新型土工单轴拉伸试验装置的研制及应用

针对目前土工单轴拉伸试验水平的不足,研制了一套新型土工单轴拉伸试验装置,该套装置主要由试样制备、加载、控制与数据采集4个部分组成。试验装置通过燕尾槽与双滑动底板的设计,可以制备不同拉伸段长度的试样并分别开展相应的单轴拉伸试验;通过试样形式与所对应拉伸夹具的设计,解决了试样端部在拉伸过程中出现的松弛与应力集中问题;通过双导轨拉伸装置的设计,避免了试样在拉伸过程中出现的应力偏心现象;通过双级变速箱的设计使最小拉伸速率可达到0.001 mm/min,能够准确描述材料单轴拉伸破坏的演化过程,并能准确测试材料的抗拉强度以及全过程的拉应力-位移关系曲线。基于所研制的试验装置开展了黏性土的单轴拉伸试验,试验结果表明:黏性土的单轴拉伸破坏形式不是纯脆性破坏,而是在抗拉强度后存在一个软化阶段,此时仍具有一定的承载能力;随着试样拉伸段长度的增大,抗拉强度呈对数减小,峰值位移呈对数增大;随着拉伸速率的增加,抗拉强度呈对数增加,峰值位移呈线性增加;抗拉强度与峰值位移均随压实度的递增呈线性增加;随着含水率的递增,试样的抗拉强度先增大后减小,即存在一个峰值,而峰值位移呈线性增加。     

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。     

土体拉伸破坏过程微细结构变化测试系统研发与应用

针对目前土体拉伸测试水平的不足,研发了一套土体拉伸破坏过程微细结构变化测试系统,主要由拉伸加载装置、图像采集装置、图像处理程序3部分组成。拉伸加载装置为测试系统提供均匀、稳定的外部荷载和观测面;图像采集装置可利用跟踪平台连续拍摄拉伸过程中不同应力状态下的微细观结构图像,并利用基于数字散斑相关法的相对位移场计算,通过预拉伸可确定断裂带演化区域,即观测区域;图像处理程序可对所拍摄图像进行增强、融合、拼接、分割处理,并对图像中孔隙与颗粒的量化特征参数进行提取。基于所研发的测试系统开展了黏性土拉伸破坏的微细观试验,研究结果表明：黏性土在整个拉伸破坏过程中,颗粒结构调整在先,孔隙演化在后,孔隙的形成与贯通将最终导致试样的拉伸破坏;孔隙度与孔隙分布分维随拉伸变形量的增加而增长,颗粒分布分维随拉伸变形量的增加而降低,但均表现有相似的阶段性,据此可将整个拉伸破坏过程划分为孔隙的萌生、发展、贯通3个阶段。     

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。     

基于数字图像处理技术的溶蚀岩体细观变形破坏机制模拟研究

通过数字图像处理技术对广泛发育于岩溶地区的溶蚀岩体的溶蚀特征进行提取,构建离散元溶蚀岩体模型,并模拟单轴压缩试验研究溶蚀岩体的细观变形破坏机制,以分析溶蚀岩体的变形破坏特征和裂隙演化规律。结果表明：溶蚀岩体模型能够很好地表征岩体的溶蚀特征,对真实的溶蚀形态具有较好的还原作用;溶蚀岩体的累计破坏数曲线呈现“S”型变化特征,即分为裂隙不发育阶段、稳定发育阶段和不稳定发育阶段,溶蚀岩体的破坏具有累进性特点;由于溶蚀孔洞的存在,使得溶蚀岩体接触力力链表现出各向异性特征,随着加载的进行,岩体骨架为抵抗外部荷载的作用,导致接触力在岩体骨架内集中,表现为接触力力链线条变粗;随着应变的增加,试样发生起源于溶蚀孔洞周围的破坏,破坏区域发生卸荷作用,接触力力链被淡化,最终试样发生破坏,力链消失,溶蚀岩体应力应变关系是试样内部接触力变化规律的宏观表现。     

岩石直接拉伸与压缩变形的试验研究

采用自行研制的可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸的试验装置,对3种岩石进行了压缩和直接拉伸试验。结果表明,这3种岩石的压缩弹性模量均大于拉伸弹性模量,压缩与拉伸弹性模量之比分别为1.1,1.4,2.5。压缩泊松比也大于拉伸泊松比。研究表明：直接拉伸下切线泊松比随荷载的增加而减小,与压缩下泊松比的变化相反。     

“开敞系统”下单向冻融试验装置的研制与应用

季节冻土区的冻胀和融沉作用显著,对该地区构筑物造成了不同程度的冻害破坏,尤其对地下水埋深较浅区域尤为严重,故开展可对大尺寸模型进行不同地下水水位下单向冻融过程模拟的系统装置的研制,具有重要的科研意义和工程价值。研制的该冻融系统装置,主要包括箱体结构、制冷/热系统、边界温控系统、供电系统、地下水补给系统、保温隔热系统和量测系统等组成。箱体结构由6 mm厚钢板材料制作而成;制冷/热系统主要由基于帕尔贴效应的半导体制冷片组成实现制冷/热;边界温控系统主要依靠电子温控器进行控温;地下水补给系统主要利用改进型的马里奥特瓶进行地下水的补给;保温隔热系统主要采用V0级橡塑保温板;量测系统可根据试验目进行自由搭配组合。使用该试验装置对大尺寸新疆粉质黏土土样进行了在地下水埋深分别为80 cm和40 cm下的单向冻融过程试验研究,试验结果表明：在冻结和融沉过程中,温度的变化速率与土层距制冷/热板的距离成反比;冻结锋面的迁移可分为2个阶段;冻结过程中含水率变化分为快速和缓慢变化2个阶段;冻胀量的变化可分为2个阶段;融沉量的变化可分为3个阶段。温度、含水率、冻结锋面和冻融量变化等试验结果均证明了此试验装置的可靠性,此装置可为研制能对大尺寸模型进行开放条件下单向冻融模拟的设备提供借鉴。     

地裂缝活动对土体应力与变形影响的试验研究

通过进行西安典型地层环境下地裂缝活动的大型模型试验,研究了隐伏地裂缝活动引起附近土体应力与变形的规律。试验表明,地裂缝活动在上盘土体中产生负的附加应力,引起土体应力降低,而在下盘土体中产生正的附加应力,引起土体应力增强,且距离地裂缝越远由地裂缝活动引起的附加应力越小。地裂缝活动导致其两侧土体发生台阶状位移突变现象,随着地层由深至浅,土体变形范围明显增大,且影响区范围上盘大于下盘。地裂缝活动引起附近土体应力的分布在空间上大致分为4个区域即下盘原始应力区、应力增强区、应力降低区和上盘原始应力区,其中应力降低区范围约为应力增强区的1.5～2倍。同时,地裂缝附近土体沉降变形也可分为3个带,即下盘稳定带、差异沉降过渡带和上盘稳定带,其中上盘差异沉降带范围约为下盘沉降差异带的2倍。     

基于4D显微成像的非饱和颗粒土微观力学与渗流试验研究

非饱和土力学水力-力学相关的微观机制尚不明确,目前缺乏准确的微观试验分析。针对非饱和土试验无损化观测的研究需求,研发了适用微焦点CT(computed tomography,简称CT)扫描系统的微型非饱和三轴试验装置与微型土-水特征曲线试验装置,研发的装置均主要包含压力控制系统、数据采集系统和装置主体,体积轻巧、兼容性高,可分别实现对小型化颗粒状土试样在非饱和三轴剪切试验与非饱和渗流试验的无损动态三维成像。与常规试验设备结果进行对比分析,验证了自研的微型试验装置的精度与可靠性。开展三轴剪切与非饱和渗流的原位CT扫描试验,均获得微米级分辨率三维图像,图像分析所得参量的多尺度演化趋势准确反映了原位试验的宏观应力-应变关系及全局持水能力特性。     

双层地基中气体聚集与土体变形机制的试验研究

采用层状硅酸镁锂（magnesium lithium phyllosilicate,简称MLPS）透明土构建了上硬下软的双层地基模型,通过针孔注气来模拟沉积层中产生的气源,基于图像识别技术开展了地层气体聚集过程中气囊形态变化以及上层土体隆起变形的试验研究。结果表明：（1）气体在聚集过程中呈现出不同的气囊形态,上层土体的强度和高度决定了气囊突破的时间以及突破时的形态。（2）气囊形态、体积和压力的变化大致可分为两个阶段,第一阶段气囊体积、宽度基本呈线性增大,而气囊高度则由于底部收缩而逐渐减小,气压缓慢增大;第二阶段气囊宽度增加放慢,气囊体积膨胀速度加快,而气囊高度开始显著增加,气囊气压由最高点迅速降低。上层土体隆起的高度和宽度在第二阶段才开始明显增大。（3）气囊突破前的宽度、体积以及上层土体隆起宽度和高度与上层透明土的屈服强度、高度具有良好的拟合关系。（4）薄板理论可较合理地解释气体聚集引起的上层土体变形的机制,而中厚板理论则并不适用。     

基于数字图像处理技术的冰川堆积物粒度分析——以川西贡嘎山冰川堆积物为例

冰川堆积物的粒度组成在很大程度上控制了其物理力学性质,但常规试验无法得到连续的冰川堆积物的粒度组成数据.应用数字图像处理技术和室内试验相结合的分析方法,首先借助图像处理技术,对冰川堆积物剖面的砾石形态进行分析.获取粗粒部分(>2cm)的粒度组成,然后采用室内颗分试验获得细粒(<2cm)部分的粒度组成,将2类粒度数据进行叠合即可获取连续的冰川堆积物的粒度组成.结果表明:研究区冰ill堆积物的粒度组成极不均匀且颗粒分析曲线呈现多峰性,具有良好的级配和工程性质;冰川堆积物的粒度组成、砾石形态和排列特征都有很好的分形特征.     

基于数字图像处理技术的冰川堆积物粒度分析——以川西贡嘎山冰川堆积物为例

冰川堆积物的粒度组成在很大程度上控制了其物理力学性质,但常规试验无法得到连续的冰川堆积物的粒度组成数据。应用数字图像处理技术和室内试验相结合的分析方法,首先借助图像处理技术,对冰川堆积物剖面的砾石形态进行分析,获取粗粒部分(>2cm)的粒度组成,然后采用室内颗分试验获得细粒(<2cm)部分的粒度组成,将2类粒度数据进行叠合即可获取连续的冰川堆积物的粒度组成。结果表明：研究区冰川堆积物的粒度组成极不均匀且颗粒分析曲线呈现多峰性,具有良好的级配和工程性质;冰川堆积物的粒度组成、砾石形态和排列特征都有很好的分形特征。     

基于数字图像处理技术的冰川堆积物粒度分析——以川西贡嘎山冰川堆积物为例

冰川堆积物的粒度组成在很大程度上控制了其物理力学性质,但常规试验无法得到连续的冰川堆积物的粒度组成数据。应用数字图像处理技术和室内试验相结合的分析方法,首先借助图像处理技术,对冰川堆积物剖面的砾石形态进行分析,获取粗粒部分(>2cm)的粒度组成,然后采用室内颗分试验获得细粒(<2cm)部分的粒度组成,将2类粒度数据进行叠合即可获取连续的冰川堆积物的粒度组成。结果表明：研究区冰川堆积物的粒度组成极不均匀且颗粒分析曲线呈现多峰性,具有良好的级配和工程性质;冰川堆积物的粒度组成、砾石形态和排列特征都有很好的分形特征。     

基于数字图像测量的Duncan-Chang模型参数研究

利用三轴土样变形数字图像测量系统进行研究,发现不同测量方式得出的Duncan-Chang模型参数的差别很大。分析得出,数字图像局部变形非接触式测量与传统整体测量方式是导致模型参数存在差异的主要原因。数值算例说明了模型参数差别对位移计算结果的影响程度,变形数字图像测量得到的模型参数K和Kb比传统测量的结果高2~3倍,相应的位移计算结果是传统测量方法模型参数计算得到结果的一半。     

数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用研究

将数字图像处理技术应用于土工三轴试验土样变形测量,提供了一种新的非接触变形测量手段。可消除传统三轴系统的变形测量误差,可测量土样任意部分的局部变形、剪切带的形成和发展过程,可定量分析橡皮膜嵌入的影响,还可实时跟踪并纪录土样变形过程。文中讨论了图像测量结果与传统测量结果的差别,指出对于标准的小三轴试样可以取中间40 mm左右的试样段进行变形测量以排除端部效应影响。     

膨胀土裂隙图像处理及特征提取方法的改进

裂隙特征作为膨胀土裂隙研究的基础,其定量化描述有助于进一步研究裂隙对膨胀土工程性质的影响。以膨胀土平面裂隙为研究对象,使用数码摄影获取膨胀土裂隙图像,通过优化和改进裂隙图像处理方法及裂隙特征提取方法,获得膨胀土裂隙的各特征参数。对于裂隙图像处理方法,采用改进的局部阈值二值化方法,相比大津法能更好地将裂隙和背景区分开来,而通过标记连通区域的方法有效去除了裂隙二值图像中全局分布的细小杂点,同时,利用闭运算填充了裂隙图像中细小的孔洞和缺口,上述处理方法使裂隙二值图像更清晰可靠。对于裂隙特征提取方法,基于对裂隙端点和交点的快捷识别能力,选择了查找表方法作为裂隙条数统计的基础;改进了端点识别算法以去除毛刺,提高了裂隙长度统计的精度;采用改进的最小外接矩形算法进行裂隙宽度的统计,提高了计算精度,节省了计算时间;尝试采用玫瑰花图进行裂隙方向统计,更直观明了地分析裂隙方向及条数的变化规律。     

基于数字图像技术的土冻胀试验系统研究

开展土冻胀过程的研究对于认识土冻胀机理具有重要的意义,以往学者多采用建立模型进行数值分析的方法,但是在试验中却不能对模型预测的冷生构造、冰分凝、水分迁移等实时过程进行验证。通过建立包括实时图像采集系统、图像预处理系统以及图像数字化系统为一体的基于数字图像技术的土冻胀试验系统,对青藏粉土的冻胀发展过程和冰分凝过程进行了研究分析。结果显示：试样冻胀后已冻区纵剖面的冷生构造可以分为微薄层状构造区、薄层状构造区以及最暖端厚层状构造区三个部分,其中薄层状构造区下部的冰透镜体的分凝作用是冻胀的主要贡献部分,最暖端厚层状构造区中冰透镜体的分凝作用导致了试样未冻区的固结,试样中冰透镜体的分凝过程与试样的冻胀过程和试后含水率的结果能够相互验证。建立的试验系统可以对土冻胀过程中包括冷生构造发育、冻胀变形、冰分凝等过程进行实时采集和定量分析,为冻胀模型的建立和验证提供了试验方法和技术支撑。     

基于数字图像测量技术的砂土剪切带分析

在进行土工试验时,土样端部摩擦效应和初始缺陷都可以引起试样的不均匀变形,进而形成宏观的剪切带。基于数字图像测量技术改进了GDS多功能三轴仪,进行砂土的固结排水三轴试验,获得了试样在不同时刻的应变等值线云图和局部应力-应变全曲线,研究了试样端部的摩擦效应。结果表明,端部摩擦显著地影响试样的力学特性,对径向应变的影响可达10%。通过在砂土试样中放置粉质黏土块的方法获得了宏观不均匀土样,并测试其剪切带的形成过程。测试结果表明,试样在两种材料的界面处形成不连续刚度,引起变形的不均匀发展,进而形成宏观的剪切带而破坏。