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。     

控制厚度条件下土体干缩开裂的界面摩擦效应

土体厚度和界面粗糙度对土体干缩开裂有着重要影响,为了探究土体在不同厚度和界面粗糙度条件下的干缩开裂特性,开展了一系列室内干燥试验。试验中共配置了9组初始饱和的泥浆样,分别设置3种不同的土体厚度和3种不同的界面粗糙度,并在恒温30℃的条件下进行干燥,实时记录试样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,对裂隙网络进行了定量分析,得到不同厚度和不同界面粗糙度条件下土体龟裂的动态发展过程及相关参数。试验结果表明:①界面粗糙度越大,龟裂发育速度越快,然而土体厚度越大,龟裂发育速度越慢,且土体整体收缩效应越明显;②界面粗糙度越大,龟裂发育程度越高,然而增加土体厚度可以削弱界面粗糙度对龟裂发育过程的影响;③土体厚度和界面粗糙度都对土体开裂时的临界含水率有重要影响,且两者对龟裂发育过程的影响具有耦合作用关系。最后,结合土体干燥收缩特性,探讨了上述两种因素对龟裂的影响机理。     

玄武岩纤维对黏土干缩开裂特征的影响

黏土的膨胀收缩会导致裂缝的产生，裂缝的产生会显著改变其水理-力学性能，常引起各类工程地质问题。为了研究玄武岩纤维对黏土抗裂性的改善作用，进行了室内试验，对取自呼和浩特市郊区某建筑工地黏土，共设计5组试样以定量分析纤维掺量对黏土开裂的影响，并采用数字图像处理技术进行了分析，并结果表明：土体试样的开裂可分为三个阶段，分别为裂隙产生阶段、裂隙网格形成阶段、裂隙宽度扩展阶段；在掺入纤维的土体试样中，其裂隙之间的正交性会发生改变，并会产生更多的死端裂隙；玄武岩纤维抑制了土体的开裂，降低了裂隙宽度、裂隙比，随着纤维含量的增加，土体试样首次开裂所对应的含水率减小。     

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。     

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。     

棕榈丝加筋红黏土的无侧限抗压强度研究

红黏土是一种典型的特殊土,土体性质极不稳定,特别是遇水强度快速衰减,容易引发地基沉降或边坡坍塌等工程地质灾害。通过开展棕榈丝改良红黏土的无侧限抗压强度试验,研究不同棕榈丝掺量及长度对红黏土无侧限抗压强度的影响。结果表明,随棕榈丝掺量的增大,棕榈丝加筋土的无侧限抗压强度相应增加;随棕榈丝长度的增大,棕榈丝加筋土的无侧限抗压强度先增大后减小,棕榈丝加筋土的最优棕榈丝长度为20mm。棕榈丝可有效控制土体的变形,提高土体的残余强度。     

聚丙烯纤维参数对水泥砂浆抗干缩开裂性的影响

利用圆环法测试研究了聚丙烯纤维掺量、长度、几何形状等参数对水泥砂浆在硬化阶段抗干缩开裂性能的影响．实验结果表明：三叶形聚丙烯单丝纤维的掺加能明显改善水泥砂浆在硬化阶段的抗干缩开裂性能，且其掺加的量越多，水泥砂浆的抗干缩开裂性越好；聚丙烯纤维横截面形状不同，其对水泥砂浆抗干缩开裂性的作用效果也不同，其中横截面为三叶形的聚丙烯单丝纤维对水泥砂浆抗干缩开裂性的作用效果较好；掺入的三叶形聚丙烯单丝纤维长度越长，水泥砂浆的抗干缩开裂性越好；三叶形聚丙烯单丝纤维经表面处理后，其对水泥砂浆抗干缩开裂性的影响有所增大．     

聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究(Ⅰ)--抗塑性干缩开裂性能

研究了采用不同工艺制作的3种不同几何形态的聚丙烯纤维在不同掺量情况下对水泥基材料抗塑性干缩开裂性能的影响.结果表明:(1)聚丙烯纤维几何形态对抗塑性干缩开裂性能有明显影响,拉丝PP纤维效果最好,膜裂ⅡPP纤维次之,膜裂ⅠPP纤维最差;(2)聚丙烯纤维掺量对抗塑性干缩开裂性能也有较大影响.随纤维掺量增大,抗塑性干缩开裂性能随之增强,在一定实验条件下,当拉丝PP纤维掺量(体积分数)≥0.10%时,可使水泥砂浆免于塑性干缩开裂.另外,对纤维阻止塑性干缩开裂的机理也进行了分析和讨论     

矿渣、粉煤灰掺量对混凝土收缩、开裂性能的研究

收缩开裂是影响现代混凝土耐久性的主要因素,通过圆环开裂试验、收缩试验来评定矿物掺和料对混凝土收缩开裂的影响,结果表明矿渣掺量在一定范围内时可抑制混凝土的开裂,混凝土的自收缩随矿渣掺量的增大而增大,干缩随矿渣掺量的增大而减小。粉煤灰可有效抑制混凝土的开裂,随掺量的增大抑制作用越显著。粉煤灰掺量越大对自收缩的抑制作用越明显,混凝土的干缩略有增大。     

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。     

基于BOTDA的土工格栅加筋膨胀土湿胀干缩特性试验

为了研究土工格栅加筋膨胀土湿胀干缩特性,制作了玄武岩纤维土工格栅加筋膨胀土和素膨胀土矩形槽试样,将传感光纤布设在土工格栅上和土层中,进行了湿胀干缩试验,利用布里渊光时域分析仪(BOTDA),得到素膨胀土和土工格栅加筋膨胀土试样在湿胀干缩过程中的光栅应变,对比分析两种土样应变分布特征。试验结果表明:在膨胀土湿胀干缩过程中,随着含水率的变化,加筋膨胀土平均应变变化量和变形小于未加筋膨胀土,反映了土工格栅对膨胀土体变形的约束作用和抑制裂隙发展的效果。     

纳米膨润土加固黏土强度的试验研究

纳米膨润土是一种新型的土体加固材料,能有效提高土体的物理力学性质。掌握纳米膨润土加固土体的特性对于该技术的推广应用具有重要的意义。本文开展了10组无侧限抗压强度试验,研究了掺加纳米膨润土后黏土土样的力学性质,以及纳米膨润土掺量、土的含水率和干密度三个因素对土体无侧限抗压强度的影响。结果表明,纳米膨润土的掺加能有效提高黏土的抗压性能,且抗压强度随纳米膨润土掺量、土干密度的增加呈非线性增加;随土含水率的增加,抗压强度先减少后增加。黏土内掺入纳米膨润土后,由于土的孔隙会被填充,形成密集结构,纳米膨润土-黏土颗粒界面的有效接触面积增加,使黏土体的强度显著增加。同时,水分会在纳米膨润土-黏土界面起到润滑作用。本研究表明,这一土体加固技术能有效提高地基土的承载力和变形性能,因此具有巨大的应用潜力。     

聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究（Ⅰ）：抗塑性干缩开裂 …

研究了采用不同工艺制作的３种不同几何形态的聚丙烯纤维在不同掺量情况下对水泥基材料抗塑性干缩开裂性能的影响,结果表明：⑴聚丙烯纤维几何形态对抗塑性干缩开裂性能有明显影响,拉丝ＰＰ纤维效果最好,膜裂ⅡＰＰ纤维次之,膜裂ＩＰＰ纤维最差;⑵聚丙烯纤维掺量对抗塑性干缩开裂性能也有较大影响。随纤维掺量增大,抗塑性干缩开裂性能随之增强,在一定实验条件下,当拉丝ＰＰ纤维量（体积分数）≥０．１０％时,可使水泥砂浆免     

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。     

基于扫描电镜和核磁共振技术的分散性土改良微观结构性变化研究

分散性土是一种在低含盐量水中易分散解体的特殊性黏土，这一特性导致了许多水利与岩土工程的失稳与破坏，分散性黏土在中国东北地区分布广泛。为了改良分散性黏土抗冲蚀能力，探索分散性土孔隙结构演化特征，分析木质素改良分散性土作用机理，以黑龙江省南部引嫩工程分散土为研究对象，通过分散性鉴别试验、扫描电镜(SEM)试验与核磁共振(NMR)试验对不同木质素掺量(0%～10%)的分散性、元素组成与微观结构进行测试与观察。试验结果表明：(1)木质素可有效改良分散土分散性，木质素掺量≥3%且养护龄期≥7 d即可有效加强土体抗冲蚀能力。(2)SEM图像分析与NMR试验具有较好的一致性，随着木质素掺量增加，土体中微小孔隙逐渐发育成大孔径孔隙，孔隙率呈先减小后增大的趋势，在冻融循环作用下，土体中大孔径孔隙呈增加趋势，对木质素掺量≤5%的改性土影响更为显著。(3)木质素中的Ca²⁺与土体中Na⁺发生离子交换反应，可吸附在土体表面并形成一层疏水层，提高土体的抗冲蚀能力，但木质素掺量过多，其自带的磺酸基相互吸附，导致土体黏度增加，难以压实，形成大孔缺陷。结果表明，适量的木质素...     

石英砂掺量对膨润土–砂混合物泥浆样干缩开裂的控制机制

高放废物地质处置工程中,膨润土–砂混合物作为缓冲回填材料的干缩开裂特征对工程屏障的安全性有重要影响。以混合型缓冲回填材料为研究对象,分别制备掺砂率为0%～50%膨润土–砂的浆状试样,通过室内恒温干燥试验,研究混合物的干缩开裂特征。结果表明:当掺砂率小于30%时,混合物的收缩曲线与径向应变曲线均基本重合,石英砂悬浮在膨润土中,混合物的干缩开裂特性由膨润土决定;当掺砂率大于30%时,混合物中石英砂逐渐相互接触,增加了颗粒间的摩擦力且有大孔隙形成,进而能够抑制混合物的干缩开裂。石英砂颗粒的相互接触显著提高了混合物进气值,略微提高了缩限,限制了混合物的干燥收缩。大孔隙的形成导致毛细水作用力的降低;颗粒间摩擦力的增加,增强了混合物抵抗断裂的能力,进而抑制了混合物干燥裂隙的发展。最终确定了抑制膨润土–砂混合物干缩开裂的最低掺砂率为30%。     

生物炭改性土的甲烷吸附试验研究

生物覆盖层是一种新型生活垃圾填埋场覆盖层,对比传统的压实黏土覆盖层其具有较高的甲烷氧化能力,减少垃圾填埋场甲烷的释放。生物炭作为生物覆盖介质,除了提高土壤甲烷氧化能力之外,其较大的比表面积还能增加甲烷吸附能力。为更好地理解生物炭对土壤的甲烷吸附特性的影响,通过批量吸附试验研究生物炭改性土在不同甲烷初始浓度与生物炭掺量下的甲烷吸附能力。试验结果表明添加生物炭能提高土壤甲烷吸附能力,相比较原土,炭掺量为20%的改性土最大甲烷吸附量提高了一个量级,甲烷吸附能力得到明显提高主要得益于生物炭的多孔结构。并且生物炭改性土的吸附特性均符合Lagergren准二级吸附动力模型和Langmuir等温吸附模型。     

基于CART对污染红黏土氧化物与强度特性的数据分析

作为一种区域性特殊土，红黏土裂隙发育，力学性质较差，而重金属污染将进一步加剧其不稳定性。为探究红黏土在重金属污染下的强度特征，通过XRF分析、直剪试验和抗压试验，分析了污染红黏土中Al₂O₃、TiO₂、K₂O等氧化物含量和力学性质与铬离子掺量的关系，并基于分类与回归树(CART)的方法，建模、拟合并预测了红黏土的力学性质随铬离子浓度的变化规律，分析了红黏土中氧化物对其强度的影响。试验结果表明，红黏土的抗剪强度、内摩擦角随铬离子浓度的升高呈下降趋势，而黏聚力随铬离子浓度的升高呈上升趋势，铬离子的引入使红黏土的无侧限抗压强度显著下降。同时CART建模表明土样中的氧化物可对红黏土的强度特性产生影响。