改良花岗岩残积土进失水能力及接触角试验研究

花岗岩残积土的进失水能力与其软化崩解的特殊力学特性息息相关,现有的改良土研究都着重于土体宏观力学与微观结构的变化,忽视了固化剂对土颗粒表面性质的影响。为了探索固化剂改良后的花岗岩残积土进失水能力及三相接触角的变化规律,开展了水滴入渗试验、接触角测量试验、进水试验和失水试验,并结合扫描电镜和红外光谱方法,定性及定量分析了花岗岩残积土在不同固化剂作用下微观结构和化学成分的变化规律对花岗岩残积土进失水能力的影响机制。结果表明：（1）不同含量的改良剂能不同程度地影响花岗岩残积土表层斥水性能;随着固化剂掺量的提高,土体的表面斥水性增强,三相接触角变大,进失水能力减弱;固化剂改良土体的效果依次为石灰、水泥、高岭土,且改良土体的进失水能力变化与土体表面斥水性和三相接触角的变化有明显的相关性。（2）改良花岗岩残积土进失水能力的变化由土体内部结构的改变以及表面性质的改变共同导致。（3）水泥和石灰主要依靠离子的交换团聚作用、土壤固化剂对土颗粒的包裹作用、硬凝反应以及碳酸化作用减弱土颗粒外部的双电层及其表面自由能,使土体斥水性和初始接触角变大;而高岭土主要依靠自身对水分子的吸附作用,对土体的斥水性和接触角影响不大。结果可为固化剂改变土体表面性质导致的接触角变化规律提供一定科学依据,也为不同渗透需求的实际工程选取改良剂提供一定参考。     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。     

双聚材料改良黄土持水性及生态效应研究

黄土的强水敏性问题是黄土地区生态修复的难点。选取双聚材料,开展崩解试验、变水头渗透试验、土水特征曲线试验以及植物生长生理指标测试等,探讨了双聚材料对重塑黄土工程性能的持水性和生态效应的影响,结合X射线衍射（XRD）、压汞和扫描电子显微镜（SEM）等微观试验,从成分、孔隙分布和颗粒结构等方面综合分析了其加固机理。研究结果表明:双聚材料的掺加能有效提高土样的抗崩解性,耐崩解系数随材料增加而增大。双聚材料能有效增强材料的持水性能,表现为渗透系数减小,土水特征曲线整体上移。双聚材料的掺加能有效提高植物生长和抗旱能力,表现为根冠比更大、根长更长以及超氧化物歧化酶（SOD）值受干旱影响变化量更小。双聚材料的添加并无新物质生成,其作用主要是增强颗粒间联结,生成大量黏聚体,孔隙分布由中孔隙向大孔隙和微小孔隙转化。双聚材料中含有大量极性活性基团酰胺基（—CONH2）吸附架桥使得土颗粒团聚,羟基（—OH）和羧基（—COOH）附着于表面形成保护膜,由团聚粒至团聚体层层包裹促进土壤稳定。     

离子固化剂改性蒙脱土水合-孔隙关联演化机制

以天然钙蒙脱土为研究对象,采用不同浓度的离子固化剂对其进行改性处理,开展素土与改性蒙脱土在相对湿度（P/P0）0～0.95区间的水汽等温吸-脱附试验,通过吸附速率曲线、晶层间距d001值变化曲线分析蒙脱土水合机制,并采用蒙脱土孔隙比变化曲线关联分析水合-孔隙演化规律,提出不同尺度孔隙吸附水的界限相对湿度区间。在此基础上,基于X射线衍射(XRD)、氮气吸附以及压汞试验对离子固化剂改性蒙脱土水合过程的孔隙分布特征进行验证分析。试验结果表明：对于钙蒙脱土,00.8～0.9时,黏土颗粒表面持续吸附弱结合水,此时大孔内逐渐充填水分。离子固化剂通过改变蒙脱土的微观物理化学性质（阳离子与晶层基面）调控其吸附水特性,进而影响不同尺度孔隙的吸附水过程。     

固化黄土的干湿循环特性研究

抗干湿循环能力是检验固化土耐久性能的重要指标,研究固化黄土的干湿循环特性具有较重要的意义。本文利用高分子材料SH固化剂对黄土进行固化改良,就固化黄土抗压和抗剪强度受干湿循环变化的影响开展室内模拟试验研究。试验结果表明：SH固化黄土试样经过干湿循环后,强度整体下降,但是仍远高于素黄土强度。随干湿循环次数的增大,抗压强度呈指数衰减,SH掺量增大,循环后的强度损失减小,质量损失率非常小,完整性良好。抗剪强度随干湿循环次数的增大而减小,干湿循环对SH固化黄土的黏聚力影响明显。不同掺量的SH固化黄土试件经3次干湿循环黏聚力下降,第4次循环后略有增大再下降,经多次循环下降平缓。经3～4次干湿循环的固化黄土试件的内摩擦角均有不同程度的降低,随后基本趋于稳定。由于增湿与脱湿过程中水分质量的变化,试样的质量和体积呈波状起伏变化。对掺量为10%的固化黄土应力应变关系分析得出其应变具有硬化特征。大于10%的SH固化黄土干湿循环之后仍然保持较高和较稳定的强度,能抵抗15次干湿循环,进一步说明了SH固化黄土的水稳性良好。SH固化剂在运用于黄土抗干湿循环方面具有明显的作用,因而具有较广阔的应用前景。     

GT型土壤固化剂改良土的工程特性研究

GT型土壤固化剂是一种新型的土壤改性加固材料,以高钙灰和脱硫石膏两种工业废料为主要原料,辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分,采用生石灰消解法除去脱硫石膏中的自由水,按全粉料配料的方法研制而成。按一定掺量向土中掺入石灰和GT型土壤固化剂制成石灰改良土样和固化剂改良土样并进行养护、浸水,对土样进行击实试验、直剪试验、压缩试验和渗透试验。试验结果表明固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性、抗渗透性等工程特性明显优于石灰改良土。分析了GT型土壤固化剂加固土的机理,为进一步的研究和工程应用提供参考。     

改性土-膨润土竖向隔离墙材料的压缩及渗透特性试验研究

膨润土系竖向隔离墙作为阻滞污染物的工程屏障有效且经济。采用沸石改性传统的土-膨润土竖向隔离墙存在抗腐蚀性弱等耐久性不足的同时,必须考虑其压缩、渗透等工程性质的变化。通过一维压缩固结试验,研究了不同沸石及膨润土掺量下膨润土系隔离墙材料的压缩固结和渗透特性。引入评价天然重塑黏土的压缩、渗透特性的归一化孔隙比e/eL和评价天然重塑黏土固有压缩特性的孔隙指数Iv两种归一化评价体系,进一步探讨了添加沸石改性前后膨润土系竖向隔离墙混合土的压缩和渗透特性。     

离子土固化剂加固滑坡滑带土的试验研究

研究开发快速经济和行之有效的滑坡治理方法与理论, 一直是各国滑坡防治研究工作的重点.本试验研究使用一种经济适用的离子土固化剂(Ionic Soil Stabilizer, 简称ISS) 对提高滑带土的抗剪强度进行了探索.滑带土首先通过ISS不同配比水溶液的处理, 然后进行阿太堡试验、剪切试验、固结试验和自由膨胀率试验.试验结果表明: 滑坡滑带土在加入离子土固化剂后, 土的塑性指数降低, 粘聚力提高, 孔隙比和自由膨胀率减小.其机理为: 在以粘性土为主的滑带土中加入离子土固化剂, 通过物理化学原理, 它能取代吸附在粘土表面的可交换性阳离子, 改变粘土颗粒表面的双电层结构, 减小结合水膜厚度, 将滑带土的亲水性改为憎水性, 从而提高滑带土的抗剪强度.      

掺土粉煤灰的动强度及孔压发展规律

在动扭剪三轴仪上对不同黄土掺量的粉煤灰试样进行动力学试验,根据试验结果对掺土粉煤灰的动强度及孔压发展规律进行了分析。试验表明:随着掺土量的增加,掺土粉煤灰的动强度值有所下降,在同一固结比条件下,掺土量越大,产生破坏所需的动剪应力和破坏振次就越小;掺土粉煤灰的动强度指标中粘聚力随掺土量的增大而提高,而内摩擦角随掺土量的增加呈略微减小的趋势;随着掺土量的增加,孔隙水压力随振次比及轴向变形的增长速度逐渐变缓,在纯粉煤灰中掺入一定量的黄土,有助于提高粉煤灰的抗液化性能。     

非饱和橡胶粉土抗剪强度特性研究

为研究非饱和橡胶粉土的抗剪强度特性,对具有不同橡胶颗粒掺量、含水率的橡胶粉土开展了一系列直剪试验。基于颗粒接触状态理论,构建了橡胶粉土的细观接触模式,建立了基于不同橡胶掺量的橡胶粉土骨架孔隙比计算方法。试验结果表明：在低含水率下,橡胶粉土的抗剪强度随骨架孔隙比增大而减小,在高含水率下,橡胶粉土抗剪强度随骨架孔隙比增大而增大;基于橡胶粉土的土-水特征曲线,得到了基质吸力与含水率的对应关系,在低骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大而增大,在高骨架孔隙比下,橡胶粉土的抗剪强度随着基质吸力的增大先降低后增大;基于骨架孔隙比及含水率对内摩擦角、黏聚力的影响提出了非饱和橡胶粉土的抗剪强度发展机制,并建立了抗剪强度预测公式。研究结果可为橡胶粉土的实际设计施工提供理论支撑。     

非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

Predicting bimodal soil–water characteristic curves and permeability functions using physically based parameters

Experimental evidence shows that a gap-graded soil or a widely-graded granular material may have a bimodal soil–water characteristic curve (SWCC) and a bimodal permeability function. A bimodal SWCC or a bimodal permeability function originates from a dual-porosity structure. To date, the prediction of bimodal SWCCs for gap-graded soils is still a difficult task. In this paper, a bimodal SWCC model is proposed to describe the drying process of granular soils considering a dual-porosity structure. The new SWCC model shows powerful capability in fitting the SWCCs for soils varying from gravel to silt. Regression analysis is conducted to establish empirical relations between the model parameters and the indexes of soil grain-size distribution (GSD). Based on these relations, the new model predicts well both the bimodal SWCCs for gap-graded soils and the unimodal SWCCs for well-graded soils and uniform soils. A bimodal permeability function is also proposed and linked to the new SWCC model. In the absence of experimental SWCCs and permeability functions, the new model can be used to obtain preliminary SWCCs and permeability functions for granular soils. It should be mentioned that the prediction of the SWCC from the GSD is still empirical and does not address the cyclic wetting/drying process. Measurement of the SWCC should be performed wherever an accurate SWCC is required.     

非饱和重塑黄土基质吸力变化特征与物理性质的关系

本文以兰州重塑黄土为对象,通过室内试验分析6组非饱和重塑黄土土-水特征曲线分段特征值与主要物性指标的统计关系,探讨了非饱和重塑黄土物理性质对其基质吸力变化特征的影响。结果表明,对于非饱和重塑黄土,分段特征含水量、特征饱和度、特征基质吸力与干密度关系密切,与颗粒级配关系较弱。随干密度增加,过渡区特征饱和度、残余饱和度线性增加,饱和含水量、过渡区特征含水量线性降低,残余基质吸力及过渡区特征基质吸力分别为线性及非线性增加。过渡区特征饱和度、残余饱和度与土体中粘粒含量线性正相关,与粉粒含量负相关。饱和含水量与粉粒含量线性正相关,残余基质吸力与其线性负相关。重塑黄土的微观结构显示这些关系受制于土体的孔隙结构和颗粒间的相互关系。     

原状黄土土水特征滞后性研究

现有的土水特征曲线(SWCC)滞后性的研究多针对重塑土,原状黄土土水特征曲线滞后性特征的研究较少。为研究全吸力范围内原状黄土的滞后特征,以泾阳马兰黄土(L1)和离石黄土(L5)为研究对象,采用压力板仪和滤纸法测定增湿和减湿SWCC,采用压汞法测定孔隙分布特征,X衍射分析矿物成分。结果表明,在压力板仪测试基质吸力范围内(0~600 kPa),滤纸法和压力板仪测定的SWCC具有一致性,且在减湿过程中两种方法的测试结果更为一致。滤纸法测得的全吸力范围(0~30 000 kPa)内,黄土SWCC滞后性存在三段性特征。即在天然含水率(L1 14.2%、L5 17.3%)附近,黄土SWCC几乎无滞后性;含水率高于天然含水率一定范围(L1大于19.2%、L5大于18.3%),存在极为明显的滞后性;低于天然含水率一定范围(L1小于11.2%、L5小于15.4%),存在弱滞后性。天然状态下反复干湿循环,导致黄土SWCC在天然含水率附近无滞后性;黄土限制孔隙对墨水瓶效应的增益作用,导致高含水率下黄土SWCC呈强滞后性;黏土矿物的水合作用,导致低含水率下SWCC呈弱滞后性。     

土-水特征曲线滞后现象的微观机制与计算分析

对吸湿与脱湿过程中引起非饱和土土-水特征曲线滞后性质进行机制分析,认为在微观角度看,接触角的差异是主要原因。基于热力学原理,假定粒间弯液面为一圆弧,综合考虑不等径颗粒半径比、接触角等因素,应用几何关系导得了两接触土颗粒填充角之间的迭代关系,并进行编程计算。在此基础上,引入热力学弯液面压强计算公式和水量体积计算公式,得到了不等径土颗粒间基质吸力－水量计算方法。应用该方法对不同接触角条件下的单个弯液面和不同堆积形式土粒的土-水特征曲线进行了解算,结果表明,由于接触角不同,土-水特征曲线具有明显的滞后现象;孔隙填充将引起低吸力状态土体含水率增加,其对松散颗粒影响较大,含水率可增大达90%;颗粒堆积形式及级配对接触角不同引起的滞后现象影响不大。此外,仅考虑接触角因素无法解释滞回圈的形成,其计算理论有待进一步深入研究。     

初始孔隙比对高吸力下非饱和土土水特性的影响

在我国西北干旱半干旱地区,处于高吸力范围内的非饱和土广泛存在于各种岩土工程中。非饱和土土水特性的研究是非饱和土渗流、强度与变形研究的基础。为研究高吸力下不同初始孔隙比非饱和土的土水特性,以一种粉土试样作为研究对象,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法控制土试样的吸力,利用阿基米德原理量测不规则土试样的体积,通过修正的Van-Gen...     

MK模型的拟合方程和预测方程在土-水特征曲线中的应用及参数敏感性分析

土-水特征曲线可以预测非饱和土的各种性质（如：非饱和渗透系数、剪应力和热学性能等）。但测量土-水特征曲线耗时久且花费昂贵。为了解决这一问题,目前,很多研究都致力于从基本的岩土工程性质预测土-水特征曲线。基于此,以MK（Modified Kovács）模型的2种形式（拟合方程和预测方程）为土-水特征曲线模型,以Matlab编程语言中的cftool为拟合工具,以西宁黄土、粉砂土、红黏土和冰碛土4种细粒土为研究对象,对比拟合方程和预测方程描述细粒土土-水特征曲线的效果和差异,分析MK模型中黏附饱和度 1解 的变化规律,提出了基于MK模型的饱和度进行参数敏感性分析的计算公式。结果表明：拟合曲线和预测曲线在描述4类典型细粒土土-水特征曲线时均具有较好的效果,但拟合曲线整体上优于预测曲线;土壤质地和黏粒含量影响 值;饱和度对拟合参数 的敏感性较大,对拟合参数 的敏感性较小。     

考虑温度和密度影响的非饱和黄土土-水特征曲线研究

取扰动黄土进行试验研究,测试得到了不同密度和温度黄土土样的土-水特征曲线。试验资料揭示出：密度变化引起基质吸力的变化非常显著。相对而言,温度变化引起基质吸力的变化不显著。对于一定含水率的土样,温度变化引起的吸力变化值在高含水率时较小,可以忽略不计,而在低含水率时较大;温差越大,吸力变化越大。进一步基于试验资料的分析,得到了考虑密度和温度影响的土-水特征曲线的表达式,并通过计算和测试结果的对比分析,验证了表达式的合理性。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。