考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律，开展了一系列完整的脱湿阶段试验，获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率－吸力曲线有交叉与聚拢现象；体积含水率－吸力曲线的交叉现象更为显著；而饱和度－吸力曲线未出现交叉，相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度，体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果，从土的基本体积－质量关系出发，以初始孔隙比与吸力为变量，在一个统一的框架内，构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的SWCC方程，方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。     

荆门压实弱膨胀土孔隙比－含水率－吸力特征的滞回效应

为探讨水力路径对膨胀土土水特征与体变特征影响中的滞回效应，以压实度为90 %的荆门弱膨胀土为研究对象，采用轴平移技术和等压湿度控制法，开展了控制吸力条件下的脱、吸湿试验，获得了0～391000 kPa吸力范围内的孔隙比－含水率－吸力关系的滞回效应规律，结论如下：(1) 重力含水率－吸力关系的滞回效应显著。脱、吸湿边界线间涵盖了较大区域；脱湿与吸湿边界线并不平行，前者拐点处的斜率明显大于吸湿边界线的相应值。Fredlund-Xing模型能够很好描述土水特征的脱湿与吸湿边界线。脱、吸湿边界线均可分别通过2个特征点划分为：边界效应区、过渡区与残余区；残余吸力与进水值均可取为359100 kPa；进气值为300 kPa；出气值为8 kPa。(2) 孔隙比－吸力关系呈现出显著的滞回效应。利用3参数指数函数可以很好地分别描述主脱、吸湿路径下的孔隙比－吸力关系。(3) 孔隙比－重力含水率关系的滞回效应不显著。采用2参数指数函数可较好地统一描述不同水力路径下的孔隙比－重力含水率关系。 (4) 饱和度－吸力关系呈现出显著的滞回效应。该滞回效应可利用描述土水特征的Fredlund-Xing模型和描述体变特征的3参数指数函数组合描述。 (5) 体变特征的脱湿速率效应显著。     

荆门压实弱膨胀土孔隙比-含水率-吸力特征的滞回效应

为探讨水力路径对膨胀土土水特征与体变特征影响中的滞回效应,以压实度为90%的荆门弱膨胀土为研究对象,采用轴平移技术和等压湿度控制法,开展了控制吸力条件下的脱、吸湿试验,获得了0~391 000kPa吸力范围内的孔隙比-含水率-吸力关系的滞回效应规律,结论如下：（1）重力含水率-吸力关系的滞回效应显著。吸力小于10 000kPa的区域,脱湿边界线与吸湿边界线间涵盖了较大范围;吸力大于10 000kPa的区域,滞回效应弱化。脱湿与吸湿边界线并不平行,前者拐点处的斜率明显大于吸湿边界线的相应值。Fredlund-Xing模型能够很好描述土水特征的脱湿与吸湿边界线。脱、吸湿边界线均可分别通过2个特征点划分为：边界效应区、过渡区与残余区;残余吸力与进水值均可取为359 100kPa;进气值为72kPa;出气值为10kPa。（2）孔隙比-吸力关系呈现出显著的滞回效应。利用3 参数指数函数可以很好地分别描述主脱、吸湿路径下的孔隙比-吸力关系。（3）孔隙比-重力含水率关系的滞回效应并不显著。采用2参数指数函数可较好地统一描述不同水力路径下的孔隙比-重力含水率关系。（4）饱和度-吸力关系呈现出显著的滞回效应,其脱、吸湿边界线也可用Fredlund-Xing模型分别描述。（5）体变特征的脱湿速率效应显著。     

膨胀土的土水特性试验研究

膨胀土具有吸水膨胀和脱水收缩的特性,利用非饱和土固结仪对南阳地区膨胀土试样进行了土—水特征试验,并根据试验得到的土—水特征曲线得到:试样的含水率随着基质吸力的增大显著减小;随着轴压的增大,孔隙比减小。当吸力相同时,含水率随孔隙比的减小而增大。     

考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究

红黏土是一种具有高度水敏性的典型特殊土,而土水特征曲线(SWCC)是研究红黏土工程性质的重要依据。红黏土在含水率变化时会发生明显的胀缩效应,现有SWCC测试往往缺乏对此效应的考虑,导致所测得的结果具有一定的误差。本文通过压力板仪法和滤纸法,量测了湖南某地区红黏土在不同含水率下所对应的基质吸力,并根据收缩试验掌握了红黏土在不同含水率下的体积变化特征并获取了相应的收缩系数,推导了体积变化修正公式,对SWCC进行了体积变化修正,最后利用V-G模型对修正后的SWCC进行了拟合,探讨了模型参数与初始孔隙比(压实度)的关系,建立了红黏土改进V-G模型。结果表明:红黏土在含水率改变时的体积变化对其SWCC影响很大,同一基质吸力状态下,体积变化修正后红黏土试样的体积含水率和饱和度明显高于修正前的值,且基质吸力越高该差别越明显。对于体变修正后SWCC的V-G模型,模型参数受初始孔隙比的影响较大,其中表征进气值的参数a和孔隙大小分布的参数n与初始孔隙比呈幂函数关系,而表征残余含水率的参数m与初始孔隙比接近线性关系。     

基于滤纸法的裂隙膨胀土土水特征曲线试验

针对传统测量吸力试验方法存在的缺陷,采用滤纸法进行了裂隙膨胀土的吸力测定试验,得到了裂隙膨胀土的土水特征曲线,该曲线形态与无裂隙膨胀土的基本相同,均可分为3个阶段,为倒“S”形。相同含水率条件下,脱湿路径下制备的试样基质吸力比吸湿路径下的大,存在明显的滞回现象,可用已有的土水特征曲线计算模型进行拟合分析。试验结果表明,滤纸法可获得任意状态下土体的吸力,不干扰土体的初始状态,可作为测量裂隙膨胀土等特殊性土吸力的一种有效方法。     

初始干密度对弱膨胀土土水特征曲线影响

用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了初始干密度对全吸力范围内弱膨胀土压实样土水特性的影响。试验结果表明:联合压力板法、滤纸法和蒸汽平衡法可较好地测量出全吸力范围内弱膨胀土土水特征曲线的脱湿曲线。土-水特征曲线用饱和度和吸力关系表示时,脱湿曲线随着初始干密度的增加向右上方偏移;土-水特征曲线用含水率和吸力关系表示时,含水率随着初始干密度增加脱湿曲线向左下方偏移。     

Q3原状黄土与重塑黄土的土水特性研究

黄土土水特征曲线与其强度、渗流及本构关系等密切相关。为研究Q3黄土的土水特性,分别进行了Q3原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线测试,并用经典的B-C模型和V-G模型对试验结果进行拟合,分析孔隙比对Q3重塑黄土土水特性的影响。结果表明:原状黄土土水特征曲线分为快速减小、缓慢减小和稳定3个阶段,进气值为20kPa左右,随土体排水,空气进入孔隙内部,吸力逐渐增大,稳定阶段土体饱和度很低,土体处于大吸力段,孔隙排水不明显;重塑黄土土水特征曲线整体趋势与原状黄土一致,但孔隙比对其影响较明显,当孔隙比较大时,体积含水率降低引起吸力明显增加,进气值较小,孔隙比较小时,随着吸力值增加,体积含水率降低速率较小,随着孔隙比减小,土体进气吸力值逐渐增大;采用B-C模型和V-G模型与原状黄土试验结果进行对比,B-C模型低吸力段拟合效果不佳,高吸力段拟合较好,V-G模型整体拟合效果良好。     

微观结构对膨胀土土-水特征曲线的影响

为了探究膨胀土吸湿过程土-水特征曲线与微观结构变化的关系,采用渗析法和气相法对南阳原状膨胀土的持水特性进行研究,获得了土样在全吸力(0.01~309 MPa)范围内的土-水特征曲线。利用Van Genuchten模型对试验结果进行拟合;采用扫描电镜试验和压汞试验测定吸湿过程中土样微观结构的变化,从微观的层面对膨胀土土-水特征曲线的趋势进行分析。研究表明:在吸湿过程中,膨胀土的微孔隙和大孔隙体积含量增多,小孔隙体积含量减少;吸湿过程中小孔隙和微孔隙体积含量的动态变化使得膨胀土表现出在土-水特征曲线没有拐点的情况下持续增湿的特性;大孔隙体积含量的变化只影响土-水特征曲线的边界效应段,但是影响较小。     

非饱和重塑低液限黏土体积变化特性试验研究

采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下,对重塑非饱和低液限黏土的体积变化和含水率变化特性进行了试验研究.试验结果表明,试样的压缩指数密切地依赖于基质吸力,回弹指数也和基质吸力有一定的相关性,而且试样的收缩系数和土水特征曲线也密切地依赖于净平均应力.在给定的基质吸力条件下,随着净平均应力的增加孔隙比和含水率逐渐降低而饱和度逐渐增加,并在较高基质吸力情况下,试样含水率近似线性地依赖于净平均应力.在给定的净平均应力条件下,随着基质吸力的增加试样发生收缩.当试样基质吸力卸载到0时,试验结果表明在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样膨胀后发生坍塌.     

膨胀土膨胀变形试验研究

为了研究不同注水方式对膨胀土膨胀量的影响,以及大尺寸重塑膨胀土浸水膨胀的变化规律,取某高速铁路地基膨胀泥岩重塑土样,进行开孔与不开孔的膨胀土浸水膨胀试验,并对不同厚度的大尺寸膨胀土试样进行浸水膨胀变形试验。试验结果表明:开孔注水与不开孔注水的膨胀土膨胀时程曲线有很大不同,开孔注水的土样膨胀时程曲线可以分为初始快速膨胀、减速膨胀、趋于稳定3个阶段;不开孔注水的土样膨胀时程曲线可分为初始缓慢膨胀、快速膨胀、减速膨胀和趋于稳定阶段4个阶段。分析得到土样损失体积率与膨胀量损失量的关系。不同厚度的大尺寸膨胀土试样膨胀时程曲线整体呈外凸形增长趋势,并且每级注水后,膨胀量也呈外凸形增长趋势;大尺寸膨胀土试样的真实膨胀量随着厚度的增加而增大,但增幅减小,真实膨胀量随着上覆荷载的增大而减小,减幅也降低。     

冻融循环下水泥改性膨胀土物理力学特性研究

为探究冻融循环作用对水泥改性膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为试验对象,进行不同掺灰比的水泥改性,然后对经历不同冻融循环次数后的试样进行变形测量和无侧限压缩试验。试验结果表明:在冻融循环过程中,水泥改性膨胀土试样的含水率损失量较小,不同掺灰比试样的体积变化规律均呈现为"冻缩融胀",掺灰比越大,试样体积的变化幅度越小,最大冻缩量和最大融胀量也越小,但会存在一个最优水泥掺灰比。冻融循环作用对水泥改性膨胀土力学特性的影响较大,尤其是初次冻融。随着冻融循环次数的增多,不同掺灰比试样的强度与弹性模量逐渐降低并趋于稳定,掺灰比越大,强度和弹性模量的衰减量越小。水泥改性膨胀土经历冻融后韧性变好。     

离子土壤固化剂改性膨胀土冻融过程中水分迁移试验研究

为研究离子土壤固化剂在冻融过程中对膨胀土的影响,采用高低温冻融循环试验箱、DT85G数据采集器和电阻式温度传感器组成一套室内水分迁移试验装置,在一定的试样几何尺寸和外界试验条件下展开离子土壤固化剂加固前后膨胀土水分迁移过程的试验研究。通过测定试验前后膨胀土试样不同位置处含水率、干密度、孔隙率,同时记录该过程中试样不同位置处温度随时间的变化,分析冻融过程中离子土壤固化剂对膨胀土的加固作用。试验结果表明,经离子土壤固化剂加固后的膨胀土在冻融过程中土体温度变化较为缓慢,不同位置处的土壤含水率变化较小,孔隙率较小,整体稳定性较高。     

基于正交设计的膨胀土冻融循环试验研究

南水北调南阳段膨胀土位于季节性冻土区域,易受冻融循环的影响。以南阳膨胀土为研究对象,对不同含水率、冻结温度、冻融循环次数的膨胀土试样进行变形测量和无侧限压缩试验。试验发现,含水率对膨胀土力学性质影响较大,含水率越高,强度与弹性模量衰减量越大;冻结温度对试样体积有较大影响,尤其是-10 ℃。根据显著性分析理论,研究含水率、冻结温度、冻融循环次数以及各因素间交互作用对膨胀土物理力学性质影响的显著性。结果表明,含水率对膨胀土力学性质影响最明显,含水率和冻结温度间的交互作用对强度影响较为显著;冻结温度对膨胀土体积变化影响最大,含水率和冻融循环次数的交互作用对体积变化有一定影响。在研究冻融循环条件下膨胀土物理力学性质时,不仅要考虑单一因素的影响,还应综合考虑各种因素交互作用的影响。     

水泥+石灰复合改性膨胀土对水质的影响

对引江济淮试验工程弱膨胀土进行石灰改性、水泥改性、水泥+石灰复合改性,并制作三轴试样进行不同龄期(1 d、3 d、7 d、28 d)的养护,各龄期试样取出浸泡并分别在第1天、第3天、第7天、第28天提取浸出液检测其pH与Ca~+含量等,比较复合改性土浸出液与石灰改性、水泥改性土浸出液水质差别,并观察改性土三轴试样的浸水后完整性,探究复合改性能否降低土体对水质的影响。结果表明:复合改性土三轴试样浸出液的pH与Ca~+含量明显低于石灰改性土三轴试样浸出液;养护龄期为28 d的复合改性土对水质的影响也要低于水泥改性土。在实际工程中,应保障至少28 d的养护时间,并且在养护过程中杜绝浸泡或流水冲刷,保证养护质量。     

注水方式对膨胀土膨胀量的影响研究

为了研究不同注水方式对膨胀土膨胀量的影响,取某高速铁路地基膨胀泥岩,进行不同数量开孔和不开孔方式注水的重塑膨胀土浸水膨胀变形试验,并分析得到了开孔造成的土体损失体积率与膨胀量损失量之间的关系。试验结果表明:开孔注水与不开孔注水的膨胀时程曲线、膨胀量与含水率关系曲线有很大不同;各注水方式下,膨胀时程曲线和膨胀量与含水率关系曲线变化规律基本一致。开孔注水方式下,膨胀时程曲线、膨胀量与含水率关系曲线可分为三个阶段:初始快速膨胀阶段、减速膨胀及逐渐稳定阶段、突然增长阶段。不开孔注水方式下,膨胀时程曲线、膨胀量与含水率关系曲线可分为四个阶段:初始缓慢膨胀阶段、快速膨胀阶段、减速膨胀及逐渐稳定阶段、突然增长阶段。土体损失体积率与膨胀量损失量之间呈良好的线性关系,其关系式为Δδ=0.617ΔV+0.02。     

膨胀土胀缩变形与渗透性规律试验研究

大气和地下水共同影响下,膨胀土路基或边坡工程在一定深度范围内将出现明显的干缩湿胀变形,其渗透性能也会出现显著变化,并进一步诱发膨胀土路基或边坡的失稳破坏。为系统研究竖向荷载和干湿循环作用下膨胀土胀缩变形与渗透性能变化规律,采用温控气压固结渗透仪分别进行不同荷载和干湿循环作用下的膨胀、收缩与渗透试验,研究膨胀土在不同荷载和干湿循环条件下的胀缩变形规律,确定膨胀土水渗透系数和气渗透系数变化规律。研究成果能够用于确定膨胀土容许胀缩变形量和容许竖向荷载,提出明确的膨胀土路基或边坡的最小防护深度和限制荷载,优化膨胀土路基和膨胀土边坡设计方案。     

压实条件对膨胀土裂隙发育影响的试验研究

裂隙是影响膨胀土力学特性的重要因素之一。以河南南阳地区高速公路路用膨胀土为研究对象,通过制备不同初始含水率和压实度的大尺寸压实膨胀土土样,观察压实膨胀土在脱湿过程中的表面裂隙发育,并拍摄数码图像,然后利用基于MatLab自编程序的改进裂隙图像特征参数提取方法对图像进行定量化分析,获得裂隙的各种特征参数,进而探讨膨胀土表面裂隙发育的相关规律。研究结果表明:压实膨胀土脱湿开裂过程可分为细小裂隙发育、主裂隙发育及裂隙回稳3个阶段;初始含水率越高,膨胀土表面裂隙发育速率越快,发育程度越高,持续时间越长;初始压实度越大,膨胀土表面裂隙率和裂隙总长越小,但宽度较大。上述裂隙发育规律可用表面蒸发和土体内部水分传输机理进行解释。     

基于Logistic回归模型的膨胀土判别与分类

采用《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)推荐的自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水率作为膨胀土判别与分类指标,将膨胀潜势分为非、弱、中等、强膨胀土4个等级。以某高速公路沿线土样为例,利用SPSS软件建立了土膨胀潜势分级的有序Logistic回归模型,并利用所建模型对待判土样进行判别,结果与实际一致。研究结果表明:有序Logistic回归模型的判别性能良,能客观反映膨胀土分类的复杂状况,具有较好的工程应用前景。