考虑初始状态影响的膨胀土一维膨胀特性研究

以南阳中膨胀土为研究对象,通过室内一维膨胀特性试验和土水特性试验探究不同初始状态(包括吸力、含水率和干密度等)影响下非饱和重塑土膨胀率或膨胀力的演化规律。试验结果表明,在不同初始含水率下,无荷膨胀率与初始吸力呈幂函数关系,且与初始干密度无关;膨胀力随初始干密度的增加呈幂函数增大,而膨胀力随初始含水率的增加却是先增大后减小;膨胀力与初始干密度和最终吸水量均呈幂函数关系,给出初始干密度–最终吸水量–膨胀力的三变量模型;构建了全吸力范围内初始含水率–初始干密度–初始吸力–膨胀力的统一模型;所提模型不仅参数少,方程左右量纲统一,且与试验数据具有良好的一致性,便于工程应用。     

初始含水率对膨润土膨胀特性的影响

为了获得初始含水率对膨润土膨胀特性的影响规律,进行了不同初始含水率条件下无荷膨胀率、有荷膨胀率和膨胀力室内试验。试验结果表明:中等膨胀势膨润土在吸水饱和过程中无荷膨胀率、有荷膨胀率逐渐增大,且经历快速膨胀期、缓慢膨胀期和膨胀稳定期3个阶段。初始含水率越小,快速膨胀期历时越短,膨胀速率越快。随着初始含水率的增加,膨润土的无荷膨胀率、有荷膨胀率和膨胀力均呈减小趋势,且无荷膨胀率、有荷膨胀率线性递减,而膨胀力与初始含水率呈现良好负指数关系。     

初始含水率对膨润土-砂混合物膨胀性质的影响

通过对高庙子膨润土-砂混合物压实试样进行膨胀试验,研究了初始含水率对混合物试样膨胀性质的影响。膨润土-砂混合物试样的掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%,初始含水率范围为5%~45%,所制备试样的初始干密度范围为1.30~1.90g/cm3。试验结果表明,随着初始含水率的增大,混合物试样的膨胀速度减慢。在较低初始含水率范围内,随着初始含水率的增大,最大膨胀力降低;在较高的初始含水率范围内,随着初始含水率的增大,最大膨胀力的值基本不变。另外,初始含水率对最大膨胀力的影响,随试样初始干密度的增大而增大,随试样掺砂率的增大而降低。所以,试样的最大膨胀率随着初始含水率的增大而线性降低;初始含水率对最大膨胀率的影响随着试样初始干密度的降低或掺砂率的增大而降低。     

膨胀力概念及其增湿规律试验研究

通过对膨胀土膨胀力概念的剖析,指出《岩土工程基本术语标准》(GB/T 50279-98)界定的膨胀力为极限膨胀力。根据对膨胀土增湿试验的研究,得出:前期增湿会引起较大的膨胀力,在达到一定程度后出现拐点,以后膨胀力的增加趋于缓慢且近于线性;换算膨胀力与初始含水率成非线性负相关关系。同时探讨了极限膨胀力影响因素,试验表明,不同含水率制备的相同干密度的土样的极限膨胀力随初始含水率的增大而减小,对以往典型试验现象做了解释。     

邯郸强膨胀土三向膨胀力特性试验研究

对在不同干密度、初始含水率、温度下的邯郸强膨胀土和复合改性后的膨胀土进行三向膨胀力试验研究。结果表明,在试验条件范围(干密度:1.2,1.35,1.5,1.65 g/cm~3;初始含水率:15%,18%,21%,24%;温度:20℃,35℃,45℃,55℃,65℃)内,竖向与水平向膨胀力的比值随干密度增加而增加,干密度等于1.2g/cm~3时,比值接近1;干密度是决定平衡时间的关键因素,干密度越大的试样膨胀平衡时间越长,且所有试样平衡时间都在3000 min内;在室内常温(20℃左右)和初始含水率相同时,竖向膨胀力随干密度呈指数关系递增;相同温度和干密度下,随着初始含水率增加,三向膨胀力皆呈线性减小的规律,且三向膨胀力与初始含水率关系曲线的斜率随干密度线性递增;经过0.8%PVA(聚乙烯醇)+5%KCl(氯化钾)的混合溶液改性,并添加0.6%聚丙烯纤维后的土样竖向膨胀力下降33.3%,0.8%PVA+4%CaO(氧化钙)的混合溶液改性的土样竖向膨胀力下降16.7%。未改性和经过0.8%PVA+4%CaO的混合溶液改性的土样竖向膨胀力随着温度的升高而减小,经过0.8%PVA+5%KCl的混合溶液改性,并添加0.6%聚丙烯纤维后的土样随着温度升高竖向膨胀力先增加,温度大于45℃后逐渐减小。     

膨胀土地基膨胀变形计算方法研究

含水率增加会引起膨胀土地基膨胀变形。室内试验和现场测试结果表明,膨胀率和膨胀力随含水率的增加呈线性增大,大气影响深度范围内膨胀土地基含水率变化随深度呈线性减小,膨胀率与上覆压力可用椭圆形曲线表示。在推导膨胀率计算公式的基础上,建议采用分层总和法计算膨胀土地基膨胀变形。计算表明,计算结果与模型试验结果较吻合,而规范方法计算结果偏大。     

重塑膨胀土膨胀特性变化规律的试验研究

对南水北调中线南阳中膨胀土重塑样进行了不同初始含水率和干密度下的膨胀力试验和有荷条件下的膨胀率试验,研究了南阳中膨胀土极限膨胀力与初始含水率和干密度、膨胀率与上覆压力之间的规律关系,并建立了能够系统考虑初始含水率和干密度耦合变化的膨胀力与允许膨胀变形关系的计算公式,对科学认识膨胀土性质、优化相关设计具有重要的理论和实践价值。     

南宁灰白膨胀土三向膨胀率试验研究

采用自行研制的三向膨胀仪,以南宁灰白色膨胀土为研究对象,开展三向膨胀率室内试验。结果表明:膨胀土浸水后,膨胀速率可分为快速膨胀、缓慢膨胀、趋于稳定三个阶段,6 h基本完成膨胀,竖向膨胀率大于横向膨胀率,两个横向膨胀率大致相等;横向膨胀率与竖向膨胀率的比值R_0随着干密度的变化而不同,变化范围为0.61～0.82。在相同初始含水率条件下,R_0随干密度的增大而增大,说明膨胀土干密度越大,各向异性越弱;相同含水率条件下,膨胀率随干密度的增大而增大,含水率越大,竖向膨胀率随干密度的变化速率越小;相同干密度条件下,膨胀率随含水率的增大而减小,干密度越大,膨胀率随含水率的变化速率越大。     

重金属污染膨胀土膨胀变形试验研究

通过不同初始含水率、初始干密度和不同重金属离子(Pb2+、Zn2+、Cu2+)含量的无荷载膨胀变形试验,研究南阳膨胀土无荷载膨胀率与初始含水率、初始干密度以及重金属离子含量的关系。研究结果表明,膨胀土无荷载膨胀率随初始含水率的增加而减小,随初始干密度的增加而增大,回归分析发现,无荷载膨胀率与初始含水率和初始干密度成线性关系;重金属污染膨胀土中Pb2+、Zn2+、Cu2+含量存在界限值,当重金属离子含量小于界限值时重金属污染膨胀土无荷载膨胀率随重金属离子含量增加而增大,当重金属离子含量大于界限值时无荷载膨胀率随重金属离子含量增加而减小,但污染膨胀土无荷载膨胀率始终大于未污染膨胀土。     

膨胀土变形特性的影响因素分析

为了更好地预防和减少因膨胀土在实际工程中所引发的危害,总结了膨胀土变形特性的研究现状,归纳分析了初始含水率、干密度和上覆荷载对于膨胀率和膨胀力的变化规律影响,并分析了初始含水率、干密度和上覆荷载间的相互耦合作用对膨胀率的影响,以及初始含水率和干密度两者的耦合作用对于膨胀力的影响。强调了对膨胀土变形特性的重要性,并指明了今后膨胀土的研究方向。     

南水北调中线膨胀土/岩微观特征及其性质研究

对南水北调中线工程典型的强、中膨胀土/岩开展室内土工试验与X射线衍射试验,研究了其矿物成分及与胀缩性指标的关系,利用扫描电镜SEM图像进行了微观结构的定性分析,并基于MATLAB软件对孔隙和微结构单元体的微观特征进行了定量化研究,探讨了不同类型膨胀土/岩的颗粒形态、结构类型、裂隙分布等微观特征及其与工程特性的关系。结果表明：膨胀土/岩中的蒙脱石等黏土矿物含量高,强膨胀土/岩以絮凝结构,扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主,中膨胀土/岩以紊流状、粒状堆叠结构为主,片状聚集体与单粒体并存,前者微裂隙发育且定向性明显,孔隙比大,孔隙分形维数与颗粒尺寸小于后者。膨胀土/岩微结构单元圆形度低,复杂度高。膨胀岩定向排列特征显著,颗粒分形维数小,颗粒分形维数与膨胀潜势和孔隙比的变化规律一致。微观组分和结构特征与物性指标分别呈线性关系与负指数幂关系。     

三向应力下膨胀土含水量与膨胀率关系研究

膨胀土具有吸水膨胀的工程特性,因而通常采用的有侧限膨胀试验具有一定局限性。采用应变控制式三轴仪来实现对膨胀土试样压力的连续施加,使土样在合理的受力和吸水环境下,膨胀变形至剪切破坏;并根据相关物理性质指标转换公式,得到试样在连续性吸水过程中不同含水量与体积膨胀率的关系。改进后的三轴膨胀试验合理地模拟了膨胀土在一定埋深条件下其吸水膨胀的真实过程,科学地解决了分阶段有侧限膨胀试验不能实现同一试样吸水膨胀的连续性过程问题,试验结果更为准确,使得室内试验环境和工程实际达到较好吻合,对于研究膨胀土的力学行为具有一定的合理性和科学性。     

红山窑膨胀红砂岩地基处理方案研究

经野外地质勘探,红山窑风化红砂岩初判为膨胀岩,为寻求技术上安全可靠而又经济合理的设计施工方案,对该膨胀岩进行了膨胀变形特性和力学性质试验,研究其随含水量变化时的膨胀变形特性和力学性质指标。试验结果表明：膨胀应变在较短时间内完成总膨胀量的90%左右,随着时间的增长,最终趋于稳定;在不同初始含水率至吸水饱和时,初始含水率越低,吸水达到饱和时产生的膨胀力越大,初始含水率越高,吸水达到饱和时产生的膨胀力越小。且含水率ω∈[0%,6%]至饱和是该膨胀岩膨胀力的显著增长点。根据试验结果提出如下地基处理方案：对位于中风化层的红砂岩地基,只采用控制含水率（不低于6%）,限制膨胀力（小于40kPa）的方法;对部分位于全风化岩层上的地基可采取换填土处理。     

蒙自重塑膨胀土膨胀变形特性与施工控制研究

利用普通固结仪,进行了蒙自重塑膨胀土浸水、浸盐、浸酸的膨胀变形试验,系统研究了不同初始状态下膨胀土膨胀变形特性。利用Does Response模型较好地模拟了膨胀土浸水膨胀时程规律。通过膨胀土变形三元回归分析,得出了蒙自膨胀土膨胀变形与上覆压力、初始含水率、初始干密度的定量关系。膨胀土浸盐、浸酸膨胀变形规律与浸水时相似,但由于盐溶液的渗透压力,使得浸盐膨胀变形率降低;酸溶液浓度越高,其膨胀变形率越大,稳定时间越长。膨胀土膨胀变形规律的研究,为工程设计、施工与边坡稳定性评价提供了重要指标。     

红砂岩膨胀力学特性试验研究

针对南京红山窑水利枢纽工程提供的红砂岩岩芯,采用MTS 815.02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪,对膨胀红砂岩进行了力学特性试验研究。并进一步探讨了膨胀红砂岩膨胀力与吸水率的相关性,继而研究膨胀红砂岩膨胀力与膨胀变形的规律。通过膨胀红砂岩力学特性试验结果分析,膨胀红砂岩的初始吸水率对其膨胀力有着强烈的影响。这一结果对水利工程地基处理方案设计与施工具有重大的参考价值。     

重塑膨胀岩土微变形条件下膨胀力试验研究

 通过对南宁膨胀性泥岩重塑土样进行变形量分别为0,0.2,0.5和1 mm的微变形膨胀力试验,分析膨胀力的主要影响因素,建立膨胀力与干密度、初始含水率双因素之间关系,研究微变形条件下膨胀力变化机制。结果表明：(1) 零变形时,膨胀力随干密度增大呈指数形式增大,并与初始含水率呈幂函数关系。(2) 微变形时,膨胀力随变形增大而衰减明显,在干密度大、初始含水率低时衰减幅度较大,反之较小;在干密度及初始含水率一定时,微变形膨胀力随着变形率增大而呈指数衰减。(3) 微变形与零变形膨胀力之比随变形率增大而呈指数减小,当变形率为1%,2.5%和5%时,微变形膨胀力与对应零变形膨胀力之比分别为75%,55%和35%。     

膨胀岩土地层环状膨胀对盾构隧道衬砌荷载的影响

为了获得膨胀岩土地层环状膨胀产生的膨胀荷载对于盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,从理论上推导了岩土环状膨胀引起的附加荷载计算公式, 并利用有限元分析软件ANSYS,建立了膨胀地层隧道模型并进行数值模拟。结合数值分析方法,研究了不同膨胀圈厚度情况下,地层环状膨胀对衬砌结构接触压力增量的影响。研究结果表明,膨胀荷载与岩土膨胀力大小、应力水平、地层抗力、膨胀后岩土的物性参数等因素有关,因环状岩土膨胀引起的衬砌压力增加值小于室内测得的岩土膨胀力;衬砌径向压力增加值与衬砌和深部围岩刚度、膨胀圈厚度成正相关关系;衬砌压力的增加值主要体现在结构轴力上,这对结构受力是有利的,从而轴力成了该结构设计的控制因素。研究成果为盾构隧道结构设计膨胀荷载的取值提供了依据。     

膨胀土的自由膨胀比试验研究

自由膨胀率是膨胀土判别与分类的一项重要指标,由于自由膨胀率的测试人为干扰因素较多,自由膨胀率的科学性和可靠性被广泛质疑,因此,寻求一种人为干扰因素少,又能反映膨胀土本质的合理而适用的指标具有重要意义。为此,引进了一种新的试验方法即自由膨胀比试验,膨胀比是10g烘干土样分别在盛有蒸馏水和煤油(或CCl4)的标准量筒(通常为50mL)中沉积稳定时的体积之比。阐述该指标的意义和试验方法,系统开展自由膨胀比试验和膨胀土物理力学指标试验,试验表明:相对自由膨胀率而言,自由膨胀比与阳离子交换量、比表面积、蒙脱石含量具有更好的相关性,能较好反映膨胀土的胀缩特性;将自由膨胀比与公路规范中常用的指标液限、塑性指数、标准吸湿含水量进行对比分析,发现自由膨胀比作为膨胀土判别与分类指标具有更高的可信度,同时自由膨胀比与这些指标相关关系也较好,可将其结合起来用于膨胀土的判别分类中。     

膨胀混凝土干燥收缩落差的研究

本文通过试验证明,膨胀混凝土在水中养护且膨胀稳定之后,处于干燥环境下的失水收缩依然遵循杨-拉普拉斯方程,自由状态下,掺膨胀剂的膨胀混凝土与普通混凝土干燥收缩相同,限制状态下膨胀混凝土中的压应力是导致试验中干燥收缩落差增大的主要原因,能够减少普通混凝土干燥收缩的技术措施—如掺减缩剂或降低水胶比同样能够减少限制状态下膨胀混凝土的干燥收缩落差。在限制条件下预先建立起足够的压应力是补偿后期因水分散失引起收缩应力的关键。     

改进的膨胀土侧限膨胀试验研究

为量测膨胀土在侧限浸水和不同上覆荷载下的竖向膨胀率和侧向膨胀力,通过改进常规侧限膨胀试验装置和方法,确保了施加上覆荷载后试样浸水前初始湿密状态不变,消除了制样产生的初始水平应力,并将侧向膨胀力从总的侧向力中区分出来。采用改进的试验装置和方法,以特定初始湿密状态下的广西百色中等膨胀土为研究对象,分别进行了常规侧限膨胀试验和改进的侧限膨胀平行性试验。试验结果表明:常规侧限膨胀试验中的上覆荷载会改变试样初始湿密状态,测得的竖向膨胀率偏小7%～95%;因制样产生的初始水平应力会使最终侧压力偏小16.1%～43.5%;分级加载和逐级卸载的改进侧限膨胀试验结果具有良好的一致性和可重复性;竖向膨胀率随着上覆荷载逐渐减小,引入相对膨胀率和相对压力,可建立反映极限膨胀状态的幂函数拟合公式;侧向膨胀力与上覆荷载相关并随之增大而逐渐增大,当上覆荷载增至竖向膨胀力时侧向膨胀力达到最大,两者之间可用双曲线较好拟合。研究成果可为膨胀模型的建立以及膨胀土地区支挡结构物设计计算提供参考。