膨胀土边坡物理模型试验研究

进行了一系列压实膨胀土的大型静力模型试验,对边坡土体吸湿后的含水率、膨胀变形等进行了实时监测。试验成果显示,膨胀土边坡浅层土体吸湿后其含水率场分布不均匀,干湿分界面处土体易由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切错动,并随水分在坡体内的迁移,局部滑动面逐渐向边坡纵深扩展,在不同深度、不同部位形成多重剪切滑动面,最终导致边坡整体塌滑。针对静力模型试验进行了考虑膨胀性的非线性有限元计算,比较了边坡自重条件下和吸湿后应力场的变化,可知吸湿引起顺坡向正应力在干湿分界面处变化剧烈,剪应力明显增大,强度折减法得到的模型试验边坡安全系数仅0.92。研究成果表明：影响膨胀土边坡浅层稳定性的最根本原因并非膨胀土的超固结性或裂隙性,而是土的胀缩特性。     

初始含水率对膨胀性古土壤力学性能的影响

作为一种特殊土,膨胀性土的力学及膨胀特性与水分变化关系密切,对工程项目危害较大。为了明确含水率变化时膨胀性土的劣化程度及膨胀力释放规律,依托早胜三号隧道工程,对不同初始含水率的原状试样分别进行了直剪、无荷膨胀率、膨胀力试验。结果表明甘肃庆阳地区深埋膨胀性古土壤具有如下特征:初始含水率与抗剪强度指标符合指数函数规律且呈负相关,黏聚力对水分变化更敏感;不同初始含水率时膨胀率随时间变化曲线均可分为快速上升、缓慢上升、平稳阶段;当土样含水率超过18%后,膨胀力基本完全释放,不再随含水率发生变化;受扰动影响,相同含水率时重塑土表现出远高于原状土的膨胀力,最大达到原状土4倍。     

吸湿环境下膨胀土与桩接触面强度特性试验研究

为探讨水分迁移条件中,土质特性对膨胀土地基中桩–土接触面的影响规律,以广西南宁中强膨胀土为研究对象,针对大气环境作用对膨胀土宏微观特性的影响,进行原状土体强度与接触面强度的对比试验研究。结果表明:吸湿环境下,含水率对土体强度的影响比对接触面强度的影响显著,原状膨胀土和桩–土接触面的黏聚力均随含水率的增加而减小,而含水率增加引起土体摩擦角减小的影响远大于桩–土接触面;接触面的摩擦角始终大于土体内摩擦角,受含水率变化影响不大;当膨胀土吸湿临近饱和含水状态时,桩–土接触面的强度与原状土体强度近似相等。利用回归分析,得出了用土体强度参数表征的桩–土接触面抗剪强度关系表达式。利用该式,能够对吸湿环境下原状膨胀土与结构接触界面的强度进行预测分析。     

高温作用下非饱和黄土水热迁移试验研究

黄土的水敏性特点使其强度随含水率降低而大幅增加,高温疏干方法进行黄土加固具有广阔应用前景,研究高温作用下非饱和土水热迁移规律具有重要意义。通过自制高温水热迁移装置,进行不同高温水平下不同初始含水率黄土的水热迁移试验。试验结果表明：高温对水分具有显著驱动作用;当热端温度超过100℃时,试验初期贴近热源土体的水分被快速驱离,是气液相变导致的气态水迁移显著增加所致;含水率分布由峰值曲线逐渐演变为含水率单向增大的缓变曲线;热源温度越高,水分迁移通量越大。建立了高温水热迁移模型,并通过计算验证了模型的可靠性。以体积含水量表示计算所得水分场数据分析了高温和水分含量对水分迁移的综合影响机制,根据黄土高温水分迁移特征在不同体积含水量阶段的差异化表现,将高温水分迁移特征划分为3个区间。Ⅰ低体积含水量区间：水分迁移通量随体积含水量变化曲线呈现峰值曲线,水分主要迁移形式为气态水;Ⅱ中体积含水量区间：随体积含水量增大,气态水迁移通量减小的同时液态水迁移通量增大;Ⅲ高体积含水量区间：温度作用对水分迁移进程不产生影响。     

延吉膨胀岩变形特性的水-力路径效应与机制浅析

膨胀岩的体积变形受加荷模式和增湿过程的共同影响,为了研究不同水-力路径下延吉膨胀岩的变形特性,以延吉膨胀岩为研究对象,针对不同初始含水率的压实试样开展了3种水-力路径(1吸水膨胀(无荷)—加载压缩—卸荷回弹;2浸水吸湿(体积不变)—加载压缩—卸荷回弹;3加载压缩—浸水吸湿(有荷)—卸荷回弹)的一维压缩试验。试验结果表明:试样在路径1下的压缩指数和回弹指数最大,路径2下次之,路径3下最小,随着初始含水率的增加,试样在路径1和2下压缩指数和回弹指数逐渐减小,而在路径3下压缩指数逐渐增大;无荷状态下试样吸水膨胀,当上覆荷载较大时试样发生轻微的湿陷现象,无荷膨胀率和潜在湿陷率均随初始含水率的增加而减小;膨胀反压法和平衡加压法确定的膨胀力均随初始含水率的增加而减小,对于相同初始状态的试样,膨胀反压法确定的膨胀力较平衡加压法大;延吉膨胀岩的体变规律具有强烈的水-力路径效应,其强烈的水敏性是其中的根本原因。     

南水北调中线膨胀岩膨胀特性研究

对南水北调中线强膨胀岩重塑样进行了膨胀率试验,分析吸湿条件下膨胀岩膨胀变形规律。通过控制应变的广义膨胀力试验,研究了广义膨胀力的影响因素,并推导出广义膨胀力经验公式。膨胀率试验表明,邯郸强膨胀岩的膨胀率与干密度线性正相关,与初始含水率线性负相关。广义膨胀力试验表明：广义膨胀力与干密度和含水率线性相关,随干密度增加、初始含水率降低而增加,反之减小;边界约束对于广义膨胀力的影响显著,膨胀应变的略微增加,广义膨胀力大大降低。     

非饱和膨胀土水分迁移的试验研究

在等温条件下,分组对不同初始干-湿段土体含水量、不同时间间隔对非饱和膨胀土的气态水迁移和气液态水混合迁移的规律及其关系进行试验研究,揭示了其随时间的变化过程。试验结果表明,土质情况、含水量水平及含水量梯度对其有重要影响,气态水迁移量与气液混合迁移量都随含水量梯度增加而增加,与时间和位置呈复杂的非线性关系;含水量较小时,土粒对水分的吸附能力较强,致使含水量梯度较大,含水量较大时,土粒周围自由水较多,水分分布较均匀。     

膨胀岩巷道在湿度场下围岩变形规律特征

为研究膨胀岩巷道在湿度场下围岩变形破坏规律特征，结合现有湿度场理论，采用正交试验方法对在不同矢跨比和侧压力系数因素下围岩变形规律进行研究。研究表明：左帮变形位移在有无膨胀性巷道中受矢跨比的影响较小，在矢跨比1∶4时顶板沉降量比底板鼓起量大；在侧压力系数影响下，围岩两帮的变形量随着应力比的增大而增大。应力比为1.5和0.5时，底板隆起量会高出4倍之多；在矢跨比和应力比两者在较小或较大情况下，前者在有无膨胀岩因素下顶板下沉量变化较大，达50%左右，后者底板隆起量增加为30%左右；在两种因素中侧压力系数对两帮变形量影响较大，矢跨比对顶底板变形量影响较大。     

锅盖效应水分迁移规律分析

提出水分迁移系数来表示"锅盖效应"的强弱程度。基于水分迁移系数,分析不同干密度、不同初始含水率和不同试验时间的"锅盖效应"水分迁移试验数据,得到"锅盖效应"水分迁移的规律:1)随着干密度的增加,"锅盖效应"逐渐减弱,水分迁移系数与土体干密度近似呈线性关系。2)随着初始含水率的增加,"锅盖效应"先增强后减弱,存在某一初始含水率,使得水分迁移系数达到极大值。3)随着试验时间的增加,"锅盖效应"逐渐增强,水分迁移系数不断增大并趋于稳定。     

考虑水分迁移影响的浅层膨胀土抗剪强度冻融劣化特征

冻融作用下的水分迁移及其伴生现象会使浅层膨胀土的抗剪强度发生劣化,探明水分迁移对浅层膨胀土抗剪强度的影响对于膨胀土工程冻融病害的防治是必要的。首先,模拟实际冻融边界条件开展膨胀土在单向冻结–双向融化作用下的水分迁移试验,在此基础上进一步开展膨胀土的直剪试验;试验过程中对土样的水分场、温度场、竖向变形均加以监测。研究结果表明:(1)冻结温度梯度对水分迁移量的影响较大,冻融后膨胀土表现出冻胀融沉的特点且融沉量略大于冻胀量;(2)抗剪强度的变化与含水量的重分布沿深度方向上表现出了高度的相关性,抗剪强度在含水量增高的冻土区均表现出衰减的特点,在含水量降低的未冻区则表现出小幅度增加的特点,抗剪强度变化幅度随含水量变化幅度的增加而增大;(3)沿土样深度方向上抗剪强度指标的变化特征与含水量的变化特征也表现出了较高的相关性,含水量降低区的抗剪强度指标均有小幅增加,含水量增高区中基本上都呈现出衰减趋势,黏聚力的大幅减小是膨胀土抗剪强度冻融劣化的主要原因。     

不同降雨强度下红黏土边坡干湿循环试验研究

干湿循环过程中红黏土边坡力学参数发生了变化,红黏土边坡破坏特征和机理与一般土质边坡不同。以贵州红黏土为研究对象,采用浴霸–人工降雨模拟干湿循环,在室内制备了较大尺寸边坡模型,同时在边坡内部不同位置埋设含水率、孔隙水压力和温度传感器,分析了干湿循环下红黏土边坡力学参数演变规律和破坏机理。研究结果表明,随着深度增加,边坡土体含水率受降雨强度影响逐渐减弱,表层含水率受降雨强度影响明显。干燥期含水率呈现先增加后减小的现象。同一降雨强度下,坡脚含水率最大,其次为坡面、坡肩,最后为坡顶。表层孔隙水压力在降雨、渗透期上升,干燥期降低。降雨强度越大,温度变化幅度越大。随深度增加,边坡温度变化幅度逐渐减小。坡脚温度变化幅度较其他部位大。边坡破坏特征由溅蚀→面蚀→片蚀→裂缝→冲沟,未见明显的滑动面。     

冻融与荷载作用下土体内部孔隙水压力、水分变化规律及其模型试验研究

 在季节冻土区,反复冻融作用导致土体孔隙水压力发生变化,进而导致土体中水分的迁移;对土体施加静荷载,土体内部应力场发生变化,土体内的水分和孔隙水压力亦发生变化。通过模型试验,研究无荷载和荷载两种条件下土体内部孔隙水压力和水分场随冻融循环作用的变化规律,试验结果表明：在荷载和无荷载两种条件下,孔隙水压力在初期呈负值稳定变化,然后快速增大,最后呈周期性变化。在无荷载条件下,随着土体深度的增加,孔隙水压力增大,水分含量减小;在荷载条件下,土体上部和中部位置处的孔隙水压力和水分含量都大于荷载两侧。在一个冻融周期内,土体内部孔隙水压力和水分含量都随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,而且孔隙水压力和水分含量随温度的变化都具有滞后性。     

抗裂型外加剂对混凝土硫酸盐腐蚀行为的影响

为了解抗裂型外加剂对混凝土耐久性能的影响,考虑不同外加剂种类和掺量,分析了混凝土受硫酸盐侵蚀后质量、腐蚀深度、抗压强度随腐蚀龄期的变化,并通过吸水特性试验研究了混凝土硫酸盐腐蚀损伤程度的差异。结果表明:掺抗裂外加剂混凝土受硫酸盐腐蚀后质量变化可分为3个阶段,即增长、稳定及显著下降阶段; 掺不同抗裂外加剂混凝土试件的腐蚀深度变化规律不同,长腐蚀龄期下,相同掺量的HME-V抗裂剂相较于UEA膨胀剂具有更优异的抗硫酸盐腐蚀能力; 掺UEA膨胀剂的混凝土90 d后出现膨胀破坏,导致腐蚀速率加快; 掺HME-V抗裂剂的混凝土未出现膨胀破坏,始终保持均匀的腐蚀速率; 外加剂掺量相同时,掺HME-V抗裂剂混凝土腐蚀后强度均大于掺UEA混凝土; 腐蚀层结构较未腐蚀层相对疏松,吸水量大; 表层吸水量随着腐蚀程度的增加而增大; 掺HME-V抗裂剂混凝土表层受腐蚀损伤程度小于掺UEA膨胀剂混凝土; 总体而言,相同外加剂掺量的HME-V抗裂剂相较于UEA膨胀剂具有更优异的抗硫酸盐腐蚀能力。     

冻融循环下压实度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

 冻融循环是冻土地区路基填料性能劣化的主要因素之一。以压实度和冻融循环次数为主要变量,对青藏高原粉质黏土力学性质的变化规律进行三轴试验研究。试验结果表明：初始压实度对粉质黏土力学性质的冻融效应具有显著影响。不同压实度试样的应力–应变曲线形式随冻融次数的增加趋于接近,并由应变软化型向硬化型过渡。封闭系统中试样的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,低压实度有利于增大水分迁移量和含水率增高区的分布范围。冻融过程对高压实试样的破坏强度以降低为主,对低压实度试样则相反。在最优含水率附近,土体抗剪强度随含水率呈非线性变化规律,因此试样内部水分重分布也可能会导致强度的改变,且其作用效果受压实度影响具有不确定性,压实度较高时会导致试样黏聚力减小,压实度较低时则相反;不同压实度下内摩擦角均呈现增大的趋势,且压实度越低,变化幅度越大。冻融过程中,土体干密度和含水率变化对力学性质的影响是同时存在的,由于初始压实度和冻融次数的不同,对强度变化起主导作用的因素也不同。水分重分布是不同压实度土体力学性质冻融循环效应的整体趋势和具体过程呈现多样化的原因之一。     

不同气候条件膨胀土路堤土压力的变化规律试验研究

用广西南友路宁明地段“中等膨胀性土”和湖南常张路慈利地段“弱膨胀土”作路堤填料,按90%的压实度填筑,在不同排水边界条件和不同路堤边坡坡度条件下,模拟路堤在4种不同气侯条件下,通过8组膨胀土路堤模拟试验,研究得出了膨胀土路堤中土压力的变化规律:①膨胀土路堤中的土压力与路堤填料、路堤土的压实度、排水边界条件和路堤中的含水量等密切相关;②膨胀土路堤堤顶积水时,当路堤中的含水率从最佳含水率增大到饱和含水率左右时,路堤中的土压力增大0.006～0.073MPa不等;③有较高含水率(接近饱和)的膨胀土路基,在阴天、日照和降雨气候条件下膨胀土路基中的土压力变化在±0.001MPa,一般不会超过±0.002MPa;④膨胀土路堤受大气影响深度范围为2.5～3m,越靠近膨胀土路堤表面,土压力变化幅度越大;⑤膨胀土路堤中的土压力变化,由膨胀土路堤中含水率变化所引起的土体自重的变化和膨胀土在不同气候条件下不同含水率所产生膨胀土压力的变化的综合作用结果。     

干湿循环对粉砂土改良膨胀土裂隙及强度影响

为探究黄泛区粉砂土改良膨胀土路基在干湿循环作用下裂隙发育与强度的影响规律,设计并开展了室内干湿循环试验,分别进行了11%、13%、15%、17%四种不同含水率下改良膨胀土经历不同干湿循环次数的直剪试验,然后采用MATLAB开发的图像处理技术对干湿循环作用后的土样裂隙进行定量分析,探讨改良膨胀土的裂隙率和抗剪强度的关系。结果表明:随着含水率的增大,改良膨胀土的裂隙率、黏聚力和内摩擦角逐渐减小; 当含水率一定时,裂隙的发展随干湿循环次数的增加而增大,改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角随着裂隙率的增大而减小; 当含水率为11%时,前两次干湿循环作用导致改良膨胀土的裂隙快速发展,裂隙率曲线较陡,黏聚力下降较快,但是内摩擦角变化不大,改良膨胀土的裂隙率和黏聚力的判定系数达到0.95; 当含水率为17%时,前4次干湿循环作用下改良膨胀土的裂隙虽然发育迟缓但裂隙率增长较快,4次干湿循环之后裂隙率的增长变得不明显,裂隙率曲线较平缓,黏聚力和内摩擦角下降较少,改良膨胀土的裂隙率和黏聚力的相关系数仅为0.70。     

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。     

低温岩体裂隙中水分迁移机理试验研究

含有冰夹层的节理及裂隙广泛存在于寒冷潮湿地区的基岩中,这些冰夹层的存在一方面会改变地形地貌,另一方面会对工程建设造成潜在的安全隐患。要探究含冰节理及裂隙的成因,最关键的问题之一为包含冰水相变的岩体裂隙中的水分迁移机理。本文采用类岩石材料为研究对象,在其中预制裂隙以模拟垂直节理岩体。试样底部具有补水条件,同时利用控温板对顶部进行降温,以此来模拟低温岩体中垂直开放裂隙中的水分迁移情况。试验结果证实:岩体裂隙中的确发生了水分迁移,迁移形态可分为气态与液态,且两种状态的迁移水量相当,同时利用毛细理论对液态迁移进行了分析,证实了在迁移过程中温度梯度间接起到了驱动力的作用。这些研究成果可以帮助明晰裂隙中的冰水相变过程,最终可用于构建低温下多场耦合理论,为寒区工程的修建、运营及维护提供依据,并可进一步了解寒区地形地貌的形成过程。     

正冻粉质粘土与介质间冰膜形成机理的试验研究

为研究冻结过程中粉质粘土与不同介质间的冰膜特性及冰膜的形成机理,本文采用单向冻结试验仪及低温试验箱,对混凝土-土、铝-土、不锈钢-土进行了室内单向冻结试验。试验进行考虑了不同冻结温度差、初始含水量、干密度、冻结时间等因素下的15组试验工作,测试了试验在封闭系统中单向冻结条件下的冰膜、温度分布及水分迁移特性。试验结果表明,不同材料与土接触处有冰膜产生,冰膜的实测厚度在0.30~3.40 mm之间,由实测冰膜质量计算得到的冰膜密度小于纯冰的密度,约为0.35~0.45 g/cm³。初始含水量、冻结温度差、冻结时间的增大均有助于冰膜厚度的增大,也可促使水分迁移量的增大。干密度对水分迁移具有一定的抑制作用。