环境湿度与温度对压实膨胀土裂隙发育影响试验研究

裂隙是影响膨胀土工程性质的重要因素。以南阳某高速公路膨胀土为对象,采用大尺寸压实膨胀土试样进行不同环境湿度与温度下的裂隙发育试验,通过数码相机摄影并基于自编程序进行土样表面图像的定量化分析,获得裂隙率、均宽及总长等典型特征参数,进而探讨环境湿度与温度对膨胀土裂隙发育规律的影响。结果表明:大尺寸土样裂隙发育特征相较环刀样和薄层饱和泥浆样更接近路基与边坡等工程实际;环境湿度越高,初期裂隙发展越慢,发育持续时间越长,后期裂隙特征统计参数反而越大;环境温度越高,初期裂隙发展越快,但裂隙回缩稳定速度也越快,后期裂隙特征统计参数反而越小;低湿度或高温度使土样表面易于产生更多肉眼不可见的微裂隙,是裂隙特征统计参数与理论分析相比偏小的重要原因,而高湿度与低温度则有利于收缩应力向深层土体传递,促使裂隙偏向数量更少但更宽和更深方向发展。     

南阳膨胀土裂隙发育规律研究

膨胀土的裂隙性给工程带来了极大的危害,为了解膨胀土的裂隙发育规律,本文对南阳膨胀土做了大量室内试验,制备各种不同的重塑土样,在不同环境下进行脱湿,观测脱湿过程中土样裂隙发育过程,分别研究试样的均匀性对裂隙发育的影响、裂隙发育的温度敏感性、裂隙发育的尺寸效应,得出以下结论:试样愈均匀裂隙发育曲线愈平滑,温度对膨胀土裂隙发育形态有明显影响,不同尺寸试样裂隙发育有所不同,具有明显的尺寸效应,试样愈小表面愈难出现裂隙而主要表现为土的收缩。     

压实膨胀土表面裂隙规律试验研究

以南阳地区膨胀土为研究对象,通过室内试验模拟不同压实度工况条件,将制备处理好的饱和土样试件放置于设定温度的烘箱,使用数码摄影设备记录土样表面状态。获得膨胀土裂隙图像后运用MATLAB软件图像数字化处理方法分析研究膨胀土表面裂隙的裂隙率、宽度、长度。将记录的数据录入到EXCEL表格中,经过处理后获得裂隙的裂隙率、宽度、长度定量化特征图,分析得到膨胀土表面裂隙演化规律,得出一些有益的结论。     

膨胀土裂隙发育特征定量化方法的试验研究

裂隙是导致膨胀土强度衰减与渗透性增强的重要影响因素。根据膨胀土裂隙发育特征提出闭合曲线定位的裂隙定量化方法,据此进一步研究了裂隙对膨胀土强度、渗透性的影响。研究结果表明该方法不仅可显著减小裂隙宽度的相对误差,而且相比面裂隙率,线裂隙率避开了土样外边线收缩对裂隙发育特征影响的处理问题,进而提高了裂隙量测值的合理性;根据不同宽度等级的线裂隙率变化规律,丰富了裂隙演化特征;根据干湿循环次数与裂隙特征参数、土体强度参数及渗透性等的相互关系,进一步揭示了裂隙对强度、渗透性的线性定量关系,于是以裂隙发育特征代替干湿循环次数可解决实际工程中的干湿循环次数难以定量化的问题。因此,以闭合曲线定位法建立的定量化裂隙指标,较面积法更利于膨胀土性状的评估和裂隙研究的工程应用。     

不同重塑膨胀土的抗拉强度实验研究

对广西四种不同重塑膨胀土试样进行了不同条件下的劈裂实验研究,结果表明,在不同的干密度和含水率条件下,四种膨胀土土样的抗拉强度均先增大后减小,当含水率达到13%,干密度达到1.7g/cm3时,四种膨胀土土样的抗拉强度均达到最大值;四种土样的抗拉强度与其在不同干湿循环次数下裂隙的发育程度具有关联性,抗拉强度是膨胀土裂隙发育的影响因子。     

考虑干湿循环累积损伤的膨胀土土水特征研究

为探明干湿循环中膨胀土裂隙发育对其土水特征的影响,制备经历不同次数干湿循环的柱状土样,并对其土水特征曲线进行测定。结合CT扫描结果,基于裂隙的分形特征构建土柱截面和整体损伤变量,通过其变化规律阐明裂隙发育对土水特征的影响。结果表明：裂隙的分形维数沿深度方向逐渐减小,大体呈线性变化规律,不同循环次数下裂隙的开展过程具有相似性;基于裂隙分形维数构造的损伤变量能够较好描述干湿循环对膨胀土的累积损伤效应,土柱的整体损伤变量随干湿循环次数逐渐增加,且增速逐步提高;提出的基于土柱整体损伤变量进行修正的Fredlund-Xing模型能够较好拟合裂隙膨胀土的土水特征曲线。研究成果能够为后续裂隙膨胀土的渗流和工程应用研究提供理论支持。     

湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律

裂隙的发生与演化是膨胀土在各种外部条件作用下的显著特征。针对北疆高寒地区膨胀土渠道边坡劣化问题,以渠基土每年经历通水、停水及冻结、融化过程为研究条件,开展了单向湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙试验。采用计算机断层扫描(CT扫描)及三维重建技术,对湿干冻融耦合循环作用下膨胀土试样内部裂隙演化特征进行定量描述,研究了不同湿干冻融耦合循环次数对膨胀土三维裂隙演化规律的影响。试验结果表明,湿干冻融耦合循环作用下的试样内部裂隙发育存在明显的区域性分布特征,裂隙的发育深度在5次循环后逐渐趋于稳定,对应于试样初始总高度的40%。对比不同循环次数作用下试样内部裂隙的发育形态可知,试样内部裂隙发育模式由循环初期浅层分散分布向后期深层汇聚偏转进行转化。采用切片裂隙率、弯曲度、分支数及死端点4个指标能较好地定量描述裂隙空间分布及连通性随循环次数的演化规律。研究成果对进一步揭示干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道的劣化过程和破坏机制具有一定参考价值。     

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。     

脱湿状态对膨胀土膨胀变形和强度特性的影响

非饱和膨胀土的脱湿状态对土中水分散失速率影响较大,不同的脱湿速率又会使膨胀土呈现不同的工程性状。通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,设置不同的脱湿环境制备土样,进行土工试验,深入认识脱湿状态对膨胀土膨胀变形和抗剪强度的影响。将饱和土样脱湿到设定的不同含水率,进行有荷载膨胀率试验,结果表明:在相对湿度越大的环境下,脱湿速率越小,土体膨胀率越大;起始含水率和上部荷载越小,土体膨胀变形越大。将不同起始含水率的土样膨胀完全后放入直剪仪,进行固结直剪试验,结果表明:脱湿到不同含水率的试样,脱湿速率越小,土体越密实膨胀后的抗剪强度越大;上部荷载存在可提高土体的抗剪强度,起始含水率越小上部荷载越大土样的抗剪强度越高。研究结果可为大气作用下膨胀土边坡的防护设计提供参考,有助于对自然气候环境下膨胀土边坡的灾变进行预警,并可优化膨胀土边坡的施工方案。     

湿干循环下压实膨胀土裂隙扩展规律研究

裂隙特征作为膨胀土裂隙性研究的基础,其定量化描述有助于膨胀土工程性质的深入探究。以膨胀土平面裂隙为研究对象,使用数码摄影获取多次湿干循环下的裂隙扩展图像,采用优化和改进的裂隙图像处理及裂隙特征提取方法,分析所获得的膨胀土裂隙各特征参数。结果表明：室内压实膨胀土表面裂隙率随着湿干循环次数增加而增大,且第二次湿干循环对裂隙率影响最为显著;裂隙发育峰值条数在第一次湿干循环后最多,总长度最大,而三次湿干循环后的裂隙条数和总长度较为相近;裂隙宽度随湿干循环次数增加而增大,且第二次湿干循环影响最为显著;同时,第一次湿干循环中主裂隙发育最明显,在第二次和第三次中宽度发育趋于均匀;通过裂隙方向玫瑰花图发现,裂隙主要沿着初始方向扩展,直至下一次湿干循环;裂隙发育方向在第一次湿干循环中是随机的,而在第二次与第三次中有较高相似性,表明湿干循环对裂隙发育方向的影响也主要发生在第二次。     

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...     

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。     

粘土表面干缩裂缝形成过程的数值模拟(英文)

基于孔隙气压力等于大气压力的假定,建议了针对非饱和土的简化固结理论。相应的修改了饱和土的有限元程序,用于分析粘土表面干缩裂缝的形成过程。数值分析中将多边形网状分布的裂缝简化为轴对称问题,对土骨架采用弹塑性的双硬化模型进行描述,并分析了不同参数对裂缝宽度和深度影响的敏感性。     

降雨入渗条件下的膨胀土边坡稳定性分析

考虑膨胀土的开裂性,研究了雨水入渗条件下的膨胀土边坡的渗流规律,进行了相对应的稳定性分析。通过考虑和不考虑裂隙时的膨胀土边坡稳定性的比较,表明二者具有很大的差异性。通过与现场实际情况相比较说明,在研究降雨入渗条件下的膨胀土边坡稳定性时,考虑土体的开裂性是十分必要的。     

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。     

Three-dimensional characterization of cracks in undisturbed Mile expansive soil using X-ray computed tomography

The distribution of cracks strongly affects the hydro-mechanical behavior and strength of soil. In order to characterize the distribution of cracks in undisturbed expansive soil, X-ray computed tomography (X-ray CT) tests were carried out for one type of undisturbed expansive soil from Mile City, China. Seven undisturbed specimens retrieved from depths between 1 and 4.7 m were used to study the evolution of cracks along the drying path. The characteristics of the cracks were quantitatively studied by 3D parameters extracted from CT images by commercial software. The test results suggested that, with an increase in suction, the total volume of the cracks gradually increased, and one large crack formed due to the merging of sub-cracks before the shrinkage limit. When the suction was larger than the suction corresponding to the shrinkage limit, degradation of the cracks caused by the collapse of the soil structure was observed. Meanwhile, due to the development of sub-cracks, the crack anisotropy caused by the typically oriented primary cracks decreased along the drying path. Finally, a conceptual model of crack development for undisturbed Mile clay was proposed based on the evolution of crack volume, number, shape, and orientation.     

土体干缩裂隙网络定量分析

土体干缩裂隙网络定量分析对深入研究裂隙发育机制及正确评价裂隙土的工程性质有重要意义。在室内对三组不同土体开展了干燥试验,采用数字图像处理技术对获得的裂隙图像进行了二值化、除噪和骨架化等预处理操作,提出了一整套与裂隙网络几何形态特征密切相关的量度指标体系并进行了定量分析,借助概率密度函数,从统计学角度探讨了关键量度指标的分布特征。结果表明：土质对干缩裂隙网络的几何形态特征有重要影响,表面裂隙率、裂隙节点个数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和土块个数通常随黏粒含量和塑性指数的增加而增加;量度指标之间既有区别又有联系,如表面裂隙率与裂隙平均宽度存在正相关性,裂隙条数受节点个数的控制,土块个数越多,则对应土块平均面积越小,表面裂隙率越大,分形维数也越大;单位面积内的节点个数、土块个数和表面裂隙率可作为定量描述裂隙网络几何形态特征的基本指标;裂隙长度、宽度和土块面积的平均值与它们的主要分布范围及最可几值之间存在较好的相关性。     

非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

主要叙述非饱和膨胀土及其边坡稳定研究方面的新进展。首先讨论了非饱和土研究中与土坡稳定性有关的若干重要特性,指出非饱和土的气 水形态问题是非饱和土研究的一个基本问题。并提出随含水率由小变大,非饱和土存在四种气 水形态,不同气 水形态的土具有不尽相同的性状。然后,对非饱和土的吸力和土水特征曲线以及不同气 水形态下的强度作了讨论,并对非饱和土的本构关系作了简要的介绍。接着以南水北调中线膨胀土渠道工程为背景,以吸力问题为中心,对非饱和膨胀土边坡滑动的各种内在的和外界的因素进行了分析,尤其对新近研究的降雨入渗和裂隙影响的研究进行了定量的分析,改变了以往对这方面只进行定性研究的情况。在此基础上对边坡失稳的机理和考虑裂隙及雨水入渗的稳定分析方法进行了研究。