膨胀土增湿过程中膨胀规律的试验研究

为了研究膨胀土增湿过程中膨胀规律, 取某高速铁路地基膨胀泥岩土样, 研究其无荷膨胀率随含水率增大过程中的变化规律。试验结果表明:膨胀土无荷膨胀率随含水率变化过程分为3个阶段, 分别为快速膨胀阶段、缓慢膨胀阶段和趋于稳定阶段, 得到3个变化节点含水率。然后使用蒙脱石含量、阳离子交换量、自由膨胀率、液限这4个指标作为模型因子, 利用主成分分析法得到能够表征膨胀土膨胀能力强弱的膨胀特性Z值。分析3个变化节点含水率与膨胀特性Z值的关系, 得到3个含水率与Z值的函数关系式。在实际工程中, 可以测定土样的当前含水率和4个指标值, 由4个指标值得到膨胀特性Z值, 由变化节点含水率与Z值的函数关系计算得到3个变化节点含水率, 然后判断土体当前含水率与3个变化节点含水率的关系, 就能判断土体在当前含水率下膨胀能力的强弱, 这可对实际工程提供一定参考。     

膨胀土分类的PCA-ELM模型及应用

为更合理确定膨胀土类别,将主成分分析(PCA)与极限学习机(ELM)相结合,提出一种膨胀土分类的PCA-ELM模型。选取能充分反映膨胀土类别的液限、塑性指数、<2 μm胶粒含量与自由膨胀率4项指标进行分析,运用主成分分析对各指标进行相关性处理,依据方差累计贡献率得出2个主成分。将70%的样本划分为训练集,30%划分为测试集,将训练集作为极限学习机输入,并采用十折交叉验证以优化模型参数,从而得到最优分类模型。然后将测试集作为最优模型输入,得到分类结果。最后,选用2个工程实例共32个样本对所建立模型进行验证,结果表明:该模型分类结果与实际较吻合;训练集与测试集分类精度分别达94.20%和79.00%,并具有较快的训练速度。PCA-ELM模型适用于大规模数据的分类预测。     

南阳膨胀土膨胀力特性试验

膨胀土浸水产生膨胀变形,当膨胀变形受到约束时,必然产生较大的膨胀力。已有研究成果表明膨胀力的大小与土体的初始含水量以及干密度密切相关。为进一步了解膨胀土的膨胀力发展规律,根据不同初始含水量和干密度共配制了40个试样,采用恒体积试验法研究了南阳膨胀土的膨胀力特性。试验结果表明了膨胀力的对数与初始含水量以及干密度之间满足线性关系,进而得到了它们之间的关系式,同时依据已有膨胀率与上覆荷载的关系,建立了上覆荷载作用下的膨胀力计算公式。最后,通过预测值和试验结果的对比验证了该关系式能够较好地预测南阳膨胀土的膨胀力,为膨胀土地区的结构稳定分析提供了参考。     

膨胀土的膨胀模型

膨胀土的研究主要针对膨胀变形与膨胀力而言,在膨胀变形方面,一般将膨胀变形与初始干密度、膨胀变形与初始含水量、膨胀变形与上覆荷载分开单独研究,没有从整体上研究它们的相互关系;在膨胀力方面,由于膨胀变形与膨胀力是从两类不同试验得到的,缺乏对膨胀变形与膨胀力之间相互关系的研究.在大量试验基础上,提出了膨胀土的膨胀模型,该模型不但能反映初始干密度、初始含水量、上覆荷载对膨胀变形的综合影响,还可以从膨胀变形试验直接得到膨胀力.模型揭示了膨胀变形与膨胀力的内在关系.模型理论结果与已有的国内不同单位对不同地区膨胀土试验的结果有很好的一致性.     

基于非线性主成分和聚类分析法的膨胀土分类

为能准确地对膨胀土进行分类,将非线性主成分分析和聚类分析方法应用于膨胀土分类问题中,建立了膨胀土分类的非线性主成分-聚类和判别模型,选用黏粒含量、粉粒含量、液限和塑性指数 4项指标作为聚类和判别指标,以膨胀土实测数据进行分类和判别。研究结果表明：该判别模型分类和判别性能良好,预测精度高,交叉确认估计的误判率很低,是膨胀土分类的一种有效方法,可以在实际工程中应用推广。     

膨胀土判别指标的优化及其分类

反映膨胀土土质与土体特性的指标很多,可分为反映矿物组成和工程特性的指标两大类。以前在膨胀土的判别与分类中,大多仅以简单的双变量分析为依据,所选取的判别指标大多具有相同信息。为了克服多重相关性对判别模型的干扰,从胀缩机理出发,采用逐步回归分析选取能够表征膨胀土的6项独立指标,为验证其合理性,在此基础上建立了基于主成分分析的函数判别式和BP人工神经网络判别模型,经实例分析验证得所选指标合理可信。     

卢氏膨胀岩膨胀力特性试验研究

通过对卢氏膨胀岩试样开展物理成分、微观结构和膨胀率等试验,研究了岩样泡水后膨胀力的特性及其变化的微观机理。通过X射线衍射试验发现卢氏膨胀岩的矿物成分中黏土含量约占49.1%,其中伊利石、蒙脱石的相对含量近90%,使其表现为较强的亲水性。基于加压膨胀法,设计了4种不同的初始含水率和4种不同干密度,共16组96个试样的膨胀力测试方案,探究了初始含水率和干密度对卢氏膨胀岩膨胀力的影响规律。通过多因素耦合分析方法,采用幂函数拟合初始含水率,指数函数拟合干密度,并给出了双因素膨胀力的拟合公式。通过电镜试验研究了初始含水率对膨胀力影响的微观机理,结果表明:当初始含水率较低时,黏土颗粒遇水膨胀后出现微小裂隙,导致膨胀力急剧增加;随着初始含水率增加,黏土颗粒的粒径由大变小,粗颗粒崩解,细粒含量增加,出现泥化现象,膨胀力缓慢减小。     

初始含水率和改良材料掺量对膨胀土抗剪强度的影响

为研究不同初始含水率和不同改良材料掺量对膨胀土抗剪强度指标的影响,分别在膨胀土中掺入水泥、石灰、粉煤灰、风化砂进行膨胀土的化学改良,通过改变4种改良材料的掺量及调整膨胀土的初始含水率,进行室内直剪试验。试验结果表明:掺水泥、石灰和粉煤灰能显著提高膨胀土的黏聚力,掺水泥提高黏聚力的幅度最大,其次是掺石灰和粉煤灰,掺风化砂会使膨胀土的黏聚力下降;掺水泥、石灰、粉煤灰和风化砂均能提高膨胀土的内摩擦角,其中掺水泥提高内摩擦角的幅度最大,其次是风化砂。4种材料均可用作膨胀土的改良材料,不同初始含水率及不同改良材料掺量对膨胀土抗剪强度指标的影响十分显著。     

低黏土矿物含量原状泥岩膨胀力试验研究

以兰新铁路第二双线某典型原状泥岩为对象，采用平衡加荷法，进行了3组不同膨胀特性土体在初始含水量分别为2%，6%，10%，14%和18%时原状泥岩试验，以研究土体自身膨胀特性和初始含水量对原状泥岩膨胀力的影响。试验结果表明:膨胀力时程曲线变化与土体渗水速度相关；膨胀力随初始含水量增大逐渐减小，膨胀力增量随含水量增量增长变化规律为先增后减；膨胀力与土体蒙脱石含量有关，低初始含水量时，膨胀性矿物颗粒含量对土体膨胀力影响显著；高初始含水量时，膨胀性矿物颗粒含量对土体膨胀力影响减弱。通过对试验数据的进一步分析，拟合了土体等效蒙脱石含量和初始含水量两种工况下环刀样膨胀力经验式，试验结果与计算结果相吻合，为膨胀泥岩地区工程建设提供了一定的理论支撑。     

基于PCA-BPNN的膨胀土自由膨胀率预测

为了准确地对膨胀土进行分类,将主成分分析方法（PCA）和BP神经网络方法（BPNN）相结合,进行膨胀土自由膨胀率预测研究。首先,对影响自由膨胀率的几个物性指标数据进行主成分分析,得到主成分数据序列;然后,根据主成分数据序列建立输入样本并应用BP神经网络进行训练,得到PCA-BPNN预测结果,从而预测自由膨胀率。采用南阳膨胀土数据进行实例分析,结果表明,该模型比单一BP神经网络预测方法的效果更好。     

风化砂改良膨胀土膨胀特性试验研究

结合湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程及风化砂改良膨胀土路基施工项目,对膨胀土掺入不同比例的风化砂配制试件,进行自由膨胀率、无荷膨胀率、25 kPa和50 kPa有荷膨胀率以及膨胀力的试验研究,得到了不同掺砂比例下膨胀土的膨胀率和膨胀力指标。研究发现：掺砂对抑制膨胀土的膨胀是有效的,经过风化砂改良的膨胀土的自由膨胀率小于35%,达到了路基施工规范的要求。不同的掺砂量对改良膨胀土的膨胀指标有着显著的影响：当掺砂比例为10%时,自由膨胀率、膨胀力降低最为显著;当掺砂比例为40%~50%时,25 kPa有荷膨胀率的变化最为明显;掺砂比例为30%~40%,50 kPa有荷膨胀率变化的幅度最大;掺砂比例为40%时,荷载的增加对抑制膨胀性效果最明显;掺砂比例对无荷膨胀率影响很小,基本呈平缓线性变化。通过对掺砂效果的综合比较,掺砂10%能最快最经济抑制膨胀。     

引江济汉工程膨胀土层状分布特征及微观机制分析

南水北调中线引江济汉工程渠坡膨胀土在空间分布上呈现特有的"分层分带"特征,且不同层位土体膨胀潜势存在显著差异,造成渠道断面膨胀势的分级判定存在诸多不确定性。在渠道工程开挖之后,根据开挖断面渠坡膨胀土在垂向上不同的宏观地质特征,通过对膨胀土分级指标大量的室内测试及统计分析,以综合分类判定不同层位土体的膨胀等级。在此基础上,开展了一系列微观物化性质研究,以揭示研究区不同层位膨胀土的膨胀潜势差异的内在机理,并为本工程膨胀土进行综合分类提供科学依据和理论指导。     

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。     

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。     

基于MICP技术改良的膨胀土膨胀特性试验研究

为了探究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术改良膨胀土膨胀特性的效果和作用机理,利用产脲酶菌CGMCC 1.368 7,开展了MICP拌和法处理膨胀土的膨胀特性试验。通过正交试验研究了反应液配比和Ca²⁺浓度对MICP拌和法处理膨胀土自由膨胀率、无荷膨胀率、CaCO₃百分生成量的影响及其变化规律,揭示了MICP改良膨胀土的微观机理。结果表明:经MICP拌和法处理后,膨胀土的膨胀特性得到显著改善;当反应液配比为1∶1、Ca²⁺浓度为2.0 mol/L时,膨胀土自由膨胀率最大降低了44.4%;当反应液配比为1∶3、Ca²⁺浓度为2.0 mol/L时,体膨胀率减小了92.2%,膨胀含水率降低了24.9%。MICP技术通过胶结土颗粒、充填土体孔隙和离子置换作用,降低膨胀土颗粒的亲水性,减小土颗粒间的排斥作用,减弱膨胀土的膨胀势。研究成果验证了基于MICP技术拌和法改良膨胀土膨胀特性的可行性。     

地基膨胀土浸水膨胀变形试验研究

以兰新铁路第二双线一处典型地基原状膨胀土为对象,分别进行0 k Pa、10 k Pa、20 k Pa、30k Pa、40 k Pa、50 k Pa分级浸水膨胀变形试验。试验结果表明:膨胀量随土体吸水量增加呈缓慢增长、加速增长、稳定增长的"S"形增长趋势。上覆荷载对膨胀量起抑制作用,且荷载越大,膨胀量越小,故膨胀土地基的膨胀变形主要发生在浅层膨胀土;胀限含水率随上覆荷载增大在逐渐减小,呈指数变化规律。通过对试验数据的进一步分析,建立了吸水率和上覆荷载耦合下原状膨胀土膨胀量计算模式。该计算模式所获结果与实测数据吻合较好,可为今后膨胀土地区工程建设提供一定的理论支撑。     

弱膨胀土增湿变形量试验及路堤填筑分析

工程包边法路堤填芯弱膨胀土的含水率变化常处于特定区间,现行研究集中于浸水饱和状态下的膨胀量,对特定含水率变化区间膨胀土的膨胀变形量研究较少。为研究不同增湿量下弱膨胀土土体的膨胀变形特性,采用“等同”的重塑膨胀土试样进行不同增湿量的一维膨胀试验,结果显示,当土体的含水率达到25%时,继续增大含水率对于土体膨胀变形量的影响较小。基于此,提出了换算膨胀量的概念(换算线膨胀率、换算膨胀力),通过对路堤内部施工含水率及平衡含水率进行分析,结合增湿变形量的研究结论,得出用于路堤内部的含水率变化处于对膨胀变形量影响较大的区间,路堤填筑时需严格控制土体的施工含水率。     

南水北调中线膨胀岩膨胀特性试验研究

南水北调工程中经常遇到膨胀岩,膨胀岩的膨胀性对膨胀岩开挖料的循环再利用以及膨胀岩地区换填土的施工都有很大的影响。针对这个问题,对南水北调中线膨胀岩进行了膨胀性试验研究。试验结果表明:存在一含水率拐点,当膨胀岩的初始含水率小于拐点含水率时,其膨胀率随时间的关系曲线分为4个阶段:直线匀速膨胀阶段、直线快速膨胀阶段、减速膨胀阶段、膨胀缓慢稳定阶段。其中直线快速膨胀阶段其膨胀速度大于直线匀速膨胀阶段膨胀岩的膨胀速度。当膨胀岩的起始含水率大于拐点含水率时,其膨胀率随时间的关系曲线将没有直线匀速膨胀阶段,只有后面3个阶段。随着初始含水率的增加,膨胀岩的膨胀率逐渐减小。但是不同的膨胀岩试样初始含水率与膨胀率之间的关系曲线不同。随着上覆压力的增大,膨胀岩膨胀率逐渐减小。当超过某一压力时,岩样不但不会膨胀,反而会被压缩。这一试验结果,可为对膨胀岩地区的施工提供一定参考依据。     

启培抗疏力改良膨胀土的自由膨胀率试验研究

膨胀土是一种广范分布的,具有遇水膨胀、失水收缩的特殊性黏土,其特殊性质使其成为困扰工程建设的世界性技术难题。本文用启培抗疏力处理剂在试验室进行膨胀土的自由膨胀率试验研究,试验发现启培抗疏力可有效降低膨胀土的自由膨胀率,在加入2%、5%、15%时,可分别使低、中、高膨胀性膨胀土降到无膨胀性,表明启培抗疏力对于膨胀土的膨胀性抑制作用明显,可用于工程中膨胀土的抗膨胀处理。