膨胀土微结构对膨胀行为的影响

评估膨胀土的膨胀行为对于膨胀土地区的结构设计十分重要。因降雨入渗,膨胀土在垂直方向和水平方向均产生膨胀变形,当膨胀变形受抑制时将产生膨胀压力,影响其周围结构的稳定性。为揭示膨胀土在增湿膨胀过程中出现各向异性的原因,从微观角度出发,通过电镜扫描(SEM)对百色中膨胀土和枝江弱膨胀土的微观结构进行观察,并通过图像处理技术统计分析膨胀土内黏土矿物颗粒的层状排列。通过研发的二维膨胀仪和改进的试件制备方法,从宏观角度测得了侧限条件下的两向膨胀规律。研究结果表明,膨胀土的微观结构呈片状且面-面相叠;当膨胀土处于天然松散状态时,其内部的黏土矿物颗粒随机定向排列且集聚;压实后,因受各向不均等应力作用,黏土矿物颗粒开始趋向于水平层状排列;干密度越大,土样越密实,其水平层状排列越显著。侧限条件下,两向的膨胀规律表现出显著的差异,干密度越大,膨胀性越强,这种差异就越明显。然而,对黏土矿物颗粒来说,其膨胀的方向垂直于其长轴,高度的水平定向是造成膨胀土在宏观上表现出膨胀各向异性的原因,这种两向的膨胀差异受到干密度和膨胀性的影响,难以做出预测,建议在工程实践中实测两向的膨胀规律。

含泥量对砂类硫酸盐渍土工程特性的影响分析

为了明确含泥量对砂类硫酸盐渍土的盐胀和力学特性的影响,人工配制了不同细粒土含量的砂类硫酸盐渍土,在1%和3%(质量分数,下同)含盐量单向冻结盐胀试验的基础上,选取了细粒土含量为5%、15%、30%和40%的砂样进行常温、低温三轴剪切试验。研究结果表明:此试验条件下,不同级配砂类硫酸盐渍土的冻结温度为-0.7~-0.1℃,当砂样孔隙溶液浓度在冻结温度之上达到饱和时,降温过程中会首先生成盐结晶;1%含盐量条件下,高细粒土含量(≥30%)砂样的起胀温度在4~9℃之内,而低细粒土含量砂样的起胀温度在0℃附近,3%含盐量砂样的起胀温度为20~23℃;试验含水率和细粒土含量通过影响土体中自由水的含量对盐冻胀产生显著影响。在力学特性方面,随着细粒土掺量的增加,砂类硫酸盐渍土的抗剪强度表现出先增大后减小的趋势,细粒土由增强摩擦转变为颗粒间的“润滑”作用;此外,冻结后砂土转变为承载能力更强的“土-盐-冰骨架结构”,抗剪强度大幅提高,并呈现出明显的脆性破坏特征,由于冻结砂土受相对温度的影响,随着含盐量的增加,破坏应力呈先减小后增大的趋势。

覆盖型岩溶区高速铁路综合选线研究

南玉高铁沿线覆盖型岩溶和膨胀岩(土)广泛发育,岩溶发育程度强烈,膨胀岩(土)多呈弱—中等膨胀性,给高速铁路勘察设计、施工运营全生命周期均带来较大风险和挑战。通过分析沿线地形地貌、特殊的岩溶地质特征和工程环境特点,提出针对性的勘察方法和选线原则,前期选线贯彻“短距通过,傍山绕避”原则,针对确实无法绕避的岩溶强烈发育区,提出“双向跨越”思路,安全、经济地跨越深溶槽,以期为覆盖型岩溶区高速铁路勘察设计及工程建设提供借鉴。

巴东组泥岩重塑土湿胀特性宏细观跨尺度研究

针对泥岩地区高速铁路路基上拱问题,以郑万高速铁路沿线巴东组泥岩风化土为研究对象,开展不同初始含水率、干密度、上覆荷载及干湿循环次数条件下泥岩重塑土湿胀特性宏细观试验。基于多因素从宏细观角度对泥岩膨胀性进行了试验验证,对维护膨胀土区域工程稳定性有一定借鉴作用。结果表明:泥岩重塑土无荷膨胀率随着初始含水率的增加线性减小,随着初始干密度的增加呈指数增长;上覆荷载作用抑制了泥岩重塑土的膨胀变形;干湿循环作用下,泥岩重塑土膨胀率及吸水量均随干湿循环次数的增多而总体上先增加后减小,强度劣化,泥岩内部结构由致密变为疏松,矿物颗粒吸水膨胀,试样内部大尺寸孔隙逐渐形成。

膨胀土流态固化改性试验与配合比研究

流态固化改性是弃方资源化新方式,有助于解决道路工程中异形或狭隘空间难以回填压实问题.选取南宁地区中等膨胀土弃方,与水、水泥及标准砂混合配制流态固化土试样并开展室内土工试验,分析掺配比对试样膨胀性、强度、流动度及泌水率的影响规律.结果表明:试样膨胀性由掺灰比和掺砂比决定,受水固比影响小,当掺灰比大于18%且掺砂比超过6%时,试样呈现非膨胀特征.无侧限抗压强度主要来自水泥水化作用,随掺砂比的增加呈先增大后降低的变化,掺砂比上限宜控制在10%;水固比增加导致强度大幅下降,水固比大于80%后干湿循环条件下的强度衰减趋势显著.初始流动度与水固比、掺砂比及掺灰比正相关,受掺灰比影响最小;试样拌合完成后的90 min是流动度损失的主要阶段,流动度损失率为23%~32%,随后变化放缓.泌水率取决于水固比,受掺灰比影响较小.基于试验规律,经归一化分析得到膨胀土流态固化改性配合比设计流程.

不同膨胀潜势等级的膨胀土残余强度环剪试验研究

为探讨不同膨胀潜势等级的膨胀土残余强度与其成分特征的相关性,采用经自主改装的环剪仪开展Denver强膨胀土、荆门中、弱膨胀土环剪试验研究,并与排水反复直接剪切试验结果进行系统对比分析,在此基础上,用实测结果探讨残余强度与土成分特征相关关系的适用性。结果表明:(1)环剪试验测得Denver强膨胀土、荆门中、弱膨胀土有效残余强度内摩擦角分别为11.3°,12.3°,23.7°,比排水反复直接剪切试验测得的低1.7°~3.3°,并无应力相关性且具很好精度,更适于在工程中应用。(2)相关经验关系和公式存在高估或者低估膨胀土有效残余强度内摩擦角的情况。(3)残余强度与土成分特征间定性关系非常明确,上述经验关系对一般土性状况下残余强度预测较为准确;但在土成分复杂状况下,定量准确预测较为困难,这也反映出实测的重要性与必要性。

考虑非饱和土基质吸力-回弹指数相关性的弹塑性本构模型及有限元实现

非饱和土压缩指数受基质吸力影响明显,回弹指数是土的临界状态本构模型中的重要变形参数。但在本构模型理论研究中,回弹指数随基质吸力的变化影响往往被忽略。为解决这一矛盾,以杭州地区重塑粉土为试样,使用GDS非饱和直剪系统的竖向加载功能,对试样进行50、100、200 kPa 3种定吸力条件下一维固结回弹试验,获取不同基质吸力非饱和回弹指数κ(s),并拟合得到κ(s)函数关系,对比已有试验研究,验证了拟合结果的合理性。进而将κ(s)表达式引入非饱和土扩展剑桥弹塑性本构模型,形成一种考虑回弹指数随基质吸力变化的非饱和土弹塑性本构模型。应用子增量步显示积分算法将该模型编辑成ABAQUS有限元UMAT子程序,最后基于ABAQUS有限元平台结合自编UMAT子程序进行固结回弹数值试验,模拟实际试验过程,对比两者试验结果,验证了该UMAT子程序的正确性。实现了一种考虑回弹指数随基质吸力变化的非饱和土弹塑性本构模型的数值化,为其进一步应用建立基础。

膨胀土地基膨胀特性对无砟轨道路基变形性能的影响

为研究膨胀土地基浸水膨胀行为对无砟轨道路基力学与变形特征的影响,首先,基于温度场等效湿度场理论,引入材料热属性,通过热-力耦合分析方法模拟膨胀土的膨胀特性;其次,建立双线铁路无砟轨道-基床-膨胀土地基的三维数值模型,并验证其可靠性;最后,研究膨胀土地基的膨胀潜势(以热膨胀系数表征)和膨胀区域(以膨胀区域纵向长度表征)对无砟轨道路基力学与变形性能的影响。研究结果表明:在局部浸水情况下,膨胀土地基的膨胀行为引发了无砟轨道结构的隆起、纵向不平顺和侧向倾斜现象;这些现象随着膨胀土地基的膨胀潜势增大和膨胀区域扩大而更加明显;当膨胀土地基中的膨胀区域沿路基纵向长度超过10 m后,无砟轨道结构的侧倾角度增幅很小;基床层填料的压缩引起路基隆起变形衰减,其衰减率随地基膨胀潜势增大而增大,随地基膨胀区域扩大而减小。本文提出将无砟轨道结构的隆起量、隆起纵向不平顺性以及侧倾角度同时作为膨胀土地区无砟轨道路基的性能控制指标;建议采取降低路基隆起变形横向分布不均匀性和膨胀土地基湿度分布梯度的措施,以减小无砟轨道结构的侧倾程度。

膨胀性裂土病害产生机理及综合防治措施研究

膨胀土是指吸水后显著膨胀、失水后显著收缩的高塑性黏土,随着膨胀土问题的日渐加剧,膨胀土对施工环境的影响已成为当今岩土工程中亟待解决的全球性技术难题之一。在文献调研、资料收集及成果汇总的基础上,对膨胀土的基本性质、胀缩机理进行了总结,从病害产生部位、形态特征、成因及破坏速度等角度系统划分了膨胀土“四类”破坏类型;通过堑坡深度、垂直方向、坡顶及坡底水平方向变形量提出了膨胀土堑坡“四个”活动层面;结合膨胀土地区路基、边坡、建筑物及其他各类病害特点,总结了相对应的技术措施,研究成果对于膨胀土地区在建和拟建工程有参考意义。

高速公路膨胀土滑坡稳定性分析及治理措施研究

膨胀土滑坡威胁着工程建设施工安全,高速公路建设施工阶段受滑坡灾害的影响,易出现工体及填方滑塌、地表裂缝增大等安全生产隐患。以某高速公路膨胀土滑坡为例,对滑坡成因进行分析,并根据工程地质特征提出“抗滑桩+地表排水系统+坡内排水”的工程治理方案,降低了膨胀土质滑坡发生的概率,可为类似膨胀土的滑坡治理提供思路。

氧化镁复合水泥固化硫酸盐渍土的力学、膨胀性能及微观机理

硫酸盐(渍)土易引发溶陷、膨胀、腐蚀地基等岩土灾害,而水泥固化会导致膨胀性矿物——钙矾石的生成,造成硫酸盐土体膨胀、强度损失和耐久性降低。为了避免上述问题,采用氧化镁(MgO)部分替代水泥(即MgO复合水泥),用于固化处理硫酸盐土(即石膏土)。通过开展垂直膨胀、无侧限抗压强度(UCS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)试验,研究MgO与水泥配比对固化土膨胀特性和力学性能的影响规律,并揭示MgO复合水泥(MgO-水泥)固化硫酸盐土的微观机理。试验结果表明:随着MgO与水泥配比增加,固化土的总膨胀率先减小后增大,而UCS总体呈现为先增大后减小。在微观机理方面,加入适量MgO可减少钙矾石生成;而加入过量MgO后,水化硅酸镁(MSH)的形成抑制了水化硅酸钙(CSH)形成,削弱了CSH的影响。综上,MgO∶水泥(MgO∶C)=0.5∶9.5是固化硫酸盐土较优的MgO与水泥配比。

高速公路改扩建膨胀土路堤处置方法研究

为在高速公路改扩建工程中充分利用膨胀土填料,该文借鉴膨胀土直接筑路的成功经验,依托G40沪陕高速公路合肥至大顾店段改扩建项目,提出采用土工格栅加筋膨胀土包边的路基处置方案。通过室内试验开展膨胀土填料的路用特性和膨胀性试验,确定填料的适用范围和压实控制指标。最后,通过路堤湿胀量预估、土工格栅加筋边坡稳定性分析和经济效应分析,对处置方案的可行性进行论证。结果表明:填料胀缩总率为1.12%,R_(CBR)大于3%,初步验证了该膨胀土样可采取包边、加筋等物理处置后用作下路堤填料的可行性。若采用湿法击实试验所确定的压实控制指标,路堤湿胀量预估值将比干法的小1个数量级。各层土工格栅的抗拔安全系数均满足规范不小于2.0的要求,不会存在拔出风险。相比石灰改良方案,该方案可极大地缩短工期和节约造价。

支撑渗沟在膨胀土浅层路堑边坡处治中的应用

边坡对道路工程的安全起着至关重要的影响,通过结合工程实例,在分析郴州某道路膨胀土浅层路堑边坡发生破坏原因的基础上,结合支撑渗沟的作用原理以及尚未完全破坏的坡面人字形骨架,提出了“支撑渗沟+尚未破坏的人字形骨架+坡脚恢复挡土墙”的处治方案,相比其他的处治方案更经济、易施工,且防护和排水效果明显。可作为其他类型工程的借鉴方案。

成都市中心城区膨胀土工程地质特征分区

以成都市中心城区膨胀土为研究对象,在全面搜集已有勘察资料基础上,结合现场调查及室内外试验,全面刻画了成都市域内膨胀土空间展布特征,对其结构特征、物理力学特征、胀缩性和裂隙性进行了系统总结,在此基础上对膨胀土进行了分区.研究表明,成都市膨胀土由西向东逐渐增厚,厚度2.64~24.1 m,平均厚度10.8 m;纵向可划分为3层,其中Ⅲ层裂隙极发育,团块状灰白色黏土增多,局部为灰白色黏土;隙壁灰白色黏土比灰黄色黏土层黏土矿物含量高、含水率高、膨胀性强,其与裂隙的存在劣化了土体力学性质;灰黄色黏土具有弱膨胀潜势,黄红色黏土具有弱—中等膨胀潜势,根据土体膨胀特性,将成都划分为弱膨胀区、出露型弱—中膨胀区和埋藏型弱—中膨胀区3个大区.

引江济淮工程江淮沟通段膨胀土物理力学特性分析研究

文章基于大型水利工程引江济淮工程实际,通过对引江济淮工程江淮沟通段的膨胀土土工试验数据进行整理,分析研究不同膨胀等级膨胀土相关物理性指标及物理力学性指标之间的关联性,并结合现场施工地质调查的土体特征,总结不同膨胀等级膨胀土地质特征差异性,可以为更好地了解该区域内的膨胀土特性提供参考。

梅雨气候区膨胀土填芯路基设计研究

将膨胀土作为路基填料,可有效利用膨胀土路堑开挖产生的弃土。以铜陵江北港铁路专用线膨胀土路基工程为依托,提出了梅雨气候区膨胀土填芯路基的设计方法。首先,进行膨胀土的膨胀力试验;然后,研究梅雨季节膨胀土填芯路基内部体积含水量与包边黏性土种类、包边厚度、路基压实系数的关系,分析梅雨季节填芯膨胀土膨胀力发育情况;最后,确定了膨胀土填芯路基设计方案,并将膨胀力引入折线型滑动面安全系数计算公式进行稳定性验算。结果表明,铜陵江北港铁路专用线膨胀土填芯路基采用亚黏土包边,包边厚度取1 m,压实系数取0.92,不仅能减少浪费,安全系数也满足规范要求。

粉砂与粉土固结蠕变特性对比的试验研究

为了解释基坑预降水引发的基坑周边地面沉降的滞后性,依托某地铁车站基坑预降水工程,开展场地中典型粉砂和粉土的一维固结蠕变试验。通过试验结果分析,得到土的压缩指数、回弹指数和次固结系数,给出了回弹指数与压缩指数和次固结系数与压缩指数的经验关系。蠕变试验结果表明,粉砂和粉土的次固结系数与固结荷载之间呈现良好的线性关系,提出了次固结系数与固结压力的经验公式。从固结压力下砂土天然结构破坏的角度,解释了次固结系数随着固结压力的增加而增大的原因,为解释预降水引起的基坑周边地面沉降滞后效应和地面沉降合理估算提供了实验依据。

基于颗粒流的膨胀土膨胀力时程细观机制研究

为了深入分析膨胀土在增湿条件下膨胀力时程关系,开展了不同初始含水率和干密度下的无荷膨胀率试验与膨胀力试验,建立了考虑体积应力的膨胀土颗粒膨胀模型;采用颗粒流程序(particle flow code,PFC)数值计算方法,探讨了膨胀力在不同干密度、初始含水率下膨胀力随时间的变化规律,从细观层次上分析了增湿过程中土体接触力链的分布特征,并进行了颗粒膨胀函数中参数对时程曲线的敏感度分析。试验结果表明:增湿过程中膨胀力随时间的增长可以分为快速增长、匀速增长和相对稳定3个阶段。膨胀速率和极限膨胀力均随土体干密度增大而增大,随土体初始含水率的增大而减小。在增湿条件下,膨胀力在0~2 h内基本能达到极限膨胀力的80%。数值计算结果与室内试验结果一致,验证了颗粒膨胀模型的正确性。

基于MICP技术的膨胀土变形控制机理研究

膨胀土因强亲水性遇水浸泡变形迅速增大对渠道及边坡工程等岩土构筑物造成极大安全隐患。基于微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP)固化和改善土体结构的性能特点,开展了巴氏芽孢八叠球菌抑制膨胀土胀变特性试验和机理研究。研究表明,使用巴氏芽孢八叠球菌治理膨胀土,可有效控制膨胀土膨胀变形,其在最优菌液条件下抑制膨胀变形能力可达到99.8%,表明其可行有效。此外膨胀土矿物中游离的钠、钙、锰、铝以及水分子等与菌液的综合化学作用形成的钙化颗粒起到了胶结充填与包裹作用,以及微生物作用促成的膨胀土中蒙脱石向伊利石明显转变,抑制了膨胀土遇水膨胀的能力,降低了膨胀土遇水膨胀变形程度。

黄原胶和瓜尔胶改良膨胀土力学特性试验研究

膨胀土地区铁路路基优质填料匮乏,可采用环保的生物聚合物对膨胀土进行改良。通过开展室内力学性能及微观分析试验,研究黄原胶和瓜尔胶2种生物聚合物对膨胀土力学性能的影响规律及微观机理。结果表明:黄原胶和瓜尔胶与土中矿物反应生成的胶结物能有效改善土颗粒之间的黏结强度、提高土体黏聚力,进而降低膨胀土胀缩性,提高抗剪强度和无侧限抗压强度;瓜尔胶改良土强度提升效果优于黄原胶改良土,综合考虑路基填料强度和变形,胶土比为1.0%时瓜尔胶的改良效果最优;掺入黄原胶和瓜尔胶可有效限制裂隙发展,干湿循环次数相同时,黄原胶和瓜尔胶改良土的裂隙数量和宽度显著低于膨胀土,且破坏类型从脆性破坏转化为塑性破坏;随着干湿循环次数的增加,改良土和膨胀土强度均呈衰减趋势,但相比于膨胀土,瓜尔胶改良土抗剪强度有较大提升,而黄原胶改良土稳定性更好。