饱和盐渍土的一维蠕变试验与模型研究

饱和盐渍土中土颗粒和孔隙盐溶液间相互的物理化学作用对土体的力学行为有较强的影响,使得盐渍土表现出不同的变形特性。为了能够准确地描述饱和盐渍土的这种相互作用,首先采用常规固结试验和恒载蠕变试验对通过蒸馏水、硫酸钠溶液和氯化钠溶液饱和后的重塑土样进行了试验研究。试验结果显示:盐渍土和非盐渍土的固结蠕变存在明显差异,此类现象会随着含盐量的增加而更加明显;而同含盐量的硫酸盐渍土和氯盐渍土的固结蠕变效应也不尽相同。其次,基于Yin-Graham一维蠕变方程,利用Pitzer离子相互作用模型和Van'tHoff渗透吸力方程,通过引入有效渗透应力,建立了饱和盐渍土的一维蠕变理论模型。最后,将改进的理论模型与试验数据进行了对比分析。结果表明,所提出的理论模型不仅能够描述饱和盐渍土中化学力学耦合,而且可以有效地预测一维蠕变行为。     

饱和土体固结压缩和蠕变的热力学本构理论及模型分析

岩土热力学模型（thermodynamic soil model,TSM）是基于颗粒固体的非平衡态热力学理论,建立的一种崭新的描述岩土力学问题的统一理论模型。该模型引入“颗粒熵运动”和“弹性弛豫”,对土体颗粒层次的耗散机制进行了合理地考虑,这些使得模型能够更深入描述土体的变形和能量耗散机理,从而能够在统一理论框架中描述岩土体复杂多变的物理力学行为。基于该理论模型,研究了饱和土体的固结压缩和蠕变问题,分析了加载速率、应力/应变路径和非单调荷载等因素的影响规律。模拟结果表明：模型具有描述复杂条件下的饱和土体的固结压缩和蠕变特性的能力,具有较高的理论和工程应用价值。     

饱和盐渍土渗透吸力的回顾及研究

为了能够准确地计算不同含盐量、盐类和温度条件下饱和盐渍土中渗透吸力的大小,首先从试验和理论方面对渗透吸力的研究成果做了简要的回顾;其次通过不同温度条件下氯化钠和硫酸钠溶液的电导率试验,探讨了两溶液饱和后土体渗透吸力与浓度的相互关系;最后基于分形理论和溶质电离度分别对EC模型和van't Hoff方程进行了改进,并对改进后的模型进行了相关的数值分析。试验结果表明氯化钠饱和后土体的渗透吸力与浓度呈幂函数增长关系,而饱和硫酸盐渍土的渗透吸力随浓度的增大呈指数关系。因此表现出硫酸盐渍土的渗透吸力先大于氯盐渍土,而在某一浓度之后氯盐渍土的渗透吸力大于硫酸盐渍土,且浓度值mA随温度的增大呈线性增长关系。数值分析结果表明改进后的模型能够实现复杂条件下的渗透吸力计算,且优于传统模型。     

察尔汗盐湖地区盐渍土微观结构及其力学特性

为探明察尔汗盐湖区盐渍土的微观结构特征及其力学特性,对原状氯盐渍土进行电镜扫描、力学强度试验,从微观结构上分析了盐渍土的力学特性,提出了察尔汗盐湖区盐渍土微结构的连结形式,并将研究结果与新疆板块状盐渍土相关研究成果进行了对比。结果表明: (1)盐渍土微结构连结有三种形式:①点接触,②堆叠接触,③晶体胶结;(2)不同含盐量的盐渍土微观结构形式不同。盐晶体的胶结作用是影响其力学特性的显著因素;(3)无侧限抗压强度显著变化的含盐量拐点为45.74%;(4)青海察尔汗盐湖盐渍土属细粒土,其颗粒胶结作用随含盐量的增加而增强,其力学特性也在不断提高。而新疆板块状盐渍土属粗粒土,土颗粒胶结作用和力学强度随着含盐量的增加先增加后减小,存在一个最佳含盐量峰值,这是两地区盐渍土微结构和强度变化特性最显著的区别。     

盐渍土在蒸发过程中的水盐相变行为研究

伴随蒸发过程,盐渍土孔隙内的溶液会产生汽化及结晶现象,且两种不同的相变间存在相互依赖性。为了揭示蒸发过程中的水盐相变特性,对盐渍土在蒸发过程中的汽化和盐结晶行为进行了理论和试验研究。首先,从热力学理论出发,通过考虑相间化学势平衡和Young-Laplace方程给出了起始结晶半径的理论表达,并分析了起始结晶半径与温度和相对湿度的关系。结合Van Genuchten土水特征曲线模型,建立了孔隙溶液浓度在不同状态下盐的溶解-结晶模型,并分析了温度和初始含盐量对盐结晶行为的影响规律。最后,通过开展控制温度和初始含盐量的蒸发试验结果对理论模型进行了验证。结果表明：环境湿度降低的过程中,土体温度以及初始含盐量对孔隙溶液中的水分和盐分相变有着显著的影响,土体温度越高,孔隙溶液中水分蒸发越快,液相最终饱和度越低;随着初始含盐量的增加,液相最终饱和度下降,盐晶体体积比增加。初始含盐量还会改变盐的盐析湿度,并且盐晶体的产生会抑制水分的蒸发。     

硫酸盐环境下灰土压缩性指标变化的室内试验

通过一系列室内固结压缩试验,分析了养护龄期及含盐量对灰土压缩性的影响,并从微观结构性上给出了合理的解释。试验结果表明:2种灰土的工程性能均随着养护龄期的增加而改善,尤其在40 d内改善较为明显;二八灰土的压缩系数随着硫酸盐含量的增加而不断增大,含盐量在2%内较为明显,水泥灰土的压缩系数随着含盐量的增加呈现先减小后增大的趋势,其含盐量界限在7%左右。所得结果对灰土在硫酸盐盐渍土地区工程施工检测及质量控制具有一定的实际意义,可为2种灰土处理硫酸盐盐渍土地基的工程实践提供借鉴和参考。     

基于等时曲线的软黏土弹黏塑性模型

软黏土的变形与时间密切相关,包括固结效应与蠕变效应两部分,两者相互作用共同影响着土体的变形及长期变形。在Bjerrum等时曲线理论的基础上,推导了一个能描述软黏土变形时效特性的弹黏塑性本构模型,将此模型代替一维Terzaghi固结理论中的线弹性应力–应变关系,并进一步考虑非线性渗流的影响,实现了一维条件下蠕变–固结的非线性耦合作用。本模型中共有8个模型参数,物理意义明确,均可通过室内试验简单获取,利用Crank-Nicolson有限差分格式在一定的边界条件下可对控制方程进行求解。为验证此模型的有效性,对室内一维K0侧限固结试验及Leroueil和Kabbaj的等应变率试验成果进行了模拟,理论计算值与试验结果能够较好吻合。     

阿拉尔垦区盐渍土工程特性试验与分析

介绍了阿拉尔垦区盐渍土的分布特性,通过试验,研究了该地区盐渍土的物理力学性质,并从地基土、地下水、含盐量等方面,评价了盐渍土的地基腐蚀性,有利于制定出适宜的盐渍土治理措施。     

含盐量对硫酸钠盐渍土–混凝土界面剪切特性的影响研究

为了探究不同地区盐渍土–混凝土界面的强度及变形差异,自制硫酸钠盐渍土与混凝土试样,将盐渍土在不同含盐量、初始干密度及法向应力条件下与混凝土进行一系列单调直剪试验。通过试验研究不同因素对界面抗剪强度的影响,并分析在不同含盐量下界面抗剪强度参数及剪胀性的变化规律。研究结果表明：含盐量对界面抗剪强度起到劣化作用,其劣化程度在土体孔隙溶液处于非饱和状态时随含盐量增大而减弱,而孔隙溶液饱和结晶时,劣化作用增强;盐渍土抑制了初始干密度对界面抗剪强度的增强作用;不同竖向应力下,含盐量为1%～4%的盐渍土对应界面的平均破坏剪应力是素土的0.71,0.75,0.86和0.77倍,界面盐蚀折减系数在0.68～0.88范围内变化;界面黏聚力随着含盐量的增加而增大,内摩擦角表现出与抗剪强度相同的变化趋势,并且界面黏聚力受含盐量影响效果更显著;在较低法向应力和较高含盐量下,界面出现剪胀现象,其余情况均表现为剪缩,剪缩量随法向应力递增,在含盐量为3%时取得最小值。界面剪胀角在含盐量0%～3%范围内随含盐量增加显著提升。此外较高法向应力对界面剪胀角存在抑制作用,并弱化含盐量对剪胀角的影响。     

氯盐渍土的工程特性研究

对新疆地区的氯盐渍土进行了勘察和室内试验分析,该地区盐渍土的含盐量在2.87%～3.369%,pH值最大为10.42,洗盐前后的颗粒组成有着明显的不同,洗盐前黏粒含量较少。同时,含盐量对盐渍土的塑性指标影响较大,液限和塑限随着含盐量的增大有减小的趋势,含盐量为2%时液限为28.5%、塑限为16.2%;当含盐量增加到8%时,液限和塑限分别降低到24.1%和13.6%。通过剪切试验得出,含水量不变时,抗剪强度随着含盐量的增大先减小后增大,在一定含盐量下,随着含水量的增加而减小。盐渍土的溶陷系数随着初始含水量的增大而减小,随着含盐量的增加而逐渐增大。     

硫酸盐渍土未相变含水率与温度关系研究

以硫酸盐渍土为研究对象,从理论上建立了冻结温度以上未相变含水率与温度的关系,并通过室内试验测试了硫酸盐土体及对应溶液中盐晶体初始析出温度和硫酸盐渍土未相变含水率在不同温度环境下的变化。从土体降温温度曲线、不同温度下核磁共振信号强度分析了温度对未相变含水率的影响。研究结果表明:在特定降温速率下,十水硫酸钠晶体析出存在滞后性,初始析出温度均低于其饱和浓度所对应的温度,并随着初始含盐量的减小,初始析出温度大幅度降低,且与土体比较,溶液中盐晶体易于析出;土体中十水硫酸钠晶体的析出造成含水率的减小明显大于溶液中晶体的析出引起的减小,且随着温度递降,未相变含水率递减;冻结温度以下,高含盐量的硫酸盐渍土未冻含水率与温度呈指数规律减小,-10℃以下,其含水率不再变化。对于低含盐量硫酸盐渍土,冻结温度以下其未冻含水率随温度降低同样按指数规律减小,且随着含盐量的增加,土体的含水率有所增加。     

含氯硫酸盐渍土中硫酸钠结晶量理论分析研究

硫酸盐渍土产生盐胀变形的主要原因是土中固相或液相硫酸钠结合水分子析出芒硝晶体,盐分体积大幅增加而导致的。基于已有测试数据,采用回归分析方法建立了硫酸钠溶解度模型,在理想条件下分析计算了降温条件下土体内硫酸钠的结晶量,探讨了硫酸钠结晶量随含盐量、含水率、氯化钠浓度和土体环境温度的变化关系。研究表明,含盐量和含水率对硫酸钠结晶量的影响存在一个临界值,氯化钠浓度对硫酸钠结晶量的影响取决于土体内的含盐量和含水率组合条件,有利组合下加入适量氯化钠能够抑制土体内硫酸钠的结晶量,不利组合下加入氯化钠反而会促使土体内硫酸钠结晶量增大,不利于盐胀变形的控制。硫酸钠结晶量严重依赖于环境温度,若初始状态下土体的温度较低,部分硫酸钠已经结晶析出,温度进一步降低时硫酸钠的结晶量则相应减少。     

任意荷载下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结

将分数阶导数理论引入Kelvin–Voigt模型,来描述黏弹性饱和土体的力学行为。对饱和土体一维固结方程和分数阶导数Kelvin–Voigt本构方程实施Laplace变换,联立求解得到变换域内有效应力和沉降的解析解。采用Crump方法实现Laplace数值反演,获得了任意荷载情况下物理空间内一维固结问题的半解析解。并将指数荷载情况下分数阶导数模型退化到黏弹性情形,结果与已有文献解析解相同,验证了本研究提出任意荷载情况下分数阶导数黏弹性解的可靠性。最后,分析了相关参数对固结沉降的影响。研究表明,任意荷载情形下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结发展过程与黏滞系数和分数阶次有关,分数阶次越大,固结沉降发展越快;黏滞系数越大,固结沉降变化越慢;荷载变化趋势与由荷载参数变化引起的沉降变化规律是一致的,且最终沉降量一致。本研究有助于深入认识分数阶黏弹性饱和土体的固结行为。     

An analytical model for 3D consolidation and creep process of layered fractional viscoelastic soils considering temperature effect

The behavior of long-term deformation of saturated soil under external loads has been one of the research focuses in geological engineering and geotechnical engineering. The temperature change, especially in the fields of geological radioactive waste disposal and geothermal system, usually significantly influence the consolidation and creep process of soils. This paper presents an analytical three-dimensional (3D) model for investigating the consolidation and creep behavior of layered soils considering temperature effect. Based on the analytical layer element elastic solution, fractional calculus theory and elastic-viscoelastic correspondence principle, an analytical 3D model is built by introducing the coefficients of thermal expansion and viscosity varying with temperature into the fractional Merchant model (FMM). Verifications against published analytical and numerical results are provided, followed by extensive parametric studies to investigate the effects of type of viscoelastic model, temperature change, fractional order and viscosity of FMM, layered characteristic of soils on consolidation and creep process. It’s evident that the present model predicts long-term behavior of layered viscoelastic soils well and can be used to evaluate the effect of temperature change on consolidation and creep process in geological engineering and geotechnical engineering.     

火山灰改良粗粒硫酸盐渍土路基填料及其作用机理研究

针对硫酸钠含量为2%的砾砂类硫酸盐渍土,开展了在不同石灰配比、石灰+火山灰配比工况下的击实试验、盐胀试验、溶陷试验、无侧限抗压强度试验,在此基础上,分析了其改良机理和微观特性,结果表明:掺加石灰或石灰+火山灰改良剂不仅可以有效减少砾砂类硫酸盐渍土的盐胀量,而且可以降低盐胀敏感温度区间;在采用无机改良剂改善硫酸盐渍土的盐胀变形时,应结合当地气候条件考虑,在温度较高地区可以适当减少改良剂掺量,温度较低时,适当增加改良剂掺量;相比于石灰改良土,掺加火山灰后,土样的压密阶段缩短,弹性阶段增长,土样达到强度极限时产生的应变减小,土体的结构性变强,抗变形性能增强;添加火山灰对于此类盐渍土的强度增长速率亦有加速作用;采用石灰掺量高于11%时或采用石灰+火山灰不少于15%时,改良后土体的盐胀和溶陷变形率均小于1%,7 d饱和无侧限抗压强度均不小于0.35 MPa。     

基于BP模型的粗粒亚硫酸盐渍土盐胀特性敏感因素研究

为了探究影响粗粒亚硫酸盐渍土路基盐胀特征的敏感参数,提出相关的敏感参数量化分析模型及交互作用下各因素的量化指标。针对细粒土质砾亚硫酸盐渍土、含细粒土砂(细粒土质量分数15%)亚硫酸盐渍土及细粒土质砂(细粒土质量分数50%)亚硫酸盐渍土3类土样,基于单因素试验结果,依据二次回归正交设计方法,开展多因素交互作用下的盐胀试验,通过BP神经网络模型建立3种粗粒亚硫酸盐渍土的盐胀率与其他影响因素间的计算模型,确定了粗粒亚硫酸盐渍土盐胀敏感参数的量化指标。结果表明:含盐量与含水率、上覆荷载与含水率的交互作用对细粒土质砾亚硫酸盐渍土的盐胀作用较显著,含盐量与含水率、上覆荷载与含盐量的交互作用对细粒土质砂亚硫酸盐渍土的盐胀作用较显著; 上覆荷载对粗粒亚硫酸盐渍土具有较强的抑制作用; 初始压实度对粗粒亚硫酸盐渍土盐胀率具有一定的促进作用,但由于其特殊的级配特征,试验所设压实度在89%～97%内对盐胀率的影响效果较小; 所得结论可以为采用粗粒亚硫酸盐渍土作为路基填料进行工程设计与施工提供技术参考。     

深圳海积软土的三轴不排水蠕变特性与经验型模型

软土变形的时效性会使修建在软土地基上的建筑物产生不容忽视的工后沉降,因此揭示软土蠕变的规律,对软基工程具有重要意义。通过对深圳湾海积软土进行不同固结压力下的三轴固结不排水蠕变试验,以论证海积软土的蠕变特性,建立可描述软土蠕变特性的本构模型。结果表明,深圳具有非线性蠕变特性,应力水平越高,非线性特征越显著,剪切蠕变特征越复杂,其蠕变性状受固结压力,剪应力水平显著。在工程中应尽可能加大固结压力,加速土体的固结排水作用,可减小因蠕变影响对建筑物带来的危害。研究还表明,Singh-Mitchell经验型模型具有参数少,适用性强的特点,可较好地反映和预测深圳海积软土的蠕变特性。     

影响粗粒硫酸盐渍土盐胀特性的敏感因素研究

为了明确影响典型粗粒硫酸盐渍土路基盐胀特征的敏感参数,提出相关的敏感参数量化分析模型及其影响因素和因素间交互作用的量化指标。采用5 mm筛法的易溶盐测定方法,基于典型粒径的粗粒硫酸盐渍土,以单因素试验结果为基础,采用二次回归正交设计法提出了多因素交互作用下的粗粒硫酸盐渍土的盐胀率预报模型,同时采用SPSS软件对各敏感性因素进行逐步回归分析,研究结果表明:敏感因素的量化指标依次是易溶盐(46%~37%)、荷载(43%~29%)、水(12%~6%)、易溶盐与荷载的交互作用(7.6%)、易溶盐与水的交互作用(2%),其中,易溶盐对盐胀率为促进作用,水会因含盐量不同而对盐胀率的作用产生变化,荷载、易溶盐与荷载的交互、易溶盐与水的交互均对盐胀量具有一定的抑制作用;初始压实度对盐胀率具有一定的促进作用,但由于其特殊的级配特征,初始压实度在89%~97%范围内对盐胀率的影响效果并不显著。     

滨海软土蠕变特性及蠕变模型

如何合理地描述滨海软土的蠕变规律对软土地基工程是十分重要。三轴蠕变试验研究表明，滨海相沉积的软土具有非线性蠕变的特性，双曲线型更适合其应力-应变关系。修改了Singh-Mitchell模型的应力-应变关系，建议了滨海软土的应力-应变-时间关系。所提出的蠕变模型具有参数少、适用性较强的特点。