侧限条件下非饱和土增湿压缩试验研究

采动区建筑物局部地基增湿可减缓地表曲率变形,为研究非饱和土体增湿过程中的压缩变形规律,对侧限条件下不同初始含水量、荷载作用和渗水点位置等影响土体增湿压缩变形的因素进行了室内试验研究.试验结果表明,施加载荷和渗水点位置对土体渗水量和渗水速度有影响.在荷载作用下,非饱和土体增湿过程的压缩量与土体初始含水率、增湿时间、渗水量以及渗水点位置有密切关系.初始含水率越大土体增湿变形开始的时间越短;增湿时间越长,渗水量越多,施加载荷越大,土体的最终变形量越大;渗水点越接近载荷施加面,增湿变形的效果越显著.增湿变形具有3个阶段和可控性,研究结果对消除采动地表曲率变形对建筑物影响和建筑物结构纠偏等具有理论和实践指导意义.     

膨胀土巴西劈裂强度及其破坏能量演化规律

为探究膨胀土的抗拉强度及破坏特征演化规律,完整描述其拉伸破坏特性,通过试验验证巴西劈裂试验在膨胀土试样抗拉强度测定中的适用性,并在此基础上较为系统地探讨含水率和干密度对膨胀土抗拉强度及加载过程中能量演变的影响。结果表明：巴西劈裂试验对试验范围内的重塑膨胀土样具有较好适用性;试样抗拉强度随含水率升高而减小,且干密度越大减幅越大,随初始干密度增加而增大,且含水率越高增幅越小;膨胀土试样的破坏能与抗拉强度具有类似的变化趋势,但存在一“临界含水率”使得破坏能随含水率增加近似呈现双线性降低趋势,且该“临界含水率”随试样初始干密度的增加而增大。研究结果拓展了巴西劈裂试验的应用范围,并得到了将能量指标作为土体抗破坏能力辅助指标的工程启示。     

重塑膨胀土膨胀力室内试验研究

为了进一步研究膨胀土膨胀力的发展规律,采用平衡加荷法研究南京膨胀土竖向膨胀力随时间、初始含水率、干密度的变化规律。试验结果表明:膨胀土试样初始含水率越小、干密度越大,膨胀速率越快;同一干密度的膨胀土试样随着含水率的增加,膨胀力不断下降,膨胀土试样的膨胀力与含水率基本呈线性关系;同一含水率的膨胀土试样的膨胀力随干密度的增大而增大,膨胀土试样的膨胀力与干密度基本呈幂指函数关系。     

膨胀土微结构对膨胀行为的影响

评估膨胀土的膨胀行为对于膨胀土地区的结构设计十分重要。因降雨入渗,膨胀土在垂直方向和水平方向均产生膨胀变形,当膨胀变形受抑制时将产生膨胀压力,影响其周围结构的稳定性。为揭示膨胀土在增湿膨胀过程中出现各向异性的原因,从微观角度出发,通过电镜扫描(SEM)对百色中膨胀土和枝江弱膨胀土的微观结构进行观察,并通过图像处理技术统计分析膨胀土内黏土矿物颗粒的层状排列。通过研发的二维膨胀仪和改进的试件制备方法,从宏观角度测得了侧限条件下的两向膨胀规律。研究结果表明,膨胀土的微观结构呈片状且面-面相叠;当膨胀土处于天然松散状态时,其内部的黏土矿物颗粒随机定向排列且集聚;压实后,因受各向不均等应力作用,黏土矿物颗粒开始趋向于水平层状排列;干密度越大,土样越密实,其水平层状排列越显著。侧限条件下,两向的膨胀规律表现出显著的差异,干密度越大,膨胀性越强,这种差异就越明显。然而,对黏土矿物颗粒来说,其膨胀的方向垂直于其长轴,高度的水平定向是造成膨胀土在宏观上表现出膨胀各向异性的原因,这种两向的膨胀差异受到干密度和膨胀性的影响,难以做出预测,建议在工程实践中实测两向的膨胀规律。     

宁明膨胀土渗透特性试验研究

为研究宁明膨胀土渗透特性并得到渗流分析所需参数,在了解土性和土体结构特征的基础上,对广西宁明两种膨胀土的原状样和重塑样分别进行了饱和渗透试验、压力板试验和收缩试验,根据试验结果用间接方法得到非饱和膨胀土渗透系数及其随含水量变化规律。结果表明:矿物成分、土体结构对膨胀土的渗透性有一定影响,膨胀性粘土矿物含量越多,渗透系数越低、透水性越差。原状土被扰动重塑后微结构破坏,渗透性大大降低。宁明非饱和膨胀土渗透系数随着含水量减少(基质吸力增大)而急剧减小,渗透系数与含水量之间可以用指数函数拟合。     

渗漏对非饱和膨胀土地基变形的影响

渗漏会引起非饱和膨胀土地基中的水分迁移,由此导致工程病害。目前对渗水增湿过程及增湿变形尚难预测。首先对膨胀土地基渗水增湿过程进行理论分析,针对地基渗水增湿的变形过程,建立了二维膨胀土积水入渗模型,该模型揭示了膨胀土地基非饱和增湿过程。经计算得到膨胀土地基含水量变化后,根据含水量的变化,选择分层总和法计算膨胀土增湿变形量。通过分析增湿过程中膨胀土的变形特性,得到了膨胀土在逐级增湿时的变形发展过程。并经实例计算,验证了入渗增湿计算模型及增湿变形计算方法的可行性和合理性。     

中等膨胀土填筑路堤的可行性试验研究

对中等膨胀土进行不同击实功和含水量条件下的击实试验，CBR试验，收缩试验和50kPa荷载下的膨胀量试验，以查明其含水量，干密度和膨胀收缩特性对CBR值的影响，研究结果表明：中等膨胀土的CBR值主要受控于含水量和干密度，在最佳含水量附近压实虽可获得较高的压实度，但CBR均小于3．0％，增大含水量压实可使CBR值提高，但压实度难以达到90％，因此，中等膨胀土不宜直接用于填筑路堤。     

压实黏土膨胀与收缩特性试验研究

为了研究压实黏土遇水膨胀与失水收缩特性,开展了压实黏土的膨胀与收缩试验。试验结果表明,土样的压实度和初始含水率对其膨胀与收缩影响显著。压实黏土样的膨胀量随浸水时间延长基本呈现“S”型增大。压实黏土的干缩在初期属于正常收缩;在失水干缩后期,干缩体积小于失水体积,收缩量随时间变化为下凹型曲线;最后进入稳定的零收缩阶段。压实密度越大,收缩率越小;初始含水率越高,收缩率越大。压实黏土的干缩变形具有显著的各向异性。此研究对干旱及半干旱地区黏土干缩开裂机理的研究提供理论基础。     

西安某地裂缝两侧黄土物理力学性质试验

概述了西安地裂缝的成因、分布规律和活动速率等特征,然后对某条地裂缝特定地段附近的Q₃黄土及其下面第一层古土壤进行了原状土样的常规土工试验和重塑土样的三轴流变试验。常规土工试验表明,以地裂缝为中心,越靠近地裂缝土样的天然密度、含水量、液塑限越大,孔隙比、内聚力和内摩擦角越小,均以地裂缝为中心近乎呈对称分布。重塑土样的三轴流变试验表明,地裂缝带内土的三轴流变特性较地裂缝附近黄土的流变特性明显的多。这从另一角度证明了地裂缝为一宏观不连续软弱结构面,为从力学角度研究地裂缝对工程结构的影响分析研究提供参考。     

非饱和分散性黏土多次冻融特性试验

针对中国季节性冻土区分散性黏土,通过室内非饱和冻融试验,探索其在不同初始含水率、干密度、多次冻融下的冻胀融沉特性.结果表明:分散性黏土的冻融特性明显区别于一般性非分散性黏土,其冻胀量远大于非分散土;多次冻融后,分散性黏土冻胀表现为冻胀后松散特性,而非分散土冻胀表现为冻融密实特性;初始含水率、干密度和冻融次数对融沉系数和冻胀率影响较大;初始含水率越大,冻胀量和融沉量越大;多次冻融后,分散性黏土内部含水率重新分布,初始含水率越低,相应部位含水率增大百分率越大;在有外界补水下,初始含水率较高的分散性黏土经过2次以上冻融后均可表现为强冻胀;不同干密度的分散性黏土,融沉系数随冻融次数增大而增大,后趋于稳定.试验得到的新认识可为"一带一路"北线黑龙江和吉林两省公路、铁路和水利工程建设提供指导,以采用必要措施减小分散性黏土冻融破坏.     

干湿循环作用下膨胀土表观胀缩变形特性

为揭示不同上覆压力及含水率幅值条件下膨胀土胀缩特性及表观不可逆变形,开展了干湿循环作用下膨胀土表现胀缩变形特性试验研究.从微观的角度分析了膨胀土吸水膨胀、失水收缩的特性及产生裂隙的原因;探讨了不同压力及含水率循环幅值条件下,膨胀土试样高度、相对膨胀率、相对线缩率、随含水率及循环次数的变化关系以及试样表观相对不可逆变形量与累计不可逆变形量随循环次数的变化关系.研究结果表明:膨胀土吸水膨胀失水收缩是土颗粒间水体变化叠加的直观反应,也是土体内部产生裂隙的主要诱因;膨胀土失水收缩过程中,基质吸力以最大程度限制含水率减小的方式逐渐增大;不同压力作用下,试件高度随含水率呈线性变化关系,而无压力作用下的变化关系波动较大;随着循环次数的增加,膨胀土相对膨胀率逐渐减小,而相对线缩率先增大后减小,且上覆压力越大,相对膨胀率越低;不同含水率幅值范围内的相对膨胀率与相对线缩率随着循环次数的增加具有逐渐减小的趋势;不同压力作用下,含水率为15%时,膨胀土的累计不可逆变形随着循环次数的增加逐渐增大,而在含水率为25%时其反而逐渐减小.     

Theoretical and experimental study of initial cracking mechanism of an expansive soil due to moisture-change

Swelling and shrinkage due to moisture-change is one of the characteristics of the expansive soil, which is similar to the behavior of most materials under thermal effect. If the deformation is restricted, stress in expansive soil is caused by the swell-shrinking. The stress is defined as “moisture-change stress” and is adopted to analyze swell-shrinkage deformation based on the elasticity mechanics theory. The state when the total stress becomes equal to the soil tensile strength is considered as the cracking criterion as moisture-change increases. Then, the initial cracking mechanism due to evaporation is revealed as follows: Different rates of moisture loss at different depths result in greater shrinkage deformation on the surface while there is smaller shrinkage deformation at the underlayer in expansive soil; cracks will grow when the nonuniform shrinkage deformation increases to a certain degree. A theoretical model is established, which may be used to calculate the stress caused by moisture-change. The depth of initial cracks growing is predicted by the proposed model in expansive soil. A series of laboratory tests are carried out by exposing expansive soil samples with different moisture-changes. The process of crack propagation is investigated by resistivity method. The test results show good consistency with the predicted results by the proposed theoretical model.     

基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型及其数值实现

膨胀土的应力应变关系与含水量的变化有关,通过室内试验对膨胀土的变形、强度以及膨胀参数与含水量之间的关系进行研究,以湿度应力场理论为基础,提出了一个具有工程实用价值的基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型。依据FLAC3D数值模拟软件所提供的二次开发程序,给出了该膨胀土弹塑性本构模型二次开发程序过程的基本原理以及模型的程序框图。结合渗流软件计算的湿度场分布,进行膨胀土基坑边坡实例验算,验证了该本构模型的正确性。     

初始含水率对风化砂改良膨胀土膨胀力影响

膨胀力是反应膨胀潜势的重要指标之一,选取湖北宜昌小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程K25+000段膨胀土,对其进行掺风化砂改良处理,在对不同风化砂掺量下的膨胀土进行基本胀缩试验的同时,深入探究了初始含水率对风化砂改良膨胀土膨胀力的大小以及增长速度的影响.试验研究结果表明,掺入风化砂后,膨胀土的各项胀缩指标均有明显改善,且均能达到路基填料的标准;在同一风化砂掺量下,随着初始含水率的增加膨胀力逐渐降低,且膨胀力可以用初始含水率的幂函数很好地描述,两者相关性较好;初始含水率越低土样所具有的的膨胀潜势及膨胀力越大,膨胀力随时间的变化曲线越陡,浸水后改良膨胀土的膨胀力的增长主要集中在1h以内,稳定速度较快;综合考虑经济性以及初始含水率和风化砂掺量对膨胀力大小的影响,建议将风化砂掺量控制在30%~40%,初始含水率控制在略大于最佳含水率1%~2%内,此时对膨胀力的抑制效果较好.     

延安新区压实Q_2黄土增湿变形特性研究

以延安新区黄土高填方工程建设为依托,开展了16组不同初始压实度和初始含水率条件下的压实Q_2黄土高压力下的增湿变形试验,分析不同压实度和含水率条件下增湿变形系数随压力增大的变化规律及影响增湿变形特性的主要因素。结果表明,不同初始压实度和初始含水率条件下的曲线形态差异较大;压实Q_2黄土的增湿变形特性受压实度和含水率影响很大,提高压实度和含水率可以显著减小其遇水饱和后的增湿变形量,将压实度提高至90%或将含水率增大至16.8%时,压实Q_2黄土不再发生湿陷变形。     

尿素改性膨胀土的变形试验研究

将相同含水量、相同干密度的邯郸地区膨胀土,在不同的尿素含量、不同龄期和不同竖向压力作用下进行变形试验。研究结果表明,改性处理后膨胀土的膨胀力、膨胀率和自由膨胀率分别由原来的111.16kPa、6.02%、72%下降为19.81kPa、0.01%、7.9%。尿素对膨胀土的膨胀性有很好的抑制作用。     

防渗对降雨引起的膨胀土路基渗流场的影响

采用有限元软件ABAQUS对由降雨引起的城市道路路基渗流场进行数值模拟。在降雨量一定的情况下,根据采用和不采用防渗措施时路基中饱和度和含水量的分布,分析降雨强度、土工膜防渗以及防渗深度对路基中水分分布及迁移的影响,并探讨土工膜防渗对控制城市道路膨胀土路基胀缩变形的意义。分析结果表明:降雨强度越低,雨水入渗引起的路基含水量变化量越大,沿路基横断面分布越不均匀;土工膜防渗以后,路基受降雨的影响明显下降,随着防渗深度的增加,降雨对路基中含水量分布的影响显著减小;防渗可控制降雨引起的膨胀土路基膨胀变形的发展。