土体微细结构变化过程的试验研究方法

提出了一种新的岩土材料微细结构光学图像测量方法。实现了常规土工三轴实验与岩土材料微细结构的联合测试,获得了土体在荷载作用过程中微细结构变化清晰的图像序列,不仅可以定量研究土体在荷载作用下微结构的变化情况,还可利用数字图像相关技术对微细结构图像序列进行相关分析,得出土颗粒在荷载作用下的微观位移场,为建立土体合理的本构关系模型提供试验依据。     

粘性土压缩过程中的微细结构变化试验研究

利用河海大学自行研制的土体微细结构光学测试系统,对某坝体粘性土在压缩过程中微细结构变化进行了定量分析研究,并分析了导致该坝体填料压缩性偏高因素,提取并分析了相关微细结构特征参数,为研究粘性土压缩变形与微细结构变化间的定量关系提供了一条可行的途径。     

土体微观结构定量分析系统及应用

土体微观结构图像的计算机处理是土体微观结构定量化研究的关键技术之一.在分析我国土体微观结构定量研究的进展的基础上,针对土体微观结构图像计算机处理软件对土体微观结构非确定型参数定量分析功能的不足,设计和开发了新版土体微观结构定量分析系统,以太原高阶地黄土为例,通过各夯击次数对应土样的定量化结构效应分析,探讨了其动力固结的微观结构变化规律.该系统的应用对推动我国土体微观结构的研究具有积极意义.     

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。     

基于变形数字图像处理的土体拉伸试验装置的研发与应用

研究黏土的抗拉性能对于认识离子固化剂改性黏土的黏聚力等力学性能有着重要的意义。针对现有拉伸测试装置的不足,设计研发了一套基于变形数字图像处理的土体材料拉伸试验装置,该装置包含应变控制模块、加载夹具模块、数据采集模块和数字图像处理模块。改进了现有加载夹具的不足,将土样形状设计为“8”型并运用FLAC3D有限元数值计算软件验证其合理性,巧妙地解决了夹具与土样之间的连接问题,并且将加载夹具功能与制样盒功能合并,避免了试样转移过程中可能受到的扰动。新增了图像采集装置,记录土样变形破坏过程,基于Geo-PIV数字图像处理软件分析土样试验过程中的变形规律。应用该装置开展了素蒙脱土及不同配比离子固化剂减小蒙脱土黏聚力对比试验研究,研究结果表明：拉伸仪能精确控制、采集土体的抗拉强度。粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）分析结果客观、真实地表明,试验过程中土样处于受拉状态,并且土样受加载夹具夹持的部位并未出现明显的应力集中现象;离子固化剂改性蒙脱土抗拉强度以及拉伸变形模量较未改性土低,降低程度随离子固结剂溶液浓度增大而增大;数据采集装置对应力、应变信息变化敏感。试验结果和数字图像结果表明,所设计的拉伸试验装置具合理性、可靠性以及敏感性。     

岩土体大型三维离散元模拟系统的研发与应用

本文分析了当前岩土体离散元法存在的两个主要问题：（1）离散元颗粒与宏观模型间力学关系不明确; （2）离散元法计算量大,计算效率低。并针对这两个问题开展了理论研究和系统研发。在建立离散元颗粒接触关系基础上,提出了利用微宏观力学参数转换公式,构建具有特定力学性质的离散元模型; 提出了离散元颗粒系统的能量计算方法。在一系列理论研究的基础上,自主研发了岩土体大型三维离散元模拟系统MatDEM。其具有良好的前处理和后处理功能,能自动生成各种云图和模拟动画; 采用矩阵运算和GPU（图形处理器）高速计算,显著地提高了离散元计算的速度。在实例中,MatDEM被用于岩体孔隙的水力压裂模拟,在单台计算机上完成了一百万颗粒的动态模拟。结果表明,微裂隙趋于平行最大压应力方向和各向异性软弱方向形成; 能量转化曲线表明,弹性应变能和动能逐步转化为热量,但总能量始终恒定,离散元系统实现了能量守恒计算。     

饱水过程中松散土体渗透性变化研究

针对三峡库区广泛存在的紫红色岩(土)的工程地质特征,考虑库区水位的变化,以黄腊石滑坡群的石榴树包滑坡表层原状松散土体为研究对象,设计一定流速条件下的饱水试验,探索在流动的水溶液饱和条件下紫红色松散土体渗透性随时间的变化规律,并分析变化原因。研究发现:饱水过程中,紫红色松散土体的渗透性有很强的时间效应,随着饱水时间的积累,渗透系数呈现显著的线性增大后减小并最终趋于稳定的规律。对比饱水前后土样微观结构以及化学成分分析结果,发现水流对松散土体颗粒的物理运移以及水对土体的化学溶蚀作用、水土之间的离子交换吸附作用影响土体的结构,从而影响了紫红色土体的渗透性。     

主要是地区经验还是具有通用性——论土体原位测试的应用范围

土体原位测试在工程勘察中应用很广,但其应用范围主要是地区性的还是全国性的一直是个未解决的问题。作者认为,由于所测试的对象是土,同一时代、同一成因、同一类别的土在不同地区的工程性质是大同小异的,同一种测试方法的机理在不同地区的同类土中也是相同的;作者还根据大量的实际资料证明土体原位测试的应用具有通用性。作者建议,应进行大范围研究,提出更多适合全国乃至全世界的土体原位测试应用公式和图表,以扩大其应用广度和提高其应用精度。     

论土体结构各层次的功能及其相互关系

土体广泛分布于地球的表层,是一个十分复杂的自然体。本文在论述了土体7个结构层次功能的基础上,从系统科学的角度阐述了各层次之间的辩证关系,包括低层次是高层次结构的基础;高层次对低层次结构的影响;层次间的协同作用;层次间交错、重叠与演变等。在与土体相关的研究工作和工程实践中,将土体作为一个系统进行合理的层次划分和分析,有助于复杂问题的简化,从而全面正确地掌握土体的工程性质及其形成机理。     

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。     

砂土微观结构样品制备技术及量化方法研究

土体的微观结构是决定其工程特性的重要内在因素,但对于砂土而言,如何制备适合微观分析的样品以及快速准确量化结构参数一直面临诸多挑战。为此,提出一种真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术,该技术可在有效去除土样水分的同时保持样品原状结构不被扰动,并可用于后续加工处理。针对不同粒度的砂土样品,分别使用扫描电子显微镜和光学显微镜对制备的试样进行观察,基于自主研发的土体微观结构定量分析系统SMAS对拍摄的照片进行精细量化分析,提出了由土颗粒数量、颗粒周长、表观孔隙率、形状系数、等效直径、分形维数和形态比等参数构成的量度指标体系对砂土样品微观结构特征进行定量评价。研究结果表明：提出的真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术具有操作简单、稳定可靠等特点,能有效维持砂土的原状结构;比较而言,扫描电镜更适用于粉细砂的微观结构分析,而光学显微镜更适用于中粗砂的微观结构分析;SMAS能有效识别微观结构图像中的土颗粒及孔隙,为定量分析砂土或其他土体的微观结构特征提供了高效的工具。     

岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0～140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。     

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,（1）土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;（2）按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。     

水泥土微观结构特征的定量评价

介绍了利用图像处理技术对土体进行微观结构定量分析方法,讨论了表征结构单元体和孔隙大小、形态及定向性等结构要素的定量评价指标。通过对加入水泥固化后软土的微观结构图像分析,论证了水泥土的微观结构特征定量分析方 法,得出了以此来分析评价土体微观结构特征的方法。     

滑带土蠕变过程及微观结构演化分析

滑带土的蠕变过程与微观结构密切相关,前人对滑带土的蠕变性质及微观结构做了大量研究,但对土体在蠕变过程中因时间效应发生的微观结构变化研究较少。本文选取延安二庄科北区滑坡滑带土为研究对象,采用直剪蠕变试验研究了滑带土的蠕变特性,用环境扫描电子显微镜对蠕变过程中不同阶段的土样进行SEM图像扫描,并对其微观结构孔隙特征进行定量分析。结果表明：滑带土样在400 kPa正应力荷载下具有明显蠕变特性,每一级剪应力加载均出现衰减蠕变和稳态蠕变阶段;当剪应力值达到255 kPa后,试样发生蠕变破坏,且滑带土样在蠕变过程中由于时间效应发生了塑性破坏。在每一级加载后,土样剪应变率均逐渐减小并最终趋于稳定;在各级剪应力加载后的衰减蠕变阶段,随着加载剪应力的增大,剪应变率也增大;蠕变过程中,土样的孔隙数逐渐减少,土颗粒重新定位排列,孔隙定向性增强,趋向于长条形的孔隙越来越多,孔隙轮廓越来越光滑,但圆形度越来越差。随着蠕变破坏的发生,在蠕变过程中形成的结构被迅速破坏,孔隙定向性减弱,数目急剧增加。     

Research status and prospect of tensile strength of frozen soil北大核心CSCD

A comprehensive grasp of the research status of tensile strength of frozen soil is the basis for further research. Firstly,the typical methods that can be used to test the tensile strength of frozen soil are introduced,and the test conditions,sample forms and stress mechanism of different test methods are described in detail. The advantages and disadvantages of typical tensile strength test methods are compared and listed. Secondly,the research work and shortcomings based on different test methods are summarized. Then,the latest research progress of the influence of temperature,water content,loading（deformation）rate,soil quality and sample size on the change law of frozen soil tensile strength is comprehensively analyzed. Finally,it is proposed to develop and improve the research method and system of frozen soil tensile strength,and increase the testing research of warm frozen soil tensile strength,so as to obtain the prospect of more accurately simulating the tensile failure behavior of frozen soil. It is pointed out that the internal cause of the formation of the tensile strength and the tensile failure mechanism of frozen soil should be thoroughly revealed by combining the research methods of microstructure and digital image technology of frozen soil. Based on the multi-factor test,a more perfect prediction method of frozen soil tensile strength is explored. Meanwhile,expand the in-situ test research on the tensile strength of frozen soil,and strengthen the parallel research ideas of indoor and outdoor double tracks. Through the analysis of the research status and development trend at home and abroad,it provides reference and guidance for the experimental study of frozen soil tensile strength,the improvement of theoretical model of frost heave,geotechnical engineering design in cold regions and artificial freezing reinforcement engineering. © 2022 Science Press (China).     

高压条件下土的冻融试验装置研制及应用

深部土体冻融后的物理力学性质对深部人工冻结工程意义重大. 针对该问题, 在以往土的冻融试验装置的基础上, 设计出适用于高压条件下土的室内冻融试验装置, 并给出了高压条件下土的冻融试验方法. 基于该装置, 对有压条件下兰州黄土在不同冷端温度下的单向冻结特征进行了试验研究. 结果表明: 无压单向冻结过程中土的变形以冻胀为主, 而高压情况下则主要表现为压缩变形. 在有压单向冻结过程中, 试样内部仍然存在着明显的水分重分布过程. 试验分析表明, 该试验装置能够为高压条件下土的冻结特征及冻融作用后土的物理力学性质研究提供技术支持.