干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究

通过膨胀土多次干湿循环的三轴和直剪实验,从试样裂隙率计算结果可以得出,三轴试样,经第1次循环,其表面裂隙率增幅最大, 2~4次循环增幅较大,第5次循环增幅较小。直剪试样,试样表面裂隙率经1~3次循环增幅较大,第4次循环增幅较小,第5次循环以后试样表面裂隙率有所降低,但降低的幅度不大。总的说来,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土试样表面裂隙率不断增大。     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT试验研究

对南阳重塑膨胀土在干湿循环过程中裂隙的演化进行了CT试验研究，试样的CT图像显示了原有裂隙开展，新裂隙产生，裂缝数量增加并连通，最后形成裂隙网络的过程。定义了基于CT数据的裂隙损伤变量，分析了裂隙损伤变量随累计干缩体变的变化规律。     

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。     

干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究

裂隙性是膨胀土的典型工程地质特性之一,对其工程性质有重要影响,直接或间接地导致各种工程问题。通过对重塑膨胀土开展室内干湿循环试验,对获得的裂隙数字图像采用图像处理技术进行一系列预处理操作,提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量化指标,定量描述裂隙的形态特征,分析干湿循环过程中压实膨胀土的裂隙发育规律。结果表明:含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素。随着含水率的减小,重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。表面裂隙率、裂隙条数和总长度随含水率的减小逐渐增加,绝对收缩率随含水率减小而增大,而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律;随干湿循环次数的增加,裂隙进一步发育,裂隙条数、裂隙总长度、表面裂隙率增加,绝对收缩率总体增大,但裂隙平均宽度存在减小的现象,这与后期发育的大量微裂隙有关。     

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。     

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。     

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。     

膨胀土强度干湿循环试验研究

通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验,探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。研究结果表明：膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。在此基础上,利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布,发现干湿循环对土的粒间联结产生不可逆的削弱,使得土体形成更大的孔隙空间,在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加,在低含水率时集聚体内孔体积增加,从而降低土的抗剪强度。     

膨胀土强度影响因素与规律的试验研究

针对同一种膨胀土,通过直剪试验和三轴试验研究了土体由无裂隙天然非饱和状态到无裂隙饱和状态再到裂隙充分发展的饱和状态的过程中强度的影响因素和变化规律。试验结果表明,含水率、密度以及裂隙是影响膨胀土强度的三个因素,其中含水率和裂隙对强度的影响较大,密度对强度的影响较小。膨胀土强度指标的确定应考虑裂隙的开展。建议用试样做5次干湿循环后的强度指标作为膨胀土裂隙发育区的强度指标。通过膨胀土残余强度试验分析表明,所得指标与裂隙充分发展的膨胀土强度指标是接近的,故也可用其作为裂隙发育区的强度指标近似值。     

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,...     

Influence of wetting–drying cycles on swell–shrink behaviour of GPA-reinforced expansive clay beds

ABSTRACT

Granular pile-anchor (GPA) technique is an innovative tension-resistant foundation technique which can effectively ward off the dual swell–shrink problem posed by expansive clays. The other tension-resistant foundation techniques are drilled piers, belled piers and under-reamed piles. Laboratory scale model studies and field scale experiments on GPAs revealed that swelling of expansive clay beds could be effectively controlled by GPA technique. This paper presents results obtained from laboratory scale model studies on GPA-reinforced expansive clay beds subjected to alternate cycles of wetting and drying. Swelling and shrinkage of the clay beds were monitored for three wetting–drying cycles (N) spanning a time period of 300 days. The clay beds were reinforced with varying number of GPAs (n = 0, 1, 2 and 3). Swelling (mm) and shrinkage (mm) of the clay beds in a given wetting–drying cycle decreased with increasing number of GPAs. Further, swelling (mm) and shrinkage (mm) significantly decreased with increasing number of wetting–drying cycles (N) also. For a given number of GPAs (n), swelling and shrinkage decreased with increase in depth from the top of the clay bed too.     

干湿循环作用下红黏土收缩特征研究

以贵州某高速公路沿线红黏土为研究对象,开展了干湿循环作用后红黏土的收缩特性试验研究,探讨了干湿循环次数和初始含水率对红黏土收缩性状的影响.试验结果表明：同一循环次数内,各试样的环向收缩率在6～8 h时达到稳定,而轴向线缩率则需更长的稳定时间;随着初始含水率增加,各试样的初始轴向线缩率减小,而初始环向收缩率增加;28%含水率试样具有相近的最终轴向变形和环向变形量,而34%含水率的试样环向变形量高于轴向变形量;初始含水率变化不大,但体缩率的变化率却明显不同,说明干湿循环过程使得土体内部结构变得不稳定,但颗粒间相互作用的本质未发生明显变化;干湿循环作用对重塑红黏土最优含水率位置的基本无影响,这说明其未能改变黏土集聚体内对结合水的最大吸附能力.通过压汞试验得到了不同干湿循环作用后试样的孔隙分布情况,随着干湿循环次数的增加小孔径尺寸和分布密度改变较小,而大孔径尺寸减小,分布密度也在减小.干湿循环作用对聚集体内孔径的影响大于对微聚体内孔隙影响,与所测得的宏观收缩规律相吻合.     

粘土干湿循环中裂缝演变过程的数值模拟

在非饱和土简化固结理论基础上,对粘土在干湿过程中,表面裂缝从形成、发展到闭合的发展过程进行了数值模拟,模拟结果说明,本文采用的基于非饱和简化固结理论的计算方法是可行、实用的.     

多次干湿循环后土-水特征曲线的模拟

目前对于土体的干湿循环过程中变形、强度变化规律研究较多,而对经过多次干湿循环后土-水特征曲线的试验研究较少。由于吸力平衡需要时间太长,对干湿循环过程中土-水特征曲线的研究也多限于单次的干湿循环试验。但考虑到实际岩土工程中气候条件的多变性和自然环境的复杂性,一般土体均要经历多次干湿循环,因此,对多次干湿循环后的土-水特性曲线研究显得非常重要。结合已有的试验数据总结脱湿曲线与吸湿曲线随着干湿循环次数的变化规律,通过引入一个与干湿循环次数有关的函数,提出能预测多次干湿循环后土-水特征曲线的方法。本方法仅需土-水特征曲线的首次干湿循环脱湿与吸湿曲线和塑性指数,就可以预测多次干湿循环后的土-水特征曲线。     

Mechanical behaviour of expansive soils after several drying and wetting cycles

This paper presents results from an experimental study performed on natural and compacted expansive soils in different loose and dense states using principally osmotic oedometers. The loose soils showed significant shrinkage, while the dense soils produced a swelling accumulation during the suction cycles. These cycles induced an equilibrium stage, which indicates an elastic behaviour of the samples under suction cycles. At the end of suction cycles, a loading/unloading test was performed on all samples at different constant suctions to define LC (loading collapse) yield curve as well as the newly defined SC (saturation curve) yield curve. Generally, the suction cycles for the looser soils approached the LC and SC yield curves while they became the same at the equilibrium state. For the denser soils producing the swelling strain accumulation, the unique LC and SC curves were activated together. Additionally, we found that at the equilibrium stage, both initially loose and dense samples presented the same mechanical parameters. In other words, the LC or SC yield curves superimposed for different initial states of the samples at the equilibrium stage. Moreover, these compression curves provided sufficient data to propose a simplified model for the mechanical behaviour of the swelling soils at the equilibrium stage.     

裂缝对膨胀土抗剪强度指标影响的试验研究

基于室内直剪试验,测定了膨胀土经历干湿循环后的抗剪强度指标。试验基本反映了膨胀土在干湿循环过程中裂缝的开展现象,揭示了正是由于裂缝的开展使膨胀土强度降低。结果表明,无论是黏聚力还是内摩擦角随裂缝的开展,都会产生一定程度的衰减,相比之下,裂缝对黏聚力的影响更加突出,对其取值也应更为谨慎。膨胀土的抗剪强度随裂缝的开展而衰减的规律符合双曲线模式,提出反映膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加,实际上是随裂缝的开展,而降低规律的经验公式。工程实际中膨胀土的抗剪强度反映的是包含各种裂隙的土体复合强度,因此在设计中,强度参数的取用应以考虑裂隙作用的土体强度为基本依据。所建议的方法可以使今后研究膨胀土裂隙的发生、发展对抗剪强度的影响变得相对简单,具有可操作性。     

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.     

外荷载作用下软土压缩模量的动态演化规律研究

在软土地基的压缩性评价和变形计算中,压缩模量是一个重要的土性参数,目前一般是通过室内侧限压缩试验曲线得到,通常是一个常数。实际上,压缩模量在地基固结过程中会随着土体固结度的增加而逐渐增大,因此,探讨外荷载作用下软土压缩模量的变化规律显得十分必要。以珠江三角洲地区某高速公路代表性软土地基为研究对象,采集天然状态和超载预压后两种状态的淤泥质土样,分别开展不同压力条件下的室内固结试验,通过分析比较两种状态土样的试验数据,得出了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力变化的定量关系和压缩模量随压力及时间演化的规律。在此基础上,结合天然状态和超载预压后的淤泥质土样在室内再压缩前后的微观结构图像,分析了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力和时间演化的机理。从而为软土变形计算的参数合理取值提供了有用的参考,且对软基堆载预压过程中控制加荷速率和分级荷载的大小具有重要的现实意义。