无侧限压缩条件下重塑土微观结构研究∗

近年来,基坑、隧洞等开挖工程中的卸载作用导致软土结构破坏,进而引起过大侧向变形的工程事故越来越多。土体所表现出来的各种变形及强度特性是其内部微观结构要素调整和演化的综合反映。为了研究结构遭到扰动破坏的软土在无侧限压缩变形后的微观结构特征,将原状软土重塑成不同含水率土样,在不同轴向应力作用下压缩变形稳定后,对土体微结构进行定性和定量分析,探讨无侧限条件下土体的微观结构与宏观变形的相关机理。研究结果表明,软土重塑样的微观结构主要以分散结构和絮凝结构为主,单元体之间多有架空,土体颗粒的接触方式以边-面和面-面接触为主。在无侧限压缩条件下,随着轴向应力和试样含水率的增大,试样的表观孔隙比减小,孔隙形状变得扁平狭长,孔隙的有序性和定向性增强。不同位置的定向性不同,在水平方向上,靠近试样边缘处的土颗粒定向性和有序性更强;在竖直方向上,靠近试样中间位置的土颗粒定向性更强。     

考虑黏土特性的离散元程序开发

黏土的宏观力学性质与其微观结构密切关联,而离散单元法是研究岩土材料力学行为宏微观联系的重要工具。但是目前绝大多数离散元程序主要针对无黏性颗粒土而开发,能用于黏土研究的离散元程序十分少见。介绍了自主开发的考虑黏土颗粒的薄板形状以及颗粒间复杂物理-化学作用力的黏土离散元模拟程序,以及程序中碰撞检测和颗粒间双电层斥力、范德华力以及Born斥力的计算模块。最后,给出了一个基于该程序的简单模拟实例,初步验证了其合理性。     

冻融循环作用对F1加固黄土强度与微观结构的影响研究∗

冻融循环作用显著影响固化剂加固效果和固化土物理力学特性。为研究冻融循环作用对 F1 加固黄土强度与微观结构特性的影响，对不同掺量、不同冻融次数的 F1 固化黄土试样开展三轴不固结不排水试验及电镜扫描试验，探讨冻融前后 F1 加固黄土抗剪强度参数及微观孔隙结构变化规律。研究发现，F1 可显著改善黄土持水特性和压实特性。当 F1 掺量为 0.3 L/m³ 最佳掺量时，与黄土相比，F1 固化黄土塑限和最优含水率分别减少 2.65% 和 7.22%，液限和最大干密度分别增大 7.92% 和 9.83%；F1 显著增大黄土黏聚力与内摩擦角。0 次和 15 次冻融循环时 ，与未冻融黄土相比 ，0.3 L/m³ 掺量 F1 固化黄土的黏聚力分别增大 36.82% 和 16.64%，内摩擦角分别增大 16.92% 和 4.63%；与黄土相比，冻融循环 15 次时 F1 固化黄土中微孔隙增大 6.28%、小孔隙减少 17.84%，孔隙面积比和平均分形分维数分别减小了 20.4% 和 0.67%，表明经 F1 固化后黄土形成更加稳定的层状堆叠结构，显著改善冻融循环作用下微、小孔隙的演化和发育，提高密实度、增强力学性能和抗剪强度。     

基于纳米压痕技术的页岩土MICP结石体微观力学特性研究

目前对于微生物诱导碳酸盐沉淀技术(MICP)土体加固技术的研究大多数集中在宏观力学性能上,对微观力学特性的研究较少。为了探究页岩土 MICP 结石体的微观力学特性,在不同峰值荷载下对页岩土 MICP 结石体进行纳米压痕测试,并基于能量法中弹性参数计算模型及塑性断裂力学理论计算页岩土 MICP 结石体中胶结体区域及土颗粒区域的硬度、弹性模量和断裂韧度。结合激光显微镜及 X 射线衍射试验,探讨测点处碳酸钙胶结体状态及矿物组分对页岩土 MICP 结石体各相材料微观力学特性的影响,建立页岩土 MICP 结石体弹性模量、硬度及断裂韧度三者之间的线性关系。结果表明,利用纳米压痕技术测试页岩土 MICP 结石体材料的弹性模量、硬度及断裂韧度具备可行性。由于 MICP 技术诱导生成的方解石晶体质地不均匀,导致页岩土 MICP 结石体中胶结体的弹性模量、硬度及断裂韧度存在较大离散性。矿物组分中石英矿物的存在能够强化页岩土颗粒的微观力学特性,使部分页岩土颗粒的力学参数提高。各区域的断裂韧度变化趋势与弹性模量、硬度相同,三者之间具有简单线性关系。 纳米压痕技术打破了常规力学试验对试样尺寸的限制,为测定页岩土 MICP 结石体的细观力学参数提供借鉴。     

石灰改良土的土水特征曲线及其冻结特征曲线∗

土水特征曲线反映了非饱和土的持水特性，与土体的水力特性及力学特性密切相关。土的冻结特征曲线表示土体中液态水的势能与含水率之间的关系，也可以用来描述土体的持水特性。以黄土为研究对象，利用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)测得未处理黄土以及石灰改良土的冻结特征曲线，根据冻结温度降低法计算得出试验土样0 ℃时对应的土水特征曲线。另外，采用滤纸法在0 ℃附近得到实测的土水特征曲线，将这两结果进行对比分析，并讨论了抽真空饱和过程对土样的土水特征曲线的影响。通过滤纸法测得的土水特征曲线与非饱和土样的冻结特征曲线具有较好的一致性，两者之间存在差异很小。土样在饱和状态下利用冻结温度降低法得到的孔隙水总势能ψ与质量含水率ω关系曲线位于非饱和土样结果的下方，这可能是因为饱和土样在冻结过程中会发生冻胀现象，土样结构被破坏，孔隙增大，土样持水性能下降。     

温度作用下膨胀土的胀缩特性及微观机理北大核心CSCD

温度场作为外部环境要素场之一,对膨胀土的水-力学性质具有显著影响。为研究温度对膨胀土胀缩特性的影响规律及微观机理,以南宁膨胀土为对象,开展了不同温度(5~45℃)下膨胀土的浸水膨胀和失水收缩试验,结果表明膨胀土的胀缩特性具有显著的温度效应,其膨胀率随温度升高而增大,温度越高其增大效果越明显;收缩率随温度升高则呈现出先增大后减小的变化规律,存在临界温度“T_(c)=35℃”。在此基础上,基于不同温度(5~45℃)下的吸附结合水试验,从土-水作用角度阐释了膨胀土胀缩特性温度效应的微观机理;随着温度的升高,土中结合水量减小,水膜厚度变薄,从而引起两方面的结果:①土颗粒间的吸力减弱而斥力增加,宏观表现为土体的膨胀性增加;②土颗粒间距变小,促进了土颗粒骨架由松散状态向紧密状态转化,颗粒排列更紧密,收缩性增加,而达到一定温度后,水分蒸发时间较短,土-水作用加剧使得土体骨架没有充足的时间向紧密状态转化,是造成土体收缩性减小的主要原因。     

苏州地面沉降区土层微观结构和宏观力学性质分析

地面沉降是苏州地区主要的地质灾害之一,由于长期开采地下水,该地区地面沉降不断加剧,制约了经济发展。结合土体微观结构定量分析和宏观力学性质试验,探索地面沉降问题的微宏观机制。以苏州地面沉降区200m的钻孔土样为研究对象,开展了快速固结、液塑限测定等一系列土工试验。采用冷冻干燥法获取各土层的SEM图像,使用PCAS分析软件对土样进行微观结构分析并在钻孔中布设FBG光缆进行持续性土层应变监测。结合液、塑限试验,快速固结实验数据,微观结构定量分析结果与光纤监测数据,得出以下结论:沉积土层的含水率,液性指数,压缩系数随深度递减;随着深度的增加,土层的定向性由差变好;第二承压含水层土层孔隙大且数量多,压缩潜力强于第三承压含水层,稳定性较差,有必要开展进一步监测研究。     

吸力基础沉贯过程中桶⁃土界面力学机理研究进展∗

吸力式桶形基础在海洋工程特别是作为海上风力发电机的基础中得到越来越广泛的应用,其沉贯能力是保证桶形基础下沉到预定位置,达到承载力要求的关键。分析了沉贯过程中桶?土界面力学机理的研究现状,讨论了不同土质、模型尺寸、渗透系数等对桶?土界面力学机理的影响,对理论计算、试验和数值模拟等研究方法进行分类总结。发现对于吸力基础在负压沉贯过程中的研究多是针对沉贯阻力和临界吸力的计算,很少对沉贯过程中桶?土界面力学机理进行细观研究,尤其是对桶?土界面力学特性的影响因素进行定量分析少有论述。指出了在研究吸力基础沉贯特性和桶?土相互作用机理的理论分析、模型试验及数值模拟中的本构模型等方面存在的问题。最后,对吸力基础沉贯过程中桶?土相互作用机理的进一步研究进行了展望。     

多次饱水下水化学作用对库岸土体的微结构效应研究

三峡库区水位涨落导致库岸土体长期处于饱水再失水的反复过程,水动力环境的改变导致其中产生复杂的水化学作用,进一步影响了库岸边坡的稳定性。采集库区库岸土样进行三次饱水再失水试验,测定三次饱水后溶液中离子浓度,观察饱水前后土体的微观结构。通过构建饱水溶液中离子浓度变化与库岸土体的多元回归方程,定量分析水化学作用对其结构参数的影响;通过微结构参数体现的宏观力学特征,进一步分析水化学作用对其工程力学性质的影响。研究发现:(1)库岸土体的颗粒特征主要受到饱水溶液中K~+、Mg~(2+)、Pb~(2+)、F~-、Ca~(2+)的影响,且K~+、Mg~(2+)、Pb~(2+)、F~-浓度与颗粒粒径呈负相关,与颗粒分维、颗粒分布分维呈正相关关系,而Ca~(2+)浓度则相反;(2)库岸土体中方解石和白云石矿物的溶解作用,溶液中K~+被吸附或与其他离子的置换反应会增强土的抗剪强度、内聚力和渗透性;(3)三次饱水下,库岸土体的力学强度增强。     

冻融作用下非饱和土热水力耦合数值模拟

基于多孔介质力学建立非饱和土在冻结过程中的耦合方程并进行单向冻融过程的数值求解及模拟分析。把非饱和冻土当作固体土颗粒、未冻水、冰晶及孔隙气组成的多孔多相介质,在小变形假定下建立了考虑冰?水、水?水汽相变的非饱和冻土的质量守恒、动量守恒方程,以及能量方程、耗散不等式、热平衡方程。结合冻融过程中的渗透特性以及应力应变关系,对单向冻融条件下的非饱和土柱封闭系统进行了数值求解,计算结果表明冷端冻结温度的数值对非饱和土柱的顶部位移影响较大,而对温度场的分布规律以及冻结区的含水率分布影响较小。研究结果可为寒区非饱和土工程的设计和施工提供指导。