基于Menger海绵模型的煤矸石粉改良膨胀土微结构特征

为解决膨胀土对工程结构以及农业生态环境的危害，进行煤矸石粉改良膨胀土的试验研究。对煤矸石粉掺量为0、3%、6%、9%的膨胀土土样进行压汞试验，测得微观孔隙特征值；选取Menger海绵模型建立孔隙分分形模型，计算土体孔隙分形维数，探究土体孔隙分形维数与孔隙特征参数以及煤矸石粉掺量变化的关系。结果表明：随着煤矸石粉掺量增加，土中大孔隙所占的含量较素膨胀减少61.5%，孔隙类型从团粒间孔隙转化为颗粒间孔隙；煤矸石粉的掺入改变了土体的孔隙结构特征，煤矸石粉与膨胀土发生胶结反应，孔隙连通性降低，使得总孔隙体积、孔隙率、孔隙平均孔径、孔隙临界孔径等孔隙特征参数呈减小趋势；基于分形理论分析孔隙分形维数，分形维数随煤矸石粉掺量的增加而增加，且与孔隙特征参数呈显著相关性。孔隙分形维数反应了孔隙特征参数以及孔隙发育程度，为土的孔隙表征提供方法借鉴。     

风化砂改良膨胀土对抗剪强度指标的影响研究

通过对比分析石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土对抗剪强度指标的影响,引入风化砂改良膨胀土对抗剪强度指标影响的研究.在膨胀土中掺入不同比例的风化砂,进行了直剪试验.结果表明:掺入风化砂能有效提高膨胀土的抗剪强度;粘聚力随着掺砂比例的增加而逐渐减小,内摩擦角则随着掺砂比例的增加先增大后减小.改变掺砂膨胀土的含水率,进行直剪试验,结果得出:同一掺砂比例下的粘聚力与内摩擦角均随着含水率的增加先增大后减小.掺入不同比例风化砂进行胀缩特性试验得出:掺风化砂能有效抑制膨胀土的膨胀性和收缩性,改良后的胀缩总率低于0.7％,能达到路基填料的标准.综合考虑掺砂比例和含水率对膨胀土抗剪强度指标的影响,可以得出:当掺砂比例为30％、含水率为10％时,掺砂膨胀土的抗剪强度指标达到最佳值.     

干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究

为揭示干湿循环效应下膨胀土胀缩裂隙的演化特征及土体结构强度的劣化规律,对合肥弱膨胀土试样开展不同循环幅度下的干湿循环试验,利用图像处理技术从试样表面裂隙图像中提取出裂隙参数,并进行低应力下的抗剪强度试验。试验结果表明:1)裂隙开展分为裂隙酝酿期、裂隙快速传播期和裂隙平稳发展期3个阶段,裂隙指标的增长主要集中在裂隙快速传播期,且循环幅度的增大会使土体的开裂程度加剧;2)在干湿循环作用下,膨胀土的内摩擦角变化幅度小于2.2°,其受干湿循环次数的影响很小,土体的强度衰减主要源于粘聚力的大幅降低。膨胀土的粘聚力呈现出先快后缓的衰减趋势,其中前4次干湿循环期间粘聚力的衰减率达到50.97%～66.92%,且衰减率也与干湿循环幅度的大小密切相关;3)通过灰色关联度分析发现,粘聚力的衰减与裂隙面积率、裂隙总长度、裂隙平均宽度的变化趋势具有明显的关联性,其中裂隙面积率的关联度最大,其与粘聚力衰减率间的关联度为0.785～0.832,相应的权重达到0.461～0.472,且裂隙面积率与粘聚力衰减率间具有较好的线性关系,而裂隙平均宽度的关联度最小,其与粘聚力衰减率间的关联度为0.392～0.414,对应的权重仅为0.228～0.240。研究成果可为进一步揭示剧烈温湿变化诱发的膨胀土边坡灾变机理提供重要依据。     

干湿效应下崩岗区岩土抗剪强度衰减非线性分析

发育于花岗岩的崩岗侵蚀区红土受干湿变化影响显著。通过室内直剪试验,研究了不同干湿效应对崩岗侵蚀区岩土抗剪强度衰减的影响。试验处理采用5种干湿效应水平(风干48h、风干24h、自然含水率、浸30s和浸60s)。结果显示:土壤黏聚力c和内摩擦角φ随干湿变化呈非线性衰减趋势,当土壤含水率13%左右时,对应的抗剪强度指标出现峰值;峰值强度前符合线性递增规律,峰值强度后符合一阶指数衰减规律。在风干阶段,抗剪强度主要受裂隙性影响,而在增湿阶段,基质吸力是影响抗剪强度的主要因素;探讨了干湿循环效应对崩岗侵蚀发育的影响。     

SSA土壤固化剂对黄土击实、抗剪及渗透特性的影响

为了探讨土壤固化剂对黄土力学特性的影响,通过黄土样中加入SSA土壤固化剂前后的击实试验、直剪试验和渗透试验的对比分析,研究了固化剂掺量、养护龄期与固化土击实、抗剪强度及渗透特性的关系。结果表明,随SSA土壤固化剂掺量增加,固化土的最优含水率有所降低,最大干密度有所增大;固化土的抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角随固化剂掺量的增加和养护龄期的延长而增大,渗透系数随固化剂掺量的增加和养护龄期的延长而减小。在实际应用中,建议SSA固化剂最佳掺量为1%,养护龄期至少7 d以上。     

不同配比的煤矸石与垃圾筛分土抗剪试验

以自制的土壤剪切仪作为剪切强度测定的仪器,对不同煤矸石与垃圾筛分土的混合体进行抗剪试验,并采用模拟降雨方法研究降雨强度对混合体稳定性的影响。结果表明:煤矸石与垃圾筛分土的混合比在30%～70%区间内,随着煤矸石体积分数的增加,抗剪强度增加;煤矸石体积分数小于30%或大于70%,煤矸石的体积分数与抗剪强度相关性不大。混合体中土壤含水率与抗剪强度成反比,降雨因为会降低混合体的抗剪强度,从而会降低坡面的稳定性。从坡体稳定,有利植物生长角度考虑,煤矸石与垃圾筛分土体积比以50%左右为宜。     

陕南坡改梯筑坎膨胀土抗剪强试验研究

通过室内土性试验，探讨了干湿效应对膨胀土壤剪强度的研究，研究了膨胀变形与抗剪强度之间的关系，指出了填筑膨胀土的抗剪强度特征。     

周期性淹水对水库消落带根土复合体抗剪性能的影响

为了探究三峡水库消落带根土复合体抗剪性能的影响机制，以狗牙根根土复合体为研究对象，利用三轴试验，定量分析含水率、干湿交替次数以及含根量对根土复合体抗剪性能的影响。结果表明：(1)随着干湿交替次数和含水率的增加，土壤抗剪性能逐渐劣化，含水率13%的根土复合体抗剪强度依次比含水率18%、含水率23%的土壤抗剪强度提高0.12%～14.76%,12.47%～21.14%;经历干湿交替6次与3次的根土复合体抗剪强度比经历1次的降低6.31%～14.71%与2.41%～8.19%。(2)根系含量能显著影响土壤抗剪性能，含根量为1.5 mg/cm³的土壤抗剪强度比含根量为0.5 mg/cm³的土壤抗剪强度提高0.86%～21.10%,内摩擦角增长0.09%～16.31%,黏聚力增长2.27%～30.55%。(3)含水率是影响土壤抗剪性能最主要的因素，对抗剪强度的贡献程度排序上为含水率(61.30%)>干湿交替次数(21.17%)>含根量(8.28%)。研究结果为消落带固土护岸的物种筛选、群落构建、水土保持生态建设、生态系统重建以及水库岸线管理...     

含根量对秋枫根-土复合体抗剪强度的影响

为研究含根量对秋枫(Bischofia javanica)根-土复合体抗剪强度的影响,利用纵剖面法探究了秋枫根面积比沿土层深度的分布规律,基于根面积比的分布范围,分别对7级不同根面积比梯度的重塑垂直根-土复合体试样在4级正应力下进行了改进的大盒直剪试验,定量探究了不同含根量对土体抗剪强度的影响,分析了根-土复合体黏聚力和内摩擦角的变化规律。结果表明:相比于素土,秋枫根-土复合体抗剪强度的增幅为1%～25%;在相同根面积比情况下,根-土复合体抗剪强度随正应力的增大而增高,但其增长幅度却相应减小;随着根面积比的增大,根-土复合体抗剪强度呈现先增高后降低的趋势,存在最优含根量使根-土复合体抗剪强度达到最大值。4级正应力下的峰值抗剪强度值分别为100,121,136,142 kPa,对应的根面积比均为0.20%;当根系含量超过最优含根量时,根-土复合体抗剪强度出现了较大幅度的衰减,衰减率与正应力有关,正应力越大,衰减幅度越小;根面积比对根-土复合体抗剪强度指标的影响主要体现为黏聚力的改善,而对内摩擦角的影响较小。研究结果可为秋枫根系固土稳坡提供一定的理论依据,对进一步认识乔木根土相互作用具有积极意义。     

EN-1固化剂对4种土壤抗剪强度的影响

[目的]为了探讨离子固化剂路邦EN-1对黄土性土壤的固化性能。[方法]对(土娄)图土、风沙土、黄绵土、黄棕壤4种土在不同固化剂掺量、养护龄期的固化进行了直剪试验。[结果]路邦EN-1固化剂可以有效提高4种土壤的抗剪强度,特别是大幅度提高了(土娄)和黄棕壤的黏聚力。[结论]固化剂的掺量并非越大越好,掺入量过多反而会降低土壤的抗剪强度。掺量为0.01%,养护时间为28d时固化效果最佳。路邦EN-1固化剂适用于黏粒含量较大的土壤,不适用于砂粒含量较大的土壤。     

膨胀土胀缩裂隙演化及其扰动规律分析

为定量研究膨胀土胀缩裂隙的演化特征及其对土体的扰动规律,从而探究其引发工程和生态环境灾害的机理。论文对合肥膨胀土进行干湿循环-CT(computed tomography)扫描试验,从获取的CT图中提取灰度值以及灰度共生矩阵特征值:角二阶矩(angular second moment,ASM)和对比度(contrast,CON),研究在干湿循环作用下裂隙图像的灰度值及其纹理的变化规律;并通过三轴剪切试验研究了在干湿循环作用下膨胀土的强度特征。结果表明:1)图像灰度值随裂隙的发育状态而变化;初始阶段灰度值沿试样轴向分布比较离散,但在后期逐渐均匀,离散系数在3次干湿循环后达到最大值,比干湿循环前增加了106%,随后逐渐减小;2)ASM随干湿循环次数的增加而减小,并且在0°和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值大9%;CON随干湿循环次数的增加而减小,并且在0和90°方向上的值比在45°和135°方向上的值小52%,其对纹理的方向差异性更加敏感;3)胀缩裂隙对原状膨胀土的结构性会造成破坏,强度劣化显著;在5次干湿循环后,2种土强度分别降低62%和46%,并且原状膨胀土与重塑膨胀土强度的差值也由347.3 kPa降至21.3 kPa;4)由ASM和CON定义的扰动函数与由土体原生联结结构强度定义的扰动函数,扰动过程中函数变化曲线吻合度高,故基于灰度共生矩阵特征值的扰动函数能很好地描述胀缩裂隙扰动下的膨胀土强度特性。     

裂隙膨胀土细观结构演化试验

为研究裂隙膨胀土的细观结构特征,对重塑膨胀土进行了干湿循环、三轴浸水和各向等压加载试验。利用CT(computerized tomography)机对试验过程中进行无损实时动态扫描,从细观上分析膨胀土裂隙的产生以及裂隙在水和外力作用下的闭合全过程。将细观扫描数据与宏观物理参数相联系,研究裂隙对膨胀土变形特征的影响。结果表明:无约束情况下对膨胀土进行干湿循环,试样边缘以及孔洞聚集区易形成裂隙;干湿循环造成膨胀土体积收缩存在一个稳定渐近线,体缩会趋于1个稳定值。裂隙膨胀土在浸水初期产生膨胀力并出现湿胀变形;随着浸水量的增加,软化效应产生且膨胀力逐渐减小,在围压和偏应力压缩作用下继而出现体缩现象;浸水后期,在偏应力作用下试样产生剪胀破坏,再次出现轻微剪胀变形。在水和荷载作用下,不规则裂隙和孔洞逐渐演化为较规则的圆形孔洞,且圆形孔洞趋于闭合;仅在外力作用时,裂隙较难完全闭合;水和外力的共同作用使得膨胀土裂隙的闭合效果要优于单纯施加荷载时的闭合效果。裂隙膨胀土在各向等压加载过程中存在明显屈服现象,以屈服点为分界,扫描数据和孔隙比随荷载的增大分为快速体缩段和缓慢体缩段,前者与裂隙在荷载作用下闭合并演化成孔洞有关;后者与加载后期孔洞较难闭合且形成的新结构具备抵御外部荷载的能力有关。研究成果可为进一步认识裂隙对膨胀土力学特性的影响提供参考。     

木质素纤维改良膨胀土的冻融特性及微观机理

高寒区复杂环境场是渠基膨胀土劣化的主要原因，渠基膨胀土改良是保障渠系工程安全运行的重要手段。为探索冻融循环下膨胀土的纤维改良效果，以北疆某引调水工程为背景，开展木质素纤维改良膨胀土的系列室内试验，探明冻融循环下改良膨胀土的体变特性、抗压强度特性、抗拉强度特性及其作用机理。结果表明：相较于未改良试样，冻融循环下改良试样的体积变化率减小了24%～37%；在15次冻融循环后，未改良试样抗剪强度衰减率在42.2%以上，而改良试样抗剪强度衰减率则显著低于29.1%；反复冻融作用并未显著影响试样的压应力-应变关系曲线特征，而是造成试样拉应力-应变关系由“线弹性增长-强化-软化”特征发展为“线弹性增长-软化”特征；木质素纤维的掺入可以有效改善冻融循环下膨胀土的体变特性、抗剪强度特性、抗压强度特性、抗拉强度特性，且当掺量和长度分别为2%和1 mm时，木质素纤维改良膨胀土冻融特性的作用效果最为显著。同时，冻融循环下改良试样内部结构损伤程度显著低于未改良试样，原因在于木质素纤维的存在限制了冻融循环下土颗粒间的错动、重分布，在一定程度上保证了膨胀土内部结构完整性。     

风沙吹蚀与干湿循环作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀机理

针对风蚀区盐湖及盐渍土环境下服役的混凝土,配制满足特殊环境下工程要求的风积沙混凝土.分析风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀的损伤过程,借助超景深三维显微镜、X射线衍射物相分析、核磁共振孔隙分析等手段探讨风积沙混凝土抗氯盐侵蚀耐久性机理.研究表明风沙吹蚀对混凝土表面产生破坏,干湿循环对混凝土内部造成损伤;风沙吹蚀对混凝土表面造成的“吹蚀坑”可为盐离子入侵混凝土内部提供“通道”;氯盐侵蚀后生成以Friedel盐为代表的腐蚀结晶物,可填充1～4 nm胶凝孔,消耗Ca(OH)2等有效物质,迫使4～10nm小毛细孔增多,随盐蚀损伤程度加剧,10～20 nm中毛细孔和20～100 nm大毛细孔向＞100 nm非毛细孔发展,非毛细孔彼此贯通产生裂纹,致使混凝土加速破坏.该研究可为风积沙混凝土在风蚀区氯盐环境下农业水利工程建设与应用提供依据.     

养护龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度试验的影响

以湖北省宜昌市某公路膨胀土为研究对象,分别采用不同掺量的石灰、水泥、粉煤灰、风化砂对膨胀土进行改良。在经过7,14和28d标准条件养生后,进行无侧限抗压强度试验。试验结果表明,上述4种材料均能有效地提高改良膨胀土的无侧限抗压强度,在最初的14d内,水泥改良膨胀土的强度增长较为明显,后期随着养护龄期的增长,无侧限抗压强度增长速率较缓慢;石灰改良膨胀土的无侧限抗压强度值随着养护龄期的增加,一直保持近似直线形的增长趋势;粉煤灰改良膨胀土的无侧限抗压强度亦随着养护龄期的增长而呈直线增长,但其值小于石灰改良膨胀土;养护龄期对风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度影响很小。     

盐溶液浸泡养护固化土的耐久性分析

基于改善固化土养护环境的思路,提出了用硅酸钠、硫酸钠和氢氧化钠的混合溶液以及饱和石灰水养护固化土,以期达到提高固化土的耐久性,延长固化土使用寿命的目的。通过无侧限抗压强度试验、干湿循环试验、冻融循环试验以及扫描电子显微镜试验对两种盐溶液养护进行了对比研究。试验结果表明,硅酸钠、硫酸钠和氢氧化钠的混合溶液养护与饱和石灰水养护均可提高固化土的强度、抗干湿循环以及抗冻融循环的耐久性;硅酸钠、硫酸钠和氢氧化钠的混合溶液养护对强度和耐久性的提高优于饱和石灰水养护;微观结构分析表明,两种溶液养护固化土生成了较多致密的凝胶物质,增加了黏聚力,降低了孔隙率,减少了大孔隙。     

降低强膨胀土膨胀率提高抗剪强度的复合改良剂筛选

为减小膨胀土对土木工程设施和农业生态环境的严重危害,该文进行复合改良膨胀土方法的室内试验。利用离子交换、高分子成膜作用,使用不同配比的石灰(CaO)、氯化钾(KCl)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)、聚丙烯纤维组合对膨胀性土壤进行复合改良。通过54组自由膨胀率试验筛选出自由膨胀率低于40%且性价比高的改良组合(改良剂以质量分数计,下同):0.8%PVA+5%KCl、0.8%PVA+4%CaO。最后根据2种组合设计5组(天然膨胀土、添加0.6%聚丙烯纤维、0.8%PVA+5%KCl、0.8%PVA+5%KCl+0.6%聚丙烯纤维、0.8%PVA+4%CaO)三轴压缩剪切试验,测定抗剪强度并比较改良效果。自由膨胀率试验、三轴压缩剪切试验结果表明复合改良方法效果显著。经过0.8%PVA+5%KCl的混合溶液改性,并添加0.6%聚丙烯纤维改良后的土样自由膨胀率由130%降至27%,三轴抗剪强度提高15%;经过0.8%PVA+4%CaO的混合溶液改性的土样自由膨胀率由130%降至33%,三轴抗剪强度提高110%。研究表明:PVA的成膜效应能强化KCl、CaO对膨胀土水化膨胀的抑制作用;KCl、PVA对聚丙烯纤维提高抗剪强度有抑制作用;聚丙烯纤维能有效减少膨胀土裂隙的萌生,提高抗剪强度。该文提出的强膨胀土复合改良方法的有效性得到了室内试验的验证,可以为今后工程建设中膨胀土的改良、水土流失防治等提供参考。