球形模板压入仪在冻土长期强度测试中的应用

球形模板压入仪（球模仪）在前苏联和俄罗斯等冻土区土力学性质测试中得到广泛应用。在60多年的工程实践中,试验理论、方法等方面都得到了完善。因其试验简单易行且测试结果能较好地反映冻结土的力学性质,特别是在冻结土黏聚力的长期强度评价及预测方面广泛应用。简要介绍该试验理论、试验方法、试验仪器。以莫斯科郊外冰碛粉质黏土作为研究对象。在恒定-7～20 ℃温度条件下,在封闭状态下分别进行3、6、20、40次冻融循环试验。对各试验阶段土样进行物理性质测试,之后用球模仪对冻结土样进行强度测试。冻融循环后土样的各物理指标均有不同程度的减小,随着冻融次数的增加,其强度降低。冻融过程中,土样中水体积的变化使其密度减小、孔隙率增大是造成这一结果的原因。     

冻融循环作用下冻结黏土矿物物理力学性质研究

冻土工程破坏主要的原因之一是冻融循环作用。通过对高岭土(主要黏土矿物为高岭石)、膨润土(主要黏土矿物为蒙脱石)在反复冻融作用下的物理性质试验及球模仪试验,研究高岭土及膨润土在冻融循环作用下的物理力学性质变化,并由此推定不同黏土矿物含量土在冻融循环作用下物理力学的变化规律。结果表明:(1)前10次冻融循环对高岭土及膨润土的物理力学性能影响很大,冻融10次后,随冻融次数的增加,高岭土的密度下降,孔隙比增加,膨润土的密度增加,孔隙比减小;(2)冻融过程中物理性质的变化不仅与土样的种类有关,也与土样的矿物成分有关;(3)高岭土的长期强度C24远高于膨润土,但是冻融过程中高岭土的力学性能变化较大,而膨润土相对比较稳定。     

冻融循环对盐渍土黏聚力影响的试验研究

通过室内试验,测试了冻融循环对不同含盐量和不同含盐类别盐渍土黏聚力的影响规律。从结晶体位置变化、微观结构、盐类性质及未冻结水含量三个方面分析了冻融循环对盐渍土黏聚力的作用机理。研究结果表明,在含水率一定的情况下,无论是向土中加入Na2SO4,或者是CaCl2,经冻融循环后黏聚力都随冻融次数的增加而减小,且第1次和第2次循环为主要减小阶段;加入CaCl2后黏聚力的减小程度比加入等量Na2SO4后小;冻融循环过程中结晶体析出时位置的变化是土体黏聚力和干密度减小的主要原因;经SEM图片分析,大孔隙占总孔隙面积的比例随冻融次数的增加而减小;盐渍土中CaCl2溶液的含量对冻融循环中黏聚力的变化有重要影响。     

纳米石墨粉对红黏土力学性质的影响

对添加了纳米石墨粉的红黏土以击实进行了重塑样制备,设计了不同掺量纳米石墨粉在红黏土最优含水率下的三轴固结不排水试验;通过应力-应变曲线,分析了不同掺量纳米石墨粉对红黏土力学性能的影响,得出了抗剪强度和抗剪强度指标的规律,并采用SEM微观手段对其改善机理进行了分析。试验结果表明:抗剪强度和黏聚力C随纳米石墨粉掺量的增加先增加后减小,内摩擦角$\varphi $基本保持不变,得出适量的纳米石墨粉对红黏土的力学性质有显著的提高,最优掺量在1%~2%之间。研究认为,纳米石墨粉红黏土呈现出的力学性质,与纳米石墨粉对红黏土孔隙结构的影响、纳米石墨粉对红黏土颗粒的黏附胶结密切相关。     

微生物矿化作用对红黏土的影响研究

引入微生物矿化技术,利用其中巴氏芽孢杆菌的代谢产物对红黏土进行改性研究。对微生物矿化作用的红黏土试样开展常规物理指标试验,分析试样含水率、密度、比重、孔隙比和颗粒粒径的变化。利用三轴固结不排水剪切试验,测定土体的抗剪强度指标,并结合扫描电镜分析微生物矿化下红黏土的微观结构特征。结果表明:巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀胶结充填红黏土空隙作用明显,土样经过恒温养护10 d时的作用效果最佳,红黏土的物理性质朝着工程性质好的方向发展、抗剪强度有所增强。从SEM图像分析,红黏土试样中生成碳酸钙晶体填充胶结于土体孔隙,加强了土壤颗粒间的连接。      

外加剂对桂林含有机质水泥红黏土力学性质影响的试验研究

红黏土是碳酸盐岩在湿热环境下经过风化作用形成的一种特殊性土,孔隙大、含水量高,而其结构性强且存在上硬下软的成层分布特征,上部为坚硬、硬塑状态,下部为软塑、流塑状态。水泥搅拌法因其有加固效果好、造价低、工期短、污染小等特点被广泛应用在处理软弱红黏土。近年来环境和工程地质条件不断恶化,造成大面积红黏土被有机质污染,严重影响地基的强度,但是研究表明合理使用外加剂可以改善被有机质污染红黏土的物理力学性质。本文从外加剂掺量和类型对抗剪强度、压缩系数、无侧限抗压强度等方面进行室内试验研究,得出外掺剂种类和掺量与它们之间的关系。结果表明:其间的相关性较好。     

冻融作用对南方粉质黏土物理力学性质的影响

室内模拟极端冰雪环境下,对我国南方典型不扰动粉质黏土进行反复冻融试验研究,分析了冻融作用下土体物理力学指标的变化规律。试验发现,随着冻融次数的增加,土体的含水量、密度、液限和塑性指数减小,塑限略有减小,孔隙比渗透性增大。冻融作用对土体力学性质的影响尤为显著,使其抗剪强度减小,而无侧限抗压强度在冻融10次后基本丧失。通过对反复冻融土的扫描电镜试验发现,多次冻融后土体变得破碎,土体中孔隙变大且数目增多,裂隙增多。这表明,多次冻融后土体遭到结构性破坏,土颗粒得以重新排列,导致土体骨架的结构性转移,使整个受力体系发生变化,这也是冻融作用后土体物理力学性质变化的主要原因。     

浙西饱和红黏土的物理力学特性试验研究

本文在分析浙西红黏土矿物成分与化学成分的基础上,分别用单向固结仪和三轴仪对饱和红黏土原状样进行了一系列的压缩、剪切、蠕变试验,得到其压缩曲线、应力-应变曲线和蠕变曲线。根据测得的压缩曲线,确定了该土的压缩指数Cc、回弹指数Cs,对原状样压缩曲线的归一化整理后判断出原状饱和红黏土的结构性不强;根据三轴排水剪切试验结果,得出原状饱和红黏土在不同围压下因结构性的存在土体具有不同的破坏应力比,计算得到该土的临界状态应力比和黏聚力;根据原状饱和红黏土在不同固结压力下的蠕变试验结果,得到了该土的次固结系数Cα与固结压力关系,并确定了该土的Cα/Cc约为0.0124,本试验结果为浙西地区的工程建设提供了基本参数。     

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。     

水泥搅拌法改良桂林红黏土力学性质试验研究

桂林地区分布的由碳酸盐系出露区的石灰岩经过红土化作用而成的高塑限的红黏土,孔隙比较大、含水量高,而其结构性强且存在上硬下软的成层分布特征,上部红黏土为坚硬-硬塑状态,承载力高,下部红黏土为软塑、流塑状态,为地基软弱下卧层,需进行处理。采用水泥搅拌法对桂林软弱红黏土无侧限抗压强度、抗剪强度、抗拉强度与水泥掺入比、龄期的关系等主要力学性质进行室内试验研究,得出外掺剂对无侧限抗压强度的影响以及无侧限抗压强度、抗拉强度与抗剪强度的关系。结果表明:运用水泥搅拌法对桂林地区软弱红黏土层主要力学性能的无侧限抗压强度与水泥掺入比、龄期之间以及含外掺剂和无外掺剂水泥红黏土无侧限抗压强度之间存在较好的相关性; 黏聚力、抗拉强度随水泥掺入比、龄期增大而增大; 无侧限抗压强度、抗拉强度与黏聚力存在相关性。     

冻融循环作用下黄土基本物理性质变异性研究

以陕西富平重塑黄土为研究对象, 引入有关变异性分析的变化量和变异系数两个参数, 对历经不同冻融循环次数后黄土的物理性质指标进行清晰全面的描述. 结果表明:土样的密度和孔隙比的变化量呈现"共轭"变化, 水理性质指标的变化量均随冻融次数的增加而变小; 各项指标的变异系数均随冻融次数逐渐减小, 即土样内部形成新的结构, 并趋于稳定. 在分析黄土基本物理性质变异性的基础上, 可进一步探讨其内部颗粒排列、粒度成分及矿物成分等的发展转变, 为解决该地区冻融黄土的土工问题提供了参考, 同时, 也是判断其工程性质最基本的依据之一.     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.     

不同养生龄期下水泥土经冻融循环后力学性能试验探究

针对季节性冻土区域,对不同养护期龄的水泥改良土在不同冻融循环次数条件下进行单轴抗压强度试验。探究养护期龄、冻融循环次数对抗压强度、质量损失率以及变形模量E₅₀的影响。结果表明：受冻融循环与水泥水化反应的影响,龄期28 d时,二者共同作用,使其结构重塑,导致三种掺量下的抗压强度随冻融循环次数增加均先减小后增大;质量损失率均先下降后上升,且小于0;变形模量E₅₀数据随循环次数增加整体呈收敛趋势,即掺量10%时呈下降趋势,6%时呈上升趋势。而龄期90 d后,水化反应基本完全,结构近于稳定,经冻融循环造成不可修复的损伤,导致抗压强度均随循环次数增加呈下降趋势;掺量6%时的质量损失率也逐渐增长大于0;E₅₀数据整体呈发散状。     

红黏土工程性状的干湿循环效应试验研究

为研究湿热多雨气候条件诱发的干湿循环过程对红黏土长期性能的影响规律,对制样过程中干湿循环含水率变化幅度控制技术进行改进,制备不同干湿循环次数以及含水率变化幅度试样。利用固结排水三轴剪切与压缩试验,研究了干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对压实红黏土工程性状的影响规律。结果表明,压实红黏土的黏聚力 与内摩擦角 均随干湿循环次数 的增加而衰减,首次干湿循环之后衰减效应最显著,其后较弱并趋于稳定, 的衰减程度小于c,且在低围压下的抗剪强度随干湿循环衰减更加显著;压缩模量E1-2随N的总体衰减规律与强度参数类似,但衰减幅度小于c而大于 ;随着干湿循环含水率变化幅度增大,压实红黏土c与E1-2略有减小, 基本不变,压实红黏土含水率在 4%变化范围内,具有相对稳定的力学特性。该研究表明,红黏土不宜直接用于填筑路床与边坡表层的填料,可以作为上下路堤堤心的填料,但必须采取防排水工程措施与边坡防护措施。     

冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究

青海地处多年冻土地区,属于青藏高原大陆性气候带,冻融循环是路基和地基基础的一种常见破坏因素,为研究冻融循环作用对青海地区实际工程的影响,揭示冻融循环作用对其损害的机理,通过对青海西宁地区原状黄土和重塑黄土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,分析不同冻融温度和不同冻融循环次数对原状黄土、重塑黄土无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明：当黄土经历0～6次冻融循环时,原状黄土和重塑黄土的强度逐渐降低,而8～10次冻融循环后其强度先增大后趋于稳定;原状黄土的强度随冻融温度降低而降低,而重塑黄土的强度随冻融温度降低先增大后减小;从微观角度分析,冻融温度的降低和冻融循环次数的增加,均导致黄土大颗粒逐渐分解为小颗粒,颗粒的排列方式发生改变。     

循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明：3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似“几”字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势     

冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响

硅酸钠作为一种灌浆材料,常被用于湿陷性黄土的固化工程。冻融循环会影响季节冻土区固化黄土的结构,从而导致其力学性质发生变化。以兰州黄土为研究对象,分别对冻融循环前后掺量为3%的硅酸钠固化黄土进行压汞试验和力学强度试验,从强度、刚度、能量耗散和土体微观孔隙结构等方面探讨冻融循环作用对硅酸钠固化黄土力学特性的影响。结果表明：一方面,冻融作用会增大土中平均孔隙直径,降低微孔隙含量,导致土样产生裂隙;另一方面,硅酸钠反应生成的Na⁺在水分梯度作用下迁移至土样和裂隙表面并重结晶,上述作用破坏了土颗粒间胶结,最终大幅度劣化了固化黄土力学性能。随着冻融次数的增加,硅酸钠固化黄土无侧限抗压强度在单轴加卸载过程中的能耗值、弹性变形量和滞回环回弹模量均呈现下降趋势,冻融20次后强度降幅高达85.33%,而能耗均值与回弹模量均值分别为未冻融状态下的8.68%和20.70%,即固化土消振性与刚度大幅劣化。鉴于此情况,季节冻土区盐渍黄土硅酸钠的固化处理措施应慎重使用。     

干湿循环作用下红黏土收缩特征研究

以贵州某高速公路沿线红黏土为研究对象,开展了干湿循环作用后红黏土的收缩特性试验研究,探讨了干湿循环次数和初始含水率对红黏土收缩性状的影响.试验结果表明：同一循环次数内,各试样的环向收缩率在6～8 h时达到稳定,而轴向线缩率则需更长的稳定时间;随着初始含水率增加,各试样的初始轴向线缩率减小,而初始环向收缩率增加;28%含水率试样具有相近的最终轴向变形和环向变形量,而34%含水率的试样环向变形量高于轴向变形量;初始含水率变化不大,但体缩率的变化率却明显不同,说明干湿循环过程使得土体内部结构变得不稳定,但颗粒间相互作用的本质未发生明显变化;干湿循环作用对重塑红黏土最优含水率位置的基本无影响,这说明其未能改变黏土集聚体内对结合水的最大吸附能力.通过压汞试验得到了不同干湿循环作用后试样的孔隙分布情况,随着干湿循环次数的增加小孔径尺寸和分布密度改变较小,而大孔径尺寸减小,分布密度也在减小.干湿循环作用对聚集体内孔径的影响大于对微聚体内孔隙影响,与所测得的宏观收缩规律相吻合.     

循环冻融条件下岩石物理特性的试验研究

新鲜岩石和风化岩石的力学性质有着较大的区别,特别是当岩石的风化程度很深时,岩石的力学性质会明显下降,而在实际工程中又常常将风化岩石作为工程的基础,因此,研究和认识风化岩石的力学特性是有必要的.温度的变化是引起岩石风化的主要原因之一,尤其是循环温度变化更容易使岩石风化.将采自焦作的大理岩和砂岩分成干燥和饱和两组岩样,进行了循环冻融试验来模拟岩石的风化.在冻融前、每10次循环冻融后,量测岩样的质量,利用NM-4B非金属超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波无损检测,总共进行50次循环冻融.分析了循环冻融对岩石质量损失的影响并就纵波波速的改变进行了比较,据此归纳出岩石材料受风化影响的物理特性.     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。