双孔结构非饱和压实土微观结构演化模型

在最优含水率干侧压实的黏土一般具有明显的双孔结构,其集聚体间孔隙（又称宏观孔隙）和集聚体内孔隙（又称微观孔隙）对土体宏观水力和力学特性影响差异显著,同时,水-力耦合作用下两种孔隙的演化规律也存在明显不同。双孔结构非饱和土对应的孔径分布函数为双峰孔径分布形式,该分布函数可通过叠加宏观孔隙和微观孔隙的单峰孔径分布曲线得到,并通过平移量、缩放量和分散度3个演化参数对双孔结构土的孔隙演化规律进行描述。通过构建在力学及水力加、卸载过程中演化参数与孔隙比之间的关系,提出了适用于描述变吸力下非饱和压实土的微观结构演化模型。分别基于所开展的桂林红黏土压汞试验数据和文献中的米尼亚卢博瓦膨胀土试验数据,对所建立的微观结构演化模型进行参数标定,并通过模型预测结果与试验结果的对比,验证了所建立模型的适用性。     

膨胀土干湿循环过程孔径分布试验研究及其应用

采用压汞法对膨胀土干湿循环过程孔隙大小分布的演化规律进行了试验研究,结果表明,随着循环次数的增加,膨胀土的总孔隙体积、孔隙率和平均孔径等微结构参数均递增;分析了试验结果产生偏差的原因,其一是干湿循环过程中膨胀土试样的体积收缩,其二是孔隙形状和测试压力有限的影响,在此基础上对试验数据进行了合理修正。结合毛细管模型,利用修正的孔径分布曲线推算了膨胀土干湿循环过程中的土-水特征曲线,并分析了干湿循环过程中基质吸力的变化规律：以含水率28%为分界点,含水率大于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递增,含水率小于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递减;在此基础上,建立了基质吸力与循环次数之间的关系,为解释膨胀土力学特性的干湿循环效应开辟了一条新途径。     

干湿循环下南阳膨胀土的土水和变形特性

对初始状态相同南阳膨胀土试样进行1～6次干湿循环,选取其中的1、3、6次循环后的试样,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法测定其含水率、孔隙比、饱和度等与吸力的关系,并对比分析干湿循环对南阳膨胀土的持水能力影响。在1～6次干湿循环过程中,以环刀为参照物拍摄每次烘干后试样上表面照片,用数字图像处理提取图像中的裂隙与收缩面积,以此分析试样烘干过程中裂隙与收缩与干湿循环次数的关系。试验结果表明,干湿循环过程中相同吸力的试样含水率略降低、孔隙比略增大、持水能力略降低,烘干过程中试样收缩面积增大,裂隙展开面积增大,但上述性质变化幅度都随干湿循环次数增加而减小。试验成果为研究膨胀土的持水能力和湿胀干缩变形性质随干湿循环的变化规律提供实测数据。     

失水过程孔隙结构、孔隙比、含水率变化规律

当土体总应力状态保持不变时,基质吸力的提高是导致孔隙水排出、土样收缩、孔隙结构改变的主要原因。对于特定吸力下的土样,其微观孔隙结构决定了土壤孔隙比;而土壤孔隙结构,土壤基质吸力共同决定了土壤的含水率。假定在失水过程中,当孔隙水尚未排出时,其土壤孔隙孔径不会收缩,孔隙体积保持不变。可通过吸力建立起变化的土壤孔隙体积曲线和土-水特征曲线、土壤收缩曲线之间的对应关系：（1）累计孔隙体积曲线的包络线即为实际发生的土水特征曲线;（2）基于累计孔隙体积曲线,能够有效确定土样收缩曲线的上下限范围     

干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究

揭示干湿循环作用下膨胀土力学特性的演化规律对防治膨胀土灾害有重要指导意义。提出了一种基于超微型贯入试验的土体内部力学特性研究方法,在干湿循环条件下对重塑膨胀土开展了一系列贯入试验,获得3次干燥过程中试样贯入阻力随深度和含水率的变化曲线。结果表明:(1)通过超微型贯入试验能够简单、快速和有效地掌握膨胀土在干湿循环过程中力学特性的时空演化特征;(2)试样的贯入阻力在干燥过程中总体呈增加趋势,相对于深部土体,表层土体的贯入阻力对干燥作用更加敏感;(3)干湿循环作用对膨胀土的力学特性有重要影响,随干湿循环次数的增加,膨胀土的贯入阻力总体上呈减小趋势,贯入曲线由单峰结构逐渐向多峰结构过渡,贯入阻力的空间差异性更加突出,且该现象在低含水率区间更加明显。基于土力学、土结构的基本理论以及试验中观测到的一些现象,对干燥过程和干湿循环作用下膨胀土的贯入力学特性进行了分析和探讨。干燥过程中土颗粒收缩靠拢、密实度和颗粒接触点增加及土吸力增加是导致膨胀土贯入阻力增加的重要原因,而干湿循环作用导致的土结构松散化、裂隙化则是引起膨胀土整体力学性质弱化的重要原因。     

压实红黏土失水收缩过程的孔隙演化规律

失水收缩是诱发黏性土体开裂的主要因素之一,揭示收缩开裂的内在机制对预防工程灾变具有十分重要的意义。以压实红黏土为研究对象,开展自然风干条件下4种初始干密度试样的自由收缩试验。依据试样收缩曲线的特征,确定了4个特征含水率点,包括饱和含水率、比例收缩阶段中间含水率、缩限以及残余收缩阶段中间含水率。试样从饱和含水率状态风干到上述特征含水率点后立刻用液氮冻干法干燥,并通过孔隙分析仪测定该脱湿状态下的孔隙分布特征,着重探明细观孔隙体积与宏观总体积收缩的对应过程。结果表明：失水过程的前阶段（偏湿时）团聚体间的孔隙优先收缩,表现为大孔隙体积峰值半径随着含水率的降低而减小,小孔径的孔隙体积则增多;而当达到残余阶段后团聚体内的孔隙会发生收缩,表现为小孔隙的体积峰值会减小;随着含水率进一步降低,土体进入零收缩阶段,团聚体间和团聚体内的孔隙均不会发生变化。整个失水过程中孔隙总体积明显减小,与所测得的宏观变化规律相吻合。     

干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究

膨胀土是一种气候敏感性土体,研究在干湿循环过程中膨胀土剪切强度的变化,对了解在自然界周期性蒸发和降雨作用下原位膨胀土体工程性质的变化以及由此导致的地质灾害发生过程具有重要意义。文中以重塑非饱和膨胀土为研究对象,模拟了3次干湿循环过程,对每次干燥路径中的试样进行了直剪试验,重点分析含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响,得到如下主要结果：（1）在干燥过程中,随着含水率的减小,试样的刚度、脆性、抗剪强度值（峰值剪切应力）、抗剪强度指标（黏聚力、内摩擦角）及抗剪强度损失（峰值强度与残余强度之差）均呈增加趋势;（2）正压力越高,试样的剪切强度和残余强度越大,而破坏后的峰值强度损失越小,破坏韧性增加;（3）在3次干燥过程中,试样的剪切强度及黏聚力呈先增加后减小的趋势,在第二次干燥过程中达到峰值,但内摩擦角受干湿循环的影响无明显规律;（4）试样经历多次干湿循环后,其剪切特性越来越类似于超固结土,脆性显著增加;（5）干燥过程和干湿循环对试样残余剪切强度的影响都不明显,残余剪切强度基本都在100 kPa附近变化;（6）非饱和膨胀土在干湿循环及干燥过程中剪切强度的变化除了与吸力有关外,还与其微观结构调整和裂隙发育状态密切相关,需要综合非饱和土力学和土质学理论对试验现象进行分析。     

膨胀土强度干湿循环试验研究

通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验,探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。研究结果表明：膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。在此基础上,利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布,发现干湿循环对土的粒间联结产生不可逆的削弱,使得土体形成更大的孔隙空间,在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加,在低含水率时集聚体内孔体积增加,从而降低土的抗剪强度。     

非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展

吸力是非饱和土研究的重点也是其难点。重点在于自然界中诸多物理现象可以用吸力去解释，难点在于非饱和土吸力的量化测试技术现在还不成熟。非饱和土作为地球表层广泛存在的三相组合材料，其力学性质远远比饱和土复杂，归根结底在于土中水气界面形成的弯液面收缩膜，导致了土体孔隙产生吸力。非饱和土体的强度变形特征就是其内部吸力不断变化的宏观表现形式，其宏观物理力学性质与吸力之间存在一个桥梁——微观结构。对非饱和土微观结构和吸力理论、试验研究的整体把握是完善土力学的一个重要方法。开展对非饱和土液桥动态结构演化及吸力力链分布特性的研究，是全面了解非饱和土力学性能的重要基础之一，也是深入把握和量化非饱和土吸力的重要手段。     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

非饱和土稳态孔隙比变形理论研究

非饱和湿陷性土与湿胀性土分别具有亚稳态孔隙比结构和超稳态孔隙比结构,广义吸力是维持这种结构稳定的主要因素。随着广义吸力的丧失,两种结构均处于一个不稳定的孔隙状态,土体会向一个更加稳定的孔隙比结构发展。超孔隙比结构孔隙比增大,土体产生膨胀,亚稳孔隙比减小,土体产生收缩。基于这一稳态孔隙比理论,建立了广义吸力丧失引起的孔隙比的增量方程,来统一考虑非饱和土的湿陷性和湿胀性变形特性,并通过经典试验数据验证了增量方程的合理性     

集成回填材料的土水特征曲线测定

以膨润土为基材,添加沸石、黄铁矿制备高压实集成回填材料,采用渗析法和汽相法分别测得其在不同温度及自由、侧限条件下的土水特征曲线( SWCC),并采用SWCC模型对实验数据进行拟合.结果表明:低吸力范围内,施加相同的初始吸力,最终测得50℃试样含水率＞20℃对应含水率,原因是温度影响渗析法所测吸力值及试样饱和后的微观结构;高吸力范围内,同一吸力值80℃对应的含水率最小,土水特征曲线斜率随温度升高而增大.应力状态对土水特征曲线的影响,在低吸力范围内显著,而高吸力范围内则影响不大.这与材料的微观结构有关.Van Genuehten模型对实测数据的拟合效果最佳.     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法（吸力范围0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围0～40 MPa）和蒸汽平衡法（吸力范围3～368 MPa）,分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。     

基于超微型贯入试验的黏性土干燥过程中结构强度演化规律研究

研究土体结构强度对了解土体开裂破坏过程和预防相关工程地质问题有重要意义。以南京地区下蜀土为对象,采用超微型贯入试验方法,分析了试样在干燥过程中的结构强度演化特征。结果表明:所采用的超微型贯入试验方法为定量研究土体在干燥过程中结构强度的演化规律提供了可行的途径,该方法具有操作简单、精度高和含水率适应范围大等优点; 在干燥过程中,当试样处于高含水率阶段时(w24.27%),剖面上的结构强度基本保持一致,空间差异性较小; 在低含水率阶段(w24.27%),试样结构强度空间差异性显著增强,随深度的增加,结构强度呈递减趋势并逐渐趋于稳定; 总体上,土体的结构强度在干燥过程中随平均含水率的减小呈指数递增趋势,这主要是由于土体水分蒸发导致吸力增加,土颗粒之间的作用力增强。此外,由于土体发生收缩变形,土体孔隙比减小,土颗粒间联接点增加,也会对结构强度产生贡献。     

非饱和土干化过程微观结构演化规律研究

水-力耦合特性是非饱和土最基本的力学特性之一,含黏粒土体的孔隙结构对含水率变化非常敏感,相应的孔隙分布曲线也会随之变化。基于已有的试验研究成果,揭示了水力路径下土体微观结构的演化规律,建立了孔隙比与孔隙分布曲线之间的关系,由此提出了一个能模拟干化过程中孔隙分布曲线变化的理论模型。所建立模型中,吸力增加后的孔隙分布曲线可由初始曲线通过平移、缩放以及分散三步得到;其中孔隙分布的平移量和缩放量与孔隙比线性相关,而分散程度与孔隙比满足指数衰减关系。模型预测结果表明,所建立的模型不仅能预测集聚体间和集聚体内孔隙分布的变化,而且能较好地反映中间态孔隙分布曲线的变化。     

干湿循环条件下膨胀土膨胀特性试验研究

通过对北疆膨胀土开展干湿循环条件下无荷膨胀率、有荷膨胀率及微观扫描试验，探讨膨胀土吸水膨胀的特性及微观机理。试验结果表明：（1）在无荷膨胀率试验中，随着时间的增加，无荷膨胀率逐渐增加，在试验后期逐渐趋于稳定；随着干湿循环次数的增加，无荷膨胀率逐渐减小，第5次循环后趋于稳定值；（2）在有荷膨胀率试验中，随着时间的增加，有荷膨胀率逐渐增加且试验后期趋于稳定，上覆荷载越大，膨胀土试样有荷膨胀率越小；随着干湿循环次数的增加，有荷膨胀率逐渐减小，有荷膨胀率随循环次数及上覆荷载的增大而减小；（3）电镜扫描结果显示，无循环膨胀土试样结构较为牢固，经过干湿循环作用，膨胀土试样微观结构发生明显变化，土体微观结构逐渐破碎，颗粒面积减少，出现较多微小孔隙，导致膨胀率随循环次数的增加而逐渐减小。研究成果可为北疆膨胀土稳定性评价提供理论基础。     

击实黄土孔隙结构对土水特征的影响分析

土水特征曲线是非饱和土的基本土物理-力学关系,即将含水率这一物理参数转化为土粒间力的作用,土水特征曲线受土的结构控制。为了探讨击实黄土孔隙结构对土水特征曲线的影响,本文在3种不同的初始含水率（小于最优含水率8%、最优含水率17%和大于最优含水率19%）下制备不同结构的击实黄土试样,分别用压汞试验测其孔隙分布曲线,用滤纸法测其土水特征曲线,并用扫面电镜获得其微观结构图像。对以上测试结果的分析表明,3种击实土样的孔隙分布曲线在相应的大孔径范围内相差较大,在小孔径范围内趋于一致;土水特征曲线在低吸力区差异较大,小于最优含水率的击实黄土土水特征曲线最陡;在高吸力区,3种击实土样的土水特征曲线趋于一致,这与孔隙分布特征一致。对比孔隙密度分布曲线与土水特征区曲线发现,土的土水特征受孔隙分布的控制,孔隙密度越大,土水特征曲线的斜率越陡。SEM图像也显示出3种击实土样的结构特点,小于最优含水率的土样有较多架空孔隙,优势孔径最大;高于最优含水率的土样,大孔隙减少,小孔隙增多,优势孔径最小。而最优含水率的击实黄土的孔隙分布较均匀,优势孔径覆盖范围大。     

非饱和土失水过程轴向位移变化规律试验研究

随着地下空间的大力开发,基坑降水导致的地面沉降对周边建筑物稳定性及地下管道系统产生一定影响,开始引起国内外学者的关注。本文选择武汉地区典型粉土,采用土-水特征曲线压力板仪开展失水过程的土-水特征曲线试验,得到了非饱和土的土-水特征曲线;质量含水率、轴向位移随基质吸力的变化规律及误差修正;不同基质吸力作用下含水率和轴向位移随时间的变化规律。根据测定曲线,非饱和土含水率随基质吸力的增大而减小,达到残余含水率时不再变化;随着基质吸力的增加,土体失水收缩,轴向位移增大,达到残余含水率时不再变化;加压过程中不仅有轴向变形,还伴随有一定径向变形。除此,对仪器本身及试验过程中可能出现的误差进行了详细的分析,为压力板仪试验提供参考依据。