多因素影响下预崩解炭质泥岩动回弹特性研究

为探究多因素影响下预崩解炭质泥岩的动回弹特性,通过动三轴试验研究偏应力、最小体应力、含水率、压实度和干湿循环次数对动态回弹模量的影响,并建立考虑上述因素影响的动回弹模量预测模型。研究表明:动回弹模量与最小体应力、压实度呈正相关关系,与偏应力、含水率呈负相关关系;在同一围压下,动回弹模量随偏应力增加而降低,降幅区间为14.1%~30.7%;含水率为6%时对应的动回弹模量最大;在围压和偏应力相同时,含水率从6%递增至10%,动回弹模量降幅区间为18.6%~35.5%;压实度从93%递增至96%时,动回弹模量增幅区间为4.47%~20.64%。采用干湿循环损伤因子表征干湿循环次数对动回弹模量的影响,发现损伤因子随干湿循环次数N增加可分为3个阶段,即快速增长阶段(N=0~1)、缓慢增长阶段(N=1~6)和增长稳定阶段(N=6~9)。各因素按显著性由高到低排序依次为:压实度、干湿循环、含水率、偏应力、最小体应力。建立的综合考虑约束效应、剪切效应、压实度、含水率和干湿循环的预测模型具有较高地准确性和适用性,可有效评估和预测湿热地区炭质泥岩路堤的动回弹模量。

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩微观结构及持水特性研究

为研究预崩解炭质泥岩持水特性在长期大气环境影响下的演变规律,通过扫描电镜和压汞试验研究干湿循环作用下预崩解炭质泥岩的微观结构及孔隙分布特征,并开展预崩解炭质泥岩土水特征曲线试验和渗透试验。基于Van Genuchten模型建立考虑干湿循环作用的预崩解炭质泥岩土水特征曲线修正模型,并预测预崩解炭质泥岩非饱和渗透系数。研究结果表明:干湿循环可促进预崩解炭质泥岩继续崩解,导致大孔隙体积及孔隙率增加,土体结构变得松散,但在干湿循环作用6次后孔隙率趋于稳定;干湿循环对预崩解炭质泥岩的持水特性影响显著,土水特征曲线随干湿循环次数增加整体向左偏移,土体进气值减小;在高基质吸力阶段,不同干湿循环作用下Van Genuchten修正模型预测得到的预崩解炭质泥岩的土体非饱和渗透系数曲线基本重合,说明干湿循环作用对其渗透性影响较小。

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性及其劣化机制

为明确干湿循环对预崩解炭质泥岩强度特性和微观结构的影响,通过三轴剪切、扫描电镜试验,分析其强度特性和微观结构参数随干湿循环次数的变化规律,并结合强度指标和微观结构参数之间的联系,揭示预崩解炭质泥岩强度劣化机制。研究结果表明:6次干湿循环后,预崩解炭质泥岩黏聚力和内摩擦角降幅分别达60.10%和8.83%;随干湿循环次数增加,圆形小孔的数量始终最高且呈增大趋势,平均面积最大为0.010μm^(2),同时,部分发育汇集成细长形大孔,平均面积最小为0.626μm^(2);颗粒定向频率Fi(α)整体经历均匀分布、大区间局部优先分布、小区间局部优先分布3个阶段;颗粒定向概率熵、三轴几何平均径降幅分别为4.95%、24.27%;黏聚力主要受小孔、大孔面积影响;内摩擦角主要受颗粒的定向概率熵、三轴几何平均径影响;在干湿循环下,叠聚体反复胀缩,内部应力更加集中,孔隙不断发育,导致黏聚力显著降低;内摩擦角因颗粒定向化及破碎而降低;黏聚力和内摩擦角不同程度的衰减引起预崩解炭质泥岩强度降低。

预崩解炭质泥岩路用性能及其基于三轴CT试验的力学特性

为研究预崩解炭质泥岩的路用性能及其在三轴应力条件下的力学特征,利用室内基本物理力学实验与三轴CT同步扫描实验对其进行试验研究。研究结果表明:炭质泥岩矿物组成主要为伊利石、石英、高岭石,压实度是控制回弹模量的主要因素,具有与土相似的性质,不同工点所取试样具有不同的CBR;试件压实度越高,峰值强度越大,偏应力陡增段CT扫描层CT数增大速率比应力应变曲线平缓段的大,表明试验前期试件密度增大速率比试验后期的大;试验前,试件具有较多细小孔洞及裂纹,密度存在较大差异,随着试验的进行,密度差异性降低,炭质泥岩颗粒在围压及偏应力的作用下存在挤密、错动、融合的现象。

三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验

为了研究预崩解炭质泥岩在三轴条件下的细观应力变形及损伤演化规律,采用CT专用三轴试验加载设备对其进行三轴CT试验。试验在3种固结压力下进行,得到各试件的应力变形曲线以及在不同变形阶段3个扫描层的CT数、方差和CT图像。研究结果表明:该试验方法成熟、可行,为进一步深入分析炭质泥岩物理力学特性提供了新的方法;试件固结压力越大,峰值强度越高,其内部细观表现为颗粒的错动与融合,外部表现为中部鼓起,且无明显裂纹;变形形式主要为受力均匀变形,在低围压条件下具有应变软化特征;在初始条件下,试件具有明显各向异性特点,试验后期试件差异性减小;随着变形增大,试件损伤度也逐渐增大,其细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。

荷载与干湿循环作用下预崩解炭质泥岩抗剪强度及渗透特性

为研究预崩解炭质泥岩抗剪强度、渗透系数与竖向荷载及干湿循环的关系,研发一套可施加竖向荷载的岩土干湿循环试验装置,分别利用直剪仪、渗透仪开展预崩解炭质泥岩干湿循环后抗剪强度及渗透试验研究。结果表明:预崩解炭质泥岩的抗剪强度与法向应力呈正相关关系,随竖向荷载、循环时间的增加而增大,随循环次数的增加而降低,且抗剪强度的变化主要是由于颗粒间黏聚力的变化。渗透系数与竖向荷载及干湿循环时间呈负相关关系,而随循环次数的增加呈正相关关系,拟合预崩解炭质泥岩抗剪强度与渗透系数的幂函数关系模型,可为预崩解炭质泥岩抗剪强度、渗透特性及路堤稳定性研究提供理论依据。

预崩解炭质泥岩路堤填料工程性能试验研究

预崩解炭质泥岩作为路堤填料已在我国西南地区路堤工程中广泛应用,通过室内试验系统分析压实度、含水率以及酸碱环境对预崩解炭质泥岩路用性能、力学性能及渗透特性的影响,并结合娄底龙琅高速对其应用情况进行研究。研究结果表明:预崩解炭质泥岩的回弹模量、CBR值、抗压强度随压实度的增大呈线性增长,随含水率的增大呈现先增大后减小的波动趋势;CBR值和抗压强度随pH值的增大呈负相关变化,而回弹模量则随pH值的增大呈正相关变化;预崩解炭质泥岩渗透系数随压实度的增大逐渐减小,随含水率的增加逐渐增加,pH值的增大均可使渗透系数增大,其中压实度对预崩解炭质泥岩的渗透系数影响最大;随含水率的增加,预崩解炭质泥岩微观结构由粒状转变为片状,酸性环境下试样片状结构的厚度较碱性环境薄,碱性环境下试样微观结构呈块状且粉末状成分增多。

改性预崩解炭质泥岩强度特性及微观机理分析

采用水泥和粉煤灰对预崩解炭质泥岩进行改性处理,以期实现炭质泥岩填料在工程实际中的有效应用。通过对不同水泥和粉煤灰组合、不同养护龄期下改性预崩解炭质泥岩进行无侧限抗压强度试验,分析了水泥和粉煤灰改良预崩解炭质泥岩的力学性能,并结合X射线衍射和电镜扫描试验揭示其改性机理。研究结果表明:9%水泥+10%粉煤灰组合改性预崩解炭质泥岩时,的其无侧限抗压强度最大,7、14和28 d的强度分别为2.39、2.68、2.94 MPa。从X射线衍射和扫描电子显微镜试验结果表明,随着养护龄期的增加,改性预崩解炭质泥岩内部孔隙被水化产物填充,结构逐渐密实,导致其强度持续提高。

阿拉伯树胶改性预崩解炭质泥岩路用性能及改性机制

为提升预崩解炭质泥岩路用性能以用作路堤填料,采用阿拉伯树胶对预崩解炭质泥岩进行改性,分析改性后预崩解炭质泥岩的路用性能及改性机制。开展加州承载比(CBR)、回弹模量、无侧限抗压强度(UCS)及单轴抗拉强度试验,研究阿拉伯树胶掺量与养护龄期对改性预崩解炭质泥岩路用性能的影响,并通过崩解性、酸碱度(pH)、电导率、溶解性固体总量(TDS)及Zeta电位试验分析改性前后预崩解炭质泥岩理化特性的变化,结合扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)与傅里叶变换红外光谱分析(FTIR),探讨阿拉伯树胶对预崩解炭质泥岩的改性机制。研究结果表明:阿拉伯树胶能有效改善预崩解炭质泥岩的路用性能,且随掺量与养护龄期增加,路用性能改善程度逐渐增大;结合经济性考虑,阿拉伯树胶掺量为4%时路用性能改性效果最佳,CBR与回弹模量分别提升495%和427%,UCS与单轴抗拉强度均提升230%以上;掺入阿拉伯树胶可大幅降低预崩解炭质泥岩的崩解率、pH值、电导率、TDS及Zeta电位绝对值,改善预崩解炭质泥岩的水稳性;阿拉伯树胶通过降低预崩解炭质泥岩碱性、提供阳离子与颗粒表面离子发生离子交换并吸附在颗粒表面的方式,优化改性预崩解炭质泥岩内部结构性,通过胶结预崩解炭质泥岩颗粒、填充内部孔洞与孔隙的方式提升黏聚力与整体性,并包覆在颗粒与团聚体表层,阻隔外部环境直接作用。研究结果可为预崩解炭质泥岩再利用提供思路,并为阿拉伯树胶用作其他岩土材料的改性剂提供参考。

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩裂隙发育规律及强度特性

由于炭质泥岩遇水易风化、强度低、变形大,干湿循环作用下炭质泥岩路堤易形成纵横交错的裂隙网络,加速路堤边坡失稳。为分析干湿循环作用下预崩解炭质泥岩裂隙演化规律与强度特性,通过制备较大尺寸预崩解炭质泥岩试样,开展室外裂隙演化原位试验及裂隙试样直剪试验,实时拍摄不同干湿循环次数下试样裂隙扩展图像,并基于裂隙图像特征参数对各阶段裂隙特征进行定量化描述,进而构建预崩解炭质泥岩的抗剪强度与裂隙参数关系模型。研究结果表明:预崩解炭质泥岩裂隙数量、裂隙最大长度及裂隙率等裂隙参数均随干湿循环次数分为迅速增长、缓慢增长、趋于平缓3个阶段;各因素对裂隙发育影响程度由强至弱依次为初始含水率、干密度、干湿循环次数;含裂隙试样剪切时遇到裂隙剪切应力会发生暂时性衰退,不同裂隙参数试样的黏聚力变化显著,而内摩擦角变化甚微,内摩擦角变化主要取决于土体干密度的变化,而黏聚力变化取决于初始含水率,抗剪强度主要与黏聚力相关联。为研究土体抗剪强度与裂隙参数的关系,拟合得到了裂隙率与黏聚力的指数关系模型,发现其拟合变化曲线呈凹形的抛物线变化,其抛物线分急剧降低和趋于稳定2个阶段。研究成果可为预崩解炭质泥岩路堤工程施工及稳定性分析提供参考。

红砂岩填料在高速公路路基填筑中的应用研究

文中以皖南地区G50沪渝高速公路怀宁西互通立交工程为例,针对红砂岩作为一种不良路基填料的问题,开展了一系列室内路用性能土工试验,研究了红砂岩作为路基填料的可行性,并结合试验结果,提出红砂岩作为路基填料的设计方案和施工质量控制措施。

泥岩浸水后崩解规律的试验研究

为研究泥岩遇水后的崩解速度以及影响崩解速度的因素,针对承德地区的泥岩试样,通过干湿循环试验,研究分析浸水泥岩的破碎规律和级配大小与崩解速率的关系。试验结果表明:泥岩的崩解速率与泥岩的颗粒大小成正相关并且不同种类的泥岩在相同条件下,崩解速率存在差异。

降雨条件下炭质泥岩-土分层路堤渗流特性分析

为分析降雨条件下炭质泥岩-土分层路堤渗流特性,文章以西南某高速公路路堤填筑工程为例,采用数值计算软件对降雨条件下炭质泥岩-土分层路堤的渗流特性进行分析。结果表明:在降雨期间,靠近坡面的土体内部易形成暂态饱和区,而在边坡内部未形成暂态饱和区;边坡内部粉质黏土基质吸力下降幅度比炭质泥岩下降幅度大,且距离坡面越远,基质吸力下降的时间越晚;降雨期间坡面土体孔隙水压力上升幅度较大,而边坡内部土体孔隙水压力无明显升高。