剑麻纤维复合黏性土裂隙发育特征及其机理研究

土体开裂一直是地质工程领域内的一个研究热点。近年来由于受到极端天气的影响,在干燥的气候条件下,水分的蒸发将导致黏性土表面及内部产生干燥,进而收缩、开裂,发育成纵横交错的裂隙,使地面及其上建筑物产生破坏。本文针对黏性土干缩开裂的问题,通过添加剑麻纤维制备得到纤维复合黏性土,并开展一系列干湿循环试验。试验以添加不同剑麻纤维含量(Cf=0、0.1%、0.3%、0.6%)作为变量,共制备4组试样,且每组均含3份对照试样。将试样置于20℃的恒温养护箱中进行干燥,实时记录其裂隙发育过程,并结合数字图像处理技术(PCAS),对土体表层裂隙网络的几何形态进行了定量分析,以探究纤维对黏性土裂隙发育的影响。试验结果表明:(1)随着黏性土中所添加剑麻纤维含量的不断增加,其表面产生裂隙的长度、宽度及被裂隙所分割的土体区块面积均不断地减小。(2)通过对黏性土进行干湿循环试验可知,试样中剑麻纤维含量越高,每一次干湿循环后其表面裂隙"愈合"效果越好,同时整体稳定性得到一定程度的提升。     

土体裂隙的量测表征及开裂试验研究

本文研究土体裂隙的量测方法与定量化表征指标,基于MATLAB程序语言开发了一套能进行单张、批量土体裂隙图像处理、三维重建的软件。运用软件,对合肥膨胀土进行失水收缩开裂的试验,通过记录试样的开裂及裂隙演化过程,定量分析裂隙度、裂隙总长度、裂隙平均宽度以及裂隙分形维数等指标随含水率的变化关系。结合张拉破坏及体积收缩相关理论,对膨胀土开裂的部分微观过程进行研究,分析试验得到的裂隙指标结果发现:膨胀土的开裂过程主要有张拉破坏和体积收缩两个阶段,初始开裂临界含水率(w_c=44.7%)至含水率38%左右阶段主要表现为土体表面及内部的张拉破坏,裂隙长度、分形维数值迅速增加;在含水率38%至5%左右,试样主要发生体积收缩,裂隙面积、平均宽度等指标持续增加并最终随着含水率的逐渐降低而趋于稳定。     

基于COD断裂准则的土体干缩裂隙萌生扩展力学机制

为探究土体干缩裂隙演化力学机制，基于单向干燥开裂试验规律概化了裂隙演化物理模型。在弹塑性断裂力学EPFM理论框架内，考虑裂隙顶端张开位移表征断裂临界参数，建立了裂隙扩展过程中的损伤本构关系，并对其物理过程进行了数值分析。研究表明：容器边界处产生的裂隙仅是边界效应，并非土体开裂自然现象，且边界约束会降低裂隙扩展速率；土体天然缺陷会导致干燥过程中出现收缩应力的集中，优先萌生裂隙；裂隙顶端阻力过大会降低裂隙扩展规模和发展速率，残余收缩阶段的土体干燥裂隙扩展规模有限；基于COD张开位移断裂准则的土体干缩裂隙演化物理模型能很好的反映裂隙扩展过程，单元试验内矩形试样的裂隙角度分布在30°～135°；数值试验中因天然缺陷随机发育较多形成的裂隙分岔较多，且最初萌生裂隙的区域总位移通常较大，为2.573×10-3～4.512×10-3m，分支衍生裂隙周边土体位移较小，仅为1.073×10-3～1.526×10-3m。工程实践中，若能采取合理的约束或保湿控裂措施可适当降低裂隙扩展速率和裂隙规模。     

BF-ECC力学性能及应变硬化机理研究

火灾、爆炸等突发事件时常威胁人们的生命和财产安全，研发一种抗爆炸、抗冲击的建筑材料成为较为热门的研究方向。通过多缝开裂的应力准则设计配合比，掺入玄武岩纤维使复合材料发生应变硬化；并研究了裂缝数量和宽度随纤维掺量的变化规律，得出复合材料的强度和延性同时随着玄武岩纤维掺量的增大而提高的结论。薄板拉伸试件多缝开裂的裂缝宽度保持在3μm。还利用纤维简化模型对裂缝间距进行计算，与实测裂缝间距误差在10%以内；给出了玄武岩纤维应变硬化水泥基复合材料的峰值强度计算式，并用于预测高强水泥基体改变玄武岩纤维掺量的峰值应力。     

棕丝加筋红黏土的裂隙特性研究

在干旱气候环境中,红黏土具有显著的裂隙性,由此引发大量的工程地质灾害。为抑制红黏土裂隙的发展,通过在红黏土中添加棕丝改良并开展室内干缩开裂实验,研究棕丝长度及掺量对红黏土裂隙发展及特征指标的影响。结果表明,在干燥开裂过程中,红黏土的裂隙特征指标均经历了从快速增长到趋于稳定的阶段,但变化规律并不完全相同,当裂隙率趋于稳定时,裂隙长度逐渐增加而裂隙宽度却呈现减少趋势。土表中央裂隙产生早于边界裂隙,中央裂隙间交叉角度约90°,边界裂隙与边界大体平行。随着棕丝掺量的增大,改良土的裂隙率和裂隙宽度相应减小,裂隙长度先减小后增大;随着棕丝长度的增大,改良土的裂隙率、裂隙宽度均先减小后增大,裂隙长度先减小后增大最后减小。采用0.3%的棕丝掺量、10mm的棕丝长度,并在适当的含水率状态下可有效抑制红黏土裂隙的发展。     

生物炭对不同土体干缩开裂特性的影响及其机理研究

自然界许多土体失水干缩后常发育裂隙，引起各类工程地质问题，在土中掺入生物炭可以有效改变土体干缩开裂特性。本研究重点针对下蜀土、红黏土两种特殊土体，探究了不同掺量木质生物炭（0,0.01,0.03,0.05,0.1 kg/kg）对土体干缩开裂特征的影响，并结合微观结构分析及液塑限试验结果，阐明了影响机理。结果表明：(1)生物炭对于不同土体的影响有显著区别。生物炭能够加快下蜀土裂隙发育初期的速度，但会降低后期裂隙发育速度并抑制开裂；抑制效果随着掺量的增加而增强，裂隙比最高可下降32.2%。生物炭显著促进红黏土的裂隙发育，且促进效果随着生物炭掺量的增加而愈加明显，裂隙比最高可上升80.4%。(2)生物炭通过两种方式影响土体干缩开裂，一方面是作为非塑性材料占据土体可收缩空间；另一方面是影响土体颗粒的水化膜厚度进而影响土体膨胀。不同生物炭改性土体的开裂特性的不同取决于两种作用方式的相对强弱。     

干湿循环下红黏土边坡裂隙演变规律

为研究干湿循环下红黏土边坡裂隙的演变规律,采用室内边坡模型模拟日照-降雨干湿循环方式,并使用图像处理技术对获得的裂隙光栅图像进行二值化处理,提取了红黏土边坡裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、土块个数等定量化指标,分析了降雨-蒸发循环作用下裂隙指标的演变规律与干湿循环次数的关系。结果表明:导致红黏土开裂的主要原因是含水率梯度引起的土体上下部基质吸力的差异性,致使土体收缩不均匀,而土体的胀缩性、渗透性和脱湿速率的空间分布则是决定含水率梯度的关键因素; 裂隙的宽度、深度和裂隙率随干湿循环次数的增加先增大然后趋于稳定; 裂隙总条数、土块个数和裂隙总长度在第1次干湿循环后达到最大值,第2次干湿循环后均出现不同程度的降低,之后裂隙总数量趋于稳定,但裂隙总长度和土块个数在后期干湿循环中仍有小幅增大。     

土体气压劈裂裂隙扩展特性及影响因素分析

气压劈裂是指土体在高压气体作用下产生裂隙并发展的过程。在分析气压劈裂裂隙扩展特性的基础上,考虑气体与土体相互作用机理,提出气压劈裂裂隙扩展模型适用条件;同时进行气压劈裂裂隙扩展模型中关键影响因素参数分析。参数分析结果表明,土体的透气性对于气压劈裂效果有显著的影响,裂隙最大宽度和裂隙半径随着土体中气体渗透系数的增大而减小,呈指数关系;喷气量的增加可以增大裂隙最大宽度和裂隙半径,尤其对增大裂隙宽度效果更为明显;喷气深度的改变对于裂隙半径影响显著,呈线性正相关性;裂隙最大宽度随着弹性模量的增大而减小,呈指数关系,当模量增大到一定程度时,裂隙宽度趋于极限值,裂隙半径与弹性模量呈线性正相关关系。     

玄武岩纤维加筋黏土三轴试验研究

按纤维与干土质量的百分比0.0%,0.1%,0.2%,0.3%和0.4%配制了玄武岩纤维加筋黏土试样,在控制干密度的条件下,对试样进行了一系列三轴固结不排水剪试验。试验结果表明:(1)玄武岩纤维加筋黏土试样的破坏形态均呈鼓胀型,为明显的塑性破坏;(2)采用玄武岩纤维加筋,能够显著增加黏土的有效黏聚力,但对有效内摩擦角影响不大,当纤维掺量为0.3%时,土体的有效黏聚力最大;(3)玄武岩纤维加筋黏土的应力–应变关系总体表现为弱硬化型,可以用双曲线来拟合,在纤维掺量相同时,其拟合结果的参数b随围压的增大而减小,在围压相同时,参数b随掺量的变化规律与围压大小有关。     

降雨–蒸发条件下膨胀土裂隙演化特征试验研究

 为了解裂隙演化规律,在实验室模拟降雨–蒸发条件,开展一系列干湿循环作用下的膨胀土裂隙演化试验,记录土样干缩开裂、湿化愈合的动态演化过程。利用裂隙图像识别程序对裂隙面积率等参数进行定量分析;采用灌蜡法,观察裂隙最终形态并测量了裂隙的体积。试验结果表明：脱湿过程中裂隙发育分为缓慢→快速→缓滞增长3个阶段,其中,快速增长II阶段可完成整个裂隙发育的80%～90%;当土样基质吸力接近进气值时,土体开始出现裂隙,当含水率w接近缩限值时,裂隙发育接近停滞;干湿循环过程中,新生裂隙并不一定会在原裂隙处产生;干湿循环效应表现为：裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育,主要体现在裂隙面积率与裂隙条数的增加,但随着裂隙发育的反复开裂、愈合使得膨胀土体结构趋于松散,拉应力势能储备逐渐降低,后期的干湿循环过程中,裂隙率、裂隙分维等形态参数会趋于稳定。灌蜡法测得裂隙体积167.8 cm3,约占试样总体积的4.8%,这一方法具有设备简单、操作性强的优势,为测量裂隙体积、观测裂隙三维形态提供了新的思路。     

土体干缩裂隙发育方向及演化特征的层间摩擦效应研究

自然界中的土体通常成层分布,在干旱条件下,表层土体的干缩开裂过程极易受层间接触条件的制约。为了探究土层间摩擦效应对土体干缩裂隙发育方向及其演化特征的影响,开展了一系列室内干燥试验。试验共配置了3组初始饱和的泥浆样,在30℃的室温条件下干燥失水,通过在试样底部铺设不同粗糙度的砂纸来模拟不同土层间的摩擦效应。试验过程中对试样表面及侧面进行定时拍照,从不同角度记录了裂隙发育全过程,通过分析,获得了一些新发现:(1)干缩裂隙不仅能从土体表面向下发育,而且还可能率先从土体底部向上发育,这不同于以往的习惯性认识;(2)初始裂隙的发育位置受土质条件及基底摩擦条件的共同制约,对于非均质性比较严重或者表面存在明显"杂点"的土体而言,裂隙往往首先从表面"杂点"处产生并向下发育,而对均质性较好的土体而言,在基底摩擦效应的影响下裂隙可以率先从土体底部生成并逐渐向上发育,且土体底部的裂隙发育程度甚至会高于表面的裂隙发育程度;(3)底部生成的裂隙以斜向上发育居多,这可能与裂隙发育过程中受到的剪切应力作用有关;(4)干燥过程中,土体呈向心收缩,存在明显的收缩核现象;(5)基底摩擦效应能改变土体干缩开裂过程中内部应力场的演化,从而对土体的横向和纵向收缩应变及剖面含水率的空间分布产生影响,如基底摩擦越大,土体横向收缩应变越小,而纵向收缩应变越大。     

聚丙烯纤维、玄武岩纤维和钢纤维增强混凝土早期开裂性能研究

通过平板试验,对比研究玄武岩纤维、钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土最大裂缝宽度、平均开裂面积、单位面积裂缝数目和单位面积总的开裂面积,结果表明:纤维的掺入,可明显改善混凝土的早期开裂,且玄武岩纤维、钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土的阻裂效果存在差异,而当体积掺量达到0.25%时,3种纤维的阻裂效果并未有明显区别。     

含隐裂隙柱状节理玄武岩单轴力学特性研究

 对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析,研究结果表明：(1) 隐裂隙影响试样的压缩破坏特征,试样受原生隐裂隙的切割,其压缩变形破坏模式为隐裂隙尖端裂纹的扩展、裂隙面之间的剪切滑移以及由裂隙面剪切变形而引起张拉破裂等构成的剪切–张拉型变形破坏模式。(2) 受原生隐裂隙的影响,试样在变形破坏阶段,应力–应变曲线呈“锯齿”状;(3) 含隐裂隙的玄武岩天然平均单轴抗压强度为106 MPa,低于同场地完整的隐晶质玄武岩;且试样中隐裂隙越发育,其强度越低;(4) 加卸载过程中,不同类型的变形所引发的声发射信号特征不一样,永久应变所引发的声发射信号幅值比弹性应变所引发的高;(5) 试样在破坏之前,内部破裂较少,声发射数保持平稳,进入变形破坏阶段后,声发射数激增;试样中的隐裂隙对声发射能量具有吸收效应,而当隐裂隙闭合时,吸收效果减弱。     

表面张力与接触角对膨胀土干缩开裂影响的试验研究

用悬滴法对纯水、酒精溶液和肥皂水(表面活性剂)3种液体的表面张力进行测量,比较3种液体表面张力的大小;用躺滴法测量混有十八胺的两种土样的接触角。在此基础上,针对不同表面张力和接触角的膨胀土试样进行收缩开裂试验。试验结果表明:孔隙水表面张力和接触角对膨胀土的收缩开裂有重要影响。表面张力越小的试样,其最终收缩开裂裂隙度越小,但在裂隙发展阶段,脱湿时间相同时,孔隙水表面张力小的土样其收缩开裂裂隙度有可能大于表面张力较大的土样。增大土颗粒与孔隙水间的接触角可以很好的抑制膨胀土的收缩开裂,接触角越大,相同的脱湿时间下土体的收缩开裂裂隙度越小。减小孔隙水表面张力或增大接触角都会使土体中的弯液面曲率半径增大,从而减小土体中的基质吸力。接触角的增大还有可能使弯液面由凹变凸,基质吸力会因此消失,从而很好的抑制膨胀土开裂。     

土体干缩裂隙的形成发育过程及机理

土体干缩开裂(龟裂)是一种常见的自然现象,龟裂的产生会破坏土体的完整性,极大地弱化土体的工程性质。基于室内试验结果,发现龟裂发育过程可分为3个典型阶段,具有很强的时序特征,且新生裂隙一般垂直已有裂隙生长。根据水土相互作用原理和基本土力学理论,建立了土体龟裂概念模型,对实验室和自然界中观测到的相关龟裂现象及其机理进行了分析,得到如下主要结论:(1)土体中存在收缩变形空间是龟裂发育的前提,主要与土质条件有关;(2)龟裂是土体发生张拉破坏的表现形式,孔隙水的表面张力及干燥过程中引起的基质吸力(毛细水作用力)会在土体中形成张拉应力场,这是导致龟裂的主要力学诱因;(3)当张拉应力场的大小超过土体的抗拉强度或土颗粒间的联接强度时,裂隙便会产生,导致局部区域积聚的应变能释放,应力场重新调整。从宏观上看,基质吸力和抗拉强度是控制龟裂发育的两个关键力学指标,但从微观上看,土体材料尤其是结构的非均质性对裂隙发育过程和裂隙网络的几何形态特征均有重要影响。通常情况下,大部分裂隙都是在饱和阶段产生,且裂隙产生时对应的临界含水率有可能高于液限;土体表面上的"杂点"易导致应力集中,裂隙往往率先在"杂点"处产生;(4)受表面和裂隙面张拉应力场的共同作用,表层土体边缘会发生向上卷曲变形,产生"煎饼效应"。此外,土体在收缩过程中还存在收缩核现象。     

重塑膨胀土干湿过程中细观结构变化试验研究

为了研究水分对膨胀土裂隙演化的影响，对重塑膨胀土进行了无约束条件下的湿干循环试验，并在试验过程中对土样进行CT扫描，跟踪试样裂隙生成以及闭合情况。研究结果表明：无约束条件下增湿和干燥都能引发裂隙的产生的和闭合；在增湿过程中小裂隙会闭合而大裂隙会扩展；在干燥过程中小裂隙会扩展而大裂隙会收缩。基于CT细观数据定义了损伤变量，建立了湿千循环过程中土的损伤演化方程。     

基于摄影法的红黏土裂隙试验研究

准确提取红黏土裂隙特征,有助于进一步研究裂隙对红黏土工程性质的影响。本文以桂林红黏土试样为试验研究对象,获取红黏土表面裂隙数字图像后,通过比对不同方法,发现直方图阈值法适用于红黏土的裂隙图像分割。通过去除杂点、填充细小孔洞,将裂隙数字图像转化为二值图像,最后进行骨骼化和消刺处理,可得裂隙骨骼图像。研究发现试样在第5次干湿循环后裂隙发育均已趋稳定;初始含水率为25%的试样在干湿循环作用下发育出线状裂隙;初始含水率为28%的试样则发育出网状裂隙;干湿循环次数与裂隙率和裂隙总长度具有良好的相关性,可用二次函数拟合。     

膨胀土裂隙发育的厚度效应试验研究

膨胀土的裂隙开展受到许多因素的影响,包括自身的土体性质,环境状况,边界条件、土体尺寸等。厚度对膨胀土等黏性土体的开裂规律具有重要的影响,为了探究这种重要因素在膨胀土失水收缩开裂过程中的具体影响规律,试验设置了4个具有不同厚度的大直径圆形泥浆试样。运用图像处理技术,通过记录试样的裂隙演化过程及质量的变化,定量分析裂隙面积分形维数、长度分形维数等指标随含水率下降的动态变化关系。试验结果发现:①厚度对膨胀土失水收缩开裂及裂隙扩展过程有明显影响,厚度较小的试样其裂隙发育充分,裂隙密集细长而纹理丰富;厚度较大的试样裂隙发育单一,裂隙宽大而边界效应明显,通过提出厚度和试样直径的比值,可以初步预估试样的裂隙发育情况;②裂隙面积分形维数受厚度的影响较小,而裂隙长度分形维数受厚度的影响较大,结合两者可以有效地对裂隙形态及分布进行表征,裂隙最终的长度分形维数一般在1～1.5,而面积分形维数基本维持在1.6～1.7。此外,结合土体开裂的张拉破坏理论以及试样的收缩蒸发情况,对厚度影响下的土体开裂差异进行了理论分析,进一步探究了裂隙的扩展规律。     

MICP固化土遗址裂隙的剪切强度试验研究

土遗址作为文化遗产,具有重要的历史、文化及科学价值,而裂隙是影响其稳定性的主要病害,裂隙的发育和延伸甚至会损毁土遗址,因此须对土遗址裂隙进行合理的修复和固化。微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)是一种绿色环保的土体固化技术,将其用于土遗址裂隙的固化,不仅环境友好,而且与遗址原材料具有更好的相容性。文章首先通过室内试验制备不同裂隙开度和裂隙结构面粗糙程度的遗址土裂隙试样,然后对其进行注浆固化,最后通过剪切试验获得裂隙开度和结构面粗糙度对固化效果的影响规律。结果表明：碳酸钙胶结物在裂隙处沉积并胶结裂隙两侧土体,增强了试样的整体性及力学性能;裂隙开度越小,结构面越粗糙,固化后试样的剪切强度越大,且裂隙开度较结构面粗糙度对剪切强度的影响大;在裂隙开度0.5mm、结构面粗糙的条件下,固化后试样的黏聚力最高可达到38.18kPa,内摩擦角可达33.42°。     

粉土干化过程中微观结构的演变

对黏粒含量为34%的粉土泥浆样进行无宏观裂缝出现的慢速干化试验,对干化至不同目标含水率的试样进行压汞试验,获得孔隙分布曲线,系统地研究干化过程中粉土微观结构的演变规律,分析微观裂隙的形成及发展机制。研究结果表明:随着干化的发展,最大进汞量逐渐减小,当含水率达到缩限后,最大进汞量保持不变;不可侵入孔随干化逐渐增多,当含水率小于缩限后,不可侵入孔增大的趋势减缓;当含水率大于缩限前,孔径分布(PSD)曲线峰值对应孔径随干化呈单调递减的关系,含水率继续减小至缩限以下时,峰值对应孔径逐渐增大至固定值;由饱和到非饱和过渡时,PSD曲线在0.1~1?m范围有隆起并达到最大,随着干化的深入,隆起减小直至消失。PSD曲线峰值孔径随干化先减小后增大的趋势以及隆起随干化的变化规律,均证明干化过程中有可能产生微观裂隙,并反映了微观裂隙的演变过程。粉土泥浆样干化过程中,当由饱和过渡到非饱和状态时,黏土会像"外套"一样裹在粉土颗粒周围,微观裂隙在黏土颗粒间及黏土颗粒与粉土颗粒间的交界面上开始出现,该微观裂隙和宏观干燥裂缝在本质上是不同的,是对土体龟裂研究机制的补充。