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.     

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。     

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。     

煤矸石改良膨胀土特性及其最佳掺量条件下的孔隙结构表征

为减小膨胀土对土木工程设施及农业生态环境的危害,进行掺加煤矸石粉改良膨胀土的试验研究。该文以内蒙古兴和县高庙子乡的膨胀土和煤矸石为研究对象,通过无荷膨胀试验、有荷膨胀试验和收缩试验确定煤矸石粉的最佳掺量,对最佳煤矸石粉掺量的膨胀土进行干湿循环试验,利用直剪试验测定每次干湿循环后试件的抗剪强度指标;通过压汞试验测得孔隙特征值,从微观角度揭示强度变化机理。试验结果表明:煤矸石粉掺量为6%时抑制膨胀土的胀缩性效果最佳;干湿循环作用使素膨胀土黏聚力和内摩擦角均有所衰减,掺入煤矸石粉后强度衰减得到控制;随干湿循环次数的增加孔径逐渐向大孔范围聚集,团粒结构增多,使素膨胀土的抗剪强度指标降低;经过5次干湿循环,掺加煤矸石粉土样的大孔孔隙密度比素膨胀土降低约35%,煤矸石有效阻止膨胀土的强度劣化。     

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。     

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。     

外掺植物纤维对冻融作用下植被混凝土抗剪强度的影响

[目的]研究外掺2种植物纤维对冻融作用下植被混凝土抗剪强度的影响,为植被混凝土生态防护技术在高寒地区的应用提供科学依据。[方法]参考相关标准(GB/T50082-2009)中的慢冻法,采用2因素3水平全面交叉试验开展研究。[结果]未掺植物纤维的植被混凝土,冻融后黏聚力显著减小,内摩擦角变化不明显。掺入植物纤维可使经受5次冻融循环作用后植被混凝土的内摩擦角平均增加5°左右,并且随植物纤维掺量的增加,内摩擦角变化无明显规律,黏聚力则呈先增加后减小的趋势。表明纤维加筋对黏聚力的贡献存在临界掺量。棕纤维掺量对黏聚力的影响比黄麻纤维掺量更为敏感。[结论]外掺植物纤维可有效改善植被混凝土抵抗冻融破坏的能力,棕纤维和黄麻纤维的建议掺入比为0.6%和0.6%,具备推广应用前景。     

滤纸法测定干湿循环下膨胀土基质吸力变化规律

为了获得干湿循环作用下膨胀土基质吸力的变化规律,首先采用人工模拟降雨和蒸发的方法开展了膨胀土室内干湿循环试验,然后利用滤纸法进行了不同含水率下试样的基质吸力测定试验,获得了干湿循环条件下膨胀土的土水特征曲线,求出了相应的进气值与残余值,结合Fredlund土水特征曲线模型对经历不同干湿循环次数下的土壤土水特征曲线进行了拟合,最终建立了考虑干湿循环效应的膨胀土土水特征曲线模型。结果表明:1)随着干湿循环次数的增加,土壤的进气值呈下降趋势,从循环1次时的134.5 k Pa降至循环4次时的58.5 k Pa,降幅达56.5%。从循环1次至2次的进气值下降较大,往后降幅明显减小,趋于基本稳定,这表明对土壤进气值的影响以初次干湿循环为主。2)残余值亦呈下降趋势,从循环1次时的1 040.5降至循环4次时的528.5 k Pa,降幅达49.2%。每经历一次干湿循环,残余值降幅均较大,尚未趋于稳定,这表明干湿循环效应对土壤残余值的影响比对土壤进气值的影响要大。3)新建土水特征曲线模型中的拟合参数与干湿循环次数成较好线性关系,表明随着干湿循环次数的增加,土壤进气值逐渐减小,水分变化速率有所降低,而残余含水率逐渐增加。该成果可为深入研究土壤基质吸力及其工程应用提供参考。     

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。     

不同坡度下掺沙对黑土坡面径流侵蚀特征的影响

黑土区野外考察发现,当地农民通过土壤掺沙的方法改良土壤质地,以提高作物产量。鉴于此,基于人工模拟降雨试验,探究东北典型坡度(3°,5°和7°)条件下掺沙比例(0,10%,20%和30%)对黑土坡面径流侵蚀特征的影响,以期为东北农业生产和土壤侵蚀防治提供科学依据。结果表明:掺沙比例对坡面径流特征的影响较坡度更加明显;随着坡度的增加,掺沙比例对径流特征的影响增大。随着掺沙比例的增加,平均径流流速从5.2～5.3 cm/s减小到2.7～3.4 cm/s,产流率和径流量逐渐减小,掺沙30%时达到最小值。产沙率随掺沙比例和坡度的增大呈先增加再减小的变化。侵蚀量随掺沙比例增大变化显著,呈先增加后减小的变化,在掺沙10%和20%时较大。可见,土壤掺沙(20%)在减小坡面径流量的同时,亦能增加坡面土壤侵蚀量。从水土保持角度分析,掺沙处理不利于防治黑土坡面土壤流失,但是综合考虑其生态经济效益,适度掺沙能够作为一种黑土区坡耕地农业技术措施。     

锚固植被加强系统对新开挖膨胀土边坡大气影响深度的作用

[目的] 探索锚固加强植被系统(ARVS系统)对新开挖膨胀土边坡大气影响深度的影响,为该系统防护新开挖膨胀土边坡的应用提供参考依据。[方法] 以南宁市膨胀土边坡为研究对象,进行新开挖的裸露边坡、植草边坡、ARVS系统防护边坡的现场试验,监测边坡的土体含水率、土体温度、锚杆轴力,研究大气作用下ARVS系统对新开挖膨胀土边坡的大气影响的深度。[结果] 裸露边坡的大气影响深度发展最快,短时间内就能发展到了2.4 m左右,ARVS系统防护边坡的发展最慢,多次降雨后,大气影响深度小于1.8 m;ARVS系统能约束膨胀作用,限制胀缩裂隙的发育,再加上植被作用,减缓大气影响深度向内部发展的速度;随着大气影响深度向土体深部发展,中性点向深处移动,坡面的植被与高性能植被保护垫(HPTRM)能使限制这种移动,保证ARVS系统约束膨胀作用的能力。[结论] ARVS系统的植被,HPTRM和锚杆3者相互作用,通过约束膨胀作用来限制新开挖膨胀土边坡大气影响深度的发展。     

冻融过程对高寒区渠道基土力学特性的影响

高寒区复杂的环境场是渠道基土劣化的重要原因,并由此诱发渠系工程的灾变。开展了湿干循环及湿干冻融耦合循环下膨胀性渠道基土的三轴固结排水剪切试验,描述了渠道基土的应力-应变关系、弹性模量、破坏强度和抗剪强度指标的变化特征,探讨了湿干冻融耦合循环中的冻融过程对渠道基土力学特性的影响。结果表明:湿干循环和湿干冻融耦合循环次数的增长使得渠道基土的应力-应变关系由一般硬化型往弱硬化型(弱软化型)发展,湿干冻融耦合循环过程中的冻融过程加剧了这一转变的发展。同时,湿干冻融耦合循环中的冻融过程易造成渠道基土的弹性模量、破坏强度、黏聚力在耦合循环初期大幅下降,而这一影响随着湿干冻融耦合循环次数的增长逐渐弱化。7次湿干循环后,试样的弹性模量、破坏强度、黏聚力和内摩擦角分别衰减了约13.1%～33.3%、21.2%～27.6%、39.1%和15.6%,低于7次湿干冻融耦合循环后22.3%～34.5%、22.2%～30.9%、44.0%、11.7%的衰减幅度,表明湿干冻融耦合循环中的冻融过程加剧了渠道基土力学性能的衰减,但对试样内摩擦角影响较小。另外,湿干冻融耦合循环中的冻融过程造成低围压下的渠道基土损伤较为明显,以传统弹性模量形式表征渠道基土的损伤度在在一定程度上低估了湿干循环及湿干冻融耦合循环过程对于渠道土体的损伤程度,在高寒区膨胀土渠系工程相关计算与分析中,还应充分考虑渠道土体的破坏强度衰减。研究成果可为北疆供水工程的建设与维护提供一定科学依据。     

砒砂岩与沙复配土壤的冻融特征

[目的]揭示砒砂岩与沙复配土壤冻融特征及其对风蚀的影响,为毛乌素沙地土地整治可持续性提供理论依据。[方法]利用陕西省榆林市榆阳区气象资料和土壤观测数据,结合含水量变化规律,以砒砂岩与沙复配土壤为研究对象,沙土为对照,探究2种土壤冻结层形成差异、冻融过程及积雪消融特点。[结果]由于含水量的差异,复配土壤与沙冻结层形成特点具有差异,沙地表层通常会形成土壤干层,从表层之下冻结,而复配土壤的冻结层在地表形成;复配土壤的最大冻结深度为116.0cm;大于沙地的最大冻结深度96.0cm,且冻结层融解时间晚于沙地一周;积雪覆盖条件下,沙地表层存在1.0~6.4cm的土壤干层,而复配土壤表层不存在干层,复配土壤积雪盖度和厚度均大于原始沙地,阳坡尤为显著。[结论]土壤冻层和积雪在复配土壤地表形成了2层保护层,减少了休闲期的风蚀作用。     

渠道衬砌膨胀混凝土力学特性试验研究

在水灰比保持不变的条件下,通过正交试验研究了膨胀剂AEA掺量、粉煤灰掺量及养护条件对混凝土膨胀率和强度的影响规律,提出了强度等级达到C15、自由膨胀率最大的渠道衬砌补偿收缩混凝土最优配合比.结果表明:随着膨胀剂掺量的增大,混凝土膨胀率先升后降,混凝土28d强度有一定幅度的降低;在试验条件下,膨胀剂AEA掺量为水泥质量的12%、粉煤灰掺量为水泥质量的30%及养护条件为水中养护时,混凝土的膨胀率达到最大,强度亦满足渠道衬砌要求.这表明,在渠道衬砌工程中应用微膨胀混凝土是完全可行的.     

微生物固化风沙土的保水性能试验研究

[目的]研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化风沙土的性能,为MICP技术在固化风沙土以及恢复生态等方面提供理论依据。[方法]采用MICP技术对风沙土进行不同次数的固化处理,通过扫描电镜和光学显微镜对固化风沙土的微观结构进行分析,并测试分析固化试样的基本物理性质和保水性。[结果]通过MICP处理的风沙土,在风沙土颗粒之间有碳酸钙晶体生成,将沙土颗粒胶结在一起,使松散的风积沙固化成具有一定强度的整体;随着固化次数的增加,固化风沙土的厚度、干密度、碳酸钙含量逐渐增大,渗透系数逐渐减小,固化厚度由3.38 mm增加至11.28 mm,干密度由原沙的1.61 g/cm³增加至2.05 g/cm³,碳酸钙含量由8.99%增加至13.08%,渗透系数由原沙的1.06×10^-3 cm/s减少至2.35×10^-4 cm/s;当固化处理次数不大于5次时,保水率随固化处理次数的增加而增大,固化试样的保水性能有所改善,固化处理超过5次后,保水性能则有所下降。[结论]采用MICP技术固化的风沙土,可明显改善风沙土的干密度...     

季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性变化规律原位试验

为了更好地认识冻融过程对季节性冻融农业区土壤矿质氮有效性的影响,以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象,采用改进的树脂芯法开展了自然状态下表层土壤氮素原位培养试验。结果表明:土壤冻结过程使各下垫面土壤铵态氮含量增加了170%,硝态氮含量减少了19%,进而增加了土壤矿质氮含量及铵态氮所占比例,同时使各下垫面土壤铵态氮含量变异系数减小36%,硝态氮含量变异系数增加了250%。冻土融化过程中,土壤铵态氮含量无显著变化,硝态氮含量显著增加后趋于稳定;冻土融化初期,积雪融化和积雪融化与冻土融化的叠加过程使各下垫面土壤铵态氮含量变异系数分别增加了39%和48%,硝态氮含量变异系数减小了65%和40%,但大部分阶段硝态氮变异系数大于铵态氮。冻融过程中,土壤含水率的变化并未对土壤中铵态氮和硝态氮含量产生显著影响。