干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q 3黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明:原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θs、α、n变化幅度较小,而参数θr随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。

Cu^(2+)污染原状黄土的物化及结构特性

为制定环境保护和土壤污染防治和修复策略,以及为污染场地工程建设提供理论支撑,该文研究了Cu^(2+)对原状黄土物化特性及结构特性的影响。通过制备不同掺量的Cu^(2+)污染黄土试样,进行了粒径分布、CaCO_(3)含量和pH值的测定。利用扫描电镜和激光粒度仪获得试样的SEM图像和粉粒各粒径含量,并借助分形理论深入分析了Cu^(2+)对原状黄土微观结构的影响机理。对Cu^(2+)污染的原状黄土试样进行了压缩试验,并对试样的综合结构势进行了分析。结果表明,随着Cu^(2+)掺量的增大,黏粒含量表现为先增后减,再增再减的趋势,粉粒含量则表现为先减后增,再减再增,砂粒含量保持不变;CaCO_(3)的含量呈线性减小;pH值先迅速减小,后保持不变;污染黄土试样的综合结构势先增大后减小,之后再增大再减小。总体而言,重金属Cu^(2+)的掺入,导致土壤pH值降低,主要胶结物质碳酸钙被溶解,而又因黏粒之间的静电引力和范德华力,黏粒聚集体的形态和成分发生变化,从而影响了土体的密实度和结构强度。

原状黄土土-水特征曲线与湿陷性的相关性

为了研究原状黄土土-水特征曲线与黄土湿陷性之间的联系,在陕西西安长安区取地表以下30 m范围内的原状黄土土样,进行基本物理指标试验和湿陷性试验。对不同典型地层的黄土-古土壤试样进行土水特征曲线试验,通过电镜扫描从微观角度分析。研究结果表明:大孔隙的数量与饱和体积含水率呈正相关;中孔隙的数目与过渡区斜率的大小呈正相关,孔隙数目越多土体失水速度越快;微小孔隙的数目和土的塑性指数影响残余含水率的大小。对于不同深度土层,饱和体积含水率和过渡区斜率与土层的湿陷系数呈正相关;塑性指数接近土层的湿陷系数对残余体积含水率的影响不明显;古土壤层的SWCC与湿陷系数之间存在与黄土层相同的正相关性。文章从非饱和土力学的方向去研究黄土的湿陷性,为湿陷性的研究提供一种新的研究角度。

间歇固结排水条件下上海原状饱和软黏土的动力特性试验

针对高铁列车荷载引起的地基长期沉降,既有动三轴试验研究往往忽略高铁运营期间存在间歇期、加载方式实际为分阶段加载的情况。基于此,本文通过一系列循环三轴试验研究间歇阶段固结排水条件下上海饱和软黏土在动应力影响下的动力特性,并探讨不同动应力和不同加载方式对土体轴向累积塑性应变的影响。研究结果表明:在不同动应力影响下,间歇期固结排水产生的轴向累积塑性应变增量随间歇阶段的后移始终呈非线性减小的发展趋势;当振次相同并且动应力幅值为10 kPa时,分阶段加载产生的累积塑性应变大约是连续加载的3倍;当振次相同并且动应力幅值为30 kPa时,连续加载产生的超孔压大约是分阶段加载产生的超孔压的5倍。分阶段加载使高铁地基产生更大的沉降,对高铁运营的安全性提出更高的要求。

冻融循环及各向异性对原状黄土动力特性的影响研究

【目的】为了研究冻融循环作用和各向异性对西宁地区原状黄土力学特性及变形的影响,【方法】借助冻融循环试验箱和GDS双向动态三轴仪,开展冻融循环试验和施加半正弦波形式的循环荷载动力特性试验,采用修正H-D模型分析冻融循环次数、与沉积方向呈不同角度对西宁地区黄土动力特性参数的影响。【结果】结果显示:(1)随着冻融循环次数的增加,动剪切强度呈现出先减小后增加的趋势;黄土Gd-1增长阈值呈现出先增大后减小的趋势;黄土阻尼比λ呈现出先增加后减小的趋势。(2)与沉积方向呈不同角度的土样动剪切强度具有差异性,即由大到小为0°>60°>90°>45°;Gd-1增长阈值由大到小为45°>90°>60°>0°;黄土阻尼比λ由大到小为45°>90°>60°>0°。【结论】结果表明:(1)随着冻融循环次数的增加,土体结构强度和刚度均表现出先减弱后增强的趋势,土体抵抗变形消耗的动能则呈相反趋势。(2)各向异性影响黄土的动剪切强度、刚度及阻尼比,与沉积方向呈45°土体动剪切强度最低,刚度最弱,土体发生变形消耗动能最多。(3)冻融循环作用影响土体在不同方向的力学特性,随冻融循环次数的增加,与沉积方向呈45°时土体各向异性表现明显,其结构损伤程度最大。

小型农田原状土样采集机器人系统研发与测试

农业机器人是农业机械领域的研究热点之一。国内外对温室/农田/果园作业(除草、施肥、喷药、采摘等)机器人移动平台的研究已取得初步成果,但对农田土样采集机器人移动平台的研究鲜有出现。在土壤的物理力学特性研究过程中,原状土壤样品的采集是一个重要前提。如果土样的原状度无法保障,后期实验室物理力学测试分析难以得出准确的研究结果。本研究针对这一问题,研发了一台结构紧凑、通过性强、取土质量好、取土效率高的农田土壤采集机器人移动平台,给出了机械系统、控制系统设计方案,并开展了初步的田间试验研究。本研究的主要内容如下:(1)机器人移动平台本体设计方面,确定了差速转向的转向方式;进行了机械系统设计,完成了相关硬件选型分析和控制系统设计以及软件编写。移动平台轴距为960 mm、轮距为600 mm,轮毂电机功率1000 W,实现了基于调速转把和遥控手柄的移动平台协调运动控制,满足试验要求。(2)土样采集装置方面,对分段原状取土装置进行了设计。通过对比分析选用液压传动作为动力源和直压旋入式入土方式。通过理论分析确定了取土器主要技术参数,并对其入土关键部件进行有限元分析,验证了其结构参数设计的合理性。(3)通过田间试验,考察整机的移动性能和取土质量。移动性能测试试验结果表明:最大垂直越障高度80 mm,最大爬坡坡度35°。土样抗剪强度检测试验结果表明:在获取0~200 mm深度土样时,环刀法和新系统所取土样的内摩擦角方差在0.05的置信水平下,P值等于0.866;在获取0~100 mm和100~200 mm深度土样时,环刀法和取土装置所取土样的凝聚力方差在0.05的置信水平下,P值分别为0.145和0.717。取土效率对比试验结果表明:该取土装置完成一次取土仅需3~5 min。

降雨强度对原状黄土强度特性的影响

研究降雨强度对原状黄土力学性质的影响。方法:以济源市小浪底引水隧洞冒顶区域周围的黄土为例,不仅对黄土的基本物理参数、颗粒级配进行试验分析,并且采用了美国RSI ShearTrac-Ⅱ对原状黄土开展了在恒定的剪切速率0.06mm/min下,不同垂直压力下(50kP、100kPa、200kPa、400kPa)不同含水率(10%、14%、18%、22%、26%)下的直接剪切试验,以此研究降雨强度对土体强度特性的影响。结果:试验结果表明黄土的抗剪强度随含水率的增大而减小,并且在低含水率-低应力下呈应力-应变软化,在高含水率-高应力呈应力-应变硬化;土体的粘聚力随含水率的增大逐渐减小,受含水率变化影响较大,但内摩擦基本保持不变。结论:土体的力学特征受降雨强度的控制,为隧洞“冒顶 ”区域的防治提供了理论支撑。

冻融循环对原状黄土的持水特性影响

冻融作用是引起黄土边坡溜塌和路基沉陷等工程病害不可忽视的重要因素。持水特性作为分析非饱和黄土水力-力学特性的关键物性,有关冻融作用对黄土持水特性的影响有待深入研究。该文以冻融循环后原状黄土为研究对象,研究了冻融循环次数和冻融前含水率对持水曲线及其特征参数的影响。研究结果表明,冻融循环对持水曲线的影响呈波动性变化,影响程度受控于循环次数与冻融前初始含水率水平;不同冻融条件下饱和度与吸力比(吸力与进气值之比)关系可以归一;通过建立进气值与构度指标之间的定量联系,构建了可统一考虑冻融循环作用影响的修正持水模型;初步证实了冻融循环条件对原状黄土持水曲线的影响,可以通过土的构度指标变化引起进气值的改变来反映。

原状和重塑湖泊相软黏土动力特性宏微观试验研究

为了对比衡水湖附近原状和重塑湖泊相软黏土的动力特性差异,利用GZZ-50B型共振柱仪对原状和重塑湖泊相软黏土分别进行动力特性试验,采用Davidenkov本构模型对试验获得的动力特性参数进行拟合,绘制了G-γ、λ-γ和G/G_(max)-γ关系曲线,并将所得的动力特性统计值与其他学者给出的动力特性推荐值进行了对比,通过SEM电镜测量了共振柱试验前后的微观结构,并分析了微观结构参数的变化规律。结果表明:当固结围压相同时,原状湖泊相软黏土的G-γ曲线始终高于重塑土,而原状土的λ-γ曲线始终低于重塑土;当动剪应变较大时,原状土的动剪切模量G会急剧下降并接近重塑土;原状和重塑土的G_(max)相对差值、G/G_(max)-γ和λ-γ拟合曲线差异会随着固结围压的增大而减小;通过与其他学者研究成果对比,发现沉积相并不是土体动力特性的决定性因素,同一沉积相但不同地区的软黏土动力特性也会有所差异。通过对微观结构参数的定量分析发现:随着固结围压的增加,原状土颗粒和孔隙的面积平均值以及最大直径平均值均有所下降,而重塑土差异并不明显,且微观结构参数相对差值与最大动剪切模量G_(max)相对差值呈正相关的关系;经过共振柱试验后,原状湖泊相软黏土的大、中颗粒和孔隙转变为小、微颗粒和孔隙,较大的片状结构和团聚体结构减少,原状土微观结构参数接近于重塑土,从微观角度解释了宏观土动力学特性。

塑性状态对冻结原状黏性土的抗拉与抗压特性影响研究

基于现场详勘,以三亚某河口通道工程推荐采用管幕冻结法施工为背景,考虑到不同塑性状态黏性土分布深度的不确定性,采用径向劈裂试验和单/三轴压缩测试,系统地研究了冻结原状流塑状、硬塑状黏土及可塑状粉质黏土的抗拉与抗压特性。结果表明,无论是拉伸还是压缩应力-应变行为,三种冻结土体的弱应变硬化和弱应变软化行为都可采用偏差应力与轴向应变的双曲线型修正表达式描述,而强应变软化行为可用二次抛物线模型描述。同一负温下,流塑状黏土的抗拉能力最弱,抗变形能力最强;可塑状粉质黏土次之;硬塑状黏土的抗拉能力最强,抗变形能力最弱。三种冻结原状土体的初始切线模量分布范围基本满足可塑状粉质黏土>流塑状黏土>硬塑状黏土,它们的抗剪强度特性都可用线性摩尔-库伦准则描述。三种冻结土体的黏聚力和内摩擦角基本随温度的降低而增大;同一温度下,流塑状黏土的黏聚力最小,可塑状粉质黏土与硬塑状黏土的黏聚力大小接近,而内摩擦角则表现为:硬塑状黏土>流塑状黏土>可塑状粉质黏土。

西安长安区南郊原状黄土边坡稳定性研究与分析

随着降雨量不断北移,导致西北地区边坡稳定性降低。本文对西安长安区原状黄土进行地勘取样并进行室内三轴压缩试验,获得土样抗剪强度c、φ值,结合工程实际案例建立模型,利用Abaqus软件的强度折减法验证边坡稳定性系数。对西北地区边坡稳定性分析以及防护措施有着重要意义。

文物建筑原状不详部位修缮设计研究——以卫氏宗祠为例

如何对文物建筑中已损毁且原状不详的部位进行修缮,是许多文物建筑保护工程设计的困惑,文章以严重损毁的卫氏宗祠为例研究此问题。首先介绍了该宗祠修缮前的损毁基本状况,列出已损毁且原状不详部位的清单;然后分析了对这些部位进行修缮的必要性与可行性;最后研究了对这些部位进行修缮的原状依据,讨论了其中无原状依据部位的修缮设计方法,对此类修缮设计具有较强的参考价值。

不同深度天津原状软土的物理力学特性试验研究

受沉积年代和环境等因素的影响,不同深度下软土物理力学性能有所差异。为研究不同深度下其物理力学性能的变化规律及微观内部结构的差异,以天津滨海新区原状软土为研究对象,选取同层不同深度下原状软土(S1,S2和S3的取样深度分别为4.3~5.3m、8.3~9.3m和12.3~13.3m)进行物理力学试验和扫描电镜试验(SEM),分析其物理指标的概率特征,软土抗剪强度随深度的变化规律和微观结构的差异。结果表明:(1)随着原状软土深度的增加,含水率、孔隙比和液塑限呈缓慢下降趋势,S1、S2和S3的物理性质指标基本符合正态分布且变异系数较小;(2)S1、S2和S3在较低垂直压力作用下,其剪切位移—剪应变曲线均呈现弱硬化性。S3的抗剪切性能优于S1和S2,且含水率和天然密度对原状软土抗剪强度指标影响较大;(3)随着深度增加,软土内部结构更紧密,土颗粒形态清晰且以大颗粒为主,颗粒间的接触面增大。

冻融作用下伊犁原状黄土水力特性劣化规律与微观机制

新疆伊犁地区冻害严重,尤以滑坡灾害最显著,主要体现在冻融作用下原状黄土的水力特性劣化方面,然而其水力特性的劣化规律和微观机制目前并不明晰,因此本文开展了冻融前后伊犁原状黄土的水力试验和微观试验研究。结果表明:冻融作用使得黄土内部的胶结性和结构完整性遭受破坏,在原位有效应力施加于冻融后的原状黄土,后续加上水分浸泡后,黄土会产生更大变形,因而冻融后原状黄土的自重湿陷性系数增加和孔隙比减小。冻融作用会使得原状黄土内部产生大裂缝和大孔径,渗流过程中水分会从大裂缝和大孔隙流失,因而冻融后原状黄土的渗透系数增加。冻融循环中的冻胀作用使得原状黄土内部自由水变成冰体,产生膨胀作用,其会破坏原状黄土的胶结性和结构完整性,同时产生大裂缝和大孔径,最终造成原状黄土的剪切强度和黏聚力降低。反复的冻融使得土颗粒发生破坏、移位,形成较为复杂的接触形式,从而使得内摩擦角减小并不显著。

考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明:高围压条件下,所有b值阶段的ε3均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.2<b≤1.0为中主应变压缩变形。在高围压状态下,b值对应变的影响要远远大于围压对应变的影响。将b值增量对应变的影响程度定义为b值敏感度K(ε),中主应变的b值敏感度K(ε_(2))、小主应变的b值敏感度K(ε_(3))和广义应变的b值敏感度K(ε_(s))在b值为0~0.7之间均增长,0.7~0.9之间受b值变化影响减弱,0.9~1.0受b值变化影响最大。K(ε_(v))基本在0~5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。

饱水软化下顺层边坡原状滑带土强度特性研究

原状滑带土具有较强的水敏性,揭示饱水软化下滑带土强度特性演化及弱化机制是评价拟建高速公路沿线顺层边坡稳定性的重要前提。针对四川盆地马边河流域某典型顺层边坡,取原状滑带土开展室内直剪试验、固结不排水三轴试验和环剪试验等研究强度弱化规律;同步结合电镜扫描、核磁共振微细观探测技术,揭示其强度弱化机制;最后,探讨考虑饱水软化作用下顺层边坡稳定性的快速评价法。结果表明:饱水软化下原状滑带土的抗剪强度弱化显著,且显著弱化时域为前1h,该时域中滑带土含水率增幅79.6%,黏聚力下降45.0%,内摩擦角下降36.2%,有效黏聚力下降46.6%,有效内摩擦角下降21.5%;滑带土中粗颗粒咬合阻碍剪切面的形成,而饱水软化后咬合摩擦转变为滑动摩擦,应变软化特征明显;滑带土的强度弱化源于其内部结构的剪切破坏,黏土矿物吸水膨胀,颗粒间胶结破坏,小孔隙体积增大,结构趋于疏松,导致强度弱化明显;基于室内直剪试验和极限平衡法,提出了能够用于快速评价顺层边坡稳定系数的定量关系式。

一种模拟原状泥岩动力打桩与静载试验装置的研制及应用

针对泥岩地基打入桩贯入困难、承载力不足现象及软岩易扰动难以制备模型地基的特点,通过原状软岩约束单元、锤击贯入单元、导轨支架单元、静载单元4部分的设计与联系,初步研制了基于原状软岩的模拟打桩与静载试验装置,进行标定及验证性试验、应用试验,验证装置的可行性、稳定性,分析打入桩的沉贯与承载特性,明确桩周泥岩力学特征,提出进一步研究展望与工程应用建议。研究表明:(1)验证性试验、应用试验结果与现场试验结果一致,沉贯特性、承载特性与现场试验相同,验证了试验装置的可行性;(2)荷载传递相关因子α稳定性好,进一步证实了试验装置的荷载传递稳定可靠;(3)泥岩软硬互层严重,每10 mm贯入度通过锤击数表征的贯入阻力差异性大,低强度软夹层发生的静载破坏呈现出沉降急剧增大的陡降特征;(4)打桩对桩周2d(d为桩径)范围内的泥岩造成不同梯度的损伤,每间隔0.5d,强度损失66.0%、40.5%、17.0%、7.0%,弹性模量损失80.5%、54.5%、26.5%、11.0%;(5)完善取样技术,加强泥岩软硬互层的勘察判定,增强控制贯入度的施工措施,泥岩地基打入桩承载力的理论分析、数值计算及设计施工,应按损伤梯度合理选取原状力学参数折减后的数值。试验装置具有稳定、可靠、可控等优点,可为泥岩地基动力打入桩的相关研究提供支撑。

不同吸力和应力路径下Q_(3)原状黄土的力学特性

为了研究吸力和应力路径对兰州Q_(3)原状黄土应力应变、临界状态和强度等力学特性的影响,用GDS非饱和三轴仪对不同吸力原状黄土试样进行了应力路径(等向压缩(IC),常规三轴剪切(CTC),等平均应力三轴剪切(TC),减围压三轴剪切(RTC))压缩试验,试验结果表明:(1)随着吸力的增加,试样的弹性指数变化不大,而结构屈服应力和塑性指数增加;(2)应力路径和吸力对原状黄土的初始模量、硬化程度、抗剪强度、剪缩剪胀有明显影响,随着吸力增大,RTC路径下的应力应变曲线出现软化和剪胀现象,不同剪切路径下试样破坏偏应力大小顺序为CTC>TC>RTC;(3)不同应力路径的q-p和v-lgp临界状态点皆收敛在一条直线上,不同吸力下的临界状态线近似平行,不同吸力和应力路径的q-p和v-lgp临界状态线可以进行归一,并提出了统一临界状态方程;(4)随着吸力的增加,原状黄土的内粘聚力增加,而内摩擦角几乎不变,应力路径对抗剪强度参数没有影响。

考虑主应力方向的Q_(2)原状黄土定向剪切试验研究

为了研究在定向剪切下主应力偏转角对Q_(2)原状黄土强度与变形特性的影响,探讨了在定向剪切荷载作用下Q_(2)原状黄土的变形与强度特性,对比分析了重塑黄土与原状黄土结构性对剪切特性和非共轴特性的影响。结果表明:由于原状黄土内部结构性差异,当主应力偏转角α在0°和15°时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐增加,非共轴性增强;当主应力偏转角α在30°~90°之间时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐减小,非共轴性减弱,整体上呈先增强后减弱的趋势。该原状黄土达到破坏时的总广义应变值较小,通常为2%左右达到峰值强度,然后迅速发生较大变形而破坏。

原状滑带土压缩回弹变形的饱水软化响应

为探究滑动带在降雨、地下水位变化下进行堆载、削坡对滑带土的沉降及回弹变形的影响规律,开展了饱和度变化下原状滑带土的压缩-回弹-再压缩特性试验研究。结果表明,原状滑带土先期固结压力随饱和度的增加呈幂函数减小,其在饱和度50%~60%范围内速率降低尤为明显。饱和度变化对压缩指数影响有限,而对回弹指数、回弹模量、塑性变形量及再压缩比率的影响较大,随饱和度的增加,回弹模量呈指数函数减小,塑性变形量线性增大;再压缩比率指数增长。通过电镜扫描试验,从微观上初步揭示了饱和度变化下原状滑带土固结回弹行为的演化规律。研究成果可为降雨与地下水位变化下坡体的变形分析及稳定性评估提供基础数据。