合肥重塑膨胀土三向应力–应变规律探讨

以合肥重塑膨胀土为研究对象,运用改进的"三向胀缩仪"开展一系列不同初始含水率与干密度的三向膨胀力试验,以及控制竖向与侧向应变的下的膨胀力试验,旨在了解膨胀土三向应力–应变的规律。研究结果表明:(1)水平膨胀力与竖向膨胀力的比值均小于1,也即竖向膨胀力总是大于水平膨胀力,且水平膨胀力与竖向膨胀力比值R0随着试样初始含水率与干密度的不同而不同,变化范围为0.525~0.904。(2)在相同的初始含水率下,R0会随着干密度的增大而增大,这说明,随着试样干密度的增大,土样的各向异性特性减弱。(3)控制竖向变形的膨胀力变化曲线与控制侧向变形的水平膨胀力曲线变化趋势相似,同样是微小的形变就能导致膨胀力的大幅减小,并且应变越小时,膨胀力衰减速率越快。     

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。     

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。     

圆饼状高压实膨润土膨胀力各向异性特征研究

针对作为我国缓冲/回填材料的高压实高庙子膨润土，采用自主研制的膨胀力-渗透性一体化测试仪器开展膨胀力试验，分别测定圆饼状试样的轴向膨胀力和径向膨胀力发展规律，研究试样初始干密度、初始吸力和尺寸效应对其膨胀力各向异性特征的影响。试验结果显示，轴向膨胀力和径向膨胀力均随着试样初始干密度的增加呈指数增大，膨胀力各向异性特征愈加显著。轴向膨胀力和径向膨胀力均随着试样初始吸力的增加而呈减小趋势；相同初始吸力条件下，径向膨胀力均大于轴向膨胀力，但是膨胀力各向异性系数随着初始吸力增大而不断减小。试样尺寸对膨胀力有显著影响，增加试样高度，轴向膨胀力不断增加，径向膨胀力增加到某一数值后不再随高度增加，膨胀力各向异性系数随着试样高度的增加逐渐减小。最后，基于膨润土膨胀机理、压实效应和尺寸效应，分析了膨胀力各向异性特征的形成机理。     

初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明：随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发...     

全吸力范围内不同干密度膨胀土的强度特性

干密度和饱和度是影响非饱和膨胀土强度和变形特性的重要因素。为研究干密度和饱和度对非饱和膨胀土抗剪强度的影响,以南阳膨胀土为试验材料,对不同饱和度和干密度的南阳膨胀土的压实样进行直剪试验,得到了不同干密度及饱和度下的抗剪强度;利用滤纸法试验测得了南阳膨胀土在不同初始干密度下的土水特征曲线,并利用Fredlund-Xing方程进行全吸力范围内的拟合。通过土-水特征曲线将饱和度换算成吸力,得到了不同密度和吸力下南阳膨胀土的抗剪强度。结果表明:低吸力范围内非饱和膨胀土的强度随吸力的增大而增大;而高吸力时随着吸力的增大,土的强度变化趋势与干密度和应力大小有关,竖向压力较大和干密度较小时,强度随吸力增大而增大。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

 利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

压实膨润土膨胀应变时效性试验及模型研究

本文对高庙子膨润土试样竖向膨胀应变时效性进行了试验和理论研究。首先,3种不同含水率的高庙子膨润土粉末被压实到2种不同干密度,然后保持试样含水率不变分别静置0、1、7、15、30和90天,最后利用膨胀变形仪对静置完成后的试样的水化膨胀变形进行了测量,试验结果表明:试样的水化膨胀曲线呈双曲线型,水化初期膨胀明显,之后逐渐稳定;竖向膨胀应变随初始干密度的增加而增大,与初始含水率关系不明显;最大竖向膨胀应变随静置时间的增长不断衰减,且静置前期衰减明显,后期趋于稳定;基于试验成果,通过类比,建立了压实膨润土的膨胀应变时效性经验模型,拟合结果表明该模型能够较好地反映静置时间对高庙子膨润土膨胀应变的影响。     

膨胀土膨胀力的改进测定及其规律研究

通过改进的测试手段,对膨胀土膨胀力与初始含水量、初始干密度和竖向压力的相关关系及其对各因素的敏感性进行研究。结果表明,在800kPa范围内,膨胀土的膨胀力随初始干密度的增大而增加,随初始含水量和竖向压力的增大而减小;膨胀力与初始干密度和初始含水量几近呈线性关系,而与竖向压力呈半对数线性关系;影响膨胀力发挥的最大因素是干密度,其次为含水量,最后为竖向压力。     

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。     

高庙子膨润土–砂混合料的三向膨胀力特性

 对不同干密度和含砂率高庙子膨润土–砂混合缓冲/回填材料的试样进行一系列三向膨胀力试验研究,结果表明,混合料三向膨胀力均随干密度呈指数关系递增,随含砂率呈指数关系递减。混合料存在各向异性,竖向膨胀力大于水平向膨胀力;含砂率和干密度均对试样的各向异性产生影响;当含砂率大于30%以后,含砂率的增加对其各向异性影响较小;混合料的各向异性随干密度的增大更加显著,并逐渐趋于稳定;对各向异性的机制进行分析,提出基于体积率的膨润土干密度这一指标,建立高庙子膨润土及其含砂混合料三向膨胀力的经验模型,并对模型进行验证和应用,研究成果可为高放废物深地质处置库中的缓冲/回填材料设计提供参考。     

非饱和土石混合料的初始吸力

土石混合材料广泛应用在土石坝、堤防、路基等工程中,而这些土工结构的边坡稳定性是工程上关注的问题。在非饱和土石混合料的边坡稳定分析时,需要知道边坡的负孔隙水压分布。现场直接测试吸力（气压为零时吸力是负孔隙水压的绝对值）成本高、精度有限。因此在研究土石混合料的初始吸力特性基础上,估算初始吸力分布不失一种可行方法。本文对不同初始物理状态下土石混合材的击实试样进行初始吸力测试,分析了土石混合料的物理状态与初始吸力的关系。试验结果表明：土样的饱和度比含水率与初始吸力有更显著的关系;在饱和度相同的情况下,土样的干密度较大的土样有较大的初始吸力;土样的初始吸力随着净压力的增大而减小;在干密度、饱和度相近的情况下,土石比越大初始吸力越大;相同的击实能量下,土石比大的试样干密度小。     

Behavior and characteristics of compacted expansive unsaturated bentonite-sand mixture

Limited studies dealt with the expansive unsaturated soils in the case of large-scale model close to the field conditions and therefore,there is much more room for improvement.In this study,expansive(bentonite-sand(B-S) mixture) and non-expansive(kaolin) soils were tested in different water contents and dry unit weights chosen from the compaction curve to examine the effect of water content change on soil properties(swelling pressure,expansion indices,shear strength(soil cohesion) and soil suction)for the small soil samples.Large-scale model was also used to show the effect of water content change on different relations(swelling and suction with elapsed time).The study reveals that the initial soil conditions(water content and dry unit weight) affect the soil cohesion,suction and swelling,where all these parameters slightly decrease with the increase in soil water content especially on the wet side of optimum water content.The settlement of each soil at failure increases with the increase in soil degrees of saturation since the matric suction reduces the soil ability to deform.The settlement observed in B-S mixture is higher than that in kaolin due to the effect of higher swelling observed in B-S mixture and the huge amount of water absorbed which transformed the soil to highly compressible soil.The matric suction seems to decrease with elapsed time from top to bottom of tensiometers due to the effect of water flowing from top of the specimen.The tensiometer reading at first of the saturation process is lower than that at later period of saturation(for soil sample B-S3,the tensiometer #1 took 3 d to drop from 93 kPa to 80 kPa at early stage,while the same tensiometer took 2 d to drop from 60 kPa to 20 kPa).     

非饱和原状和重塑Q3黄土渗水特性研究

为研究非饱和 Q₃ 黄土渗水特性,设计一套原状黄土取样设备,取得大尺寸原状竖直和水平土柱各 2 个;并制备 5 个干密度不同的重塑土样。对 9 个试样进行水平土柱试验,用 TDR 水分计和热传导吸力探头分别检测土样不同断面处的体积含水率和基质吸力。试验结果表明：土中裂隙的走向和干密度对入渗率均有影响。对于原状试样,浸水前期竖直试样入渗率要大于水平试样,湿润锋超过 50 cm 后,竖直和水平试样入渗率几乎接近一致。竖直与水平原状试样的非饱和扩散率主要差别在饱和度低于 0.6 的区域,饱和度高于 0.6 两者扩散率差别不大;对于重塑试样,低饱和度区域干密度对扩散率影响要大于高饱和度区域。同等干密度和含水率条件下,低饱和度区域重塑试样非饱和渗透系数大于原状试样;而高饱和度区域原状试样非饱和渗透系数大于重塑试样。取样方法和研究成果对同类工作具有重要参考价值。     

膨润土-砂混合材料三向膨胀力试验研究

利用改进的三向胀缩仪研究了掺砂率、干密度对高庙子膨润土-砂混合型缓冲/回填材料膨胀特性的影响。试验结果表明:混合物的三向膨胀力与掺砂率和干密度均呈指数关系,随干密度增加而增加,随掺砂率增加而减小;混合物的竖向膨胀力始终大于水平向膨胀力,在试验研究的范围内,水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随干密度变化较小,其值稳定在0.8左右;水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随掺砂率增加大致呈线性降低;混合物的三向膨胀力发展呈两个阶段,初始阶段膨胀力发展迅速可达到最大膨胀力80%左右,第二阶段膨胀力发展缓慢。最后从晶体扩张理论和双电层理论分析了混合物的膨胀特性机理。     

Experimental study on hydro-mechanical coupling behaviours of highly compacted expansive clay

Highly compacted expansive clays have been usually considered as a possible material for sealing and backfill in deep geological disposal of radioactive waste. In this condition, the material is simultaneously subjected to water infiltration from the geological barrier and stresses generated by the swelling of engineered barriers in confined conditions. Its behaviour under hydro-mechanical loading is essential to the safe design of the whole storage system. In the present work, MX80 bentonite, a kind of expansive clay from Wyoming, USA, was studied. After compaction, its dry density was 1.8 Mg/m3 and its initial suction was 110 MPa. Firstly, the soil was humidified under controlled suction and free-swelling conditions. Significant swelling was observed. Secondly, four values of suction of 110, 39, 9 and 0 MPa were employed to perform isotropic compressive tests at constant suction conditions. That allowed studying the effect of suction on the yield pressure, elastic and plastic compressibility parameters. The results show that the elastic and plastic compressibility parameters increase when the suction decreases. The relationship between these parameters and the logarithm of suction can be linearly correlated. The yield stress drastically decreases upon wetting under free-swelling conditions, from 12 – 18 MPa (at an initial suction of 110 MPa) to 0.2 MPa at saturated state.