黏性土干/湿过程中土结构演化特征研究进展

干湿变化是自然界中土体必然经历的过程,对土体工程性质有重要影响。系统掌握干/湿过程中土结构演化特征,对深入认识土体宏观力学性质有重要意义。基于国内外大量文献资料,着重总结了黏性土在干燥过程、湿化过程和干湿循环过程中微观结构的演化特征,得到了以下几点主要认识:（1）含水率是影响土体微观结构的关键因素之一,在最优含水率干侧制备的土样呈典型的团聚体结构,孔隙分布曲线具有双峰特征,而在湿侧则呈相对均匀的基质结构,孔隙分布曲线呈现单峰特征;（2）在干燥过程中（吸力增加）,到达缩限之前,土体积的减小主要由大的宏观孔隙收缩所致。在不同的吸力区间内,主要受影响的孔隙尺寸是不同的;（3）在湿化过程中（吸力减小）,团聚体内的小孔隙和团聚体间的大孔隙都逐渐增大,且以团聚体内的孔隙增大为主,孔隙结构的演化特征与侧限条件密切相关;（4）在干湿循环过程中,土结构变化并不是完全可逆的,土体产生的累积收缩/膨胀形变量主要来自于宏观孔隙,随着干湿循环次数的增加,土体的体变特性会达到一个平衡状态,可用弹性孔隙比进行描述。除此以外,还总结了土结构观测的常规技术方法,包括SEM、ESEM、MIP和CT技术等。最后针对土结构研究现状,提出了今后的研究重点和方向,主要包括制样新方法、观测新技术、湿化过程的微观结构以及微观结构参数与宏观力学模型相结合等。     

土体结构系统层次划分及其意义

土体结构系统研究是一项综合性、跨学科、具有重要理论和实践意义的基础性工作,它在尺度上涵盖了从宏观土区到微观粒子的整个土体系统。本文依据土体性质随尺度变化的原则,将土体结构系统从宏观到微观划分为7个层次,对每个层次的含义、研究内容和研究方法作了阐述。在分析了土体结构系统层次划分的意义后,进一步介绍了土体结构系统研究中面临的几个重要课题。土体结构系统的层次划分厘清了土体工程性质研究中的一些模糊认识,使土力学和工程地质学紧密结合在一起,为全面系统地研究土体结构系统打下了坚实基础。     

三轴压缩条件下黏性土微细结构变化的试验研究

工程土体在宏观上所表现出来的非连续性、不均匀性和非确定性等复杂特性,取决于土体微细结构的非连续性和非确定性。在前人相关研究的基础上,通过微细结构观测试验,获取黏性土在受力条件下微细结构特征量的变化情况,研究黏性土在连续受力过程中结构参数变化规律,并将其与土体宏观物理力学性质相结合,从而解释和把握基于细观结构层次上的工程土体特性。     

水分迁移对冻土细观结构的影响

冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。     

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构.在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义.本...     

粗粒土组构之颗粒运动研究

土的结构性是决定土的力学特性的一个最根本的因素,正是由于土的结构性的存在,连续体力学理论用于岩土材料存在明显不足,沈珠江将土体结构性的研究提到“21世纪土力学的核心问题”的高度,但由于土的结构性的复杂性,缺乏测试方法,还没有找到土结构性的定量指标。选择结构特征相对简单的粗粒土作为研究对象,探索建立其力学体系的方法和途径。粗粒土的结构性（称之为组构）主要体现在颗粒的排列特征方面,采用CT测试技术和DDA数值分析方法初步解决了粗粒土组构的量化问题,对粗粒土多种受力过程进行了CT三轴试验和数值模拟,取得了粗粒土的组构信息及其变化,为构成合理的组构量、研究粗粒土组构量与宏观力学响应之间的相互关系、探讨粗粒土的变形机理和力学特征奠定了基础,并侧重介绍粗粒土CT三轴试验成果,展示三轴试验过程中颗粒运动规律。     

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。     

基于CT扫描的草炭土孔隙结构分析及渗流模拟

草炭土是在地表积水环境下植物残体经氧化和部分分解作用而堆积形成的一种特殊的腐殖质土。含大量植物纤维的草炭土具有高渗透性、高孔隙比、高含水率等不良工程地质特性。为了探究草炭土的孔隙特征与其孔隙内部的渗流规律,本文以吉林省敦化地区草炭土为研究对象,通过CT扫描技术获取草炭土样的CT序列图像。采用试凑法,通过Mimics的mask体积计算功能并结合土体的真实孔隙率确定了图像二值化的最优阈值,并得到了更接近土体的细观结构的三维重构模型。同时基于Lattice Boltzmann Method原理,在PALABOS代码库的基础上改编程序进行草炭土样的单相渗流模拟,研究了恒定压差下的土体的模拟渗透率值与渗流场的性质,并结合Paraview可视化软件分析了流线与流速在孔隙内的分布情况。研究结果表明:草炭土内部孔隙孔径大小不一,大孔径孔隙与小孔径孔隙形态各异,而植物纤维的架空状分布以及根状孔隙是土体内部形成大孔径孔隙通道的主要原因;流体在其内部流动时,优先以大孔径通道渗流,流线也集中于大孔径渗流通道,流体在大孔径通道内部的流速也高于散布的细小孔径,草炭土的渗透率主要取决于其内部大孔径的数量,因此草炭土的渗透率受到土中植物纤维的含量以及分解度的影响,植物纤维的含量越多,分解度越低,草炭土的渗透率越高,反之则越低。     

坡面松散砾石土侵蚀过程及其特征研究

砾石土因其含砾、粉细砂和粘性土,具有级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点,在土石坝防渗体土料和工程防渗墙中得到广泛应用。目前的研究多针对砾石土在工程应用方面,对于坡面松散砾石土降雨淋滤作用导致土体细粒成分流失、土体组构改变以至影响土体力学性质变化以及坡面物质稳定性变化等系列研究并不多见。利用人工降雨装置,进行了人工降雨坡面松散砾石土降雨淋滤试验,开展了砾石土侵蚀过程及其特征初步试验研究。试验表明,降雨作用下砾石土斜坡表面土体形态变化具有明显的阶段性特征,随着坡长的增加,产流率和侵蚀模数成线性增加,径流量随降雨时间跳跃和波动性增加,径流泥沙含量随降雨时间的增加以近似幂函数曲线关系递减。     

砂质粉土冲击液化微观机理研究

近年来,土体冲击液化引起的工程地质问题已经广泛地出现在人们的视野中,但目前对于土体冲击液化机理的研究尚不够完善。本文通过冲击液化试验及相关微观试验,揭示了不同冲击能下砂质粉土的孔压发育与微观结构变化情况,在此基础上,从微观角度对砂质粉土冲击液化机理进行了讨论。结果表明：砂质粉土受冲击液化会出现明显的孔压激增现象,且单位冲击能下激发的孔压随落距增大而减小,并伴随明显的微结构变化;冲击液化作用主要从土体颗粒接触关系、颗粒形态,孔隙大小、形态及方向等方面改变了土体的微观结构;颗粒骨架破坏与孔隙收缩是土体冲击液化的主要微观机理,不同冲击能下土体的液化机理也由于骨架破损和孔隙收缩程度不同而产生出相应的差异。