湿干冻融耦合循环作用下膨胀土力学特性及损伤演化规律研究

针对北疆高寒区膨胀土输水渠道破坏异常严重的问题,开展单向湿干及湿干冻融耦合作用下渠基膨胀土的三轴试验,探讨冻融过程对膨胀土力学特性及损伤演化规律的影响,获得不同循环次数下膨胀土的应力–应变关系、弹性模量、有效抗剪强度指标及其影响因素。结合损伤力学基础理论,引入可评价湿干与冻融过程耦合作用的损伤变量,探讨膨胀土强度和模量的损伤过程。试验结果表明:湿干及湿干冻融耦合循环作用对低围压(σ3=100kPa)试样的应力–应变曲线形态产生影响,应力–应变曲线形态差异性随围压的增加逐渐降低;对比不同试验条件下试样的弹性模量和有效抗剪强度指标可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程显著加剧了土体弹性模量和有效黏聚力的衰减,但对有效内摩擦角的影响有限;围压较高状态下试样的损伤以湿干过程作用为主,冻融过程对低围压试验下的损伤效果较明显。     

干湿循环下干密度对膨胀土裂隙发展及强度影响探究

膨胀土的湿胀干缩的裂隙性是工程建设中经常遇到的问题,对不同初始状态下的重塑膨胀土进行室内模拟自然条件下的干湿循环,对不同初始状态下产生的裂隙通过数字图像技术进行处理,提取出裂隙率,裂隙总长度,平均宽度,对裂隙特征进行定量描述,分析不同初始状态下膨胀土干湿循环过程中裂隙的发展规律。对各组循环后试样进行直剪实验,探究膨胀土强度指标变化规律。结果表明:膨胀土的初始含水率和初始干密度是影响裂隙发展的重要因素。初始干密度大的试样首先出现裂缝,干密度越大,循环结束后的裂隙率也越大。干湿循环和干密度对强度指标有不同程度的影响,干湿循环对内摩擦角影响不大,粘聚力随干湿循环次数增加而减小。     

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。     

湿干冻融耦合循环作用下渠道劣化过程离心模型试验研究

季冻土地区复杂的水–热耦合作用是输水渠道等水工结构物发生劣化失稳的诱因。研制了一套季冻区渠道湿干冻融离心模型试验设备,实现了在离心场下进行湿润—干燥—冻结—融化过程的水–热耦合循环作用模拟。以北疆输水渠道为原型,开展了渠道在湿干冻融耦合循环作用下渠道劣化过程的离心模型试验。试验结果表明:湿干冻融耦合循环作用诱发模型渠道中的裂隙不断拓展,并最终产生一条贯穿渠顶表面的深层横向张拉裂隙,导致渠道有自渠顶张拉裂隙发生劣化失稳的趋势,这一过程中,渠水入渗深度不断增大,入渗量逐渐减小,土体的冻结速率和融化速率呈上升趋势。试验观测出渠坡处产生的累积法向变形最大,渠顶次之,渠底最小。所采用的离心模拟试验设备及测试方法对于寒冷地区渠道灾变问题的研究是适用的。     

膨胀土干湿循环裂隙演化及其土-水特征曲线研究

周期性的蒸发和降雨作用导致膨胀土裂隙发育,而裂隙对土体的水力及强度特性有很大影响.为研究膨胀土在干湿循环作用下的裂隙发展规律及其土水特征,采用CT扫描技术和图像处理程序定量分析裂隙的发育演化过程;利用压力板仪进行合肥膨胀土土水特征曲线的干湿循环效应试验.研究结果表明:基于CT图像可以得到试样内部裂隙的二维、三维结构及其...     

膨胀土在湿干循环和三轴浸水过程中细观结构变化的试验研究

为研究膨胀土裂隙的产生及闭合规律,对重塑膨胀土进行了无约束条件下的3次湿干循环试验;再对湿干循环后的裂隙膨胀土进行了控制围压和偏应力为常数的CT–三轴浸水试验。研究结果表明:无约束条件下的膨胀土试样增湿和干燥都能引发裂隙的产生和闭合;在三轴浸水试验中,裂隙均趋于闭合,而闭合程度与应力状态有关;浸水过程中,试样体积变化可分为3个阶段,体积首先减小,接着因湿胀作用逐渐增大,尔后又因膨胀力释放和模量降低而减小;定义了结构修复参数,提出了三轴浸水过程中的土样结构修复演化方程。     

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,建立了湿干循环过程中土的损伤演化方程.     

原状膨胀土干湿循环下裂隙发展规律试验研究

裂隙性是膨胀土的重要特征之一,裂隙结构的变化影响膨胀土体的强度和渗透性能。研究膨胀土内部裂隙的发育,对分析因降雨形成的膨胀土浅层滑坡等灾害具有重要意义。文章在膨胀土裂隙既有研究的基础上,取成都龙泉地区尺寸为20 cm×20 cm×20 cm的弱膨胀土原状样,在干湿循环过程中,通过摄影测量的方法获取试样的表面裂隙变化信息,通过CT扫描技术获取试样内部裂隙图像,并利用Matlab、AutoCAD等软件对数字图像进行处理,研究原状膨胀土表面和内部裂隙的发生发展规律。研究结果表明,(1)随着干湿循环次数的增多,试样表面裂隙度逐渐增加并趋于稳定。(2)裂隙度随着深度的增加逐渐减小并趋于稳定。(3)经7次干湿循环,试样面裂隙度为5.11%,体裂隙度为3.47%,体裂隙度约为面裂隙度的0.68。     

冻融–周期荷载下单裂隙类砂岩损伤及断裂演化试验分析

开展冻融–周期荷载下裂隙岩体损伤及断裂演化规律分析,首先通过对0°,45°,90°的单裂隙类砂岩试样开展0,10,20,30次冻融循环;而后对不同冻融次数后的试样进行每级10次加卸载试验,进而关注冻融–周期荷载联合作用下裂隙岩体损伤特征及端部断裂。取得的成果如下:(1)裂隙岩体在冻融–周期荷载联合作用下,其损伤特征与裂隙发育形态、冻融次数、周期荷载作用方式均存在关联,其中,冻融次数与周期荷载存在典型叠加效应;(2)因冻融作用的参与,疲劳破坏强度与裂隙倾角呈现正比关系,该规律明显有别于未冻融加卸载试验结论;(3)随着周期荷载强度提升,裂隙岩体回滞环形态趋于饱满,并依据裂隙倾角差异出现不同迁移方向;此外,回滞环饱满程度呈现"中央小于首尾"典型特征;(4)基于渐进损伤区"缺陷面积"表征累积性损伤,可较好体现冻融–周期荷载作用下裂隙端部三阶段局部化疲劳损伤效应。研究成果对不同形式周期荷载作用下裂隙岩体损伤及断裂演化认知具有一定参考价值。     

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。     

考虑干湿循环作用的膨胀土渠道边坡破坏机理研究

膨胀土渠道由于季节性的通水和停水,其边坡实际处于干湿循环的状态,非常容易引起边坡失稳。采用离心模型试验对干湿循环作用下的膨胀土渠道边坡稳定性进行了探讨,研究了渠道边坡的破坏机理。研究发现,由于渠道的反复通水和停水,渠道边坡土体经历了多次干湿循环,每次循环后边坡土体裂缝逐渐扩展,渠水不断入渗,饱和区逐渐扩大。渠基土的膨胀性越强,每次干湿循环后的裂隙扩展越严重,渠水入渗作用也越强,渠道越容易破坏。研究还发现,由于通水和停水造成的渠道干湿循环破坏模式主要表现为渠坡整体发生浅层失稳破坏,这一破坏模式与前人研究发现的牵引式滑坡具有较大不同之处。     

干湿循环对纤维膨胀土特性影响的试验研究

为了研究干湿循环对膨胀土和聚丙烯纤维膨胀土强度的影响,进行了大量的试验研究。试验结果表明,膨胀土和纤维膨胀土随着干湿循环次数的增加,裂隙逐渐发展,土样的整体性遭到破坏,抗剪强度也随着循环次数的增加而降低;纤维可以增加膨胀土强度,提高土体的整体性。膨胀土和纤维膨胀土的粘聚力随着循环次数增加而降低的趋势一致,表明纤维是以强...     

A preliminary study of the application of the strain-self-sensing smart geogrid rib in expansive soils

Flexible conductive materials are widely used in structural health monitoring; it is also known in geotechnical engineering. In this preliminary study, a strain-self-sensing smart geogrid rib was proposed to monitor the induced strain by wetting-drying cycles of the expansive soil. After the calibration, a physical modeling test was conducted with the smart geogrid rib reinforced in expansive soils under three wetting-drying cycles. Results demonstrated: that the smart geogrid rib was capable of self-sensing its strain; the strain self-sensed by the smart geogrid rib was in good agreement with that measured by FBG strain sensors before cracks were generated; it could capture the crack propagation of expansive soils during wetting-drying cycles by the discrepancy compared to FBG sensors. Further study will be continued for the mechanism of the geogrid instead of the geogrid rib and the application to real-time monitoring of the performance of the geosynthetic expansive soil slopes.     

干湿循环效应对南宁外环膨胀土抗剪强度的影响

针对膨胀土边坡滑坍多呈浅层破坏的现状,选取南宁外环膨胀土原状样与重塑样开展对比试验,精心设计试验方案,改进常规直剪试样制备条件和试验方法,使模拟土体季节性干缩湿胀过程更接近实际,探究了2种土样经历多次干湿循环作用后抗剪强度的衰减规律。结果表明：试样制备中有上覆荷载作用,实测土样经历同样干湿循环次数后的强度衰减幅度比无荷条件下的小,再次验证荷载对抑制强度衰减作用明显；不管原状还是重塑样经干湿循环后的强度衰减主要是c值大幅降低,其值虽也减小但降幅都不大；此外,计入边坡浅层破坏时滑面的低应力条件开展试验并分析测试结果,得到做边坡浅层稳定性分析时合理的抗剪强度参数,研究结果可供工程设计参考。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

干旱区土遗址掏蚀区土盐渍劣化与风蚀损耗效应(Ⅱ)

盐渍劣化与风蚀损耗效应是干旱区土遗址底部掏蚀病害形成和发展过程中的控制性进程。盐分运移与富集的途径、土体抗风蚀能力盐渍劣化的本质是其中两个关键问题。通过集中降雨过程3处土遗址温度、含水率和介电常数的实时监测,发现地基和掏蚀区两处土体温度、含水率变化存在的较大的时间梯度差异为盐分通过毛细作用向掏蚀区发生运移和聚集提供了动力和运载媒介。以监测结果为依据,通过对完成不同期次干湿循环养护的不同含盐类型、含盐量的遗址土重塑样的颗粒分析和风洞吹蚀试验,表明干旱区年际发生的集中式降雨过程所促使的盐分富集增量和干湿次数累加所导致的土体粗粉粒化和粒度均一化是盐渍过程对掏蚀区土体抗风蚀能力产生劣化的本质原因。     

岩石-混凝土界面黏结强度冻融劣化模型及试验分析

首先从"地质体–工程体"二元介质材料界面黏结机制出发,探究影响岩石–混凝土界面黏结性能的控制性指标,并构建二元体介质界面黏结强度理论表征;而后,通过内在认知冻融对界面黏结性能的劣化过程,提出岩石–混凝土界面黏结强度冻融劣化模型。为进一步验证模型准确性及评价效果,以花岗岩–混凝土二元体试样为对象,开展不同界面粗糙度(JRC)及循环次数的界面黏结性能剪切试验,试验结果较好验证了理论模型的可靠性。该模型综合考虑界面表观特征、混凝土C-S-H基团"树根桩"效应及冻融损伤劣化特征,为认知岩石–混凝土界面黏结强度冻融劣化提供了理论参考。此外,为深入认知界面黏结性能冻融劣化理论模型与实测值误差原因,围绕壁面强度分配系数、界面破坏形貌分析特征、NMR分层细观分析技术及界面黏附强度冻融劣化耦合特征予以进一步讨论,拓展了冻融诱发界面黏结性能劣化认知深度。研究成果可为评价冻融诱发岩石–混凝土界面黏结强度劣化提供理论及试验依据。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制

红砂岩广泛分布于三峡库区,弄清岸坡消落带红砂岩的抗拉强度在水库运行期周期性"湿干"交替作用下的劣化机制,是科学进行水库运行期红砂岩岸坡稳定性分析与评价的重要前提。以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,自主研发能模拟水压力和"湿干"交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统,进行消落带红砂岩在水压力和"湿干"交替共同作用下的劈裂试验;同时,基于扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及吸水率的测试分析,探讨消落带红砂岩抗拉强度的劣化机制。试验结果表明:在水压力和"湿干"交替的共同作用下,消落带红砂岩的抗拉强度随着"湿干"交替作用次数的增加逐渐劣化,劣化幅度逐渐减小最终趋于0;在"湿干"交替作用前期,红砂岩抗拉强度的劣化幅度较大,第1次"湿干"交替作用后,劣化程度最为明显;2~4次"湿干"交替时,劣化幅度相对较大;4次"湿干"交替作用后,劣化幅度逐渐减小为0;红砂岩抗拉强度的劣化是一个不断累积的过程,是内部黏土矿物湿化过程的水化溶解与膨胀、干燥过程的失水收缩,以及水压力作用下微裂隙的增加、扩展等综合作用的结果,且黏土矿物的水化作用引起的碎屑矿物与胶结物之间的胶结变弱效应在其抗拉强度的劣化过程中起主导作用。研究成果可为合理评价红砂岩岸坡的稳定性提供科学依据。     

石灰处治膨胀土冻融循环试验研究

通过对冻融循环后的石灰处治膨胀土土样进行固结不排水三轴试验,研究了冻融循环对土样抗剪强度指标和抗剪强度的影响,建立了抗剪强度指标和抗剪强度与冻融循环次数之间的关系,分析了处治膨胀土冻融循环的破坏机理。