颗粒形状对砂土抗剪强度及桩端阻力影响机制试验研究

为研究颗粒形状对砂土的力学及变形性质的影响,以3种不同颗粒形状的均粒砂及相似材料"玻璃球"为研究对象,通过光学显微镜获取颗粒数字图像,借助图形处理系统获取颗粒单元体几何参数,定义构建2种不同层次的形状描述指标(球形度、磨圆度),并通过计算机辅助程序完成颗粒形状参数的量化。通过4种颗粒材料直剪试验,获得临界摩擦角、剪胀角及峰值摩擦角等强度指标,并分析其随颗粒形状参数的变化,通过饱和试样在不同密实度、不同离心加速度下的静力触探测试来模拟不同砂土地基上的中等圆形闭口桩静压贯入过程,并探讨桩端阻力随颗粒形状的变化关系。直剪试验结果表明:在矿物组分相同的情况下,砂土临界摩擦角随颗粒的磨圆度和规则性的增加呈线性减小,剪胀性随颗粒的不规则性的增大而增大,并可通过修正的Bolton公式来量化表述形状系数对于峰值摩擦角的作用。离心试验结果表明:静力触探锥端阻力可直接用于桩端阻力(qb)的估算,具有很好的可信度,砂颗粒形状越偏离标准球状,表面棱角度越突出,桩贯入所受阻力越大,桩端承载力越高。通过理论分析,提出一种迭代计算方法,并量化分析桩端阻力(qb)、相对密度(Dr)、应力水平(σv′)和颗粒形状(ρ)四者的相互作用关系,该方法计算结果与试验实测数据具有良好的吻合度。

离子土固化剂改良膨胀土的机理研究

以河南安阳典型弱膨胀土为研究对象,分别对素土及离子土固化剂(Ionic Soil Stabilizer,简称ISS)改良土进行一系列的理化试验研究,通过标准吸湿含水率试验分析土体吸湿持水能力的变化;通过X射线衍射、傅立叶红外光谱测试、阳离子交换量及可交换阳离子成分测定、Zeta电位、比表面积,扫描电镜试验分析土体矿物组分、晶体结构、电化学性质及表面属性等反映土体胀缩本质因素的变化规律。试验结果表明:膨胀土经离子土固化剂处理后,吸湿持水能力下降,膨胀能力变弱,土样矿物成分未发生明显变化,但蒙脱石类矿物d001晶层间距变小,层间水合度降低;通过离子交换,ISS置换出膨胀土体颗粒表面亲水性阳离子,促使土体阳离子交换量减小,可交换阳离子主要成分为Ca2+;改良土体ξ电位降低,土颗粒间连接力增强,比表面积减少。ISS改良机理可解释为通过离子交换,吸附,包裹等一系列复杂的表面物化反应,降低黏土矿物晶层间"水敏性",改变土颗粒表面的双电层结构,促使结合水膜厚度减薄,从而降低了土体的膨胀性,水稳定性。

离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究

利用离子土壤固化剂(ionic soil stabilizer,简称ISS)对河南安阳地区膨胀土进行化学改性试验研究,通过不同配比的自由膨胀率试验结果,结合施工成本,得出ISS溶液改良膨胀土的最优配合比为1:350。对ISS溶液最优配合比改性后土体进行收缩试验、膨胀性试验、固结快剪、高压固结及水浸泡试验。试验结果表明,改性土线缩率减小,膨胀性指标降低,抗剪强度增大,土体由亲水性变成憎水性,且能达到较好的水稳定性,即膨胀土经化学改性为非膨胀土。ISS改性膨胀土的机制可解释为,通过ISS溶液与土粒离子进行强烈的交换作用,打开土粒与水分子之间的"电化键",降低土颗粒表面吸附水膜厚度,包裹在黏粒颗粒表面的疏水基团覆盖膜使土对水的敏感性减弱,从根本上减少了土体吸水性和膨胀性。

残余强度状态下原状滑带土蠕变特性试验研究

三峡库区许多古滑坡在重力等内、外地质营力作用下呈现出长期而缓慢的变形特征,具有明显的蠕变属性。复活型古滑坡的滑带常处于残余强度状态,其运动特征主要受滑带土力学性质和应力状态控制,研究原状滑带土在残余强度状态下的蠕变特性,对于了解复活型古滑坡滑动机制及预测其运动趋势具有重要意义。针对三峡库区黄土坡滑坡原状滑带土开展环剪试验,研究了不同应力水平条件下滑带土在残余强度状态下的蠕变变形规律。结果表明,滑带土的蠕变速率与剪切应力比R_(CSR)(蠕变剪切应力与残余强度的比值)呈正相关变化,当R_(CSR)接近蠕变阈值1时,滑带土等速蠕变明显,部分试验条件下继而发生加速蠕变,在相同R_(CSR)条件下,土样法向应力越大,其蠕变速率也越大。采用Burger模型对蠕变过程进行模拟,获取了模型的各参数。通过分析滑带土等时蠕变曲线,获得滑带土长期抗剪强度约为0.95倍的残余强度。此外,滑带土蠕变速率受固结时间影响,蠕变速率随固结时间增加而减小,滑带土剪切强度随着固结时间和剪切位移的增加可发生一定程度的恢复。

砂土颗粒形状量化及其对力学指标的影响分析

砂作为一种特殊的散体材料,其宏观物理力学性质,如密实度、剪切特性(临界状态角,剪胀角)、压缩性及颗粒破碎特征等均受到颗粒形状的影响,目前为止,对于砂粒土颗粒形状的量化工作,未到达成熟阶段。试验采用普通光学显微镜获取3种不同砂颗粒及一种相似材料(玻璃球)数字图像,利用ImageJ图形软件对其进行黑白二值化处理,获取颗粒形状轮廓边界;从3个层次定义颗粒形状参数,并利用java语言编制形状量化插件程序,计算砂粒各形状参数值,最后通过相对密度试验、直剪试验测试不同砂样的极限孔隙比、剪切强度指标。试验结果表明:整体轮廓系数、球形度、棱角度3项形状参数可作为不同砂粒形状鉴别和量化的关键参数,且与剪胀角、临界状态摩擦角均具有良好的相关性,试验提供了一种量化砂颗粒形状的有效方法,并可将得到的关键量化参数应用到宏观力学性质分析与数值模拟工作中。

离子土固化剂对膨胀土结合水影响机制研究

以河南安阳弱膨胀土为对象,通过"水汽等温吸附–热失重、差热分析"对膨胀土表面吸附结合水类型进行界定,比较分析离子土固化剂(ISS)改性前后,膨胀土结合水分布形态及数量变化,并基于傅里叶红外光谱,从水分子结构振动信息角度对膨胀土吸附结合水类型界定方法进行定性验证;结合ISS改性前后黏土矿物组分、表面理化性质的变化,解释分析了不同水汽湿度区间内,ISS对膨胀土水合行为的作用模型及改性机理。结果表明:达到一定的水汽"特征"湿度段,土表面水合状态和结合水性质将发生转变,根据热曲线的脱失温度区间可将结合水界定划分为三种类型:强结合水,"过渡"结合水和弱结合水。ISS作用后,土吸附强结合水量无明显改变,"过渡"结合水及弱结合水含量显著降低。ISS通过对膨胀性黏土矿物表面及层间的物化作用,弱化黏土矿物部分"水合活性中心"能量,从而抑制了膨胀土水化膨胀势。

K_0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究

以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力(体积应力)关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明:采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。

离子土壤固化剂改性膨胀土水稳性研究

对典型弱膨胀土及其离子土壤固化剂改性土进行了击实试验,在最优含水率、不同压实度状态下,进行了饱水后干密度、压实度变化特征试验,以及不同吸水时间、不同干湿循环次数下的无侧限抗压强度变化规律试验。结果表明:ISS改性土可击实含水率范围较未改性土宽,给ISS改性土路堤的施工带来了很大的方便;饱水之后,改性土的干密度和压实度比素土变化小,饱水能力不大,强度变化较小;改性土经过不同吸水时间和干湿循环次数之后,其强度最初发生急剧衰减,但最终趋于稳定,其衰减程度较未改性土有较大改善,水稳性良好。

论膨胀土的结构特性及工程治理

回顾膨胀土的工程特性的研究现状,重点介绍膨胀土的结构特性及边坡稳定性的研究方法和研究成果,分析了现有研究中存在的问题。对膨胀土从膨胀土的微观结构着手,深入研究微结构与有关力学参数的内在联系。微观模型与宏观模型相结合,从而揭示膨胀土的工程特性,达到防治的目的。

冻融循环作用下饱和砂岩损伤扩展模型研究

首先分析饱和砂岩所经历的冻融作用的特点,认为冻融作用是一种低周疲劳荷载,且砂岩冻融循环作用下的受力状态可简化为单向拉伸荷载的循环作用。基于以上分析,在疲劳损伤理论的基础上,建立砂岩在冻融循环作用下的损伤演化方程。同时,通过对饱和砂岩冻融循环过程中的物理性质的观测,及对砂岩自身结构特点的分析,选取砂岩的开孔隙率作为损伤变量。之后通过试验数据对所建立的损伤模型进行验证,并探讨损伤方程中各参数的确定方法。经过验证,该损伤模型能较好地反映饱和砂岩在冻融循环作用下的损伤扩展规律,可以为相关的研究提供参考。

ISS减小红色黏土结合水膜的试验研究

红色黏土结合水膜的厚度对其塑性、吸附性、渗透性、膨胀性和导电性等物理性质及强度、变形等力学性质起着控制性的作用。为了分析和计算离子土壤固化剂(ISS)处理红色黏土前后其结合水膜厚度的变化,进行了阿太堡试验、Zeta电位试验、电导率试验和比表面积试验。根据扁平状黏土颗粒结合水膜形成模型,推导了结合水膜厚度计算公式。根据液限含水率、比表面积和结合水密度,计算了ISS加固前后结合水膜厚度的变化。得出ISS加固红色黏土,能够降低其塑性指数,减小Zeta电位和电导率,从而使结合水膜厚度减薄,但不会改变黏土颗粒的双电层结构,不能完全去除红色黏土中的结合水。试验与理论计算结果表明,用塑性指数的降低来表征ISS减小红色黏土结合水膜是可行的、有效的。

不同固结状态下黄土坡滑坡滑带土的蠕变试验研究

为了研究黄土坡滑坡滑带土在不同固结状态下的蠕变特性,首先采用单向加载、加载—卸载、加载—卸载—再加载的方式分别固结滑带土,然后开展滑带土在不同固结状态下的剪切蠕变试验。试验结果表明:滑带土初始孔隙比为0.49,压缩系数a1-2介于0.37~0.45 MPa-1之间,属中等压缩性土;滑带土在单向加载至上覆压力后的孔隙比最大,压缩量最小,加载—卸载至上覆压力后的孔隙比最小,压缩量最大,加载—卸载—再加载至上覆压力后的孔隙比和压缩量介于二者之间。对于初始状态相同的滑带土,在经历不同加载—卸载—再加载固结状态后,在正应力和水平剪应力相同条件下,单向加载后的蠕变剪切应变最大,加载—卸载后的蠕变剪切应变最小,说明滑带土的剪切蠕变特性与加载路径和加载后的孔隙比密切相关。采用Burgers模型拟合蠕变试验数据,得出了不同固结状态下Maxwell模型和Kelvin模型的蠕变参数,拟合曲线和试验曲线能够很好地吻合,说明Burgers模型能够较好地反映滑带土在不同固结状态下的蠕变特性。

黄土坡滑坡滑带土氮气与水蒸气吸附试验研究

研究滑坡滑带土吸附特性对滑坡稳定性评价和滑坡防治设计具有重要意义。为了研究黄土坡滑坡滑带土在水蒸气和氮气吸附质环境下的吸附特性,采用全自动比表面积和孔径分析仪,对105℃烘干和真空冷冻干燥后的滑带土在293 K条件下进行水蒸气等温吸附试验,在77 K条件下进行氮气等温吸附试验。分别采用BET理论和Frenkel-Halsey-Hill(FHH)理论计算了滑带土水蒸气吸附和氮气吸附的比表面积和孔隙分形维数。研究结果表明:采用水蒸气吸附法测得的滑带土比表面积比采用氮气吸附法测得的比表面积大,且单位质量的滑带土对水蒸气的吸附量比氮气的吸附量多。说明水蒸气分子较小,可以进入微孔隙,由于水蒸气具有极性,可吸附在黏土矿物表面和晶层间,使黏土矿物表面阳离子水化,使吸附结合水表面更平滑。氮气分子较大,不能进入所有水蒸气可以进入的孔隙,与黏土颗粒作用力非常弱,且氮气分子可以进入的孔隙的表面似乎更不均匀。烘干样中黏土形成氢键的能力减小,导致其吸附水蒸气的能力弱于冻干样。

高吸力段黏土水合机制及微观持水模型研究

采用水汽吸附法测定3种蒙脱土在高吸力段的持水特征曲线,基于X射线衍射及BET吸附理论架构,提出了两类水合概化模型并建立了阳离子交换量、比表面积等参数的计算方法。基于极低相对湿度范围段（RH〈0.15）持水能力只受控于层间阳离子水合的机理认识,通过阳离子与水分子相互作用能量方程,推导了极高吸力下（ψ〉250 MPa）持水曲线微观参数模型。研究表明：层间阳离子水合能力的差异会导致蒙脱土吸附起始阶段呈现不同趋势,对于低水合能阳离子交换土,水分子首先吸附于黏土颗粒外表面,之后随相对湿度增加逐渐进入层间吸附,反之,则直接进入层间离子水合阶段;基于BET曲线计算的阳离子交换量、比表面积值与实测值之间吻合较好,构建的持水模型能够对文献报道数据进行有效预测,该模型可量化表征阳离子交换量、化合价、离子半价等微观参数对吸力势的影响程度。

基于变形数字图像处理的土体拉伸试验装置的研发与应用

研究黏土的抗拉性能对于认识离子固化剂改性黏土的黏聚力等力学性能有着重要的意义。针对现有拉伸测试装置的不足,设计研发了一套基于变形数字图像处理的土体材料拉伸试验装置,该装置包含应变控制模块、加载夹具模块、数据采集模块和数字图像处理模块。改进了现有加载夹具的不足,将土样形状设计为"8"型并运用FLAC^(3D)有限元数值计算软件验证其合理性,巧妙地解决了夹具与土样之间的连接问题,并且将加载夹具功能与制样盒功能合并,避免了试样转移过程中可能受到的扰动。新增了图像采集装置,记录土样变形破坏过程,基于Geo-PIV数字图像处理软件分析土样试验过程中的变形规律。应用该装置开展了素蒙脱土及不同配比离子固化剂减小蒙脱土黏聚力对比试验研究,研究结果表明:拉伸仪能精确控制、采集土体的抗拉强度。粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)分析结果客观、真实地表明,试验过程中土样处于受拉状态,并且土样受加载夹具夹持的部位并未出现明显的应力集中现象;离子固化剂改性蒙脱土抗拉强度以及拉伸变形模量较未改性土低,降低程度随离子固结剂溶液浓度增大而增大;数据采集装置对应力、应变信息变化敏感。试验结果和数字图像结果表明,所设计的拉伸试验装置具合理性、可靠性以及敏感性。

考虑能量-时间分布的边坡动力可靠性分析新方法

提出一种考虑能量-时间分布的边坡动力可靠性分析方法。该方法将动态最危险滑动面及其稳定系数以时间序列加以刻画,并根据边坡动力反应的能量分布特征,提取持续时间统计窗,用于对上述时间序列的统计分析,以获取边坡动力模糊失效概率、边坡动力可靠度指标和基于保证率的边坡动力稳定系数。以澳大利亚计算机应用协会边坡稳定考核题为例,应用上述新方法考察其在芦山7.0级主震波形条件下的稳定性,研究了在不同统计窗下的边坡动力可靠性。案例分析表明:(1)新方法能够抓住影响边坡动力稳定的主要时间段,使分析结果更为凝练、可信。(2)通过引入边坡失效状态的模糊判别,使得可靠性评价中能够考虑模糊性,解决了以往常规方法区分度不够的问题。(3)基于保证率的边坡动力稳定系数具有很好的应用前景,它在内涵上体现了可靠性分析,在形式上与静力稳定系数的定义兼容,在数值上反映了边坡瞬时动力稳定系数的保守估计值,在实践上与现行规范的拟静力法具有良好的可比性,因而具有多方面的优势。(4)就本案例而言,动力条件下最危险滑动面的发育位置趋向于静力条件下的最危险滑动面,体现了依据静力和拟静力理论框架所进行的防护工程设计,在动力条件下仍然具有积极的意义。(5)新方法对定量研究现行边坡规范的抗震设计冗余提供了一条途径。提出的新方法为边坡抗震研究提供了新的思路、方法和可供参考的实例。

离子固化剂改性蒙脱土吸附水特性及持水模型研究

采用不同浓度离子固化剂对天然钙蒙脱土进行改性处理,开展素土与改性土在相对湿度(P/P0)0.01～0.95区间的水汽等温吸—脱附试验,通过持水速率曲线、晶层d001演化曲线及红外光谱特征峰解析蒙脱土吸附水进程中主控因素的演化规律,据此提出水合状态变化的界限相对湿度区间,在此基础上,分别从阳离子水化能和晶层表面水合能角度,建立了离子固化剂改性蒙脱土微观持水方程。试验结果表明:对于钙蒙脱土,在0<P/P0<0.15～0.2,阳离子与水分子结合形成单层"水化壳";在0.15～0.2<P/P0<0.45～0.5,阳离子形成2层"水化壳";当0.45～0.5<P/P0<0.8～0.9,晶层基面进一步吸附水分子形成2层完整水化膜。在极高吸力段(ψ>200 MPa),蒙脱土持水能力只受控于层间阳离子水化作用,而在中高吸力段(15 MPa<ψ<200 MPa),晶层基面与水之间的分子作用力是影响蒙脱土表面水合能及持水性状的主要因素。在特定吸力范围内,离子固化剂通过改变相应的物化性质参数(阳离子交换量、比表面积)从而弱化蒙脱土持水能力。基于微观水合机制所构建的持水方程能够很好预测本次试验及文献报道的数据结果,不同吸力段的持水模型可量化表征离子固化剂对蒙脱土吸附水性状的调控机理。

蒙脱石含量对黏土表面干缩裂隙影响试验研究

蒙脱石作为膨胀土中主要的黏土矿物成分,对膨胀土胀缩性质及裂隙性具有重要的影响。为研究蒙脱石含量对裂隙发育的影响同时规避其他成分的影响,对13组不同蒙脱土含量的蒙脱土-石英砂饱和泥浆样进行了干燥试验,试验控制温度为40℃。在干燥过程中,对含水率和表面裂隙进行实时监控,并利用计算机软件对裂隙进行定量化分析,获取裂隙演化过程中的临界含水率及表面裂隙率δS。试验结果表明:干燥过程中,水分的散失表现出明显的3个阶段——常速率阶段、减速阶段以及残余阶段,且裂隙的发育主要在常速率阶段进行。试样的最终表面裂隙率δSF和起裂时的含水率wI受蒙脱土含量的影响明显,均表现为随着蒙脱土含量的增加而增加,终裂时的含水率wF并没有相同的趋势,但wI与wF之差Δw与蒙脱土含量正相关。

离子固化剂改性蒙脱土水合-孔隙关联演化机制

以天然钙蒙脱土为研究对象,采用不同浓度的离子固化剂对其进行改性处理,开展素土与改性蒙脱土在相对湿度(P/P_0)0～0.95区间的水汽等温吸-脱附试验,通过吸附速率曲线、晶层间距d001值变化曲线分析蒙脱土水合机制,并采用蒙脱土孔隙比变化曲线关联分析水合-孔隙演化规律,提出不同尺度孔隙吸附水的界限相对湿度区间。在此基础上,基于X射线衍射(XRD)、氮气吸附以及压汞试验对离子固化剂改性蒙脱土水合过程的孔隙分布特征进行验证分析。试验结果表明:对于钙蒙脱土,0<P/P_0<0.45～0.55时,为层间阳离子水合作用阶段,伴随着微孔(层间)扩展;0.45～0.55<P/P_0<0.8～0.9时,为蒙脱土矿物内外表面(晶层基面)吸附作用阶段,水分主要吸附于蒙脱土叠聚体间的介孔;P/P_0>0.8～0.9时,黏土颗粒表面持续吸附弱结合水,此时大孔内逐渐充填水分。离子固化剂通过改变蒙脱土的微观物理化学性质(阳离子与晶层基面)调控其吸附水特性,进而影响不同尺度孔隙的吸附水过程。

“引江济汉”工程渠坡膨胀土分级评价量化模型研究

膨胀土的膨胀潜势由于受到诸多因素的控制,其量化分级长期以来都是一个未能得到很好解决的难题。本文以南水北调中线"引江济汉"工程渠坡膨胀土为研究对象,通过对试验数据的分析,给出了膨胀土分类的建议取值;依据该分类标准,综合人工神经网络、Fisher判别分析以及粗糙集理论3种数学方法,对40组土样的膨胀等级进行了综合性指标的判别分析,通过比较研究,确定了最终的分级结果;根据每种数学方法的判别结果与操作方法,基于理论相对简单、操作简便、易于为广大科研工作者接受的原则,建议优先考虑Fisher判别方法对膨胀土进行分级评判;结合样品的蒙脱石含量,给出了分级标准的建议值,验证了膨胀土分级数学方法的可靠性,从而为"引江济汉"工程后续开挖渠道段膨胀土的分类及判别提供了理论依据。