利用压汞试验确定软土结构性损伤模型参数

在分析结构性土的变形机理基础上,通过压汞试验对结构强度丧失过程中孔径分布变化规律进行了研究,提出了孔隙结构破损势的概念,在此基础上结合堆砌体模型提出利用微观孔径分布试验结果确定结构性损伤模型     

人工冻融软黏土微观孔隙变化及分形特性分析

为探讨软黏土融沉及压缩特性的微观机理,以宁波地区软黏土为研究对象,采用冻融、压缩和压汞试验,对冻融和压缩前后的软黏土微观孔隙分布及变化进行了研究。取原状土、融土、压缩原状土、压缩融土4种土样分别进行压汞试验,提出孔径划分方法,结合分形理论对冻融软黏土微观孔隙变化进行分析,研究了软黏土的孔隙分布特征,并采用容量维数对孔体积分布和孔表面积分布进行计算,分析了冻融及压缩前后颗粒接触及孔隙变化。研究结果表明:软黏土冻融后孔体积和孔表面积均增大;原状土和融土压缩后孔体积和孔表面积均减小,软黏土的孔体积和孔表面积80%以上分布于微孔和超微孔中;软黏土冻融及压缩前后孔体积和孔表面积存在分形特性。     

天然软黏土的弹黏塑性本构模型：进展及 发展

天然软黏土由于土结构的存在表现出比较复杂的力学特性：应力应变关系的时效特征;固有各向异性和诱发各向异性;土颗粒间的胶结和大孔隙结构在变形过程中的破坏。基于上述某些试验现象,学者们提出了很多一维和三维的弹黏塑性本构模型。为了弥补现有模型对软黏土力学特征的描述考虑不足,作者在弹黏塑性力学理论的框架下,由浅入深地建立了一系列的天然软黏土的本构模型： ① 在 非结构性 土的一维压缩试验基础上建立一维弹黏塑性本构模型; ② 在 非结构性 土 的 三轴试验基础上扩展一维模型到三维弹黏塑性本构模型; ③ 在 结构性 土 的 一维压缩试验基础上扩展一维非结构性土模型到一维结构性土模型; ④ 结合前面的模型和结构性土的三轴试验现象提出三维结构性软黏土的弹黏塑性本构模型。 所有模型均得以验证。 三维 结构性 土 模型需要的试验成本同修正剑桥模型,且所有参数的确定都非常直接。     

结构性软黏土的一维弹黏塑性模型

为了研究结构性软黏土一维压缩变形的时效特征和结构破坏特征的耦合效应,首先,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,建立非结构性软黏土的新型一维弹黏塑性模型;然后,在大量试验结果的基础上,揭示了一维压缩过程中压缩指数随孔隙比的变化规律,并提出了土体结构渐进破坏的新型描述模式;仿照特征体积,定义了"本征体积"和"本征应变"的概念,得到了结构性软黏土的"本征压缩定律",并推导了结构性软黏土的蠕变方程,构建了结构性软黏土的一维弹黏塑性模型。最后,阐述了模型参数的确定方法,所有参数均可通过试验直接确定,并用本文模型对宁波天然软黏土的常规压缩试验和长期蠕变试验、Berthierville clay、Ariake clay的一维等应变率压缩试验进行模拟,验证了该模型的有效性。研究结果表明,该模型能很好地模拟结构性软黏土一维压缩变形的时间效应和结构破坏效应,为建立结构性软黏土三维时效本构模型奠定了基础。     

结构性黏土压缩和剪切特性试验研究

天然黏土一般都具有结构性,其变形过程必然伴随着结构的破坏。为了了解结构性黏土的力学行为,本文采用人工制备结构性黏土的方法,进行了一系列试验,研究了结构性黏土和重塑土不同速率下的压缩和剪切特性。     

红黏土在原状及重塑状态下的力学性质试验研究

土的结构性是土中颗粒或颗粒集合体及孔隙之间的大小、形状、排列组合及联结等综合特征。不同围压下固结不排水三轴压缩试验表明,贵阳原状和重塑红黏土应力应变曲线、有效应力路径、抗剪强度指标、破坏形态等宏观力学行为明显不同。考虑红黏土结构性,通过SEM电镜扫描测试,指出红黏土矿物颗粒单元间接触和联结状态,对比分析原状和重塑土样在颗粒形态、孔隙结构与分布等微观差异,研究结构性红黏土宏观强度与变形特性的细微观机理。研究成果对于正确认识红黏土的结构性具有重要作用,可为结构性红黏土工程设计与施工提供理论依据和技术指导。     

湛江强结构性黏土的三轴排水蠕变特征

 利用GDS应力路径三轴试验系统,开展不同围压下湛江强结构性黏土的三轴固结排水剪切蠕变试验,获得其轴向应变、体应变与应力和时间的关系,分析蠕变性状的结构性效应,建立相应的蠕变模型。结果表明,湛江黏土的蠕变变形演化特征受其强结构性制约,其蠕变特性的敏感程度与结构性强弱相关联。在低偏应力下,其蠕变变形和变形速率均较小;偏应力超过临界值后,土体在短时间内发生破坏。湛江黏土在?3＜?k时,其体变性状总体上表现为剪缩,但随时间变化出现一定的剪缩和剪胀交替性,即存在回弹现象;而当?3≥?k时,则表现为剪缩。蠕变引起的强度衰减主要表现为黏聚力的降低,且 77.63%。采用6元件扩展Burgers模型能较好地描述湛江黏土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变3个阶段。在实际工程中,必须对土的结构性给予充分的认识,在较低应力范围内,可以利用其结构性的有利因素,但设计荷载严禁超出结构屈服应力。     

天然沉积软黏土的次固结变形机理分析

土体在天然沉积过程中由于时间效应会产生次固结变形和结构性,两者都使土体的固结屈服压力增大,传统Bjerrum次固结模型无法解释后者的机理,也无法描述结构性土的次固结变形特性。通过天然沉积结构性土的次固结试验,基于Burland提出的孔隙指数Iv和固有压缩曲线ICL,分析了结构性土的次固结变形机理。当固结压力小于固结屈服压力时,天然沉积结构性土的结构强度抵抗了孔隙的压缩势,压缩曲线与固有压缩曲线间的距离△Iv随压力增大而增大,该阶段存在稳定的土颗粒骨架结构,土颗粒的蠕动变形受抵抗,导致几乎不产生次固结变形;而当土体处于临界屈服状态时,土结构强度受破坏,孔隙压缩势的抵抗作用消失,大孔隙骨架坍塌,Iv发生骤减,土颗粒的蠕动变形剧烈,次固结系数骤增出现峰值;△Iv随固结压力的进一步增大而减小,次固结系数的变化表现出与△Iv密切的线性相关性;基于天然沉积土SCL压缩曲线说明了天然沉积土的次固结变形不可能无限发展。     

基于核磁共振技术的黏性土微观孔隙测试研究

以黏性土在相同含水率不同干密度下,和相同干密度不同初始含水率条件下,进行核磁共振试验研究。通过核磁共振实验结果,从微观的角度对土体结构进行分析,探究粘黏性土体不同状态对于土体内部微观结构的影响。实验结果表明:密度较低的饱和黏土试样具有更多的大孔隙。干密度对黏土的大孔隙结构有较大影响,而初始含水率会对饱和黏土的小孔隙结构有影响。此外,通过对核磁共振测试和压汞测试的实验结果进行比对,可以看出两种测试手段,在孔隙孔径分布的探究上具有一致性,都可以反映出黏土的微观孔隙结构。     

碳酸钠污染重塑黏土微观结构的试验研究

,利用扫描电镜(SEM)观测浸泡试验制备的不同浓度的碳酸钠(Na2CO3)污染重塑黏土的微观结构,而后利用Matlab提取出污染重塑黏土的表观孔隙率和表观孔径分布,并进一步探讨Na2CO3对污染重塑黏土微观结构的改造机理。研究表明:经Na2CO3污染侵蚀后,重塑黏土的絮状结构遭到破坏,颗粒与孔隙重新分布,孔隙率显著降低;基于手动选取最佳阈值,利用Matlab提取的污染重塑黏土表观孔隙率随Na2CO3侵蚀程度的提高显著降低,表观孔径呈现出以大孔和中孔为主逐渐演化为以小孔和微孔为主的分布特征;Na2CO3通过与黏土颗粒的离子交换和吸附,与非碱金属阳离子和游离氧化物的化学反应以及与腐植酸的中和作用,实现对黏土微观结构的多元化改造。     

Macroscopic and microscopic investigation of the structural characteristics of artificially structured marine clay

Artificial structural soil is the best medium for simulating the structural characteristics of undisturbed soil, which is a unique property of undisturbed soil. To figure out the macroscopic and microscopic structural properties of artificially structured soil, this study proposed a method of disposing artificial structural soil to simulate in situ marine clay. In addition, a series of one-dimensional compression tests considering three influencing factors—the initial void ratio, interparticle cementation strength (determined by cement content) and pore size distribution (determined by initial salt content)—were conducted to explore the macroscopic structural properties of artificially structured marine clay. Then, SEM and MIP tests were performed to investigate the microstructure properties of artificially structured marine clay. With respect to the macro-scale experiment, the results show as the initial void ratio increases, the yield stress decreases while the compressibility increases in postyield stage. The pore size distribution mainly affects deformation, which increases with the quantity of relatively large pores. In terms of the micro-scale test, we found that the general microstructure is composed of aggregates of small clay platelets, some of which are either attached to the aggregates or linked to the surrounding aggregates with cemented bridges crossing the interaggregate pores. The most and least common pore space types feature entrance pore diameters of 1 ～ 17 μm and larger than 17 μm, respectively. An increase in cement content causes increases in intra-aggregate pore space and interparticle cementation strength. Initial salt particle content exerts an influence predominantly in the pores with entrance diameters of 0.3 ～ 1 μm and 1 ～ 17 μm.     

压汞测孔评价劈裂注浆加固效果的室内试验

土体的微结构对土的工程力学特性具有决定性影响,运用压汞试验方法结合扫描电镜对四川省绵阳地区的软粘土进行研究,用压汞测孔技术直接测试评价了劈裂注浆加固软粘土前后的显微结构特征,得到了孔隙分布变化规律、总孔隙面积、孔隙率以及各种半径孔隙所占的比例等特征。研究表明,该地区饱和软粘土主要孔隙半径分布在0.05～1μm之间,劈裂注浆后的复合土体孔隙率降低、总孔隙面积降低、孔隙半径减少、孔隙总体积减少。     

Investigation on microstructure evolution of clayey soils: A review focusing on wetting/drying process

Variability in moisture content is a common condition in natural soils. It influences soil properties significantly. A comprehensive understanding of the evolution of soil microstructure in wetting/drying process is of great significance for interpretation of soil macro hydro-mechanical behavior. In this review paper, methods that are commonly used to study soil microstructure are summarized. Among them are scanning electron microscope (SEM), environmental SEM (ESEM), mercury intrusion porosimetry (MIP) and computed tomography (CT) technology. Moreover, progress in research on the soil microstructure evolution during drying, wetting and wetting/drying cycles is summarized based on reviews of a large body of research papers published in the past several decades. Soils compacted on the wet side of optimum water content generally have a matrix-type structure with a monomodal pore size distribution (PSD), whereas soils compacted on the dry side of optimum water content display an aggregate structure that exhibits bimodal PSD. During drying, decrease in soil volume is mainly caused by the shrinkage of inter-aggregate pores. During wetting, both the intra- and inter-aggregate pores increase gradually in number and sizes. Changes in the characteristics of the soil pore structure significantly depend on stress state as the soil is subjected to wetting. During wetting/drying cycles, soil structural change is not completely reversible, and the generated cumulative swelling/shrinkage deformation mainly derives from macro-pores. Furthermore, based on this analysis and identified research needs, some important areas of research focus are proposed for future work. These areas include innovative methods of sample preparation, new observation techniques, fast quantitative analysis of soil structure, integration of microstructural parameters into macro-mechanical models, and soil microstructure evolution characteristics under multi-field coupled conditions.     

高庙子膨润土微观结构时效性试验研究

针对高庙子膨润土在不同含水率和不同干密度条件下的微观孔隙结构时效性进行了试验研究。首先采用静力压实法将3种不同含水率条件下的高庙子膨润土粉末压实到2种不同密实状态,压实结束后保持试样体积和含水率不变分别静置1,30,90d,然后分别采用压汞仪法和扫描电镜法对静置不同时间后试样的微观孔隙结构进行量测。试验结果表明,高庙子膨润土集合体间大孔隙随静置时间增加逐渐减少,而集合体内孔隙和小于压汞仪最小探测粒径的极小孔隙逐渐增多;随着静置时间的延续,膨润土微观孔隙结构趋于均匀化。产生上述现象的主要原因是：试样静置过程中,为达到吸力平衡,试样各微观孔隙结构中水分子重分布,导致层叠体内水分子层数增多,蒙脱石水化;随着水化的进行,层叠体晶层间水分子层数逐渐增多,同时厚的层叠体逐渐裂开成薄的层叠体,导致集合体内小孔隙增多;在体积不变条件下,集合体间大孔隙不断被挤压填充,孔隙体积逐渐减少。     

混凝土渗透性与微观结构关系的研究

根据混凝土的渗透性大小与其孔结构参数直接相关的观点，采用压汞试验测定了水化60d的水泥浆体孔结构和孔分布情况，并采用扫描电镜研究了混凝土的微观结构与形貌。结果表明，水胶比对混凝土的总孔隙率和孔径分布的影响都很大；掺入20％的粉煤灰的混凝土的累积孔隙体积率有所减少，孔径分布偏向于凝胶孔，且其微观结构均匀密实，Ca(OH)２的晶粒含量较少。混凝土微观结构的改善有效地降低了其渗透性。     

电石渣改良路基过湿土的微观机制研究

 为揭示电石渣改良路基过湿土的强度增长机制,通过无侧限抗压强度、酸碱度、压汞和热重分析试验,从微观角度出发,探讨改良土强度与pH值、孔径分布、火山灰反应产物含量的内在联系,并与石灰改良土进行比较。结果表明,电石渣改良路基过湿土早期强度与生石灰改良土接近,而后期强度为生石灰改良土的1.05～1.16倍;电石渣细粒含量约为生石灰的1.72倍,比表面积大5倍,可保障电石渣与土颗粒接触更充分;电石渣活性Al,Si成分含量约为生石灰的1.71倍,且电石渣改良土pH值可维持在12.4～12.6(而生石灰改良土pH值低于12.4),为火山灰反应提供较好的碱性环境,水化反应更持久;28和120 d龄期时,电石渣改良土的火山灰反应产物含量约为生石灰改良土的1.06和1.10倍,且微孔隙(＜0.007 μm)和小孔隙(0.007～0.900 μm)的体积百分比之和分别约为生石灰改良土的1.05和1.23倍,结构更致密。     

一维压缩蠕变前后软土的微观结构变化

软土在蠕变前后微观结构的演变,对了解软土的蠕变机理,探讨软土变形与时间关系以及建于软土地基上建筑物的稳定性有重要意义。对黄石地区软土进行一维压缩蠕变试验,提取原状样与蠕变破坏后土样的结构参数,对比分析这些结构参数在蠕变前后的变化规律。建议用丰度与圆形度辅助分析以更真实反映微观结构实际情况,将复杂度作为一个衡量软土在蠕变过程中孔隙或颗粒形状规则程度的重要参数。采用雷达图反映定向频率分布,可以同时对比多组数据,便于观察分布强度。研究结果表明:软土蠕变过程是结构逐渐破损,结构趋向稳定的过程;在蠕变条件下,竖直与水平方向微观异性变得不明显,孔隙变化遵循孔隙均匀化原理,小孔隙数量大量增多,孔隙与颗粒总体形状趋向扁圆形,外形更趋于"圆滑",颗粒定向性变得更有序了,而孔隙定向性变化不明显。