高速列车与路基冻胀相互作用机理

针对高速铁路路基中低含水率、远离地下水的级配碎石等冻胀不敏感性粗颗粒土,却普遍发生冻胀的特殊现象,提出了一个简洁的#x0201c;循环动载诱发冻胀#x0201d;模型,认为高速列车循环荷载会导致地下水位以下饱和地基土中超静孔隙水压力的发展,进而将地下水#x0201c;泵送#x0201d;至冻结线以上,从而为土中独立冰层的形成,及冻胀的发生持续地提供#x0201c;原材料#x0201d;。模拟结果表明,本模型能够很好的揭示上述特殊工程现象发生的原因；同时,新模型对循环荷载诱发冻胀机理的阐述,也为季节性冻土区高速铁路路基冻胀防治研究提供了一种新的思路。     

软土破裂面的微观结构特征与强度的关系

在土体工程性质评价以及土坡稳定性分析中,土体强度研究具有重要意义。本文从土体剪切破裂面的微观结构研究入手,寻求土体达到峰值强度破坏时,剪切破裂面上的微观结构参数与土体强度参数之间的关系。取珠江三角洲中部地区海相沉积的、具有代表性的原状软土样,开展室内实验,获取土的物理力学性质参数;其中在强度实验(直剪实验、三轴固结快剪实验)中,当土体达到剪切破坏时,取破裂面上的土样,进行电镜扫描,得到微结构图像;采用MATLAB6.0软件进行图像处理,并提取微观结构特征参数,建立这些特征参数与强度参数(c,?)之间的关系;并从宏观角度探讨了间接反映土体微观结构特征的宏观土性参数(塑性指数IP和粘粒含量PC)与强度参数c和?之间的关系。说明了软土的抗剪强度与微观结构参数变化之间有着良好的一致性。本研究对于高填方路堤稳定性等问题的分析具有重要价值。     

桩承式路堤“土拱结构”形成演化规律离散元分析

“土拱结构”作为桩承式路堤中的主要荷载传递媒介,对路堤荷载传递和路堤填料位移有显著影响。基于室内模型试验,采用颗粒流软件PFC^2D建立桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型,基于应力主方向、接触力链及路堤填料沉降分布规律对路堤中“土拱结构”形态及其演化规律进行深入分析。研究结果表明：路堤中“土拱结构”随桩土相对位移的增加而逐渐发展并最终趋于稳定,最终的“土拱结构”形态呈0.8倍桩净间距高的抛物线形;路堤填筑高度对“土拱结构”形态、演化规律以及荷载传递效率有显著影响;路堤填料粗糙度、桩净间距及桩梁宽度对路堤荷载传递效率有显著影响,但对“土拱结构”最终形态几乎无影响。     

板桩结构土压力理论的创新发展

对于板桩码头,其主要的荷载为作用于码头前墙上的土压力,该荷载一方面是由于港池开挖引起前墙两侧土压力的不平衡产生,另一方面是由于码头表面荷载作用于地基土,从而增加了前墙陆侧的土压力。板桩码头深水化的关键要求必须解决港池挖深导致的前墙土压力急剧增大问题,“遮帘”和“卸荷”是减少前墙土压力的有效途径,由于设置了遮帘桩和卸承台,使得板桩结构的受力情况更加复杂,涉及的关键科学技术问题是土和结构的相互作用。针对遮帘式和分离卸荷式板桩码头新结构开发过程中的土压力问题,先后研究了土体密度与粒径对静止土压力系数的影响、遮帘式板桩结构的土压力“桶仓压力效应”和“遮帘效应”,以及分离卸荷式板桩结构的土压力“卸荷效应”,为板桩码头新结构的发展奠定了理论基础。     

生活钠铵盐污染对黏性土水理力学性质的影响

以探索生活污染对黏性土物理力学性质的影响特征为目的,以浸泡试验和土工试验为技术手段,制备不同浓度的NaCl、Na2CO3和NH4Cl污染黏性土,测定污染黏性土的塑性、渗透性、压缩性和抗剪性随污染浓度变化的规律,探讨被污染黏性土物理力学性质的演变机制。研究表明:黏性土遭受NaCl和Na2CO3污染过程中,塑性和压缩性提高,渗透性和抗剪性降低;黏性土遭受NH4Cl污染过程中,塑性和压缩性降低,渗透性和抗剪性提高;黏土遭受生活钠铵盐污染过程中水理力学性质变化率明显高于粉质黏土;生活污染物通过改造黏粒表面"双电层"结构,影响黏性土的水理力学性质。     

吹填超软土浅层真空预压加固处理前后的固结特性

超软土固结特性在吹填土地基处理设计中至关重要,针对#x0201c;浅层真空预压加固处理#x0201d;前后的超软土开展室内分级加载固结试验,研究了不同状态、不同方向下超软土的固结特性以及固结系数随固结荷载的变化规律。试验结果表明,超软土在低应力水平下,固结系数维持在一个较低的水平；随着固结压力的增加,固结系数虽有所增加,但增量比逐渐减小；与正常沉积土不同,超软土的径向与竖向结构屈服应力的比值明显大于正常沉积土；当固结压力超过结构屈服应力时,超软土的径向固结系数与竖向固结系数相差不大,这一特点与正常沉积土有较大的差别。     

滑带土环剪剪切面的微观观测与分析

 滑带土的残余强度一直是边坡工程研究的重点。由于剪切面微观结构在剪切前后的变化与宏观的土体强度存在必然的联系,所以针对一古滑坡滑动带的含砂黏土进行环剪试验,采用电镜扫描技术分析剪切前后微观结构的变化,探讨微观结构与土体宏观力学特征的关系。研究表明,含砂黏土的强度特征不同于一般黏性土,没有明显应变软化特性,粗粒含量对峰后强度有比较明显的影响。剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列,微观结构发生改变,出现颗粒破碎、孔隙率提高,颗粒形状变狭长的现象,这与滑带土的宏观强度变化有密切的关系。另外,通过周长–面积法对剪切面颗粒形态的分形研究,发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征,分形维数与滑带土的残余强度指标呈线性负相关关系。     

水泥加固黏性土微观特征试验研究

通过电镜扫描试验与图像分析手段,对加载前、后不同土性及不同水泥掺量的加固黏性土微观结构进行研究,定量分析其微观孔径大小、孔隙形状系数以及孔隙定向角等参数变化的影响,并探索其与加固土体强度及承载机制的关系。研究结果表明:(1)水泥黏性加固土在加载前、后孔径分布和孔隙形状系数呈现出不同的规律,水泥掺量小(5%)的加固土加载后孔径减小,孔隙形状系数增大,宏观表现为剪缩;而水泥掺量高(20%)的加固土加载后整体孔径增大,孔隙形状系数减小,宏观表现为剪胀;(2)水泥黏性加固土体无论其水泥掺量的高低,在加载过程中,其颗粒或团粒均在内部应力作用下发生定向性的滑移或转动,从而导致孔隙长轴方向发生改变,孔隙定向角分布由均匀变为集中,孔隙定向性趋于显著。     

散粒介质三维应力-组构解析与破坏分析

基于散粒体宏-微观力学分析,首先提出了3类张量的概念,推导了散粒体三维应力-组构关系,接着给出了二维和轴对称条件下的应力-组构解析表达式,并采用双轴和三轴离散元（DEM）模拟结果对解析解进行了验证分析。最后基于应力-组构解析,采用“真应力”的概念分析了散粒体的强度问题。研究结果表明：散粒体中的应力分布受3类张量的共同影响,双轴与三轴的离散元模拟与解析关系较吻合。在略去了高阶项后,二维应力-组构关系式与Rothenburg等提出的表达式一致。进一步的分析表明：散粒材料强度受控于“真应力”,表观活动摩擦角的变化实质是颗粒摩擦和各向异性组构共同作用的结果。研究成果可以用于分析散粒体各向异性强度特征和本构关系。     

大颗粒岩块对月壤钻取过程的影响分析

针对月壤钻取采样过程中存在大颗粒岩块情况进行三维离散元动态仿真分析。建立考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型,通过三轴仿真试验进行细观参数标定,得到黏聚力为0.90 kPa,内摩擦角为42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。针对月壤内层存在大颗粒情况设计4种采样工况分别进行仿真分析,监测大颗粒运动轨迹与采样效率,发现了“旋入效应”、“纵向运移效应”与“阻塞效应”,仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果：当岩块粒径小于钻头“虚拟切削圆”时,其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响;当岩块粒径大于“虚拟切削圆”时,阻塞现象严重,样品收集困难,极易导致采样失败。研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。     

氧化铁胶体与黏土矿物的交互作用及其对黏土土性影响

以湛江黏土为研究对象,采用选择性化学溶解法,利用浸泡法、改进型渗透仪与柔性壁渗透仪除去土中游离氧化铁、无定形氧化铁和络合铁胶体,比较分析除去氧化铁胶体前后土的物理与力学性质指标、矿物成分以及结构变化特点,探讨氧化铁胶体的界面活性、胶结特性及其与黏土矿物的交互作用。结果表明,湛江黏土的结构强度受黏土矿物——氧化铁胶体的电性引力和镶嵌孔隙的氧化铁胶结状态的控制是导致其具有高灵敏性、强结构性的根本原因。氧化铁胶体对湛江黏土的水稳性、稠度、黏附性、渗透性、压缩性、灵敏性、结构强度均有重要影响。氧化铁胶体与黏土矿物的交互作用的本质并不是通过改变和破坏矿物晶格结构来改变黏土矿物性质,而是通过改变土颗粒间的联结状态及粒间力来控制微观结构形态,进而影响土的基本性质。氧化铁胶体对土性的影响程度与其赋存状态、老化结晶程度、水化程度密切相关,除了游离氧化铁、无定形态的氧化铁也是构成湛江黏土胶质联结的重要组成部分。     

水化学环境对湛江组黏土结构强度的影响研究

为研究水化学环境对湛江组黏土结构强度的影响,收集湛江地区地下水水文地质资料,并通过钻孔取水进行化学分析,分析该区地下水的化学环境与影响因素;利用离心过滤法提取土中水溶液,调查土中溶液的化学成分与特性;在此基础上,采用选择溶解法去除土中胶结物质,利用扫描电子显微镜与能谱分析,对比分析去除胶结物质前后的微观结构变化。研究表明:湛江地区的地下水与湛江组黏土中水溶液的化学构成与比例含量基本一致,水化学类型为Cl-Na型,表现出偏酸性与富含铁离子的特征,水中大量的铁为土颗粒的联结提供了胶结物质,酸性环境促使游离氧化铁产生胶结效果进而提高土的结构强度。最后,提出了考虑地下水环境影响的湛江组黏土结构强度的形成机理,研究表明湛江组黏土较强的结构性源于开放式的絮凝结构加上颗粒间的强胶结作用。     

酸碱污染重塑粉质黏土的塑性及其与力学特性的关系

酸碱溶液会显著改变黏性土的力学特性因而在污染土的研究中备受关注。通过室内试验,详细研究了硫酸、盐酸和氢氧化钠污染重塑粉质黏土的现象、孔隙水离子成分以及土的塑性、压缩性和强度的变化规律。从孔隙溶液的pH值、离子交换以及土的结构三方面解释了硫酸和氢氧化钠污染土塑性增大、盐酸污染土塑性减小的机理。给出了这3种污染土的力学特性与塑性指标之间的关系,并与一些用于非污染重塑土的经验公式进行了对比。发现这3种酸碱污染土均表现出一定的结构性,尽管结构性形成的机理并不相同,但均导致压缩性增大,适用于非污染重塑土的经验公式会低估这类污染土的压缩性。研究发现这种低浓度的污染土的结构性不足以改变不排水抗剪强度cu与液性指数IL之间的关系,因而其强度可以大致通过未污染土的cu–IL关系来预测。     

雷州半岛玄武岩残积土的工程地质特性研究

雷州半岛玄武岩残积土属于区域性特殊土,全面系统地评价玄武岩残积土的工程地质特性对于该地区建设、地质工程勘察具有重要指导意义。玄武岩残积土是由玄武岩经过长期缓慢的风化分解与红土化作用形成,土层分布具有上细下粗的结构特征。黏土矿物以高岭石类为主,含有较多的游离氧化铁、铝。微观结构以凝块和絮凝结构为主,粒径小于1 μm的微孔占总孔隙70%以上。特殊的物质构成与结构形态导致其具有高孔隙率、低密度、高液限的物理特性,但强度较高的力学特征。该土的膨胀性小,但收缩性较大,夯击压实效果差,抗水性差,浸水饱和后力学性质劣化明显,同时对温度与湿度等环境因素敏感,在炎热多雨的气候影响下,颗粒间胶质容易发生脱水老化,导致结构强度减损,微观尺度上结构扰动、破坏,遇水产生严重的崩解现象与较大的湿陷变形,实际工程应关注强收缩势与降雨积水引发的工程灾害。     

红黏土在原状及重塑状态下的力学性质试验研究

土的结构性是土中颗粒或颗粒集合体及孔隙之间的大小、形状、排列组合及联结等综合特征。不同围压下固结不排水三轴压缩试验表明,贵阳原状和重塑红黏土应力应变曲线、有效应力路径、抗剪强度指标、破坏形态等宏观力学行为明显不同。考虑红黏土结构性,通过SEM电镜扫描测试,指出红黏土矿物颗粒单元间接触和联结状态,对比分析原状和重塑土样在颗粒形态、孔隙结构与分布等微观差异,研究结构性红黏土宏观强度与变形特性的细微观机理。研究成果对于正确认识红黏土的结构性具有重要作用,可为结构性红黏土工程设计与施工提供理论依据和技术指导。     

Macroscopic and microscopic investigation of the structural characteristics of artificially structured marine clay

Artificial structural soil is the best medium for simulating the structural characteristics of undisturbed soil, which is a unique property of undisturbed soil. To figure out the macroscopic and microscopic structural properties of artificially structured soil, this study proposed a method of disposing artificial structural soil to simulate in situ marine clay. In addition, a series of one-dimensional compression tests considering three influencing factors—the initial void ratio, interparticle cementation strength (determined by cement content) and pore size distribution (determined by initial salt content)—were conducted to explore the macroscopic structural properties of artificially structured marine clay. Then, SEM and MIP tests were performed to investigate the microstructure properties of artificially structured marine clay. With respect to the macro-scale experiment, the results show as the initial void ratio increases, the yield stress decreases while the compressibility increases in postyield stage. The pore size distribution mainly affects deformation, which increases with the quantity of relatively large pores. In terms of the micro-scale test, we found that the general microstructure is composed of aggregates of small clay platelets, some of which are either attached to the aggregates or linked to the surrounding aggregates with cemented bridges crossing the interaggregate pores. The most and least common pore space types feature entrance pore diameters of 1 ～ 17 μm and larger than 17 μm, respectively. An increase in cement content causes increases in intra-aggregate pore space and interparticle cementation strength. Initial salt particle content exerts an influence predominantly in the pores with entrance diameters of 0.3 ～ 1 μm and 1 ～ 17 μm.     

非饱和土大气张力通用公式与库仑土压力

推出大气张力库仑土压力的近似计算方法：假设临界破裂角为已知,可以考虑多层粘性土、坡面任意荷载、水和气压力。提出粘性土的结合水膜可靠连接面积率修正系数等于粘粒含量。推出大气张力库仑抗剪强度公式的Cm 形式,Cm 是膜的抗剪强度贡献。     

Geotechnical properties and microstructure of lime-stabilized silt clay

The geotechnical properties and microstructures of lime-stabilized silt clay from Jilin province, China, were studied in detail. Laboratory tests were conducted to evaluate the effects of lime content and curing time on the overall soil properties, including compaction characteristics, Atterberg limits, particle size distribution, pH, stress–strain behavior, peak strength, shear strength parameters, and California bearing ratio (CBR). The stabilized mechanisms of lime in silt clay were examined, and the observed test results were explained based on the results of scanning electron microscropy (SEM) and X-ray diffraction analyses of the specimens. Lime content and curing duration significantly influenced the geotechnical properties and microstructure of the lime-stabilized silt clay specimens. An increase in lime content resulted in increases in compaction water content, liquid limit, plastic limit, sand size-fractions, pH, peak strength, cohesion, internal friction angle, and the CBR, but led to a reduction in the plasticity index, silt fractions, clay fractions, swelling capacity, and water absorption. Also, the addition of lime to silt clay changed this soil type from a ductile to a brittle material. The optimum lime content of the silt clays from Jilin province was determined to be approximately 5–7%. SEM micrographs showed that a white cementitious gel was formed after the addition of lime and that peaks related to smectite, illite, kaolinite, and quartz appeared to be sharper after stabilization with lime and a 90-day period of curing. These results show that the geotechnical properties of lime-stabilized silt clay are affected by the microstructural organization of the silt clay itself.

     

Effect of wet-dry cycles on shear strength of residual soil

In order to investigate the relationship between the shear strength of residual soil and the number of repeated wet-dry cycles it underwent, the direct shear for different water content, different numbers of wet-dry cycles and different vertical stresses were examined. Based on the comprehensive structural potential theory, a comprehensive structural potential model considering the water content, the number of wet-dry cycles and the vertical stress was constructed. Then, the internal relationship between microstructure characteristics and structural strength attenuation of residual soil under alternate wet-dry conditions was emphatically discussed. As the number of wet-dry cycles and water content increased, the structural variability provided by the soil particle arrangement increased, while the structural stability provided by the soil particle cohesion decreased, causing the shear strength and structural potential of the soil to show a downward trend. As vertical stress increased, the variation range of structural stability was greater than that of structural variability. This asynchronous change caused decreased soil structural potential m_τ. Under the same levels of vertical stress and the same water content, the model we constructed well represented the exponentially decreasing trend between the structural potential and the increased number of wet-dry cycles. Scanning electron microscope (SEM) images of the sample after five wet-dry cycles showed that the surface layer had lifted and the overhead structure between aggregates was clear, suggesting that unit cell connections had changed from face-to-face contact to edge-to-surface contact. That is, the overall orientation of the unit cell was diminished. As the successive wet-dry progressed, the overhead structure provided a more open water migration channel. The nuclear magnetic resonance (NMR) test showed that the content of micropores in soil samples decreased, and the proportion of mesopores and macropores increased, resulting in a decrease in soil strength. With the further development of wet-dry cycles (>5), the peak and residual strength of the soil gradually decreased to be stable. This is related to the decrease in soil saturation after multiple wet-dry cycles, and the stronger the stabilizing effect provided by soil–water meniscus.