基于主动加热型FBG的土体干密度原位测量方法研究

针对现有干密度原位测量技术的局限性,提出了一种基于主动加热型FBG的土体干密度原位测量方法(简称H-FBG干密度法),该法通过土体的导热系数,建立温度特征值(T_t)与干密度ρd之间的关系,进而对干密度进行原位测量;在室内试验的基础上,讨论了该方法的最优加热参数,研究了土类型与含水率对测量结果的影响,证明了该方法的可行性。试验结果表明:T_t随着ρd增加而降低,指数函数模型相较于幂函数模型和线性模型的T_t-ρd曲线拟合效果要好;H-FBG干密度法最优加热参数为15W/m和5min;高含水率土体受微观结构的影响,随着ρd增加T_t变化率减小。     

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明:试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。     

基于光纤感测技术的抽水回灌过程砂土变形室内试验研究

将光纤感测技术应用于抽水及回灌过程中砂土变形规律室内模型试验研究。研发了特种应变感测光缆测量砂土内部变形,采用碳纤维内加热光缆测量了砂土内部含水率分布与地下水水位面变化,并用传统的千分表和测水头管对相关结果进行了对比分析。研究成果揭示了抽水及回灌过程中砂土变形对土体内部水分运移的响应规律和机理,为地面沉降潜在评估和预警预测探索了新方法。同时,研究成果也验证了光纤感测技术应用于砂土变形室内模型试验测量中的可行性。     

膨胀土收缩开裂过程及其温度效应

温度作为主要的外部环境因素之一,对膨胀土水-力学性质有重要影响。为了了解膨胀土在不同温度条件下的干缩开裂特性,开展了一系列干燥试验。试验中共配制了9组初始饱和的泥浆试样,干燥环境温度分别为22℃,60℃和105℃。在干燥过程中,实时监测试样的含水率变化及表面裂隙的演化过程,利用数字图像处理技术,对裂隙图像进行了定量分析,获得了表面裂隙率R_sc;采用填充法,测量了裂隙的体积。结果表明：在干燥初期,试样中水分蒸发速率为常数,且随温度的增加而增加,试样达到残余含水率所需时间随温度的增加而减小;裂隙出现时对应的临界含水率w_IC受温度的影响非常明显,当温度从22℃增加到105℃时,w_IC从38.0%增加到90.9%;在裂隙发展前期,R_sc增速较缓,随后进入快速发展期,较小的含水率变化可导致R_sc迅速增加;当含水率接近终期临界含水率w_FC或缩限时,裂隙发展趋于稳定,且w_FC基本不受温度的影响;在高温环境下,膨胀土的裂隙发育程度较低温环境高,存在明显的温度效应。     

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明：试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。     

基于光纤传感技术的渗流监测室内模型试验研究

基于分布式光纤的传感机理,分析了采用分布式光纤的温度传感系统监测水利工程渗流的可行性,设计室内模型试验,分析了试验过程中土石坝模型的温度变化与水头和光纤加热时间的关系,得出了加热时间—温度变化、水头变化—温度变化的关系,为光纤传感技术在实际工程中的应用提供了技术支持。     

基于分布式光纤温度监测系统的集中渗漏通道流速计算模型

分布式光纤测温系统因其造价低、可实现实时快速分布式测温等优点,在堤坝渗漏监测方面具有良好的应用前景。但由于缺乏必要的理论基础和试验研究,目前分布式光纤测温的应用仅局限于渗漏定性分析,缺乏定量计算研究。根据分布式光纤温度监测系统在不加热和加热两种情况下的温度测量值,利用热平衡理论及坝体周围岩土体温度变化与集中渗漏流速关系建立数学物理模型,在层流和紊流两种不同流态下探讨了渗漏流速的确定方法。经过一个实例计算,验证了所推导公式的正确性,为分布式光纤测温在渗漏监测中的应用,提供了一个定量分析的依据。     

含水率和含盐量对冻土无侧限抗压强度影响的试验研究

为了探索冻土的力学性质,开展了不同含水率、不同Na₂SO₄含量条件下冻结低液限黏土的无侧限抗压强度试验,探讨了含水率、Na₂SO₄含量对冻土应力应变特性、强度与破坏类型的影响,以及冻土无侧限抗压强度与上述两影响因素之间的关系。试验结果表明：随着含水率的升高,冻土逐渐表现出塑性;Na₂SO₄含量越高,脆性破坏特性越显著。冻土强度随含水率和Na₂SO₄含量的升高先增加,达到最大强度后迅速降低,最大强度对应的含水率为17.5%。含水率为13.5%时,最大强度对应的Na₂SO₄含量为4.4%,含水率为15.5%与17.5%时,最大强度对应的Na₂SO₄含量为5.8%。     

碳纤维混杂纤维混凝土高温后力学性能试验研究

通过高温电阻炉持续加热掺入碳纤维与碳纤维混杂纤维的混凝土,分析了在不同温度加热后,各种纤维混凝土物理力学性能的变化情况,通过设置温度变量,定量分析了不同温度下混杂纤维混凝土的变化与损伤规律,试验结果表明混杂纤维提高了混凝土的安全性。     

地源热泵土壤热导率实验研究

土壤热导率是影响地源热泵性能的关键因素之一,本研究主要针对宁波市不同地层土壤热导率进行测定实验,利用热探针法测定土壤的热导率,以宁波市为例,得出了土壤热导率与地层深度、含水率的关系,提出选用合适的加热电流可以减小利用探针法测量土壤热导率的误差。     

含水率变化下压实路基土动态回弹模量试验研究与预估模型

路基土动态回弹模量MR是路面设计和使用性能评价采用的关键参数,运营期间受含水率变化影响显著。以压实红黏土为研究对象,制备了6个不同含水率和3种不同压实度的试样,采用滤纸法测试了不同状态下的基质吸力,并通过动三轴试验研究了含水率、压实度、动偏应力和围压对动态回弹模量的影响。试验结果表明:MR随压实度、围压的增大而增大,随动偏应力增大呈非线性减小;MR随含水率增大急剧降低,从最佳含水率增加4.5%时,不同压实度下MR均降低约50%,动偏应力和压实度对MR的影响随含水率增大逐渐减弱;MR随含水率和饱和度的变化规律与土性显著相关,而不同土样的MR随基质吸力变化趋势基本一致。进而引入基质吸力,建立了综合考虑含水率和应力水平影响的压实路基土MR预估模型,通过本文和文献试验数据证实了该模型的适用性,并基于13种土样的试验结果建立了模型参数与物性指标之间的经验关系。     

A distributed measurement method for in-situ soil moisture content by using carbon-fiber heated cable

Moisture content is a fundamental physical index that quantifies soil property and is closely associated with the hydrological,ecological and engineering behaviors of soil.To measure in-situ soil moisture contents,a distributed measurement system for in-situ soil moisture content(SM-DTS) is introduced.The system is based on carbon-fiber heated cable(CKHC) technology that has been developed to enhance the measuring accuracy of in-situ soil moisture content.Using CFHC technique,a temperature characteristic value(T_t) can be defined from temperature-time curves.A relationship among T_t,soil thermal impedance coefficient and soil moisture content is then established in laboratory.The feasibility of the SM-DTS technology to provide distributed measurements of in-situ soil moisture content is verified through field tests.The research reported herein indicates that the proposed SM-DTS is capable of measuring in-situ soil moisture content over long distances and large areas.     

土体热传导性能及其热导率模型研究

为研究不同土体的热传导特性变化规律,利用热探针测试了南京地区典型土体在不同含水量和干密度状态下的热阻系数,分析了含水量、干密度、饱和度以及矿物成分等因素对土体热阻系数的影响,研究了不同状态下土体热导率的预测模型,提出了适用于不同地区土体热阻系数估算的修正系数.结果表明:南京地区典型土体的热阻系数随含水量和干密度增加而减小,当含水量超过一定范围后,热阻系数趋于稳定;热阻系数与饱和度之间的关系表现出与其含水量之间相似的变化规律;土颗粒的热传导特性由其矿物成分决定,石英含量对土颗粒热传导特性有着显著影响;提出了可用于非饱和土热导率估算的修正归一化模型,该模型对于粗粒土具有较高的预测精度,细粒土则需考虑区域差别进行修正.     

粗粒土静止侧压力系数估算方法研究

静止侧压力系数K_0是土体基本的力学参数,进行粗颗粒土K_0系数的研究对土石坝及填方工程有重要的理论意义和应用价值。目前,适用于粗粒土K_0试验仪器及方法较少,因此准确可靠的K_0估算公式在实际土石坝工程中具有较强的应用性。为得到可靠的粗粒土K_0估算公式,利用大型K_0测试仪以及大型三轴仪,对某砂卵砾石料和堆石料同时进行了系列K_0试验以及CD三轴试验。基于各土料K_0试验结果,验证了笔者之前提出的粗粒土K_0与竖向应力的关系式。在此式基础上,结合三轴试验结果,总结了一个根据有效内摩擦角φ′预测任意固结状态以及应力状态下粗粒土K_0值的估算公式。最后,利用K_0试验结果验证了本文估算公式的准确性及适用性。     

基于范德堡法的非饱和土电阻率测试方法

电阻率法是实现无干扰土体压实度及水分迁移测试的一种有效方法。范德堡法(vdP法)广泛应用于半导体等材料的电阻率测量领域,有较高的精度,将该方法引入非饱和土电阻率测试,研发了一种只接触土体表面而不破坏土体结构的土体电阻率测试装置及方法,装置由钛电极片、交流恒流源、电压采集及数据处理系统4部分组成。采用此装置对某粉黏土的电阻率进行了测试研究,验证了电极尺寸、试样高度以及温度对于测试精度的影响;测试了不同含水率、压实度下土体电阻率的变化规律,试验表明所提供的测试方法具有精度高、测试稳定、对土样无干扰等优点。     

基于NMR技术及分形理论预测SWRC

土-水特征曲线(SWRC)是非饱和土力学中的基础本构关系,在研究非饱和土强度、体变及渗透系数等方面具有重要作用。通过试验直接测量SWRC,耗时较长,且通常得到的只是离散数据点,缺乏连续性,不能完全满足非饱和土研究的需要,因此,通过间接方法快速预测SWRC的完整数学表达式具有实际意义。以无损伤的核磁共振(nuclear magnetic resonance)技术为基础,结合Young-Laplace理论,建立基质吸力ψ与T2值的关系式;利用分形理论,推导出质量含水率w与T2值的关系式,最终建立了预测SWRC的数学模型,研究结果表明其预测结果与实测值吻合较好。     

CO2碳化矿渣-CaO-MgO加固土效能与机理探索

CO₂碳化联合工业固废协同加固土技术是旨在替代传统水泥固化方法的新型技术尝试。以工业废料——矿渣为主要材料,辅以活性MgO和CaO形成矿渣-CaO-MgO固化体系,将固化土料均匀搅拌制样后进行CO₂碳化试验。通过无侧限抗压强度、扫描电镜和X射线衍射等试验,探究固化剂掺量、配比、碳化时间和初始含水率等因素对碳化加固土效果的影响。结果表明：CO₂碳化对土体加固具有明显改良效果,碳化24 h试样抗压强度最高可提升25.77倍;碳化试样抗压强度与固化剂掺量（6S4L0M除外）、活性MgO占比呈正相关;碳化试样强度随碳化时间先增加后趋于平缓（或略微下降）、最佳碳化时间为6 h左右,随初始含水率增加而先增加后下降、最佳含水率为16%左右;活性MgO碳化效能明显优于活性CaO,矿渣中低活性CaO并不能显著改良自身碳化性能。CO₂碳化作用促使碳酸盐晶体（CaCO₃、MgCO₃）生成,晶体发育程度与碳化时间、固化剂掺量及活性等因素有关;碳酸盐晶体有效填充试样内部孔隙并黏结土颗粒,形成整体骨架结构使试样强度得以大幅提升。     

接触面滑坡滑带土吸力的滤纸法测试

吸力是控制非饱和土状态的一个决定性因素,滤纸法就是一种间接测量吸力的方法,具有成本低、测量范围大、测量精度高等优点。滤纸法测试土样取自甘肃省天水市一黄土–泥岩接触面滑坡的滑带土,该土样的强度对含水率变化非常敏感,因此对该滑带土的非饱和特性的研究至关重要。试验中首先测定了该滤纸干湿两种状态下的平衡时间,然后对试样分别采用干湿两种状态下的双圈牌203和WhatmanNo.42型滤纸进行了对比试验,运用接触式和非接触式方法分别测定试样的基质吸力和全吸力。通过分析对比低吸力段滤纸含水率,确定了滤纸法测试该类土的下限吸力值。采用Oringin软件对试样全阶段基质吸力曲线拟合,确定了相应的拟合参数和合适的拟合方程。为进一步研究和治理该滑坡提供了参考价值。     

细粒含量对细粒–砂粒–砾粒混合料动强度的影响

从现有文献可以发现,含砾量、制样方法、相对密度和固结比等因素对饱和砂砾土动强度CRR的影响已有较多研究,但鲜有文献涉及细粒含量FC对砂砾土CRR的影响。通过一系列不排水循环三轴试验,研究了FC对细粒–砂粒–砾粒混合料CRR的影响。基于颗粒接触状态理论,将细粒–砂粒–砾粒混合料分为类粗粒土、类细粒土和中间性态土;引入"循环流动"和"循环液化"描述类粗粒土和类细粒土的循环破坏过程,提出了适用于混合料的循环破坏标准。试验结果表明:随着FC的增大,混合料的CRR呈现出先降低后增大的特征,当FC=30%时,混合料的CRR最低。通过分析发现,细粒–砂粒–砾粒混合料的CRR随骨架孔隙比e_k的增大而降低,且当FC25%或FC35%时,两者有较好的指数关系,说明e_k是合理地表征细粒–砂粒–砾粒混合料CRR的一个物理指标。