非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

为探究膨胀土物理力学性质指标对其膨胀变形影响。结合陕西安康地区某膨胀土工程实例,基于大量野外岩土勘察和室内测试数据资料,采用主成分分析法研究了膨胀土的膨胀变形与其物理力学性质指标间相关性及不同指标重要程度,建立了以主要物理力学指标为参数的膨胀土膨胀变形判别公式。影响膨胀土膨胀变形的物理力学指标可划分为反映外界环境的指标(含水率、饱和度、液性指数及含水比)、反映土体构造特征的指标(密度、干密度及孔隙比)、反映土体结构强度特征的指标(压缩系数和内摩擦角)及反映土体组成特征的指标(塑性指数和黏聚力);含水率是影响膨胀土膨胀变形的关键指标,所建立判别公式可为类似地区膨胀土膨胀变形的判别提供参考。     

Swelling–shrinkage properties and soil improvement of compacted expansive soil, Ning-Liang Highway, China

In this paper, the swelling–shrinkage properties of the compacted expansive soil in the Huaiyin Section of the Ning-Lian Highway are introduced, and swelling–shrinkage mechanisms are discussed based on changes in soil water content, dry density, material composition and fabric. The improvement of the compacted expansive soil by lime is also discussed briefly. It is concluded that careful attention should be paid to this type of compacted expansive soil.     

Density-dependent hydromechanical behaviour of a compacted expansive soil

To further our knowledge of the coupling between the hydraulic and mechanical behaviours of the swelling soils, this paper presents an experimental study on a bentonite/silt mixture using an osmotic odometer. A loading/unloading cycle was applied to samples with different initial dry densities (1.27, 1.48, and 1.55 Mg m^− 3) at different constant suctions (0, 2, and 8 MPa). We noted that the initial state of the soils after compaction significantly influenced the values of the apparent preconsolidation stress p₀(s), the virgin compression index λ(s), and the elastic compression index κ.These experimental results provided a sufficient database to interpret the mechanical behaviour of the swelling soil and define three yielding surfaces:

– the suction limit between micro- and macrostructure (s_m/M) and the suction limit between nano- and microstructure (s_n/m), which depend completely on the soil fabrics and the diameter separating the nano-, micro-, and macrostructure,

– the Loading Collapse (LC) curve, representing the preconsolidation stress variation as a function of suction,

– the Saturation Curve (SC), representing the variation of the saturation stress (P_sat) as a function of suction.

In general, we can state that the increase of compaction pressure unified the LC and SC surfaces and decreased the (s_m/M) value without modifying the (s_n/m) value.     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

Behavior of expansive soils stabilized with fly ash

Expansive soils cause serious problem in the civil engineering practice due to swell and shrinkage upon wetting and drying. Disposal of fly ash, which is an industrial waste in both cost-effective and environment-friendly way receives high attention in China. In this study, the potential use and the effectiveness of expansive soils stabilization using fly ash and fly ash-lime as admixtures are evaluated. The test results show that the plasticity index, activity, free swell, swell potential, swelling pressure, and axial shrinkage percent decreased with an increase in fly ash or fly ash-lime content. With the increase of the curing time for the treated soil, the swell potential and swelling pressure decreased. Soils immediately treated with fly ash show no significant change in the unconfined compressive strength. However, after 7 days curing of the fly ash treated soils, the unconfined compressive strength increased significantly. The relationship between the plasticity index and swell-shrinkage properties for pre-treated and post-treated soils is discussed.     

Evaluation of the effectiveness of olive cake residue as an expansive soil stabilizer

The quantity of the by-product olive cake residue generated in most parts of the Mediterranean countries continues to increase and expected to double in amount within 10–15 years. This increase intensifies the problems associated with the disposal of this by-product. Olive cake residue has a potential for use as a soil stabilizer and large volumes can be beneficially used. This study is directed toward determining if olive cake residue can be utilized to increase the strength and stability of expansive soils which constitute a costly natural hazard to lightweight structures on shallow foundations. A series of laboratory tests using engineering properties, such as Atterberg limits, moisture-density relationship (compaction), swell, unconfined compressive strength were undertaken to evaluate the effectiveness and performance of the olive cake residue as a soil stabilizer. Test results indicate that an addition of only 3% burned olive waste into the soil causes a reduction in plasticity, volume change and an increase in the unconfined compressive strength. However, it was observed that the presence of burned olive waste in the soil greater than 3% caused an increase in the compressibility and a decrease in the unconfined compressive strength. Test results indicate that the use of olive waste in soil stabilization gives greater benefits to the environment than simply disposing of the by-product, olive cake residue.     

弱膨胀土工程特性及其路基处治对策

针对湖北襄-荆高速公路膨胀土,在室内开展了弱膨胀土的压实特性、胀缩性状、力学特性试验研究,发现压实膨胀土的工程性状受含水率与压实度的影响,胀缩特性是膨胀土的固有特性,其大小取决于起始湿度和密度;击实膨胀土的最佳含水量和最大干密度随击实功变化而变化,压实功愈大,土的最大干密度也愈大,而对应的最佳含水量愈小;膨胀土的CBR值随其含水率的变化规律类似于击实曲线,但CBR峰值含水率大于最佳含水率,为深入认识膨胀土的工程特性提供了帮助。因此,利用弱膨胀土填筑路堤时,不仅要考虑经过击实后的土的性质,而且还要考虑在填方建成、条件改变后土的性能;膨胀土路堤填筑除考虑压实度与CBR值要求外,尚需考虑胀缩总率的影响。最后,推荐了弱膨胀土路堤结构型式,并提出了弱膨胀土用于路堤填筑的控制标准。     

干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究

膨胀土是一种气候敏感性土体,研究在干湿循环过程中膨胀土剪切强度的变化,对了解在自然界周期性蒸发和降雨作用下原位膨胀土体工程性质的变化以及由此导致的地质灾害发生过程具有重要意义。文中以重塑非饱和膨胀土为研究对象,模拟了3次干湿循环过程,对每次干燥路径中的试样进行了直剪试验,重点分析含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响,得到如下主要结果：（1）在干燥过程中,随着含水率的减小,试样的刚度、脆性、抗剪强度值（峰值剪切应力）、抗剪强度指标（黏聚力、内摩擦角）及抗剪强度损失（峰值强度与残余强度之差）均呈增加趋势;（2）正压力越高,试样的剪切强度和残余强度越大,而破坏后的峰值强度损失越小,破坏韧性增加;（3）在3次干燥过程中,试样的剪切强度及黏聚力呈先增加后减小的趋势,在第二次干燥过程中达到峰值,但内摩擦角受干湿循环的影响无明显规律;（4）试样经历多次干湿循环后,其剪切特性越来越类似于超固结土,脆性显著增加;（5）干燥过程和干湿循环对试样残余剪切强度的影响都不明显,残余剪切强度基本都在100 kPa附近变化;（6）非饱和膨胀土在干湿循环及干燥过程中剪切强度的变化除了与吸力有关外,还与其微观结构调整和裂隙发育状态密切相关,需要综合非饱和土力学和土质学理论对试验现象进行分析。     

循环荷载下兖石铁路路基膨胀土的动力特性试验研究

膨胀土是一种具有强胀缩、多裂隙、反复变形的特殊性黏土。膨胀土对外界环境变化非常敏感,由此而产生的变形与稳定问题是膨胀土地区工程建设的主要课题。本文归纳分析了现有的膨胀模型,基于膨胀土的膨胀变形随初始干密度的增大而增大,随初始含水率与垂向压力的增大而减小的规律性,提出了多因素耦合的膨胀土有荷膨胀模型。在该模型中,用压实度来反映初始干密度的影响,在单因素作为变量时,膨胀率与压实度呈线性关系,与初始含水率、垂向压力成对数关系。对邯郸强膨胀土、南阳中膨胀土与宁淮弱膨胀土的有荷膨胀试验结果进行验证,整体拟合效果较好。进而探讨了膨胀土有荷膨胀模型的工程应用,包括膨胀土地区处理层厚度的估算与膨胀土边坡的衬砌厚度的设计计算。     

石灰改性膨胀土击实曲线的双峰特性研究

膨胀土掺石灰改性之后,其粉粒组的含量显著增加。当采用湿法击实时,由于土体保持了原有的结构性并表现出粉土的特性,在某个较低含水率时,击实功没有超过破坏其结构性的程度,出现一个干密度峰值。随着含水率的增加,击实功破坏了土的结构性,土体重新压实,曲线出现了另一个大干密度的峰值。因此,击实曲线表现出不稳定的双峰现象,从而降低了击实曲线的实用性及可靠性。然而采用修正湿法得到的击实标准,相对于湿法更加合理,相对于干法更加实用可靠,为工程施工质量控制与路基工后质量评价提供了更加有效的方法     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

Research of soil–water characteristics and shear strength features of Nanyang expansive soil

Nanyang expansive soil is investigated in its unsaturated state in this paper. The wetting–drying cycle tests of soil–water characteristics of Nanyang expansive soil have been performed in the laboratory. The test results show that the soil–water characteristic curve of the pre-load specimen can well reflect the soil property function of expansive soil. The strength features of the different suction states of the unsaturated expansive soil are also investigated. The hyperbolic model of the suction strength is presented and the parameters of this model are easily determined by tri-axial tests of unsaturated soils. The hyperbolic model is conveniently applied to predict suction strength of an unsaturated soil.     

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。     

淋洗剂乙二胺四乙酸对重金属污染土工程特性的影响

以重金属铅（Pb2+）污染土和淋洗剂乙二胺四乙酸（EDTA）为研究对象,通过批次试验研究了不同浓度EDTA的淋洗对Pb2+污染土的渗透特性、持水特性、压缩特性、抗剪强度等工程特性的影响,为淋洗修复后土壤的二次利用提供参数支持。基于矿物成分、孔隙结构等微观试验,揭示了土壤工程特性变化的内在机制。研究结果表明,当淋洗剂EDTA浓度从0增加到0.15 mol/L,经淋洗修复后的污染土壤pH值从7.94下降到5.12,渗透系数降低超过一个数量级,黏聚力降低50%以上,而内摩擦角增大,持水性能提高,孔隙比从0.81下降到了0.76。微观试验的结果表明,随着淋洗剂浓度的增大,土壤中的蒙脱石、钠长石和伊利石矿物含量减少,石英矿物含量增加,其中蒙脱石含量从7.87%下降到了0.07%,而石英矿物含量增加了11.09%;淋洗后土壤单位质量进汞量由0.22 ml/g降低到0.15 ml/g,土壤总孔隙体积减少。重金属污染土淋洗修复工程在考虑重金属去除率及经济性指标的同时,还应考虑淋洗剂对土壤工程特性的弱化。     

干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究

对江苏222省道南徐路拓宽改造工地现场的膨胀土进行干湿循环的试验研究,包括直剪试验和无侧限抗压强度试验,分析了试验数据,从而得到膨胀土随干湿循环强度的变化规律,可为实际工程需要提供可靠的数据。     

结构性对膨胀土收缩特性影响的试验研究

膨胀土的收缩性明显,容易引发边坡与地基开裂,但有关结构性对收缩特性影响的认识甚少。采用收缩自动试验装置,在恒湿恒温条件下对原状膨胀土和重塑膨胀土开展了收缩对比试验和扫描电镜（scanning electron microscope,简称SEM）测试分析,结果表明：与原状土相比,重塑土在土中水流动阶段的蒸发速率较小,蒸汽扩散阶段收缩稳定速率较慢,最终体积收缩应变量更大;重塑土体积收缩−含水率关系曲线的线性段较长,斜率较大,直线段与稳定段之间的过渡不明显,而原状土则反之;重塑土和原状土的收缩特征曲线（soil shrinkage characteristic curves,简称SSC）在较高含水率段基本重合,随着含水率下降,重塑土的SSC下降更快,对应的含水率范围更宽,最后进入残余−零收缩阶段时,孔隙比明显较小;Chertkov收缩模型适用于原状膨胀土,但不适用于重塑膨胀土。SEM测试结果表明,原状膨胀土较重塑膨胀土具有更强的原生结构性,初始密度与湿度相同情况下,两者颗粒排列、接触方式、胶结状态、孔隙大小与分布特征等微观结构上差异明显,导致蒸发过程中重塑土的水分迁移速率较小、基质吸力较大,是重塑土收缩更剧烈的内在原因。研究结果可为膨胀土边坡的坡面工程防护设计提供参考依据。     

掺高炉水渣膨胀土的室内改良试验研究

通过掺入10%～20%不同量的高炉水渣来改性膨胀土,对素土及其掺高炉水渣改性土的基本物理力学性质、胀缩特性进行试验对比研究,确定改性效果。试验结果表明,高炉水渣可以大幅降低膨胀土的自由膨胀率、液限和塑性指数,同时改善膨胀土的颗粒级配、强度特性。改性后的膨胀土黏粒减少,粉粒增多,干密度随含水率变化较小,水稳性提高。这说明了高炉水渣对膨胀土具有很好的改性效果。     

膨胀土的电导率与膨胀性的关系研究

膨胀土是一种高塑性、强亲水的黏性土。由于黏土矿物含量较高,膨胀土颗粒的交换阳离子含量也较高,总比表面积较大,在电导率测试指标上反映是膨胀土的导电性随膨胀性的增大而增强。选取强、中、弱3种不同膨胀等级的代表性试样,采用无电极电阻率测定仪和便携式电导率探头,测试了膨胀土泥浆和孔隙水溶液电导率测试,采用原子吸收光谱仪检测了膨胀土孔隙水溶液中的离子种类、含量等。研究表明,膨胀土孔隙水溶液的导电性与膨胀土泥浆的导电性均随膨胀性增大而增大,膨胀土的电导率和自由膨胀率具有良好的线性关系,工程中可以利用这一原理进行膨胀土的快速判别。     

三江平原沼泽土微观特性试验研究

从微观形态、微结构特征、粒度分析、土颗粒间的排列方式、孔隙大小分布、有机质含量以及矿物成分等方面对三江平原的两种沼泽土和北京翠湖湿地土进行了一系列微观结构的对比试验.结果表明:沼泽白土和翠湖湿地土与一般软土性质相似,但沼泽黑土含水率、液性指数、孔隙比、孔隙数量、孔径和孔隙体积远远大于沼泽白土和翠湖湿地土,有机质含量最大,特性明显突出.研究成果有助于提高对沼泽土特性的认识,可为沼泽地陷落体救助和沼泽湿地保护和合理开发等工程建设提供参考.     

膨胀土初始破损与湿干交替耦合作用下的力学行为

为研究不同初始破损程度、不同干湿循环次数及两者耦合工况对膨胀土孔洞及裂隙发育、演化规律的影响,以及相应的土体变形、力学行为,以合肥膨胀土为研究对象,对制备的不同初始破损程度（圆柱孔直径分别为0、2.5、5 mm）的3组20个试样进行干湿循环试验及三轴剪切试验（控制吸力为50 kPa,有效围压分别为100、200、400 kPa）。并解释了孔洞-裂隙的产生及发育新机制。结果表明：干湿循环次数为0时,一定程度的初始破损会提高土体的强度;与常规认识不同,干湿循环次数为1～2次时,初始破损的存在会诱导土体裂隙开裂的方向和贯通模式,形成的结构块较无破损土体形成的更完整,因而具有相对于无初始破损土体更高的强度;干湿循环次数为3次时,裂隙完全扩展,土体结构性被严重破坏,有无初始破损的土体强度趋于一致;孔洞-裂隙的演化机制是：脱湿-增湿过程中产生的水力梯度使土体具有不同的软硬性质和胀缩变形,产生的拉压应力在微裂纹、尖端形成应力集中而开裂,更易与具有的初始孔洞破损联合、交汇、贯通,萌生的裂隙增大了水汽交换界面面积,进一步平衡拉压应力而最终完全碎裂。研究可为普遍存在初始破损的膨胀土工程研究提供新的思路。