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。     

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。     

土体干缩开裂过程的边界效应试验与离散元模拟

为了探究土体干缩开裂过程的边界效应问题,采用不同底面粗糙度的容器开展了多组干燥试验,发现干缩裂隙存在从顶面向下和从底面向上两种典型的发育形式。并且,裂隙发育程度与土样/容器界面接触条件密切相关,从而验证了裂隙发育过程的边界效应。通过理论分析,阐明了上边界的蒸发条件及下边界的接触条件对裂隙发育形式的控制作用。为了能更深入地理解土体干缩开裂边界效应的内在机制,在试验的基础上建立离散元模型,创新性地引入了沿深度的失水速率梯度参数,模拟土样上边界的蒸发条件变化。通过设置底面摩擦系数,模拟土样下边界的接触条件变化。将模拟结果与试验结果进行了对比分析,发现二者具有较好的吻合度。总体上,土体干缩裂隙的发育过程是顶面蒸发失水与底面摩擦两种边界条件共同作用的结果。当底面摩擦系数相对较小时,裂隙发育由蒸发失水主导,大部分裂隙由顶面向下发育。随着底面摩擦系数的增加,底面接触条件对裂隙发育过程的主导作用逐渐增强,由底面向上发育的裂隙数量所占比重也相应增加。     

土体干缩开裂过程的边界效应试验与离散元模拟

为了探究土体干缩开裂过程的边界效应问题,采用不同底面粗糙度的容器开展了多组干燥试验,发现干缩裂隙存在从顶面向下和从底面向上两种典型的发育形式。并且,裂隙发育程度与土样/容器界面接触条件密切相关,从而验证了裂隙发育过程的边界效应。通过理论分析,阐明了上边界的蒸发条件及下边界的接触条件对裂隙发育形式的控制作用。为了能更深入地理解土体干缩开裂边界效应的内在机制,在试验的基础上建立离散元模型,创新性地引入了沿深度的失水速率梯度参数,模拟土样上边界的蒸发条件变化。通过设置底面摩擦系数,模拟土样下边界的接触条件变化。将模拟结果与试验结果进行了对比分析,发现二者具有较好的吻合度。总体上,土体干缩裂隙的发育过程是顶面蒸发失水与底面摩擦两种边界条件共同作用的结果。当底面摩擦系数相对较小时,裂隙发育由蒸发失水主导,大部分裂隙由顶面向下发育。随着底面摩擦系数的增加,底面接触条件对裂隙发育过程的主导作用逐渐增强,由底面向上发育的裂隙数量所占比重也相应增加。     

基于数字图像相关技术的土体干缩开裂过程研究

在干燥条件下,土体极易蒸发失水收缩产生开裂,深入研究土体干缩开裂过程对准确掌握干旱气候环境中的土体工程性质响应特性具有重要意义。通过对黏性土开展室内干燥试验,采用数码相机实时记录土体表面裂隙的动态发育过程,结合数字图像相关技术,获取土体收缩开裂全过程。结果表明:①裂隙通常在土体表面张拉应力集中处产生,裂隙产生后周围应力场得到迅速释放并发生重排,且裂隙间倾向于成直角相交;②土体表面的位移场和应变场可以有效反映土体收缩开裂过程中的动态特征,能为分析和预测裂隙的演化过程提供重要参考信息;③土体被裂隙分割成不同的块区,每个块区在收缩过程中都存在收缩中心现象,且各块区的收缩中心位置会随时间而变化;④数字图像相关技术能有效识别不同图像之间的灰度特征值,能在完全不扰动土样的条件下准确获取土体表面干缩变形信息的时空演化特征,为研究土体干缩开裂动态过程及机理提供了优越的技术手段,具有较好的推广价值。     

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。     

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。     

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。     

混合型缓冲材料水分迁移及干缩开裂规律研究

膨润土砂混合物在高放射性废弃物地下填埋处置工程中有着广泛的应用,其在养护过程中对结构完整性、裂隙数量和变形尺寸都有着很高要求。为了研究掺砂率和厚度对混合型膨润土在干缩过程中的含水率变化及开裂规律的影响,本研究制备了不同掺砂率、厚度的试样进行室内恒温干燥试验,并对整个过程含水量进行连续监测。试验结果表明,增大试样厚度及适当提高掺砂率均有助于抑制膨润土收缩变形和开裂行为,试验得到试样最小裂隙率时的掺砂率范围为20%~30%;干燥过程中试样蒸发率受到进气值和土颗粒间气液接触面积变化的影响;试样干燥过程随厚度的增大而延长,而残余含水率随掺砂率的增大而降低;引入干燥系数k并对其研究发现,水分迁移速率与试样厚度呈负相关,与试样掺砂率呈正相关。     

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。     

Experimental studies on curling development of artificial soils

Soil curling is an important phenomenon associated with volume changes induced by increasing soil suction upon desiccation. The study of soil behaviors associated with drying in soils (e.g. soil shrinkage, desiccation cracks and curling) has received increasing attention over the last few years, which has been mainly driven by the forecast climate change that will warm up our planet. There are significant gaps in the current knowledge related to the factors that control the development of curling deformations in soils. For this, the curling phenomenon is investigated through laboratory desiccation tests on different mixtures of artificial soils. The effects of soil grain size distribution, mineralogy, soil microstructure, and soil water content on the curling deformation are analyzed. Digital photos were taken at regular time intervals during the tests to understand the volume changes in the soil samples during drying. It is found that soil fabric and soil water content have significant effects on curling scenario. It is observed that the percentage of sand particles and the initial water content play a critical role in the development of soil curling. Samples of pure clayey minerals experienced shrinkage without or with minor curling during drying.     

基于透明土技术土岩边坡滑移机理的模型试验研究

随着工程技术的飞速发展,土岩边坡滑移机理的研究具有重要的意义和工程应用价值。通过透明土模型试验研究坡顶荷载作用下土岩界面接触滑移机理和规律,实现了土岩边坡内部滑移变形的可视化。考虑了岩体Barton节理粗糙度系数、坡体角度和坡体高度等因素对土岩边坡稳定性的影响。利用粒子图像测速(PIV)和激光散斑技术,获得了土岩边坡在坡顶荷载作用下内部变形的特征。试验分析表明,土岩边坡的滑动可分为3个阶段:初始阶段、匀速阶段和加速阶段;在土岩边坡滑移过程中减小岩体Barton节理粗糙度系数、增大坡体高度、增大坡趾角度将引起边坡土体内部较大的位移,进而引发土岩边坡的失稳。采用双排抗滑桩的边坡防护措施后,有效地延缓边坡土体内部位移的发展,提高土岩边坡的稳定性。文中研究成果为揭示土岩边坡滑移机理及其工程防护的有效性提供了重要的理论依据,通过跟踪透明土颗粒的运动轨迹实现土体内部变形可视化的土岩边坡滑移提供了试验依据。     

Measuring desiccation-induced tensile stress during cracking process

The desiccation cracking of soil occurs when shrinkage is restricted during the drying process and the induced tensile stress equals the tensile strength. Thus far, experimental estimations of the tensile stress of soil have not been realized, although such estimates are important for predicting crack initiation. This study presents the development of a laboratory-based desiccation stress test to measure the tensile stress generated during the drying process until crack initiation. In this proposed desiccation stress test, the tensile stress is induced during the drying process in the longitudinal direction of bar-shaped specimens with fixed ends. Desiccation stress tests were performed on sandy soil with a rich fine fraction, and the results were verified through photographic observations of crack initiation and comparisons with the results of direct tension tests. The results show that the desiccation stress test yields reliable tensile stress until cracking. The application of the desiccation test results is illustrated via the verification of an existing model of crack initiation by desiccation. The results of the desiccation stress tests are useful for determining the model parameters that significantly influence the development of tensile stress and enable its accurate prediction until crack initiation.     

膨胀土干燥过程中收缩应力的测试与分析

膨胀土在膨胀过程中会产生膨胀应力,收缩过程中亦会产生收缩应力。探究膨胀土在干燥过程中收缩应力的变化规律对理解收缩变形机制有重要意义。为了掌握膨胀土在干燥过程中内部收缩应力与含水率及吸力之间的关系,在控制相对湿度条件下开展了一系列干燥试验。试验中共配置了3组初始饱和的泥浆样,将试样分别置于装有不同过饱和盐溶液的保湿器中,并在恒温20℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率的变化。此外,在试验过程中,通过在试样内部植入微型压力传感器来测定土体收缩应力随干燥时间的变化。试验结果表明:①在不同相对湿度条件下,土体内水分蒸发特性不同,如相对湿度越小,土体水分蒸发的越快,且蒸发结束后,土体残余含水率越低;②干燥过程中,土体内收缩应力呈现明显的阶段性变化特征。干燥前期,收缩应力随时间的推移增加缓慢,但当达到临界时间点ts或临界含水率ws以后,收缩应力随着干燥的持续开始急剧增加,并且蒸发速率越大,ts和ws越小;③干燥结束后,土体内部收缩应力与环境相对湿度呈负相关,与对应吸力呈正相关。     

根系作用下的基材土–岩接触面原位剪切试验研究

采用自制原位剪切仪,对不同粗糙度、不同多花木蓝根系密度的基材土–岩接触面进行原位剪切试验,研究了基材土–岩接触面的剪切变形特征。研究表明,基材土–岩接触面剪切应力–位移具有典型的软化特性;受根系加筋、锚固作用影响,含根试样的剪切破坏面粗糙、破碎。根系作用对土–岩接触面峰值剪切强度、峰值剪切位移及残余剪切强度影响明显,对比发现,不同粗糙度下,相同根系面积比对提高界面峰值剪切强度的贡献率差异较小;根系面积比较小时,增强界面峰值剪切强度的贡献率低于粗糙度,随着根系面积比增大,根系提高界面强度的作用更为明显,其贡献率显著增加。     

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。