膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:(1)胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;(2)裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;(3)超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;(4)膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;(5)渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;(6)微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。

土体龟裂力学机理及理论模型研究进展

土体龟裂是一种常见的自然现象,它对土体的物理力学性质有重要影响,是许多工程地质及环境地质问题的重要诱因。开展土体龟裂研究,探讨其形成机理并构建相应的理论模型,一直是本课题的研究重点和难点。根据近年来国内外围绕土体龟裂所取得的研究成果,着重对土体龟裂的力学机理及相关理论模型研究进展进行了归纳和总结,并依据各模型的理论基础及其特点进行了分类和评价,得到如下主要认识:学界关于龟裂的形成机理尚未有统一认识,主流观点认为龟裂是土体张拉破坏的一种表现形式,张拉应力和抗拉强度是控制龟裂形成的两个关键力学指标,但上述力学机理不能解释所有的土体龟裂现象。与土体龟裂相关的理论模型总体上可以分为4大类:(1)以断裂力学为理论基础的模型:代表性的有线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和基于线弹性断裂力学的有限元模型;(2)以张拉破坏为理论基础的模型:代表性的有线弹性力学模型、剪切破坏模型、弹性力学模型和黏性开裂模型;(3)以土体干缩变形过程为基础的含水率-体积变化模型;(4)以土体固结理论为基础的应力路径分析模型。在此基础上,进一步对各模型的适用条件及不足之处进行了评价。最后,笔者对该课题今后的研究重点和方向提出了建议,包括:蒸发过程中土体微观结构变化及微观力学分析;蒸发过程中孔隙水的迁移过程、分布特征及赋存状态研究;土体收缩研究;土体抗拉强度研究;裂隙发育宽度及深度预测理论模型研究;龟裂发育几何形态特征预测理论模型研究。

干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究

裂隙性是膨胀土的典型工程地质特性之一,对其工程性质有重要影响,直接或间接地导致各种工程问题。通过对重塑膨胀土开展室内干湿循环试验,对获得的裂隙数字图像采用图像处理技术进行一系列预处理操作,提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量化指标,定量描述裂隙的形态特征,分析干湿循环过程中压实膨胀土的裂隙发育规律。结果表明:含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素。随着含水率的减小,重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。表面裂隙率、裂隙条数和总长度随含水率的减小逐渐增加,绝对收缩率随含水率减小而增大,而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律;随干湿循环次数的增加,裂隙进一步发育,裂隙条数、裂隙总长度、表面裂隙率增加,绝对收缩率总体增大,但裂隙平均宽度存在减小的现象,这与后期发育的大量微裂隙有关。

土体水分蒸发模型研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响。尤其是近些年来,受全球气候变化影响,极端干旱性气候频繁发生,与蒸发相关的岩土和地质工程问题越来越突出,逐渐成为国际研究的热点。建立土体水分蒸发模型是该课题研究的首要目标,对准确评估和预测气候作用下土体水分场信息有重要理论和现实意义。着重对国内外学者近几十年来围绕土体水分蒸发模型所取得的研究成果进行了归纳和总结,依据各种模型的理论基础进行了分类,总体上可分为表面能量平衡模型、水量平衡模型、质量传输模型、阻力模型、温度-风速模型及吸力模型等六大类别。在此基础上,分别阐述了各类模型的研究进展,并对其中一些代表性模型进行了详细介绍,对比分析了各个模型之间的联系与区别,并探讨了它们的优缺点和适应条件。总体而言,现有的模型存在重气象因素而轻土性因素的特点,对砂土和饱和土具有较好的适应性,而对黏性土和非饱和土的适应性较差。基于此,结合本学科的特色和研究背景,提出了今后该课题的研究重点,包括非饱和土的蒸发模型问题研究、黏性土水分蒸发模型研究、考虑土体裂隙参数的土体水分蒸发模型研究、构建通用型的土体水分蒸发模型等几个方面。

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,(1)土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;(2)按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。

黏性土干/湿过程中土结构演化特征研究进展

干湿变化是自然界中土体必然经历的过程,对土体工程性质有重要影响。系统掌握干/湿过程中土结构演化特征,对深入认识土体宏观力学性质有重要意义。基于国内外大量文献资料,着重总结了黏性土在干燥过程、湿化过程和干湿循环过程中微观结构的演化特征,得到了以下几点主要认识:(1)含水率是影响土体微观结构的关键因素之一,在最优含水率干侧制备的土样呈典型的团聚体结构,孔隙分布曲线具有双峰特征,而在湿侧则呈相对均匀的基质结构,孔隙分布曲线呈现单峰特征;(2)在干燥过程中(吸力增加),到达缩限之前,土体积的减小主要由大的宏观孔隙收缩所致。在不同的吸力区间内,主要受影响的孔隙尺寸是不同的;(3)在湿化过程中(吸力减小),团聚体内的小孔隙和团聚体间的大孔隙都逐渐增大,且以团聚体内的孔隙增大为主,孔隙结构的演化特征与侧限条件密切相关;(4)在干湿循环过程中,土结构变化并不是完全可逆的,土体产生的累积收缩/膨胀形变量主要来自于宏观孔隙,随着干湿循环次数的增加,土体的体变特性会达到一个平衡状态,可用弹性孔隙比进行描述。除此以外,还总结了土结构观测的常规技术方法,包括SEM、ESEM、MIP和CT技术等。最后针对土结构研究现状,提出了今后的研究重点和方向,主要包括制样新方法、观测新技术、湿化过程的微观结构以及微观结构参数与宏观力学模型相结合等。

土体龟裂研究方法

土体龟裂是一种常见的自然现象,会对土体的工程性质产生显著的负面影响,是许多工程地质和环境地质问题的直接诱因,要研究龟裂,首先需要解决研究方法问题。基于国内外近些年围绕龟裂所开展的工作,着重对研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,得到如下认识:(1)土体龟裂研究方法总体分为试验研究和数值模拟研究两大类,试验研究又可分为室内试验和现场试验,目前该课题主要以室内试验为主;(2)室内试验常用的试样主要有泥浆样和压实样两种,且前者更受学界欢迎;(3)土体龟裂试验主要涉及两方面的关键仪器设备,一方面是用于控制试验的环境条件,代表性的为环境箱,另一方面是用于监测龟裂发育过程的相关参数,尤其是裂隙几何形态参数,代表性的有图像采集装置、激光扫描仪、CT机、ERT和分布式光纤等;(4)在试验方法方面,多采用控制变量法研究一个或几个参数对土体龟裂形成及发育规律的影响,包括试样初始状态、尺寸大小、厚度、土质成分、环境温度、相对湿度、试样/容器接触条件和干湿循环次数等;(5)采用数字图像处理技术能快速提取龟裂网络的几何形态结构参数,较其他技术更具前景;(6)现场试验可以最大限度的反映真实裂隙的形成和发育规律,但由于这类试验费时费力投入大等客观原因,报道相对较少;(7)数值模拟是研究土体龟裂的重要手段之一,但由于现阶段关于龟裂发育机制没有统一认识,相关研究还处于起步阶段。最后,针对当前的研究不足提出了今后土体龟裂课题的研究重点。

干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究

膨胀土是一种气候敏感性土体,研究在干湿循环过程中膨胀土剪切强度的变化,对了解在自然界周期性蒸发和降雨作用下原位膨胀土体工程性质的变化以及由此导致的地质灾害发生过程具有重要意义。文中以重塑非饱和膨胀土为研究对象,模拟了3次干湿循环过程,对每次干燥路径中的试样进行了直剪试验,重点分析含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响,得到如下主要结果:(1)在干燥过程中,随着含水率的减小,试样的刚度、脆性、抗剪强度值(峰值剪切应力)、抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)及抗剪强度损失(峰值强度与残余强度之差)均呈增加趋势;(2)正压力越高,试样的剪切强度和残余强度越大,而破坏后的峰值强度损失越小,破坏韧性增加;(3)在3次干燥过程中,试样的剪切强度及黏聚力呈先增加后减小的趋势,在第二次干燥过程中达到峰值,但内摩擦角受干湿循环的影响无明显规律;(4)试样经历多次干湿循环后,其剪切特性越来越类似于超固结土,脆性显著增加;(5)干燥过程和干湿循环对试样残余剪切强度的影响都不明显,残余剪切强度基本都在100kPa附近变化;(6)非饱和膨胀土在干湿循环及干燥过程中剪切强度的变化除了与吸力有关外,还与其微观结构调整和裂隙发育状态密切相关,需要综合非饱和土力学和土质学理论对试验现象进行分析。

砂土微观结构样品制备技术及量化方法研究

土体的微观结构是决定其工程特性的重要内在因素,但对于砂土而言,如何制备适合微观分析的样品以及快速准确量化结构参数一直面临诸多挑战。为此,提出一种真空冷冻干燥-注胶相结合的砂土样品制备技术,该技术可在有效去除土样水分的同时保持样品原状结构不被扰动,并可用于后续加工处理。针对不同粒度的砂土样品,分别使用扫描电子显微镜和光学显微镜对制备的试样进行观察,基于自主研发的土体微观结构定量分析系统SMAS对拍摄的照片进行精细量化分析,提出了由土颗粒数量、颗粒周长、表观孔隙率、形状系数、等效直径、分形维数和形态比等参数构成的量度指标体系对砂土样品微观结构特征进行定量评价。研究结果表明:提出的真空冷冻干燥-注胶相结合的砂土样品制备技术具有操作简单、稳定可靠等特点,能有效维持砂土的原状结构;比较而言,扫描电镜更适用于粉细砂的微观结构分析,而光学显微镜更适用于中粗砂的微观结构分析;SMAS能有效识别微观结构图像中的土颗粒及孔隙,为定量分析砂土或其他土体的微观结构特征提供了高效的工具。

基于计算机图像处理技术的松散砂性土微观结构定量分析方法

土体微观结构是土体宏观力学机制的反映,深入研究土体微观结构对正确评价土体工程性质具有重要的指导意义.针对松散砂性土的微观结构量化研究中存在的难题,提出了一整套样品制备方法和试验方法,基于数字图像处理技术,对土样的扫描电子显微镜图像(scanning electron microscope,SEM)进行了定量分析,并通过自主开发的程序实现了土样微观结构量化指标的快速获取和全自动处理.采用该方法能对松散的砂性土制备出符合扫描电镜观测要求并同时保持原始结构不受扰动的试样,开发的程序能对土样的SEM图像进行去除多余信息、二值化、去噪、参数统计等预处理步骤,快速获取颗粒个数、面积、形态比、表观孔隙率、分形维数等微观结构量化指标.借助统计学方法,对一些关键量化指标的分布特征进行了分析和探讨.研究结果表明,计算机图像处理技术可以高效识别土体的颗粒和孔隙形态,进行土体微观结构参数的精确提取,从而为土体微观结构的定量分析提供了有效的途径.