膨胀土干缩变形特性试验研究

膨胀土是一种典型的问题性土,对气候变化非常敏感,在干旱气候条件下,极易发生体积收缩变形,引发各种工 程地质问题。为了研究膨胀土的干缩变形特性,开展了一系列室内干燥试验,测定了膨胀土的收缩特征曲线,重点分析 了初始含水率和干密度对干缩变形过程的影响,并进一步探讨了水泥固化抑制膨胀土干缩变形的效果和机理。结果表 明：（1） 膨胀土的干缩变形过程存在三个典型阶段：正常收缩、残余收缩和零收缩;（2） 初始含水率越高,试样蒸发速 率越快,且干缩变形完全后试样孔隙比越小而最终收缩应变越大,干缩变形越明显;（3） 初始干密度越大,试样蒸发速 率和最终体积收缩应变越小,提高初始干密度对试样干缩变形具有一定的抑制作用;（4） 在膨胀土中掺入适量的水泥能 显著降低试样的体积收缩应变,对干缩变形具有良好的抑制效果;（5） 膨胀土的干缩变形具有明显的各向异性特征,并 且与初始状态有关。     

膨胀土干缩变形特性试验研究

膨胀土是一种典型的问题性土，对气候变化非常敏感，在干旱气候条件下，极易发生体积收缩变形，引发各种工 程地质问题。为了研究膨胀土的干缩变形特性，开展了一系列室内干燥试验，测定了膨胀土的收缩特征曲线，重点分析 了初始含水率和干密度对干缩变形过程的影响，并进一步探讨了水泥固化抑制膨胀土干缩变形的效果和机理。结果表 明：（1） 膨胀土的干缩变形过程存在三个典型阶段：正常收缩、残余收缩和零收缩；（2） 初始含水率越高，试样蒸发速 率越快，且干缩变形完全后试样孔隙比越小而最终收缩应变越大，干缩变形越明显；（3） 初始干密度越大，试样蒸发速 率和最终体积收缩应变越小，提高初始干密度对试样干缩变形具有一定的抑制作用；（4） 在膨胀土中掺入适量的水泥能 显著降低试样的体积收缩应变，对干缩变形具有良好的抑制效果；（5） 膨胀土的干缩变形具有明显的各向异性特征，并 且与初始状态有关。     

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。     

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明：三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。     

原状膨胀土的强度变形特性及其本构模型研究

对南阳原状膨胀土进行了不同吸力下的三轴剪切试验，试验结果表明原状膨胀土在剪切过程中呈脆性破坏形式，原生裂隙和软弱面是决定原状膨胀土强度的主要因素，建议采用四屈服面的非饱和弹塑性模型描述原状膨胀土的湿胀干缩特性和剪胀剪缩特性。     

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。     

基于FBG技术的饱和膨胀土失水致裂过程试验研究

为了解饱和膨胀土在失水条件下,干缩裂隙发育过程中土体内的应变状态、分布以及变化规律,设计了一个长40cm、宽5cm、深3cm的一维模型槽,将3条FBG传感光栅串埋入饱和膨胀土试样中,对膨胀土不同位置的应变进行了测量,得到了土体失水干缩致裂过程中,各个FBG传感器的应变状态及其变化规律,并分析了首条干缩裂隙及其附近土体的应变分布特征及其时空演化规律。试验结果表明:随着土体含水率的降低,土体首先呈现出整体收缩,之后应变状态发生分异,呈现出拉张区和收缩区交替出现的分布规律; 位于最大收缩区的边缘,当FBG传感器的应变由压缩状态转变为拉伸状态,并且拉应变及其变化速率相对较大的区域将产生首条裂隙。可见,本文所采用的高空间分辨率FBG传感技术为分析膨胀土裂隙发育全过程、揭示膨胀土失水致裂机理,以及膨胀土裂隙性特征的研究提供了新的思路和技术手段。     

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。     

膨胀土裂隙的工程特性研究

裂隙是膨胀土的重要特征之一,长期以来,人们常常把分布于膨胀土大气影响深度范围内受干湿循环影响而产生的干缩裂隙与膨胀土地层中特有的原生裂隙混为一谈。在对膨胀土边坡失稳机制的研究中,也忽视了原生裂隙对边坡稳定的重要影响。为研究南水北调中线工程膨胀土地段渠道破坏机制,在河南省南阳市郊建设了一条长为2.05 km试验渠道,通过渠道开挖期间的地质勘察、现场观测和取样试验,以及对现场滑坡体的取样分析,研究了膨胀土裂隙及周边土体的物质成分、密度、含水率和强度特性,结合现场观测资料分析了裂隙与渠道滑坡的关系。研究表明,膨胀土地层中的原生裂隙有两种类型：光滑蜡状裂隙和有一定厚度充填黏土的裂隙。裂隙面上的物质成分与两侧土略有不同,且天然密度低、含水率高,强度远低于相邻土体的强度,一旦地层与边坡倾向一致,将产生沿裂隙面的滑动。     

膨胀土湿干胀缩裂隙演化及其定量分析

膨胀土是一种分布广泛且具有明显胀缩性的裂隙土,其裂纹萌生及裂隙扩展会受到诸多因素的影响。此试验利用基于MATLAB开发的图像处理与裂隙定量分析程序,研究了膨胀土裂隙开展的尺寸和温度效应。制备25个不同初始状态的膨胀土泥浆试样,利用拍照台对其失水收缩过程中试样表面裂隙演化过程以及对应含水率进行记录。运用裂隙定量分析程序,分别对两类效应单独作用、耦合作用下的膨胀土裂隙度 、长径比C、裂隙平均宽度 、分形维数值等指标进行定量化分析发现：膨胀土裂隙的分形维数值具有较好的稳定性,其指标仅受试样厚度轻微影响,分形维数与含水率ω的关系呈近似对数曲线;在失水收缩过程中膨胀土最终裂隙指标主要受到试样厚度的影响,表面尺寸对裂隙长径比、宽度最终值也有一定影响,温度影响主要体现在促使裂隙更早、更快的发育并稳定,对最终指标影响相对不明显,影响显著性顺序为：厚度>表面尺寸>温度;此外还对膨胀土失水收缩开裂过程机制进行分析,进一步研究膨胀土的裂隙发育以及两类效应对其裂隙扩展的影响规律。     

南阳重塑中膨胀土脱湿全过程裂隙开裂特征及影响因素分析

环境温度是影响膨胀土开裂的外部因素之一,初始含水率和干密度是影响膨胀土开裂的重要内部因素。为研究膨胀土的开裂特征及影响因素,对南阳重塑中膨胀土进行了多组脱湿全过程裂隙开裂试验。研究结果表明:脱湿开裂过程可分为3个阶段,脱湿收缩与裂隙酝酿阶段、裂隙产生并迅速扩展阶段和基本稳定阶段;采用试样收缩面积加裂隙总面积之和与试样初始面积的比值计算裂隙度,可描述脱湿收缩特性和开裂孕育过程,适用于描述小试样的脱湿开裂过程;环境温度对膨胀土脱湿过程有一定影响,当试样的脱湿温度较高时,其最终的裂隙度偏小;试样初始、含水率与收缩开裂裂隙度正相关,初始干密度与收缩开裂裂隙度负相关。     

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,...     

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。     

基于高密度电阻率成像技术的土体干缩开裂过程监测研究

为了探究土体干缩开裂问题,文章采用ERT技术,对黏性土开展了一维干缩开裂动态监测试验。配制初始状态饱和 的泥浆试样,在自然条件下干燥,采用ERT技术获得试样干燥过程中的电阻值变化。结合试样的电阻值图像和裂隙图像, 对土体干缩开裂规律进行了分析。研究结果表明：在干燥蒸发初期,土体电阻值随时间增加缓慢减小,其原因在于土体干 燥收缩导致土颗粒间接触面积增大,颗粒水化膜变薄,进而使得土颗粒表面双电层导电性增强。随着干燥继续进行,气体 进入土体内部,土体由初始饱和状态转变为非饱和状态,电阻值转为缓慢增加。当土体产生裂隙时,裂隙周围土体电阻值 急剧增大,而未发育裂隙的土体电阻依然保持缓慢增加的趋势。通过对比试样电阻值变化曲线和裂隙图像,发现两者所呈 现的裂隙发育位置和状态存在良好的一致性。因此,ERT技术能对干燥过程中土体裂隙发育进行有效的动态监测,准确掌 握裂隙发育的时空动态信息,并且能提前预测裂隙发育的可能位置,为研究极端干旱气候作用下土体的工程性质响应提供 了理想手段。     

膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:（1）胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;（2）裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;（3）超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;（4）膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;（5）渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;（6）微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。     

冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响

干湿与冻融耦合作用是构成高寒地区恶劣气候条件的基本形式之一,对高寒区膨胀土输水渠道的正常运行产生严重影响。以北疆供水工程渠道现场渠基膨胀土为研究对象,开展了单向湿干及湿干冻融耦合循环作用下的裂隙试验,探讨了冻融过程对膨胀土裂隙演化规律的影响。通过对不同试验条件下的膨胀土试样进行CT扫描及三维重构,获得了不同循环次数作用下膨胀土内部裂隙的演化特征。试验结果表明：湿干及湿干冻融耦合循环作用下试样内部裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律,裂隙的区域性分布明显。对比不同试验条件下试样内部裂隙的演化特征可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程对试样裂隙的开展深度影响显著,冻融过程造成试样内部裂隙的破碎断裂,宏观表现为非水平向长裂隙向短裂隙的转化。此外,研究还发现采用裂隙体积分数能较好地评价膨胀土试样经受不同循环次数作用下的裂隙发育规律。     

昆明呈贡石灰岩上覆红黏土干缩裂隙的温度效应

温度是影响土体干缩开裂的重要外部环境因素之一。为研究温度对红黏土干缩裂隙的影响,以昆明呈贡石灰岩上覆红黏土为对象,经风干、碾碎和筛分后,选取2 mm以下的细颗粒,用正方形钢化玻璃容器制备9个厚度为10 mm的饱和泥浆样,分成3组,每组3个平行样,利用控温烘箱分别进行30℃、50℃和70℃的干燥试验,试验过程中定时称重试样和对土样表面进行拍照,然后用PCAS软件对照片进行图像处理。结果表明：红黏土的蒸发过程可分为3个阶段,干缩裂隙的形成和发展可分为5个阶段;温度升高,干燥完成时间减短,常速率阶段的蒸发速率和蒸发量增大,最终含水率降低;初始临界含水率随温度升高而增大;随着土体含水率持续减小,表面裂隙率先缓慢增加,然后快速增大,最后趋于稳定;温度升高,裂隙交点数、裂隙条数、裂隙总长度和土块数减少,裂隙平均长度、裂隙平均宽度、表面裂隙率、土块平均面积、土块最大面积、干缩厚度和干密度增大。温度显著影响红黏土的水分蒸发过程,干缩裂隙的形成和发展,以及表面裂隙结构和形态。     

不均匀收缩方式对膨胀土工程性状影响试验研究

通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,改变膨胀土试样的蒸发路径,实现饱和膨胀土在不同脱湿速率下的不均匀收缩,结合有荷膨胀率试验和直接剪切试验,研究膨胀土不均匀收缩方式下胀缩特性和强度特性。试验结果表明,脱湿速率越小,膨胀土的胀缩性越大,剪切强度越高;对比不同收缩方式,均匀收缩下膨胀土的收缩与膨胀变形和剪切强度均大于不均匀收缩下的收缩与膨胀变形和剪切强度。造成这些差异的主要原因是不均匀收缩试验中水分蒸发的路径不同,沿深度方向的含水率不同,基质吸力不同,引起的应变也不同,这种不均匀性改变了原有膨胀土的均一性,限制了膨胀土胀缩特性和强度特性的发挥。     

聚丙烯纤维加固膨胀土边坡稳定性分析

为提高膨胀土边坡稳定性,改善膨胀土力学性能,使用聚丙烯纤维对膨胀土进行改性。通过直剪试验计算出不同围压、不同聚丙烯纤维掺量改性膨胀土边坡的抗剪强度变化规律,并应用Geostudio软件中的极限平衡法对不同聚丙烯纤维掺量的膨胀土边坡进行分析。研究发现,聚丙烯纤维含量在一定范围内可有效提高膨胀土边坡抗剪强度,掺量0.14%的纤维土在直剪试验中表现出较好的抗剪性能,Geostudio极限平衡法分析结果显示,0.14%纤维土边坡稳定系数为2.431,较素膨胀土边坡稳定性系数提高0.591。建议采用掺量0.14%的纤维土加固膨胀土边坡。     

干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验研究。试验中采用烘干法模拟脱湿过程,采用抽气饱和法模拟饱和过程。在脱湿过程中,定时对土样进行称重、定点拍照,以记录裂隙发育状况。利用矢量图技术对裂隙照片进行矢量化处理,以提取裂隙的各种几何要素,继而进行裂隙度计算。裂隙度变化规律分析结果表明,影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率,而是含水率梯度,而脱湿速率的空间分布、土块渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素;膨胀土裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育,主要体现在裂隙总面积与总长度的增加,但此作用有限,裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止;反复干湿循环会使土体产生范性变形,该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系,其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏,裂隙越发育,土体范性变形量越大