EICP与木质素联合改性粉土边坡抗雨蚀试验研究

通过设置6组试样,采用降雨试验,通过试样的表面侵蚀状况与冲蚀量、表面强度、碳酸钙含量的变化分析了改性后粉土边坡的抗雨蚀性能。试验结果表明:植物源酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)与木质素联合改性试样并在表面喷洒EICP溶液后,试样表面完整度更好,表面强度及碳酸钙含量更高,质量损失更小,抗雨蚀能力明显提高,与其他试样的平均值相比,边坡土体侵蚀量降低了75.0%,表面强度提高了33.8%,碳酸钙含量提高了235.2%;坡面喷洒EICP溶液可形成硬壳层,有效避免坡面侵蚀;木质素可为碳酸钙提供成核位点,使分布散乱的碳酸钙附着在木质素上,添加木质素后试样碳酸钙含量提高,且表面强度随碳酸钙含量提高而增大。

干湿循环下木质素改良粉土抗剪强度特性

为克服粉土强度低、干湿循环性能差的特点,同时解决固体废弃物木质素的资源化利用的问题,将木质素掺入粉土中,形成木质素改良粉土。为研究木质素改良粉土抗剪强度特性及干湿循环性能,对经历干湿循环后的木质素改良粉土进行直接剪切试验和X射线衍射试验,研究了木质素掺量0、2%、5%、8%、12%、15%和干湿循环0、1、2、3、4次对改良土抗剪强度特性的影响。结果表明:掺入木质素可以显著提升粉土的抗剪强度及干湿循环性能;一定干湿循环次数下,改良土的抗剪强度及黏聚力随着木质素掺量的增加先增大后降低,内摩擦角随着木质素掺量的增加先快速增大后基本不变;当木质素掺量为8%时,改良土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角最高。改良土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均随着干湿循环次数的增加而降低,当木质素掺量为0时,纯土试样经过1次干湿循环即崩解,强度损失率为100%;当木质素掺量为8%时,改良土的强度损失率最低,黏聚力及内摩擦角的降低幅度均较低。X射线衍射试验表明,木质素掺量为8%时,石英、方解石、白云石含量最高,黏土矿物含量较高,钠长石含量最低,这是造成改良土强度及干湿循环性能提升的直接原因。结果显示,当木质素掺量为8%时,改良土在提高抗剪强度及干湿循环性能方面具有明显优势。研究结果可为实际施工设计提供理论支撑。

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。

高温冻结粉土-不同粗糙度混凝土接触面蠕变特性试验研究

为研究高温冻土-混凝土接触面的蠕变特性,利用自行研制的大型蠕变剪切仪,开展了-1℃条件下冻结粉土与粗糙度分别为0,0.538,0.775,1.225 mm混凝土接触面的分级加载蠕变试验。分析了分级加载条件下接触面蠕变曲线规律及接触面破坏特征,并将分级加载曲线转换为分别加载曲线,研究蠕变速率随时间变化规律,建立剪应力-稳定蠕变速率函数,从而得到接触面长期强度值,进一步建立接触面长期强度与粗糙度的函数关系,以探讨粗糙度抵抗蠕变的作用机理。结果表明:高温冻结粉土-混凝土接触面分级加载强度及剪切破坏时间与粗糙度呈线性正相关,随着粗糙度的增大,剪切破坏界面向土体内部偏移,破坏类型由接触面滑移破坏向土体内部破坏发展;通过陈氏法将分级加载曲线转换为分别加载曲线,得到的分别加载蠕变曲线具有衰减和非衰减蠕变特征;建立稳定蠕变速率与剪应力的函数关系符合arrhenius方程,从而得到接触面长期强度仅约为分级加载强度的20%,说明高温冻结粉土-混凝土接触面具有显著的流变效应;接触面长期强度随粗糙度的增大呈线性增长,接触面粗糙度由0 mm增大到1.225 mm时,长期强度可增大220%,可通过增大接触表面粗糙度的方法提高高温冻土-混凝土接触面的长期强度。

隧道施工引发粉土地面沉降模拟与分析

为研究黄泛区粉土地层内开挖双线地铁隧道对地上及其周边地面沉降的影响,以某双线地铁隧道开挖工程为例,考虑地下水、隧道间距对地面沉降的影响,采用流固耦合数值方法和理论分析方法对隧道施工引起的地面沉降规律进行分析。将数值模拟数据与Peck公式进行反演计算,并考虑隧道间隔和埋深的影响提出修正Peck公式,再结合叠加原理建立适用于双线隧道开挖引起地面沉降的修正叠加公式。结果表明:隧道开挖扰动地层将引起超静孔隙水压力现象;数值模拟与理论计算得到隧道间隔为4 m时,地面沉降曲线呈现“V”型,隧道间隔为8 m、12 m时,则沉降曲线呈现“U”形;粉土内开挖双线地铁隧道,地面容易受到扰动且沉降量大,随着隧道间距的增加,隧道上方土体沉降量逐渐减小;基于修正Peck公式计算结果与数值模拟结果基本一致,相对误差在3%左右,表明该公式具有很好的实用性。研究可为粉土地区隧道及地下工程建设提供理论依据和技术支撑。

冻融循环下低液限盐渍化粉土力学特性研究

为了研究冻融作用对低液限盐渍化粉土强度的影响,对不同初始含水率低液限盐渍化粉土进行冻融循环试验后,开展不固结不排水(UU)剪切和扫描电镜(SEM)试验,从宏微观角度揭示低液限盐渍化粉土强度的劣化机理。结果表明:未冻融时,含水率的改变不会引起低液限盐渍化粉土应力-应变曲线形态发生变化,均表现为软化型;在冻融作用下,含水率小于14%时试件的曲线形态不会发生改变,呈现软化型,高含水率的试件其应力-应变曲线形态会向着硬化性转变;通过分析冻融和含水率与破坏强度的关系,发现低液限盐渍化粉土破坏强度随含水率的提高呈现线性衰减,破坏强度随冻融循环次数的增加呈现指数型衰减,前3次冻融过程中破坏强度的衰减速率和幅度最大,随后趋于稳定;随着围压的增大,试件的应力-应变曲线会由软化型向硬化型过渡;在微观结构方面,冻融作用会改变土颗粒之间的接触形式,造成孔隙和裂隙的发育,冻融过程中微观结构的变异规律和宏观力学指标的劣化具有一致性。结合土体损伤力学,构建了冻融作用下的低液限盐渍化粉土黏聚力损伤劣化模型,冻融过程中的劣化度符合双曲线关系,最终劣化度A_(c)与含水率呈指数型关系,劣化速率B_(c)与含水率呈线性关系。

南京长江漫滩废弃粉土改良用作路基填料的室内试验研究

为实现基坑开挖废弃粉土的资源化利用,研究了水泥、石灰改良长江漫滩粉土路基的工程力学特征及稳定性。通过击实试验、无侧限抗压强度试验、水稳性试验和微观试验,分析改良粉土的强度特性及耐久性变化规律,论证长江漫滩粉土作为路基填料的可行性。结果表明:掺加水泥、石灰后,土体力学性能得到大幅改善;不同掺量下浸水5 d,改良土的水稳系数均大于0.6,水稳系数随水泥掺量的增加而增加,随石灰掺量的增加先增大后减小。微观试验表明,水泥、石灰在土体中生成的胶凝物质对土颗粒具有包裹和联结作用。综合考虑改良土的强度和水稳性,经过改良后,长江漫滩粉土可以作为路基填料,建议水泥、石灰改良土的最佳组合配比为6%水泥+6%石灰,在此掺量下,改良土体的28 d无侧限抗压强度为2.05 MPa,浸水5 d后的水稳系数为0.76,具有较好的路用力学性能。

初始剪应力作用下饱和粉土液化流动特性试验研究

饱和粉土在地震作用下会发生液化变形,从而导致建立在其上的建(构)筑物发生破坏。工程场地区域内粉土单元通常存在初始剪应力作用,为探究初始剪应力对饱和粉土液化特性的影响,将液化后粉土视为流体进行了一系列循环扭剪试验研究。试验结果表明,初始剪应力对饱和粉土剪应力-剪应变率曲线影响显著,随着初始剪应力τ_(s)的增大,剪应力-剪应变率曲线由“椭圆形”向“哑铃形”过渡逐渐转变为由“镰刀形”向“椭圆形”至“锤形”过渡;表观黏度η与振次N的衰减曲线随着τ_(s)的增大先降低再抬升,平均流动系数κ与振次N的增长曲线发展速度随着τ_(s)的增大先加快后减慢,固液相变孔压比r_(uth)随着τ_(s)的增大先减小后增大,当τ_(s)=5 k Pa时饱和粉土的r_(uth)最小。

考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型

温度变化对土体性质和行为的潜在影响已成为许多岩土工程设计和应用的重要组成部分。针对粉土中孔压静力触探试验(piezocone penetration test,简称CPTu)的温度效应及部分排水状态,提出了基于小孔扩张理论的计算模型和分析方法。采用一种能够表征粉土强度温度效应的本构模型,给出了完全不排水和排水条件下的解析解;以Bourke粉土为例,分析了温度对扩张压力的影响,揭示了扩张压力随温度升高而减小的规律。采用一种线性映射方法给出了部分排水条件下的小孔扩张半解析解,并基于物理模型试验的结果得出了排水状态与温度的相关关系,建立了考虑粉土温度效应与排水状态的CPTu计算模型。研究了不同贯入速率下温度对CPTu测试结果的影响,结果表明,温度升高导致锥尖阻力与锥肩孔压减小,且变化幅度随超固结比的增加而增大,通过试验结果与计算模型预测结果的对比验证了模型的可靠性。

负压对粉土渗透变形特性影响的试验研究

针对潮水涨落或涌潮产生负压作用加剧古海塘粉土渗透变形和破坏的现象,研制了一种可以模拟负压作用影响的水平向渗透变形仪,以此为基础,开展不同负压(0、-3、-6、-9kPa)、不同粉土干密度(1.40、1.45、1.50、1.55g/cm^(3))条件下的渗透变形试验。结果表明:随着干密度增加,临界水力比降增大,抗渗能力增强,负压作用会相应降低临界水力比降并加快粉土的渗透破坏进程。通过分析提出了以现行规范确定的水力比降与流速双对数曲线为主、以渗透出水颗粒分布曲线为必要补充的粉土临界水力比降综合判别法。试验结果可为强涌潮海塘粉土防渗设计与评估提供参考。

不同压实条件下富水粉土道基变形规律的数值研究

传统基于有限元的数值方法很难对长期飞机荷载作用下粉土道基的变形演化进行计算。建立一种考虑土体干密度影响的重塑饱和粉土边界面模型,利用带误差控制的显式积分算法,将其写成可供有限元软件调用的用户自定义材料子程序,以此建立单元土体固结不排水动三轴试验进行模拟,验证模型具备描述饱和粉土的动力特性。随后建立分层压实和不同压实度的跑道数值模型,对飞机循环荷载作用下的道基变形进行了数值分析。结果表明,随着循环次数的增加,道基变形虽持续增加,但发展速率逐渐减小,循环加载50次后粉土道基变形基本稳定;94%压实度道基模型经历相同的循环加载次数后累积塑性位移小于分层压实模型,表明虽然在实际工程中往往通过分层压实的方法降低造价,但在一定荷载影响范围内,仍然需要将压实度严格控制。

压实粉土渗流各向异性的试验研究

为了分析粉质填土路堤内的渗流规律,对压实粉土的渗透性进行了室内试验研究。分别以压样法和击实法制备试样,通过室内变水头渗透试验研究了压实粉土在不同渗流方向上渗透系数的差异以及干密度对其渗透性的影响规律。结果表明:2种制样方法获得的压实粉土都是在与压实面平行方向上的渗透性最强,垂直方向上的渗透性最弱,表现出明显的渗流各向异性特征,且用击实法获得的试样渗流各向异性更为显著;另外,随着干密度的增大,2种试样在各个方向上的渗透性都减弱,且与压实面平行和垂直2个方向上的渗透系数差值也减小。研究结果可为分析渗流各向异性对粉质填土边坡内渗流场的影响及进一步合理评价其稳定性提供理论基础。

离子固化剂加固粉土物理力学特性试验

为研究离子固化剂对新疆乌鲁木齐地区粉质黏土的固化效果,开展了土体在不同离子固化剂掺量时的击实试验、剪切试验、渗透试验、崩解试验及三轴不固结不排水试验,对固化前后粉质黏土的物理力学特性、抗剪强度、崩解特性和渗透性进行了研究。结果表明:离子固化剂的最佳掺量为0.6 L/m^(3),离子固化剂的掺入可以增加粒子间的相互作用力,促进颗粒的紧密排列,改善粉质黏土的水敏性,降低土体最优含水率,提高密实度;离子固化剂可减小土体孔隙的尺寸和连通性从而降低土体的渗透系数;离子固化剂在最佳掺量时,破坏应力是素土的1.84倍,黏聚力和摩擦角分别较素土时增大了1.55倍和1.07倍,黏结强度、抗剪强度显著提高;固化后的土体经过崩解,土体为团聚状,离子固化剂的掺入可以增强土体颗粒间的结合,进而提高水稳定性。

黄河冲积粉土的渗透特性研究

黄河冲积粉土分布范围广,工程性质差,作为填料时容易出现渗透破坏现象。为研究粉土的渗透特性,以郑州地区黄河冲积粉土为研究对象,在分析黄河冲积粉土基本物理性质和颗粒级配的基础上,实验研究不同压实度粉土的渗透系数,并验证了常用渗透系数经验公式对黄河冲积粉土渗透系数预测的适用性。研究结果表明:郑州地区黄河冲积粉土颗粒以粉粒组为主,其渗透系数随压实度的增大而减小,大致与压实度呈负指数关系;此外,修正kozeny-carman公式更适于预测压实黄河冲积粉土的渗透系数。

黄河冲积粉土动弹性模量的衰减特性研究

黄河冲积粉土分布范围广、工程性质差,作为填料时容易在动力荷载下产生附加沉降或破坏,给沿黄区域工程建设带来不利影响。为研究压实粉土的动力特性,以郑州地区黄河冲积粉土为研究对象,在分析黄河冲积粉土基本物理性质和颗粒级配的基础上,对不同压实度粉土开展了等压固结分级循环加载的动三轴试验,分析了压实度、围压、循环应力比、加载频率对粉土动弹性模量衰减特性的影响规律。研究结果表明,压实度主要影响粉土的初始弹性模量,随着累积轴向动应变的增加,不同压实度粉土的动弹性模量基本趋于一致;在不同试验条件下,粉土的动弹性模量随着累积轴向动应变的增加表现出逐渐减小的趋势;当累积轴向动应变较小时,动弹性模量的减小速率较快,但随着累积轴向动应变的增加,动弹性模量衰减逐渐减缓,最终趋向稳定;粉土动弹性模量随累积轴向动应变基本呈指数衰减模式。

应力路径对粉土力学特性影响研究

为研究平面应变状态下不同应力路径对粉土力学特性的影响,采用平面应变仪,对粉土试样进行不同应力路径下的竖向加荷试验,并比较四种应力路径下土体的偏应力、侧向应变和竖向应变的变化规律,以及强度参数差异性。探究了初始干密度对不同加荷路径下偏应力、侧向应变发展规律的影响。结果表明,应力路径对于应力-应变曲线有很大影响,不同应力路径对土体变形强度影响明显。粉土干密度对于应力-应变曲线影响很大,随着干密度的增大,竖向应变和侧向应变增大幅度减小,呈负相关。

粉砂与粉土固结蠕变特性对比的试验研究

为了解释基坑预降水引发的基坑周边地面沉降的滞后性,依托某地铁车站基坑预降水工程,开展场地中典型粉砂和粉土的一维固结蠕变试验。通过试验结果分析,得到土的压缩指数、回弹指数和次固结系数,给出了回弹指数与压缩指数和次固结系数与压缩指数的经验关系。蠕变试验结果表明,粉砂和粉土的次固结系数与固结荷载之间呈现良好的线性关系,提出了次固结系数与固结压力的经验公式。从固结压力下砂土天然结构破坏的角度,解释了次固结系数随着固结压力的增加而增大的原因,为解释预降水引起的基坑周边地面沉降滞后效应和地面沉降合理估算提供了实验依据。

黄泛区非饱和粉土动模量和阻尼比特性研究

黄泛区粉土水敏感性强,力学性质独特,易受振动荷载的影响。本文通过循环三轴试验,研究固结围压和饱和度对黄泛区粉土动模量、阻尼比特性的影响。研究结果表明,黄泛区粉土骨干曲线符合双曲线关系;随动应变的增大,黄泛区粉土动弹性模量先急剧减小而后逐渐趋于稳定;随固结围压的增大和饱和度的减小,粉土动弹性模量逐渐增大,阻尼比则逐渐减小;二元线性方程可用于估算最大动弹性模量随固结围压和饱和度的变化规律,修正Hardin-Drnevich模型可较为准确预测黄泛区非饱和粉土的动弹性模量和阻尼比。本研究可为黄河流域工程建设提供理论支撑。

磷酸镁水泥加固低液限粉土的pH和电导率响应与孔隙特征研究

为了探究磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC)对黄河淤积低液限粉土的加固问题,本试验研究不同MPC占干土的掺量、镁磷比(m(M/P))及硼酸与氧化镁比(m(BA/M))对粉土初始pH、电导率的响应;探究选定m(M/P)、m(BA/M)下不同龄期和不同MPC掺量固化土的无侧限抗压强度、pH、电导率与水化产物的变化规律,并基于CT扫描技术重构了三种不同MPC掺量下固化土的孔隙网络模型,结合XRD物相分析,揭示其固化机理。结果表明:随着MPC掺量的增加,m(M/P)较小时固化土的初始pH逐渐减小,而m(M/P)较大时pH先增大后减小。MPC掺量和m(M/P)一定时,随着m(BA/M)的增加,pH在m(BA/M)为某一值(2%)时降为最低,随后逐渐增大。考虑到低液限粉土的低用水量与促进后期水化需求,选择偏酸性配比(m(M/P)=1,m(BA/M)=2%)与低于15%MPC掺量较为合适。pH随着龄期和MPC掺量的增加而增加,电导率变化规律则与pH相反,二者呈负指数的关系,且能定性地表征水化情况。力学试验结果表明MPC能使粉土强度大幅提升,龄期与MPC掺量的增加均使固化土的强度增长。XRD与CT扫描结果表明,MPC固化机制为各龄期均出现的鸟粪石和MgO胶结在土粒之间形成交互结构,且随着MPC的掺量增加,土颗粒间的粘结更加紧密,形成的土骨架提升了宏观力学强度,同时扩大孔隙空间,增加了孔隙率,增强了孔隙间的连通性,导致渗透性增大,因此工程应用时可通过改善孔隙结构进一步提升固化性能。

不同区域粉土累积塑性应变预测模型

机场道基在长期服役过程中,不同区域粉土的累积塑性应变发展有显著差异。目前研究中鲜有考虑粉土区域性差异影响,尚未有预测模型能够对不同区域机场的道基粉土进行统一量化和预测。为确定影响粉土累积塑性应变的关键指标,有针对性地预测各区域粉土塑性应变,保证道基的长期服役性能,从华北地区3个不同机场取现场道基粉土,开展了不同区域和不同黏粒含量下粉土的动三轴试验,以揭示了不同条件下粉土累积塑性应变发展规律;通过SPSS灰色关联分析探究了不同区域粉土的矿物成分、颗粒级配、液塑限、最优含水率和最大干密度等指标与其循环荷载下最终累积应变的相关性,确定了黏粒含量为关键评价指标;基于试验结果建立了最终累积塑性应变预测模型。结果表明:不同区域粉土的颗粒级配、液塑限和最大干密度均有显著差异;循环荷载下累积塑性应变也差异显著,且受动应力影响;通过灰色关联分析,确定了以黏粒含量作为评价各地粉土最终累积塑性应变的量化指标;基于不同黏粒含量的动三轴试验结果,建立了考虑区域差异和动应力幅值的最终累积塑性应变预测模型。该预测模型能较好适用于不同区域机场道基粉土,基于当地粉土黏粒含量情况,较为准确地预测其长期服役过程中的累积塑限应变。