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。     

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。     

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。     

干湿效应下崩岗土体的裂隙演化及收缩变形规律

为提高崩岗土体稳定性,抑制崩壁崩塌。试验共设计6次干湿循环,利用工业相机对脱湿过程中崩岗4层土进行定时定点拍照并结合数字图像处理技术,研究干湿效应下崩岗土体的裂隙演化及收缩变形规律。结果表明：(1)脱湿过程中土体形态变化顺序为轴向收缩、径向收缩和裂隙发育;(2)表面裂隙率与液限、塑性指数、黏粒含量呈显著正相关关系,4层土中表面裂隙率最大值为过渡层18.78%,最小值为砂土层5.41%,崩岗土体剖面上两者为相邻土层,较大差异性会严重破坏崩岗的稳定性;(3)随干湿循环的进行,径向收缩不再发生,轴向收缩、表面裂隙率、裂隙平均宽度逐渐减小,裂隙总长度、裂隙总条数、裂隙交点个数、被分割的土块个数先增加后减小,各参数均在第3次干湿循环后趋于稳定,4层土中过渡层受干湿循环影响最大,砂土层最小。研究结果可为在降雨—蒸发反复交替过程中崩岗发生机理研究提供科学依据。     

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。     

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。     

不同干湿条件下中等膨胀土裂隙发展及作用机理分析

为深入研究膨胀土在干湿循环作用下的裂隙发展规律,该研究以宿连航道工程中富含的中等膨胀土为研究对象,按照不同温度、干燥方式、干湿范围进行干湿循环试验,基于图像处理技术并结合SEM扫描电镜微观形貌,定量分析了膨胀土裂隙发展的温度与干湿效应。结果表明:裂隙发展受温度影响显著,从自然风干条件到烘箱干燥50℃,随着温度增加,裂隙指标逐渐增长;高温条件下裂隙的发育模式为先增长后拓宽,裂隙长度更早趋于稳定,而裂隙平均宽度仍会继续增长,并在含水率低于15%后出现0.08～0.17 mm的下降趋势;干湿循环是土体内部结构逐渐劣化,微观损伤不断累积的过程。虽然干湿前期试样的裂隙平均宽度受体缩效应影响,随干湿范围扩大出现部分下降趋势,而裂隙长度彼此接近,但随着干湿次数增加,裂隙指标极大值对应的干湿范围将逐渐由22%～33%向9%～33%转移;各温度、干湿范围作用下,试样裂隙指标的增加主要集中在前5次干湿循环,裂隙率、裂隙长度与平均宽度相较于未经过干湿循环的土体,分别增加了2.63%～11.56%,210.32～445.34 mm,0.39～0.83 mm;单位宽度分形维数相较于整体分形维数简化了干湿范围对于...     

模拟干湿交替对夯实土壤抗剪强度的影响

为了探究农业生产实践中经过人工夯实的田坎在自然营力作用下的垮塌变形机理,通过采集黄土区梯田土壤,对其进行室内击实、模拟干湿交替处理和剪切试验,探究了干湿交替过程对夯实土壤抗剪强度的影响。结果表明:在试验条件下,随着干湿交替次数的增加,土壤的粘聚力呈现逐渐增加的趋势。土壤的内摩擦角逐渐降低,并在第7次干湿交替时达到最小值。在100 kPa垂直压力作用下,土壤的抗剪强度受影响不明显;在200 kPa垂直压力作用下,土壤抗剪强度先增加然后趋于稳定;而在300,400 kPa垂直压力作用下,土壤的抗剪强度先增加然后逐渐降低,并趋于稳定,并在第2次干湿交替时达到最大值。此外,在相同干湿交替次数的情况下,随着垂直压力的增大,土壤的抗剪强度逐渐增大,说明垂直压力与土壤的抗剪强度呈正相关。经过显著性分析,干湿交替过程对土壤内摩擦角的影响大于相同条件下对粘聚力的影响。干湿交替过程对夯实土壤的抗剪强度有显著影响,随着干湿交替次数的增加,土壤的抗剪强度降低,其中土壤粘聚力增加,而内摩擦角下降。     

干湿循环条件下重庆地区三种土壤抗剪强度的动态变化

选择广泛分布于重庆丘陵山区的黄壤、钙质紫色土和中性紫色土3种土壤,通过对室内三轴剪切试验,测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响,在含水率和干密度对土壤抗剪强度影响分析的基础上,3土壤按各自最优含水率和干密度制作干湿循环试验土样,进行干湿循环条件下土壤抗剪强度的动态变化分析。试验结果显示：(1)在相同干密度情况下,3种土壤粘聚力c值随着含水率的增加呈现出先增加后减小的趋势,在相同土壤含水率水平下,土壤粘聚力c值随干密度增大而增大,3种土壤内摩擦角φ值在各干密度条件下均随着含水率增加呈明显减小的趋势。(2)含水率和干密度的交互作用对土壤粘聚力c值有显著影响,粘聚力c值在1.3-1.7g/cm₃干密度范围内随着干密度的增大而增大,且每一个干密度都有一个含水率与之对应,在这样一个交互作用下粘聚力c值达到最大,含水率和干密度的交互作用对内摩擦角φ值影响相对较小,同一干密度下,其φ值差异不大,随干密度的增大缓慢增大。(3)3种土壤的粘聚力c值均随干湿循环次数的增加均呈减小趋势,且前两次循环c值衰减幅度都很大,从第三次干湿循环到第五次干湿循环粘聚力c值衰减幅度很小,趋于稳定。(4)3种土壤在干湿循环后内摩擦角φ值总体呈减小趋势,但不同土壤类型间存在差异,第五次循环结束后,黄壤为24.6?,中性紫色土为22.6?,钙质紫色土为19.3?。     

躺滴法测量干湿循环条件下土壤固-液接触角的滞后特性

接触角滞后是使土壤的土水特征曲线产生滞后现象的主要因素之一,而土水特征曲线的滞后特性是土壤干湿循环的显著特征。该文采用混合制样法制备不同接触角的土样,通过躺滴法对干湿循环过程中土体的固-液接触角随时间的变化关系进行测量,结果表明:随着土样表面固滴的蒸发,其固-液接触角是不断减小的,且初始接触角越大,固滴完全蒸发所用的时间越长,黏土接触角随时间变化关系曲线呈线性,而砂土的则表现出一定的非线性。不论土体的初始接触角多大,临近固滴蒸发结束,接触角都会变为0,且整个蒸发过程中固-液-气三相接触线不发生移动,固-液接触面积保持不变。试验结果证实了土壤脱湿过程把固-液接触角假设为0是合理的,并且可以断定接触角滞后特性也可能是非饱和土土水特征曲线在反复干湿循环下滞回圈不断减小的原因之一。     

干湿循环强度与频度对花岗岩红壤孔隙分布的影响

为探明干湿循环频度与强度对花岗岩红壤孔隙分布的影响,该研究通过测定不同干湿循环条件下土壤水分特征曲线计算孔隙分布,并采用孔隙分形维数量化干湿循环效应对土壤孔隙结构变异的影响。结果表明：干湿循环对＜0.2 μm、＞3～15 μm和＞57 μm三类当量孔隙产生了显著影响。孔隙结构的再分布主要集中于前4次干湿交替之中,其后干湿交替的影响效应随着频度的增加逐渐减小并趋于稳定。随着强度增强,非活性孔隙（＜0.2 μm）和中孔隙（0.2～30 μm）逐渐发育成大孔隙（＞30 μm）。同时,干湿循环强度对大孔隙（＞30 μm）影响显著（P＜0.05）,贡献率达65.2%,而干湿循环频度对非活性孔隙（＜0.2 μm）影响显著（P＜0.05）,贡献率达91.9%。此外,土样孔隙分形维数D经干湿循环后逐渐减小,且与强度呈负相关（R2=0.868）,表明孔隙结构向大孔隙均质化方向发展。研究结果说明季节性降雨干旱引发的干湿循环效应主要影响大孔隙的生成,增强了土体的均质性和导水能力,加剧了岩土体失稳崩塌的风险。     

湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性

针对北疆地区膨胀土渠道因季节性通水导致的边坡失稳破坏问题,通过建立简化地质条件的离心模型试验,得到了湿干循环下膨胀土渠道边坡的变形及破坏特征,提出了由渠道通水、停水引起的湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式;在此基础上,利用GeoStudio软件分析了不同裂隙分布形式对膨胀土渠道边坡渗流特性及稳定性的影响。结果表明:运行过程中渠基膨胀土开裂是引起渠道边坡发生浅层失稳破坏的决定性因素;渠道因季节性通水造成的湿干循环作用下膨胀土渠道边坡破坏模式主要由“子土块”剥落破坏及“后缘张拉裂隙的扩展”2种破坏相互混合叠加构成。对比数值模型中不同后缘裂隙深度下渠坡的安全系数可知,当裂隙贯穿区深度为0.5 m时(工况1),对应的安全系数下降幅度约为60%,但此时的安全系数仍较大,渠坡可视为稳定;而当裂隙贯穿区深度继续增加至1 m时,渠道的安全系数下降幅度达到约74%,此刻的安全系数接近一级安全等级阈值(1.25),渠坡虽仍为稳定,但已经具备了失稳的可能。边坡的浅层破坏主要由“子土块”剥落模式决定,而后缘张拉裂隙的扩展对渠坡的失稳起到促进作用。此外,数值模拟结果还显示裂隙的存在加剧了坡面表层土体的孔压波动,易造成表层“子土块”的剥落。研究成果为进一步揭示季节性通水诱发的膨胀土渠道灾变提供了参考依据。     

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。