湛江组结构性黏土触变性正交试验及其触变强度预测模型

触变性是分散体系流变学研究的一个热点,黏土的触变性是指黏土受扰动后强度降低,静置之后强度逐渐恢复的现象。为研究黏土的黏粒含量、含水率、孔隙比及灵敏度对黏土触变性的影响程度及规律,选取强、中、弱3种灵敏度的湛江组结构性黏土为研究对象,设计正交试验方案,开展不同养护时间的无侧限抗压强度试验。结果表明：触变强度随黏粒含量、含水率、孔隙比的增大而减小,存在幂函数关系,随灵敏度的增大而增大,存在对数关系,R2均大于0.95,具有良好的相关性;触变强度比率随黏粒含量、含水率、灵敏度的增大而增大,随孔隙比的增大而减小;对灵敏度相同的试样,影响因素对触变性作用强度为孔隙比>含水率>黏粒含量;采用最小二乘法开展多元回归拟合,建立了各因素与触变强度的多元回归预测模型。     

湛江组结构性黏土区域微观结构特性研究

形成于早更新世的湛江组地层广泛分布于雷州半岛地区,其最为典型的灰色黏土因具有强结构性,在实际工程中出现了一系列岩土工程问题,为众多学者所关注。根据地层学研究结果,雷州半岛各区域的湛江组灰色黏土具有不同沉积环境。由于地质成因的差异,灰色黏土在不同区域表现出不同的工程特性。工程实际中,灰色黏土工程特性的区域性,使得工程界及研究者对于该土层的工程力学效益更是难以掌握。利用X射线衍射试验及电镜扫描试验,研究了不同区域灰色黏土的矿物成分及含量、微结构等微观结构特性。结果表明：不同沉积环境灰色黏土矿物成分及含量存在区域性差异,各矿物成分按照不同比例组合,形成的土体微结构区域特性明显。灰色黏土具有强结构性微观机制的揭示及区域差异性的分析,有利于对该层黏土的全面认知和利用。     

基于湛江组结构性黏土的桩土接触面模型及解析解

湛江组结构性黏土因其特有的结构特性而使该土层中桩基承载性状复杂,传统的桩基设计计算理论和方法应用于该土层中桩基承载力计算时其理论计算值与工程实测值或多或少存在一定误差而存在适用性问题。基于湛江组结构性黏土直剪试验及无侧限抗压强度试验,在剪切位移法的基础上,提出了桩土接触面软化模型,即桩土接触面处于弹性阶段时,桩侧摩阻力随位移线性增加;桩土接触面处于软化阶段时,桩侧摩阻力随位移线性减小,且减小速率与土体灵敏度、桩土接触面法向压力有关;桩土接触面处于滑移阶段时,桩侧摩阻力不随位移变化。依据该模型推导了湛江组结构性黏土中竖向荷载作用下单桩位移及轴力解析解,并比较了计算与试验结果,验证了所提模型的合理性。     

湛江强结构性黏土的物理力学性质指标及相关性分析

湛江黏土具有较强的结构性,结构性对土的力学特性影响不容忽视。对湛江黏土的物理力学指标的相关性和变异性进行统计分析,建立重要指标间的关系经验公式,这可为湛江地区地基基础可靠性设计的参数选取提供依据。结果表明,湛江黏土富含黏粒、黏土矿物含量高、含胶凝状的有机质成分、强胶结特性以及片状颗粒为主的絮凝结构是导致其具有不良物理性质和良好力学特性指标的根本原因。不同区域黏土的力学指标空间变异性较大,但物理指标变异性较小。e-、L-、 L-e、a1-2-e关系具有线性相关性,但相互关系明显不同于其他地区黏土特征,因此,工程设计中不能简单借鉴其他地区黏土经验公式。     

剪应变率对湛江强结构性黏土力学性状的影响

以湛江强结构性黏土为对象,系统地开展了剪应变率对其力学性状影响的三轴试验研究,发现强结构性黏土具有独特的剪切速率力学效应,其CU剪切强度随剪应变率的增大而呈现先减小后增大的特征,存在临界速率现象;在低围压条件下,剪应变率对孔隙水压力的影响很小,随着围压的增大,其影响逐渐明显;随剪切速率增大,其黏聚力与内摩擦角整体上分别呈现减小与增大的变化规律,而当剪切速率增大到一定程度均出现转折点,但后者滞后于前者。引起上述现象的原因在于黏土的结构性破损性状与其结构性强弱相关联,为深入认识结构性黏土的工程特性提供了帮助。     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

土结构性对天然软黏土压缩特性的影响

天然软黏土普遍受到土结构性的影响,明确结构性对软黏土压缩特性的影响机制显得尤为重要。对两个天然软黏土原状样进行室内一维固结试验,得到的压缩曲线与已有文献中搜集的39个原状样压缩曲线进行比较。压缩曲线在对数坐标下均呈现倒S形,并存在明显的结构屈服压力。采用双对数坐标处理后,压缩曲线可由双直线较好地表示,易于确定固结屈服压力。41个原状样屈服后的压缩指数和屈服点含水率之间的定量关系,与基于重塑土定量公式计算的压缩指数与固结屈服压力下重塑土含水率的定量关系相一致。对比结果表明：天然软黏土屈服后的压缩特性取决于屈服时的含水率,而与土结构性无关,解释了天然土压缩曲线位于重塑土上方是由于对应屈服点含水率不同而引起的。     

湛江组灰色黏土空间展布规律研究

分布于湛江地区的湛江组灰色黏土因其特有的强结构性在实际工程中产生一系列岩土工程问题,20世纪80年代已为国内众学者所关注。由于湛江组地层在雷州半岛区域内,具有不同沉积环境而表现出不同空间展布规律,实际工程中难以掌握其分布特性。根据现场地质调查资料,结合雷州半岛的地形地貌、地质构造以及湛江组地层的沉积环境,在雷州半岛布置27个钻孔进行地质钻探取样。不同区域典型地层剖面图说明,灰色黏土在不同的沉积环境有着不同沉积韵律、埋藏深度、地层厚度等,分布具有区域性,根据层顶埋深及地层厚度分析灰色黏土的结构性对实际工程的影响。同时,根据钻孔地层数据,利用基础 GIS软件平台MAPGIS构建湛江组结构性黏土空间展布规律三维地质模型,全面展示出灰色黏土在雷州半岛的整个展布规律,实现灰色黏土空间展布的可视化,最后简单地介绍该模型的基本应用。     

冲击荷载作用下结构性软黏土力学特性试验研究

冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。     

静偏应力下湛江结构性黏土的动力特性

针对天然强结构性湛江黏土,通过开展不同静偏应力影响下的不排水循环加载三轴试验,对循环荷载作用下的动变形、动强度和动孔隙水压力特性以及与土结构性间的内在联系进行系统性的试验研究。结果表明,结构性黏土在循环荷载作用下的突然破坏,具有脆性破坏特征,静偏应力越大,土体破坏应变越小。湛江黏土的临界动应力随静偏应力呈先增大、后减小的变化规律,在静偏应力较小时存在峰值。分析认为,静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值,小于该值时静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度,抑制了土的变形发展;当静偏应力继续增大,则土体结构损伤,动荷载下的临界动应力和动强度均呈下降趋势。结构性土的动孔隙水压力低于一般黏土,静偏应力的存在导致孔压在土体破坏后出现负增长,初始剪应力使结构性土体产生剪胀势。     

结构性软土力学特性试验研究

选取广州南沙典型软土为研究对象,进行了剪切、无侧限抗压、固结等室内试验.从强度和变形两方面对试样的结构性进行了研究,分析了原状土和重塑土的变形特性、强度特性和固结特性,揭示了所研究的区域性软土的结构性特征以及这一特征对软土工程性质的影响.试验结果表明:结构性软士经扰动后强度明显降低,压缩性增加;原状土的同结特性与结构屈服压力有关,压缩曲线呈现3阶段特征.在同一级荷载下扰动后的土体变形规律较原状土有更明显的主次固结划分界限.结构屈服压力是变形规律的控制因素之一,可以通过压缩系数-固结压力曲线近似确定.试验结果还表明,当崮结压力较大时,原状土的结构被完伞破坏,此时结构性对土体力学特性的影响可被削弱,甚至消失.     

结构性黏土的压缩变形特性

海相软黏土的结构性对土体的变形与强度特性有着重要的影响,这种影响与爆炸挤淤置换法处理软基的置换深度直接相关,是海堤基础沉降与稳定性分析的不确定因素。为了探究结构性对海堤地基沉降的影响,并对海相软黏土的压缩特性进行定量分析,建立结构性黏土的压缩变形模型,同时给出模型参数的确定方法。利用文献中的试验数据对模型进行了验证,结果表明模型不仅适用于一维应力状态下的变形分析,能够描述三轴应力状态下结构性黏土的压缩特性。利用所建模型对浙江漩门地区海相软黏土的压缩特性进行模拟,分析表明,模型能较好地考虑结构性对该地区软黏土压缩变形的影响,为该地区海堤沉降的预测提供量化分析的手段,有助于加强结构性黏土地区海堤地基设计与施工的理论基础。     

淋溶时间对红黏土物理力学特性的影响

以湖北省鄂州市庙岭镇的红黏土为研究对象,以化学选择溶解法结合淋溶作用为处理手段,将原状土样中的游离氧化铁按梯度去除,获得连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)溶液淋溶时间与除铁率的关系,并分析了不同淋溶时间对红黏土物理力学特性及微观孔隙结构的影响。试验结果表明,DCB溶液淋溶时间与除铁率相关性较强,除铁率与时间呈先快速增长后逐渐稳定的关系。由于游离氧化铁在土颗粒间主要起胶结作用,故淋溶时间对红黏土的物理力学特性有较大影响。随着淋溶时间的增长,黏粒与胶粒含量逐渐增大,耐热性小幅提升,无侧限抗压强度显著减小,且无侧限抗压强度变化整体趋势为前期急剧降低至后期趋于平稳。核磁共振、差热分析和电镜扫描的结果表明,随着淋溶时间的增大,庙岭红黏土内部孔隙增大,自由水减少,结合水增多,微观形态上团粒结构遭到破坏,胶结物质明显减少,结构形式从紧凑的粒团堆叠结构逐渐转化为聚集体-松散颗粒状结构。     

淋溶时间对红黏土物理力学特性的影响

以湖北省鄂州市庙岭镇的红黏土为研究对象,以化学选择溶解法结合淋溶作用为处理手段,将原状土样中的游离氧化铁按梯度去除,获得连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)溶液淋溶时间与除铁率的关系,并分析了不同淋溶时间对红黏土物理力学特性及微观孔隙结构的影响。试验结果表明,DCB溶液淋溶时间与除铁率相关性较强,除铁率与时间呈先快速增长后逐渐稳定的关系。由于游离氧化铁在土颗粒间主要起胶结作用,故淋溶时间对红黏土的物理力学特性有较大影响。随着淋溶时间的增长,黏粒与胶粒含量逐渐增大,耐热性小幅提升,无侧限抗压强度显著减小,且无侧限抗压强度变化整体趋势为前期急剧降低至后期趋于平稳。核磁共振、差热分析和电镜扫描的结果表明,随着淋溶时间的增大,庙岭红黏土内部孔隙增大,自由水减少,结合水增多,微观形态上团粒结构遭到破坏,胶结物质明显减少,结构形式从紧凑的粒团堆叠结构逐渐转化为聚集体-松散颗粒状结构。     

湖相软粘土力学特性的试验研究

为研究结构性对软粘土力学特性的影响,对江苏宝应湖相沉积软粘土原状样与不同重塑样进行一系列的压缩、剪切试验研究。根据单向压缩试验得到的压缩曲线,得到不同土体的压缩指数Cc、回弹指数Cs,并确认了结构性对土体变形特性的影响。根据三轴剪切试验结果,比较原状样和不同重塑样的应力-应变-孔压曲线,确认了结构性和孔隙比对土体的强度特性具体有重要影响,并从孔隙比角度合理的解释了为什么高围压下原状样强度反而小于重塑样的强度。最后,提出简单量化土体组构的参数参考孔隙比e*10,将试验结果用参考孔隙比e*10归一化整理后,发现原状样和不同重塑样的Cc-e*10、ef/e*10-log pf,ef/e*10-log qf曲线基本一致。据推断出原状样在结构屈服应力后,结构中的胶结已基本破坏,原状样和重塑样的变形、强度差异主要是由于组构的差异引起的,且土的组构参数可用参考孔隙比e*10表示。     

黏土结构性对孔压静力触探结果的影响分析

针对目前黏土结构性对孔压静力触探结果的影响及其机理尚不是很清楚的问题,首先在ABAQUS软件中对结构性剑桥模型进行了程序实现,然后建立了孔压静力触探贯入结构性黏土的数值模型,通过数值计算分析了黏土结构性对孔压静力触探结果的影响。数值计算结果表明：（1）黏土的结构性会导致锥尖周围土体的偏应力增大,由于锥尖附近土体的结构性损伤,最大偏应力出现在距锥尖一定距离的右下方;（2）表征结构性强度的参数——初始结构屈服应力$ p{\text{'}}_{ {\rm{yi}}} $越大,锥尖阻力qc越大,而表征结构性损伤速度的参数——结构性对流动法则影响参数ω越大,qc值越小;（3）$p\text{'}_{ {\rm{yi}}} $值越大,贯入停止时的超静孔隙水压力u越大,而ω值越大,贯入停止时的u值越小;（4）经验圆锥系数Nkt随$p\text{'}_{ {\rm{yi}}} $增大明显减小,随ω的增大略有减小。因此,黏土的结构性强度及其损伤会明显影响孔压静力触探的测量结果,基于锥尖阻力qc估算结构性黏土的不排水抗剪强度su时应采用考虑结构性影响的经验圆锥系数Nkt,否则将会低估结构性黏土的su。研究结果可为孔压静力触探结果的分析和应用提供参考。     

不同固结压力下强结构性黏土孔隙分布试验研究

为探讨结构性土变形的微观机制,以湛江地区结构性黏土为研究对象,对原状土和压缩试验后土样进行压汞试验,分析不同固结压力下土的孔隙分布、孔径大小以及孔隙结构特征参数的变化规律,辅以SEM图像进行孔隙形态的定性分析,并从分形理论角度对此解释与验证。结果表明,湛江黏土各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在瓶颈效应以及边-面-角的空间接触形式,其结果可能会夸大真实小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性对压缩过程中孔隙分布影响较大,当固结压力增大至结构屈服压力后,孔径为0.01～0.50 μm的孔隙组变化明显,孔隙的连通性变差,孔径分布向小孔径范围移动,孤立式孔隙增多,大、中孔隙的界限变得不明显。湛江黏土孔隙具有多重分形特征,据此确定微裂隙、粒间孔隙和孤立孔隙孔径的分界点为0.01 μm与0.50 μm,同时给出了湛江黏土的孔径界定标准。     

结构性对上海软土渗透系数影响的试验研究

对在不同固结压力下原状土、重塑土的渗透系数进行试验研究，对比分析渗透系数的变化规律，研究上海软土结构性对渗透系数的影响。该试验的研究结果对上海软土渗透系数的确定有重要的工程指导意义。     

双向近场地震下结构性软黏土震陷特性研究

软黏土的震陷效应与土体的结构性有着密切联系,但目前关于土体的结构强度对震陷影响的研究还较少。自然界中很难获取到物质成分相同而结构性质不同的土,为了对P波和S波耦合作用下结构性软黏土的震陷特性进行深入研究,人工制备了物质成分相近而结构强度不同的软黏土,通过开展两组动态围压下的动三轴试验,探讨结构强度、双向动荷载和P波与S波的相位差对其震陷特性的影响规律。试验结果表明：双向激振下,轴向动荷载与结构屈服应力比值越大,双向动荷载的耦合对轴向残余应变积累速度的加速作用越明显;相位差对轴向残余应变的影响则取决于土体结构强度,结构强度越小,影响越大。双向近场地震中,径向动荷载一般会加速震陷的发展,加速作用的大小与土体结构强度大小有关,结构强度越小,加速作用越明显,但轴向动荷载的剪切作用对结构性软黏土的残余应变积累仍起主导作用。研究结果可为软土地区综合防灾提供有益参考。