纤维加筋黏土Ⅰ型、Ⅱ型宏细观断裂特性试验研究

探究掺入纤维对黏土抗裂性能的影响,引入直裂缝半圆弯曲试样(NSCB)和斜裂缝半圆弯曲试样(CNSCB),开展纤维加筋黏土的Ⅰ型、Ⅱ型断裂试验,从宏细观角度分析纤维掺量对加筋黏土Ⅰ型、Ⅱ型断裂特性的影响机制。结果表明:掺玻璃纤维加筋黏土试样的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度KⅠC、KⅡC值和峰值荷载均高于纯黏土试样;KⅠC、KⅡC都随纤维掺量的增加呈先增加后减小的规律,0.2%掺量时最大;通过数字图像相关技术(DIC)法测得的断裂过程区(FPZ)长度与最大切向应力断裂准则(MTS)预测的较为吻合,随着试样纤维掺量的增加,NSCB试样和CNSCB试样的FPZ长度先减小后略微增大,最后趋于平缓。

脱硫石膏—硅粉协同水泥固化工程渣土的力学性质及固化机理

采用水泥固化的方式处理工程渣土会造成碳排放量提高、环境污染加剧的问题,为降低渣土处理中水泥用量,对工程应用中渣土处理提供可行性方案。采用固废材料脱硫石膏和硅粉协同水泥固化工程渣土,开展了不同液固比、不同固化材料掺量配比下的定量无侧限抗压强度试验、pH试验、X射线衍射试验(XRD)和电镜扫描试验(SEM),分析了改良渣土的无侧限抗压强度影响因素、微观结构发展规律及材料间协同固化的适用环境。结果表明,液固比的大小与固化渣土的无侧限抗压强度大小呈先增后减的相关性,且在0.2-0.3之间时效果最好。各配比下改良土浊液均呈碱性,随着浊液p H增加,无侧限抗压强度不断增加,同配比试样随着养护龄期增加,浊液pH不断降低。改良渣土随养护龄期增长,土体内部结构逐渐致密,形成针状、棒状物质的致密层大幅提升土体强度。研究结果可为我国工程渣土处理提供可选方案,亦为协同固化机理提供理论参考。

偏高岭土协同石灰改良信阳红黏土强度试验研究

以信阳红黏土为研究对象,分别掺入2%、4%、6%、8%、10%石灰改良红黏土,通过土工试验得到石灰最佳掺入比为8%;以掺入8%石灰为基础分别再加入2%、4%、6%、8%、10%偏高岭土配制土样,以直接剪切试验、无侧限抗压强度试验及电镜扫描分析偏高岭土协同石灰改良红黏土强度效果。结果表明:①单掺石灰8%,改良土体抗剪强度最大值211.2kPa,无侧限抗压强度1.15MPa;②掺入8%石灰+6%偏高岭土,改良土体直接剪切抗剪强度最大值、无侧限抗压强度与单掺石灰8%相比分别提高33.05%和26.95%;③改良材料的掺入量对改良土体的内黏聚力影响大于内摩擦角;④偏高岭土中的活性成分能够与石灰红黏土中物质发生二次火山灰反应,促进水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶物质生成,充填孔隙,提升改良土体强度。

干湿-冻融循环下黄土力学特性及损伤机制研究

为深入研究干湿-冻融循环对原状黄土力学特性的影响及细观损伤演化规律,通过不同次数干湿-冻融循环条件下的固结排水三轴剪切试验(consolidation drainage triaxial sheartest,CD)和核磁共振试验,从宏-细观角度分析其应力-应变曲线及强度指标变化规律和细观孔隙的损伤变化规律。在此基础之上,假定黄土微元强度分布服从复合函数,建立了黄土的损伤统计本构模型,并验证其适用性。研究结果表明:土体的应力-应变曲线表现为应变软化,并且随着循环次数的增大软化程度逐渐减弱。偏应力峰值随循环次数减小并逐渐趋于稳定,在循环2次时其衰减程度最大,不同围压下分别衰减了17.6%、23.2%、24.5%和18.1%。土体内胶结块在循环作用下发生破损,使得内部孔隙面积逐渐增大,主要为小孔隙向中大孔隙的转变,随着循环次数的增大,内部结构逐渐趋于稳定。

干湿循环作用下融雪剂对玻璃纤维水泥土力学性能影响的试验研究

为研究在干湿循环作用下不同种类融雪剂对玻璃纤维水泥土力学性能的影响,制备浓度为0.2mol/L的醋酸钾、氯化镁和硫酸钠溶液作为融雪剂溶液,将养护后的无纤维水泥土和有纤维水泥土试块在不同种类的融雪剂溶液中浸泡3d,然后将试块取出放入烘干箱内分别进行8~10次干湿循环。进而分析融雪剂类型、干湿循环次数对试块表面破坏状态、强度和质量等的影响。试验结果表明:经过10次干湿循环后,醋酸钾融雪剂溶液对试块质量和强度的影响程度小于氯化镁溶液和硫酸钠溶液,说明醋酸钾融雪剂对水泥土侵蚀作用较小;试块表面裂纹随着干湿循环次数的增加逐渐增多加深,在经历相同干湿循环次数后,有纤维水泥土试块的裂纹发展程度、质量损失率和强度损失率均低于无纤维水泥土试块,说明通过添加玻璃纤维可有效提高水泥土抗干湿循环和融雪剂侵蚀的能力。

被困空腔对T-bar循环贯入软黏土流动特性影响的试验研究

为观测和分析T-bar循环贯入过程中被困空腔对软黏土流动特性的影响,利用Laponite RD、焦磷酸钠和去离子水配制透明黏土,自制由加载设备、CCD相机、激光器和控制系统组成的T-bar循环贯入试验装置,开展T-bar在透明黏土中的循环贯入试验。结果表明:T-bar初次贯入过程中,被困空腔影响土体绕探头的流动,土体不能进入全流动状态;T-bar初次上拔过程中,被困空腔与探头发生脱离,悬浮于探头上方,对土体流动的影响逐渐减弱,T-bar上拔2倍探头直径深度时土体流动不再受被困空腔影响,进入到全流动状态;第2—第10次循环贯入过程中,被困空腔稳定悬浮于土中,不影响土体流动,T-bar贯入1倍探头直径深度时土体流动表现为全流动状态;被困空腔对于T-bar循环贯入测试结果无显著影响,在T-bar初次贯入被困空腔阶段下通过T-bar循环贯入测试软黏土重塑强度是合理的。

不同加卸载路径下灵敏性粉土的变形特性

山西汾河中游一级阶地的施工中发现,饱和粉土地基受扰动后会产生很大的附加沉降,且迟迟不能稳定,表现出灵敏性。基于一维固结蠕变试验研究不同的加卸载路径对灵敏性粉土变形特性的影响,结果表明:加卸载路径和加卸荷比是影响压缩曲线的重要因素;压缩曲线在出现转折时对应的应力为结构屈服应力;加荷比越大,同级荷载下沉降值、固结系数、次固结系数和主固结比都会增大,同时其压缩曲线越趋近于线性,特征转折点消失,但加荷比越大,可大大减少工期;预压荷载的大小和卸荷比都会影响灵敏性粉土的回弹量,预压荷载大于结构屈服应力时,卸荷比越大,回弹量越大,因此需要采取分级卸载方法减小回弹量,保证预压效果;目标荷载小于结构屈服应力时,超载预压法降低工后沉降效果显著。

超固结黏土不排水剪切的屈服与临界状态

以研究超固结黏土的屈服与临界状态为目的,通过GDS三轴剪切试验仪(GDS triaxial shear testing apparatus)开展了一系列不同超固结状态的黏土不排水剪切试验。为对黏土的应力路径进行分析,选取了能描述超固结状态不同时土的屈服特性的ALPHA(α)模型。分析了黏土的偏应力/孔压-应变曲线变化趋势,并确定了孔压达到峰值时土体为破坏状态。根据应力破坏点拟合出临界状态线,提出了针对不同超固结比的不排水抗剪强度的计算公式。试验结果表明:不排水剪切试验中,前期固结压力相同时,超固结比越小,抗剪强度越高,但是屈服强度并非随超固结比的降低而单调递增变化;超固结比相同时,前期固结压力越大,抗剪强度越高,屈服强度也越高;正常固结和轻超固结土的破坏应变皆在5%左右,而重超固结土则呈现明显的剪胀现象和脆性破坏,破坏应变小于2.5%;正常固结和轻超固结土的应力路径呈“S”形,重超固结土的应力路径呈不断增长的趋势。根据破坏标准,重超固结土和轻超固结土、正常固结土共用一条临界状态线,不排水抗剪强度计算公式参数较少,易获取,易嵌入本构模型中,应用方便。

轴压下掺铁尾矿砂和水泥的生土材料细观损伤演化研究

为研究铁尾矿砂改性生土基材料在轴压下的损伤演化性能,采用CT技术,对不同应力状态下材料内部二值化图像进行分析.通过阈值分割,从细观上数值化各应力状态断面图像.研究材料分形维数、孔隙率和应力-应变(ε-σ)曲线演化规律,并阐明材料从受荷直至破坏的细观机理.结果表明:分形维数随受荷增大显著增加,σ=2.38 MPa时,分形维数最大.分形维数的变化趋势可间接表征试件受压时各扫描断面的不规则程度、粗糙度、裂缝与孔隙的发展情况.材料孔隙率随应力增大明显增加.以孔隙率为指标的材料损伤因子变化趋势与孔隙率变化规律相同,可有效反映材料在轴压下的破坏发展规律,也可作为研究改性生土试件损伤演化的定量参数.

温度效应影响下的海相软土静力学特性试验

弄清温度作用下海相软土的力学变化对海底管道的建设与长期运行有着重要作用。针对广东汕尾海相软土,进行了一系列的基本物理力学性质试验,并通过X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪和扫描电镜仪对其矿物成分、元素组成和微观结构进行了分析。通过温控三轴仪对其开展了等向固结与偏压固结条件下的固结不排水室内试验,试验结果表明:当轴向应变较小时,环境温度和固结应力比Kc对饱和广东软土的不排水剪切特性影响表现为环境温度越高或固结应力比越小,其割线模量越大,且其割线模量与固结应力比呈反比,与环境温度呈幂函数关系。轴向应变增大时,其峰值强度受环境温度和固结应力比共同影响,而其峰值孔压受环境温度影响较小。试样初始干密度会对等向固结土(Kc=1.00)的不排水剪切特征产生影响:试样初始干密度越大,峰值孔压越小,峰值强度越大,且温度升高时其峰值强度的下降幅度越大。固结应力比会影响不同环境温度下饱和广东软土的峰值强度与有效应力路径:当Kc=1.00、0.67时,环境温度上升对饱和广东软土起软化作用;当Kc=0.50、0.40时,环境温度上升则对其起硬化作用。

剑麻纤维加筋水泥土力学性能试验

目的 研究纤维掺量、纤维长度及养护龄期对剑麻纤维加筋水泥土无侧限抗压强度及巴西劈裂抗拉强度的影响规律。方法 设置纤维掺量为0~0.8%,加筋长度为7~19 mm,养护龄期为7 d、28 d及90 d,对不同影响因素下剑麻纤维加筋水泥土进行无侧限抗压强度试验及巴西劈裂试验。结果 剑麻纤维的掺入提升了水泥土的无侧限抗压强度及巴西劈裂抗拉强度,随着纤维掺量及加筋长度的增加呈现出先增大后减小的规律;当加筋长度为11 mm、纤维掺量为0.4%时,加筋效果最显著,无侧限抗压强度提高幅度达30.2%;剑麻纤维加筋水泥土的抗拉强度、拉压比与纤维掺量呈线性关系。结论 剑麻纤维的掺入改善了水泥土的脆性,提高了水泥土的破坏韧性;采用幂函数对试验数据进行拟合,得到了养护龄期与纤维掺量共同作用下剑麻纤维加筋水泥土无侧限抗压强度的预测模型,可以为实际工程提供参考。

基于Hoek-Brown强度准则的溶蚀作用下灰岩力学参数计算方法

Hoek-Brown强度准则广泛使用于岩石及岩体工程中,针对地下工程中灰岩围岩洞室受溶蚀作用其稳定性会降低的问题,提出一种相应的参数计算方法.基于Hoek-Brown强度准则中可描述溶蚀作用下灰岩的力学特性的地质强度指标G,构建其与卸载点值和溶蚀时间的函数方程.通过灰岩单轴压缩试验结果,并结合Flac3D软件数值模拟得出函数方程的参数.为验证计算方法的合理性,将试验结果和数值模拟结果进行对比,结果表明计算结果和试验结果吻合度高.最后归纳出G的变化率随卸载点、溶蚀时间的演化规律.上述研究成果可对溶蚀作用下的洞室围岩稳定性动态演化规律的相关计算与数值模拟提供理论支撑.

三种固废改性生土材料配方设计及力学性能研究

为改善生土材料的力学性能,本研究以铁尾矿、煤矸石、电石渣、油泥与水泥等材料作为掺和料对生土进行改性。基于单形格子法设计配方,对3种配方、180个改性生土试件进行抗压强度试验,研究不同因素对试件破坏形态、抗压强度和试验数据离散性的影响;利用频数分析法,研究了固废改性生土材料的最优配方;通过CT扫描,从细观层面分析受荷后材料内部的分形和孔隙。结果表明:改性生土试件抗压破坏形态基本相同,极限位移受掺料影响显著。以煤矸石与电石渣、铁尾矿与水泥、油泥与水泥作为掺和料均可大幅提高改性生土试件的力学性能,掺和料种类、掺量对改性生土试件强度及数据离散性影响显著。经过频数寻优,3种配方的理想强度掺和料配比分别为1)铁尾矿12.1%~19.5%(质量分数,下同)、水泥13.9%~19.1%、生土65.5%~69.9%;2)电石渣6.7%~14.1%、煤矸石8.9%~11.8%、生土76.7%~81.8%;3)油泥11.4%~14.4%、水泥17.4%~19.4%、生土67.1%~70.5%。材料内部的分形和孔隙特征稳定,表现出较小的波动性和良好的密实性。

土工格栅加筋橡胶碎石动力特性试验研究

土工格栅加筋是提升橡胶碎石混合料承载能力的重要方式。为探究土工格栅加筋橡胶碎石复合体动力特性及其作用机制,基于分级循环荷载作用下大型三轴试验,对3种代表性橡胶掺量碎石混合料进行不同层数土工格栅加筋,分析其累积塑性应变、滞回曲线发展演化规律,对比动弹性模量、阻尼比等动力特性关键参数,探讨耦合作用影响机制。研究结果表明:同级动应力作用下土工格栅加筋可减缓累积塑性应变的增大,随着加筋层数的增多,加筋效果更为明显;橡胶掺量增加可提升试样延性,但导致承载能大幅降低,不利于筋材加筋效果的发挥;滞回曲线形态主要取决于橡胶掺量,随着橡胶掺量增加,其形态更加饱满、倾斜,其排列更加稀疏;土工格栅加筋可提升复合体动弹性模量,并随筋材层数增多呈现出明显增长阶段;橡胶掺量对阻尼比初始值以及变化趋势产生主要影响。

微生物结合碳纤维加固钙质砂的高强度试验研究

为了研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)结合碳纤维固化钙质砂的效果及机理,先通过低轮次注浆试验探究碳纤维对MICP加固钙质砂效果的影响,并确定碳纤维的最佳掺量及长度,然后开展高轮次注浆试验,研究MICP胶结液无法再注入时的砂柱强度,通过试验结果对比和扫描电镜等分析,分析了微生物、碳纤维及钙质砂之间的作用机理。试验结果表明,掺加碳纤维能显著提高微生物加固钙质砂的强度。在低轮次注浆试验中,掺加碳纤维能有效提高碳酸钙的生成量及试样强度,纤维组的碳酸钙生成量比无纤维对照组提高了15%~34%,试样强度提高了135%~217%;高轮次注浆试验中,在MICP胶结液无法再注入砂柱的情况下,由于两组试样注浆轮次的差异,纤维组最终的碳酸钙生成量对比无纤维对照组减少了4%,试样强度提高了11%。

折线应力路径条件下粉质黏土力学特性试验研究

为了探究先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下粉质黏土的变形规律、孔压变化以及强度指标,以济南市某隧道附近的粉质黏土原状土样为研究对象,采用K0固结先侧向卸荷后轴向加荷不排水剪切试验,并在卸荷阶段选取3个不同的卸荷比,模拟先基坑开挖后坑边大吨位吊装特殊工况下的应力路径,然后进行等压固结不排水常规三轴剪切试验和K0固结侧向卸荷不排水剪切试验,并对比3种试验结果。结果表明:先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下的偏应力-轴向应变试验曲线为非线性曲线,粉质黏土的破坏强度与卸荷量有关,卸荷量越大,则破坏强度越小;减围压阶段产生负孔压,轴向加压阶段孔压随着轴向应变的增加呈先增大后减小的趋势,在同一初始固结围压下,粉质黏土的卸荷比越小,则剪切时产生的最大孔压越大;先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下粉质黏土的卸荷比越大,则有效黏聚力越大,有效内摩擦角越小,与等压固结不排水常规三轴剪切试验相比,有效内摩擦角偏小,有效黏聚力随卸荷比的不同而偏大或偏小。

天然海水环境下离子浓度对MICP反应的影响

微生物岩土技术通过生物矿化过程改善基础材料的力学性质,使其更适用于建筑或解决多学科领域的环境问题。微生物矿化过程中产生的碳酸钙是改善基础材料力学性质的主要成分,但其生成量及形态等受多种因素的影响。通过离子计、pH计、SEM、EDS和XRD等手段探究天然海水和去离子水环境在矿化过程中氯化钙和尿素浓度、比例及菌液和胶结液(氯化钙、尿素)体积比等因素对沉淀物质形貌及晶体组成的影响。结果表明:钙离子和尿素浓度及比例低时,碳酸钙的产率较高,但当初始钙离子、尿素浓度超过1.0 mol/L时,离子浓度增大对细菌产脲酶有抑制作用,浓度越高对脲酶的抑制作用越明显,沉淀物产率也随之减小,海水环境总体沉淀量与沉淀效率均高于去离子水环境。菌胶结液体积比去离子水中为1∶4、海水中不高于1∶10时,碳酸钙生成量较高,去离子水环境晶型以方解石为主,海水环境晶型以球霰石为主且沉淀中含有镁盐。

细粒含量对冻结粉质黏土力学特性的影响

季节冻土力学性能对工程影响显著,季节冻土中细粒含量是其力学性质的重要参数。为研究细粒含量对季节冻土强度的影响,通过冻土三轴试验,研究了不同细粒含量(40%、45%、50%、60%、70%)、不同冻结温度(-5℃、-10℃、-15℃)、不同围压(50 kPa、80 kPa、120 kPa)下冻结粉质黏土的力学性质。结果表明:试样的三轴应力-应变曲线均为软化型。同一细粒含量下,随着冻结负温的降低,土样峰值强度逐渐增大,其中-10~-5℃增长比-15~-10℃更加剧烈。随细粒含量的增加,土体脆性指数分布呈现抛物线形,土样黏聚力呈现上升趋势,而土样内摩擦角减小。同时,采用测温法得出了各细粒含量下未冻水含量分布,建立了冻土黏聚力在不同负温下随细粒含量变化的计算模型,能较好地预估任意冻结负温及任意细粒含量下冻土黏聚力。

黄土掺量对河道粉砂力学性能改良研究

【目的】为探究黄土掺量对河道粉砂物理力学特性的影响规律,达到改良砂土的目的,【方法】结合山西省晋中市太谷区道路工程面临的实际问题,开展一系列室内试验,探究不同黄土掺量和含水量对河道粉砂的物理特性、抗剪强度、渗透性等的影响。【结果】结果显示:粉砂渗透系数随着黄土掺量增加而下降,且幅度逐渐趋于平缓,临界水力坡降逐渐提高;抗剪强度随着黄土掺量增加而上升,随含水率的增加而下降,当黄土掺量为15%、含水率为9%时会出现一个临界值。【结论】结果表明:黄土掺量会影响粉砂的最大干密度、孔隙比和相对密度,使得土体压实度指标明显改善,有利于地基土体的压实度和承载力提升。考虑到工程成本问题和当地实际情况,建议将黄土掺量设定为15%,能达到改良粉砂的目的。

合肥弱膨胀土力学特征及饱水扰动影响

为了研究合肥地区弱膨胀土遇水及扰动对其强度和变形等力学性质的影响,对合肥地铁7号线徽富路站深基坑内弱膨胀土的原状样及饱和扰动样,分别开展了50 kPa,100 kPa和200 kPa三种围压下常规饱和三轴压缩(CTC)和三轴拉伸(CTE)以及原状非浸水样双压力室三轴压缩试验。通过对比原状样与饱和扰动样的应力–应变、强度指标以及变形模量的差异,探讨了饱水扰动对膨胀土力学性质的影响,且采用XRD衍射测试了膨胀土的矿物成分及含量。试验结果表明:(1)合肥地铁7号线基坑土质为弱膨胀土,黏土矿物中蒙脱石含量占46%;(2)合肥地铁7号线基坑的弱膨胀土强度的降低主要表现为黏聚力的降低,原状样较扰动饱和重塑样黏聚力下降了56%,而内摩擦角的变化并不显著;(3)合肥地铁7号线基坑内弱膨胀土有超固结现象,表现为原状样具有剪胀软化特征;(4)合肥地铁7号线基坑弱膨胀土原状样遇水扰动后初始模量下降了20%左右,水的浸润大幅降低了膨胀土抗变形能力。