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。

利用原位测试试验确定黄河口潮滩粉质土固结状态研究

黄河口泥沙快速堆积在河口一带,在波浪和潮波作用下,表层沉积物处于超固结状态,但试验中发现采用Casagrande作图法求取的黄河口粉质土先期固结压力往往偏大。为了了解黄河口粉质土固结状态、合理估算先期固结压力,在黄河口刁口流路三角洲叶瓣潮坪上,现场取土在试坑内配置了模拟黄河口快速沉积形成的流体状堆积物,利用原位测试手段(静力触探、十字板剪切试验和孔隙水压力测试),并在长期观测基础上,对比研究了1.0 m深度范围内试坑和潮滩原状土体固结过程及固结状态。研究发现:黄河口快速沉积粉质土在自重作用下固结很快,固结完成后,土体强度随时间发展呈现不均匀增长,沿深度方向从上到下出现高-低-次高不均匀固结特征;历经16个月后,试坑和潮滩原状土体先期固结压力进一步提高,固结不均匀性和结构性不断增强。从试坑土体自重固结完成后的实际固结状态及原状土体物理性质指标来看,Casagrande作图法结果偏大,采用静力触探比贯入阻力法、十字板剪切试验不排水抗剪强度经验公式法估算的试坑和潮滩原状土体先期固结压力数值更为可靠;同时该方法为土体固结状态研究提供了新途径。

砂-粉混合料颗粒接触状态的临界条件确定

砂-粉混合料被广泛应用于高速铁路路基、人工筑岛及海底沉管隧道垫层等重大工程,如何科学地表征砂-粉混合料复杂的颗粒接触状态及连续演变的力学行为特征,并深入揭示其对混合料静/动力学特性的影响已是一项紧迫的基础性科学研究任务。本文基于代表性砂-粉混合料的基本物理性能指标及力学特性指标试验数据,验证Rahman等提出的区分“细粒填充砂粒”和“砂粒悬浮细粒”的阈值细粒含量FCth半经验公式预测能力。基于理想二元介质材料的理论最小孔隙比计算方法,提出确定中间性态土颗粒接触状态临界条件参量FC_(in-min)和FC_(in-max)的方法,分析各参数对FC_(in-min)和FC_(in-max)的影响规律,建立基于基本物理性能指标的FC_(in-min)和FC_(in-max)预测方法,最终提出全FC范围(FC=0~100%)的砂-粉混合料各颗粒接触状态临界条件参量的有效评价方法。

砂颗粒矿物成分对MICP过程的影响及机理

微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是一种绿色环保的新型土体加固技术,具有广泛的应用前景。为了研究砂颗粒矿物成分对MICP过程的影响,分别选用石英砂和钙质砂为代表性研究对象,利用环氧树脂胶结固化后打磨制成样片,再在配置好的菌液和胶结液中对样片表面进行MICP处理,结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及超声震荡试验定量分析了碳酸钙产量、矿物晶型、晶貌及界面胶结特性。结果表明:(1)钙质砂颗粒比石英砂颗粒更利于微生物诱导生成碳酸钙,平均单位面积碳酸钙生成量前者约为后者的5倍;(2)两种砂颗粒表面生成的碳酸钙主要为球霰石和方解石,钙质砂界面能更低,诱导生成更多的方解石;(3)石英砂表面生成的碳酸钙主要为较大的球形颗粒,而钙质砂表面的碳酸钙形貌主要为板片状;(4)微生物在钙质砂颗粒上诱导生成的碳酸钙呈现更高的界面胶结强度,经超声波震荡后,石英砂颗粒上碳酸钙的质量损失率约为钙质砂的10倍。在此基础上,运用微生物学、晶体化学、结晶矿物学等其他相关学科的理论,系统分析了石英砂和钙质砂对MICP过程及效果的影响机理,取得了新的认识,对优化MICP技术在岩土工程中的应用有重要意义。

硫酸锌胶结珊瑚砂渗透特性试验及工程应用探讨

对松散珊瑚砂进行胶结处理以降低岛礁地层渗透性是促进生态岛淡水涵养的重要手段之一。为此,开展了硫酸锌胶结珊瑚砂的渗透试验,分析了不同浸泡时长、硫酸锌溶液浓度及初始干密度对胶结珊瑚砂渗透性的影响,采用干湿循环试验验证其耐久性,通过X射线衍射(X-ray diffraction,简称XRD)、扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)、能量色散X射线光谱(energy dispersive spectrometer,简称EDS)及计算机断层扫描(computed tomography,简称CT)扫描研究微观胶结机制。结果表明:(1)硫酸锌胶结可将珊瑚砂渗透系数降低70.17%~95.79%;(2)干湿循环16次后,胶结处理36 h的珊瑚砂样品质量损失率不超过4%,渗透系数变化不超过1.0×10^(-3)cm/s,表明样品耐久性良好;(3)珊瑚砂和硫酸锌反应生成二水石膏与菱锌矿填充样品孔隙,使孔喉平均半径、配位数均减小,孔隙连通性显著下降。该技术可应用于岛礁吹填初期固砂防侵蚀、提高地基承载力、降低渗透性以促进地下淡水涵养和生态岛建设,具有重要的工程应用价值。

土工袋路基基础加固效果及影响因素试验研究

文章利用室内物理缩尺模型试验,研究不同土工袋加固层数、加固宽度以及首层埋置深度条件下的路基基础加载破坏试验,通过分析路基基础坡面裂缝率、荷载-沉降关系曲线以及路基基础内部土压力沿水平方向传递和竖直方向分布规律等,研究土工袋加固层数、加固宽度及首层埋置深度对路基基础加固效果的影响及其规律。结果表明:土工袋对基础内部土压力的分布有显著影响,且荷载越大土工袋加固效果越明显;土工袋加固层数及加固宽度越大,路基基础加固效果越好,但在保证经济成本的条件下并不是加固层数越多、加固宽度越大越好;顶层土工袋距加载板越近越有利于控制路基基础沉降,但不利于抑制裂缝的开展,因此建议实际工程中适当保留一定的首层埋置深度,以利于控制裂缝的开展。

不同地区粉煤灰合成防渗材料的渗透性能分析

粉煤灰由于具有良好的火山灰效应和微集料效应可以应用在混凝土中,以提高混凝土的渗透性能。通过采集白城和吉林热电厂的粉煤灰进行合成防渗材料实验,研究不同地区粉煤灰与氯化钠掺和料配比,以确定防渗性能最优的掺和比,并分析不同地区粉煤灰聚合物渗透性能影响因素。研究表明,相同条件下,水力除灰方式不同,粉煤灰含水量不同,粉煤灰含水率越高,相对密度越小,防渗性能越好。

骨架颗粒组成对散粒土管涌规律影响的试验研究

利用改进的渗透装置试验研究了细颗粒(0.075~1 mm)含量相同时骨架颗粒组成含量不同对散粒土的管涌发生临界条件以及颗粒侵蚀流失规律的影响,结果表明:不同颗粒级配的试样在管涌发生前,水力梯度与渗流速度呈线性关系,基本符合达西定律;骨架颗粒1~2、2~3、3~5 mm 3个粒径段对管涌发展起到了阻碍作用,其中1~2 mm粒径段颗粒对管涌孔隙的堵塞作用强于另外两个粒径段颗粒;对于不同级配的骨架颗粒,其不均匀系数越大,试样的下限临界水力梯度值就越大,细颗粒越不易起动,发生管涌的时间越晚,而不同级配的骨架颗粒对试样的上限临界水力梯度影响较小。

间断级配散粒土侵蚀过程及强度演变机理研究

旨在探究相同应力条件下不同密实度间断级配散粒土管涌侵蚀机理及其侵蚀后强度变化特性,制备干密度为1.80,1.84,1.88 g/cm^(3)的3种土体试样,通过管涌三轴试验深入地探讨了干密度对其破坏临界水力梯度、累计涌砂量、体积变化量及侵蚀后强度变化的影响规律。研究表明:试样破坏临界水力梯度随其干密度增大而增大,且利用Terzaghi公式(F1)、毛昶熙公式(F2)及水利水电科学研究院公式(F3)对其渗流临界水力梯度进行分析,发现在该应力环境下各公式计算结果与试验结果均较接近(优劣度为F2>F3>F1)。试样累计涌砂量与体积变化量均与其干密度呈负相关性变化趋势,其涌砂速率随管涌侵蚀不断发展而逐渐衰减;土的强度受干密度与侵蚀率二者影响,表现为侵蚀后土体强度折减程度随侵蚀进行而逐渐增加,随干密度增大而减小。

强夯作用下回填砂土挡墙墙后土压力分布研究

挡土墙墙后土压力分布是墙体形状及配筋设计的重要依据,为研究强夯作用下挡墙墙后土压力分布规律,开展了自重、堆载及强夯荷载下的挡土墙物理模型试验,通过不同深度的土压力监测,分析了夯击落距和夯击次数对墙后土压力分布的影响,重点分析了强夯冲击松动区的影响,并基于等效静力法修正了强夯作用下墙后土压力理论计算公式。结果表明:单次夯击作用下墙后土压力瞬间增大至极值后逐渐衰减至稳定,随着夯击次数的增多,土体逐渐密实,相应的墙后土压力会逐次增加;浅部土体在强夯作用下会形成冲击松动区,松动区内土体变得松散从而土压力值较小,而松动区下部土压力随深度迅速增大后再减小,呈“鼓肚”状非线性分布;松动区土体重度、松动区厚度尤其是后者对于墙后土压力理论分布曲线影响较大,考虑松动区影响的墙后土压力等效静力法修正理论公式更符合实际情况。

微生物诱导碳酸钙沉淀技术的工程应用进展与评述

基于微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium carbonate Precipitation,MICP)技术的土体胶结固化技术是21世纪以来岩土工程、地质工程领域研究的热点之一。本文系统阐述了MICP技术的加固机理,从MICP加固效果和应用实践的角度出发,对MICP技术工程应用的研究现状进行评述。结果表明:MICP固化后的场地强度呈现出不均匀性明显、碳酸钙含量分布随深度递减的趋势;沙漠环境中,原位提取的菌种诱导生成的碳酸钙覆膜较传统的巴氏芽孢杆菌,具有更好的强度表现和稳定性;新型MICP技术应用(如微生物水泥、微生物砖)在强度、耐久性上表现出良好的应用前景,有望为实现我国双碳目标注入新的活力。基于MICP技术碳酸钙沉淀特质的影响因素,现场尺度下如何提高碳酸钙分布的均匀性以及在季节性变化下的碳酸钙骨架的耐久性、不同环境下的固化效率改进方案应该成为日后研究的重中之重。

基于正交试验的土体动力等效线性模型参数敏感性分析

针对土体材料具有不均匀性的特点,动力参数存在一定的不确定性问题,基于正交试验法,以一堰塞坝为例,采用等效线性模型,对堰塞坝坝体竖向地震峰值加速度和竖向永久变形进行了等效线性模型参数的敏感性分析。结果表明:动力模型中参数k_(2)、n、λ_(max)对于坝体竖向地震峰值加速度的影响较大,其中k_(2)的敏感性最大,其次是n;参数k_(2)、k_(1)、λ_(max)对坝体竖向永久变形的影响较大,其中k_(2)的敏感性最大,其次是k_(1)。

徐州浅埋构筑物围岩体渗透抗剪强度特性试验

土体发生渗透变形后的强度问题是岩土领域理论研究和工程实践关注的焦点,降雨会使边坡土体会发生渗透变形,地铁顶板地层在下部土体的原状结构发生变化后受渗透力的影响也会发生渗透变形,渗透变形后的土体的抗剪强度也会随之发生改变。以徐州市的地铁建设工程为背景,通过试验制备重塑土试样,利用三轴剪切流变渗透试验仪模拟地铁顶板地层土体所处的条件,对产生渗透变形后的土体进行三轴剪切试验,探究了该范围地层土体在渗流作用下的变形和剪切破坏特性,以及渗透率的变化情况,进而分析其可能会出现的工程地质问题,从而为地下构筑物的安全运营设计提供一定参考。

单双向循环荷载作用下砂砾料动模量和阻尼比试验研究

通过大型振动三轴试验,研究了单双向循环荷载作用下砂砾料动弹性模量和阻尼比的变化规律,分析围压和径向循环动应力对砂砾料动力参数的影响。研究结果表明:在双向振动三轴试验中,砂砾料的轴向动应变受径向动应力的影响较小,动应变主要与施加的轴向动应力大小有关;单双向振动下砂砾料的动弹性模量均随着动应变的增大而逐渐降低,双向振动时砂砾料动弹性模量随动应变的衰减速率基本不变,在相同动应变下双向振动的动模量均低于单向振动;砂砾料在双向振动时的阻尼比大于单向振动,双向振动时消耗的动应变能更大。通过对两种试验条件下的最大动弹性模量、动模量比进行分析,建立了表述单双向试验条件下最大动弹性模量的换算关系式和双向振动试验中动模量比和动应变的修正模型。

外掺剂联合MICP固化风积沙试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)结合纤维加筋或外加剂已成为岩土体改良的新型方式,在土地荒漠化治理等场景具有广阔的应用前景。以取自毛乌素沙漠的风积沙为研究对象,在MICP联合纤维加筋的基础上,分别引入料姜石和氧化钙,使得两种无机化合物对微生物过程及加固效果产生影响,在最优养护条件下进行风积沙的固化试验,通过无侧限抗压强度试验、三轴试验、扫描电镜试验等,从宏观、微观角度系统分析外掺剂参与固化后试样的力学特性、破坏形态及作用机理。结果表明,MICP纤维加筋试样的强度随料姜石掺量的增加呈现增大趋势,并在掺量为4%时达到峰值,较未掺入料姜石试样的强度提高了37.3%;MICP纤维加筋试样的强度随氧化钙掺量的增加呈现先减小后增大的趋势,并在掺量达到1%时强度下降了74.6%;氧化钙对细菌具有明显的抑制作用,当氧化钙掺量达到0.8%时,大部分细菌已失去活性,OD_(600)值降至最低,为0.107;料姜石对MICP纤维加筋固化效果的作用机理主要表现在料姜石可有效地黏结砂土颗粒和填充孔隙,从而提高试样的整体稳定性。研究成果可为风积沙固化实践和实际工程应用提供参考依据。

不排水循环荷载下纤维加固砂土的超孔压及流动液化特性研究

通过对纤维加固超疏松和疏松饱和砂土开展不排水动三轴试验,分析了其超孔压发展规律和流动液化特性。结果表明,未加固超疏松和疏松饱和砂土具有较高的液化势,其在不排水循环荷载下均发生流动液化。离散纤维向砂土骨架提供加密效应和约束效应,从而提高其抗流动液化特性,然而,纤维的约束效应受到加载路径和试样应变发展模式的显著影响。纤维加固改变了饱和砂土残余孔压的发展规律,当纤维向砂土骨架施加较强的约束效应时,试样的残余孔压发展呈倒L型,明显不同于未加固砂土的S型发展。在双向非对称和单向循环荷载下,纤维应力贡献较大,砂土骨架的有效应力在超孔压上升100%后远大于0,加固试样的强度损失低于11%,纤维阻止了液化的发生。

临界状态土的物理标度律

土的临界状态理论描述了土有效应力、抗剪强度与土密实度之间的对应关系,大量土力学试验还揭示了土体强度与加载速率存在相关性。考虑到颗粒物质是自然土体的实际载体,从颗粒物理本源出发,将流态颗粒惯性数I发展为考虑砂土密实程度(即初始颗粒体积分数Ф0)的准静态颗粒物理惯性数Q=Ф0[ln(I)+α]。以砂土的经典三轴试验数据为基础,探究了处于临界状态土的颗粒物理标度律,发现颗粒的摩擦系数μ与准静态颗粒惯性数Q之间满足简单的μ=ξQ线性关系。新建立的简单物理标度律能够统一刻画处于临界状态砂土的密实状态、剪切速率、围压和粒径等因素与土内摩擦角间复杂的经验关系。为描述受剪颗粒准静态变形的体变规律,进一步探索了临界状态下土颗粒体积分数与准静态颗粒惯性数间的相关性。对三维应力状态情况,引入一个新的无量纲量“中主应力数”对标度律进行拓展,可揭示中主应力对临界状态砂土摩擦特性的影响。

碎石桩复合地基非等应变非线性固结特性分析

现有碎石桩复合地基固结理论通常基于等应变假设,与工程实际情况有出入。基于分段线性差分法,建立了一种考虑非等应变刺入修正和任意桩土非线性本构关系的碎石桩复合地基非线性固结模型。该模型可以考虑桩土自重、涂抹区、井阻效应和变荷载,可以计算碎石桩向垫层或下卧层的刺入并对等应变假设进行修正,可以分析桩土附加应力沿深度方向的衰减,以及任意的非线性压缩性及渗透性关系。与工程实测数据对比发现,考虑非等应变修正的模型计算值与工程实测值基本吻合。结合算例分析,进一步研究了垫层及下卧层模量、桩土竖向应力衰减和应力路径对碎石桩复合地基土体固结特性的影响,结果表明:碎石桩向垫层或下卧层刺入使复合地基桩土应力比减小、沉降量增大、固结速率减缓;忽略桩土竖向应力衰减虽对固结速率影响不大,但会高估复合地基沉降变形;不同应力路径对碎石桩复合地基固结特性影响显著,简化的土层压缩性关系将对分析结果带来较大误差。

赋存环境对含甲烷水合物沉积物力学特性的影响

海域水合物沉积物储层的强度与刚度特性对水合物的安全高效钻采有重要意义。为研究赋存环境变化对泥质水合物沉积物抗剪强度特性的影响,基于改进的水合物三轴剪切仪开展了一系列饱水与饱气及地应力条件变化下甲烷水合物沉积物的排水剪切试验。试验结果表明,赋存环境变化对泥质水合物的抗剪强度与刚度产生显著影响。饱水条件下相同水合物饱和度沉积物抗剪强度显著降低,抗剪强度最大降低率达52.0%。赋存环境变化对内摩擦角影响有限,对黏聚力影响显著。与饱气条件下的结果相比,饱水条件下有效黏聚力最大降低率达68.1%,进一步确定了有效黏聚力随水合物饱和度演化的指数方程。水饱和下水合物沉积物的变形模量显著降低,变形模量E_(50)的最大降低比达72.7%;水饱和条件下,变形模量随水合物饱和度的增大呈线性增长。基于气饱和与水饱和条件下水合物沉积物骨架的受力分析,初步揭示了两种赋存环境下水合物沉积物力学特性的演化机制。研究成果可为天然气水合物赋存机制揭示及储层稳定性评价提供基础数据与方法支持。

冲击荷载下层状饱和无粘性土动孔压发展模式研究

为揭示饱和无黏性土层在冲击荷载作用下动孔压发展模式及其受土层条件的影响,基于自主研制的冲击荷载加载台装置,开展了不同土层条件层状饱和土冲击试验,对动孔压发展特征及土体沉降等进行了分析。结果表明:冲击荷载作用下,无粘性饱和土体动孔压发展呈明显两阶段,即瞬态响应和稳态响应阶段,其中稳态响应阶段动孔压发展又经历缓慢下降及快速下降两过程。单层土情形下,饱和砂土在冲击荷载后动孔压发生骤增,随着粒径的增大,动孔压峰值越大,但其消散用时则随粒径的增大而减小;双层土情形下,动孔压稳态响应阶段因上下土层渗透系数变化,在其下层土动孔压下降过程产生明显变化;当含有相对弱透水夹层时,受弱透水层影响,各测点动孔压下降段几乎在同一时刻均出现明显转折平台,使其下降的速率明显变小,且该现象弱透水层以上土体较其下部土体更为显著;含夹层时,试验过程出现明显非均匀分布的“水膜”,最大厚度可达2 cm左右。同时,每次冲击荷载下均伴随明显的土体沉降,随着冲击次数增加,土层沉降变化量逐渐减小。