核磁共振（NMR）试验,分析干湿循环作用下滑带土强度特性和微观结构变化规律,并初步探讨干湿循环对滑带土强度影响的微观机制。试验结果表明：干湿循环作用下,滑带土残余强度的劣化特性十分明显,且前3次干湿循环导致土体强度衰减幅度较大,之后衰减趋势减弱,土体强度逐渐趋于稳定,同时,黏聚力的劣化效应大于内摩擦角;随干湿循环次数的增加,以叠聚状、凝块状为主的团粒逐渐分散、解体,颗粒间连接由面?面接触逐渐向面?边、面?角接触演化,表现为土体内孔隙数量增多,土颗粒形态变化,粒间距离增加,微小孔隙逐渐向大孔隙演变;干湿循环作用下,滑带土内亲水性黏土矿物吸水膨胀、失水收缩而引发土颗粒、孔隙及胶结物等微结构变化是导致滑带土残余强度劣化的内在原因。     

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。     

大气影响下膨胀土包边路堤变形性状研究

在中膨胀土包边试验路堤上开挖形成试坑和试样,采用浸水与非浸水两种方式,模拟大气影响下包边路堤土的状态,通过现场直剪试验、载荷试验和室内膨胀率试验,获得路堤土强度与变形性能的对比参数。基于此建立考虑大气影响的路堤模型,利用平面应变有限元方法,计算与分析路面因路基土湿化膨胀和行车荷载作用所产生的不均匀变形,将其与容许值比较后,评价路面结构破坏的可能性,为中膨胀土路堤填筑方案设计提供依据与参考。     

膨胀土初始破损与湿干交替耦合作用下的力学行为

为研究不同初始破损程度、不同干湿循环次数及两者耦合工况对膨胀土孔洞及裂隙发育、演化规律的影响,以及相应的土体变形、力学行为,以合肥膨胀土为研究对象,对制备的不同初始破损程度（圆柱孔直径分别为0、2.5、5 mm）的3组20个试样进行干湿循环试验及三轴剪切试验（控制吸力为50 kPa,有效围压分别为100、200、400 kPa）。并解释了孔洞-裂隙的产生及发育新机制。结果表明：干湿循环次数为0时,一定程度的初始破损会提高土体的强度;与常规认识不同,干湿循环次数为1～2次时,初始破损的存在会诱导土体裂隙开裂的方向和贯通模式,形成的结构块较无破损土体形成的更完整,因而具有相对于无初始破损土体更高的强度;干湿循环次数为3次时,裂隙完全扩展,土体结构性被严重破坏,有无初始破损的土体强度趋于一致;孔洞-裂隙的演化机制是：脱湿-增湿过程中产生的水力梯度使土体具有不同的软硬性质和胀缩变形,产生的拉压应力在微裂纹、尖端形成应力集中而开裂,更易与具有的初始孔洞破损联合、交汇、贯通,萌生的裂隙增大了水汽交换界面面积,进一步平衡拉压应力而最终完全碎裂。研究可为普遍存在初始破损的膨胀土工程研究提供新的思路。     

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。     

石灰改良膨胀土的应力-应变-强度特征与本构描述

为探讨石灰改良膨胀土的变形特征与破坏机制,以压实度为95 %的荆门石灰改良膨胀土为研究对象,开展了单轴、侧限、三轴压缩应力状态下的力学性质试验。试验结果表明：即使湿化饱和后石灰土也具有较高的刚度与强度;单轴压缩状态下,无论饱和还是非饱和状态,石灰土的破坏都为典型的脆性破坏;三轴压缩状态下石灰土破坏前剪缩,同时伴随应变强化,即将破坏时开始剪胀,随后表现为应变软化;围压对石灰土的脆性破坏与破坏后的剪胀有一定的抑制作用,但即使在200 kPa围压下,试样仍发生脆性破坏。在辨明石灰土应力、变形机制的基础上,选用Duncan模型描述其脆性破坏前表现出的压硬性、剪缩性与应变强化特性,标定了相应模型参数,通过数值模拟与平行试验的对比验证了模型的适用性与参数的可靠性。     

干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。