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。     

土体干缩裂隙发育过程及断裂力学机制研究进展

土体干缩开裂是一种常见的自然现象,能极大弱化土体的工程性质,是许多岩土、水利和地质工程问题的直接诱因。然而,目前学界关于干缩裂隙的发育机理尤其是裂隙现象中蕴含的力学机制尚缺乏深入认识,重视程度严重不够。基于国内外近些年来围绕土体干缩开裂所开展的研究,着重对裂隙发育机理和断裂力学理论的应用进行了系统的归纳和总结,并基于当前的研究不足,提出了今后的研究重点和方向。结果表明:①蒸发为土体干缩开裂的前提,对于初始饱和的土体而言,土体开裂发生时仍处于饱和状态,水分蒸发处于常速率阶段,此时对应的含水率为临界含水率;②土体发育干缩裂隙是内部应力作用的结果,在干燥过程中,基质吸力引起的张拉应力达到或超过抗拉强度时,土体发生开裂,因此,基质吸力和抗拉强度是影响土体开裂的两个关键力学参数;③土体开裂与体积收缩密切相关,收缩是土颗粒在张拉作用下发生移动的宏观表现,可以分为正常收缩、残余收缩和零收缩阶段,且大多数裂隙发生在正常收缩阶段,少部分发生在残余收缩阶段,体积收缩为开裂提供了空间,因此,收缩是裂隙形成和发育的必要条件;④断裂力学是研究土体开裂破坏的主要工具之一,运用断裂力学对土体裂隙发育过程进行解释一般有两种途径,即从应力的角度和从能量的角度,涉及的土体断裂力学参数包括应力强度因子、断裂韧度和能量释放率,是用来判断土体是否开裂以及什么时候开裂的有力依据;⑤用于测定土体断裂参数的方法主要有三点弯曲断裂试验和直接拉伸试验,以及基于这两种方法改进的试验方法。     

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。