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吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土的表面裂隙和微观结构形态演化规律及其定量描述

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

张俊然

项目受资助机构

华北水利水电大学

项目编号

41602295

立项年度

2016

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

18.00万元

学科

地球科学-环境地球科学-工程地质环境与灾害

学科代码

D-D07-D0705

基金类别

青年科学基金项目

关键词

表面裂隙 ; 干湿循环 ; 吸力控制 ; 微观结构 ; 非饱和膨胀土 ; suction-control ; drying-wetting cycle ; unsaturated expansive soil ; surface cracking ; microstructure

参与者

姜彤；李洪军；史颜玲；王润泽；李博

参与机构

华北水利水电大学

项目标书摘要：我国多地存在着对气候变化敏感的非饱和膨胀土，膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性等，经常因干湿循环引起地质或工程灾害。土体在宏观上表现的物理力学性状均是其内部微细结构的具体表现，其宏观性质在一定程度上受微观结构的影响。因此定量研究干湿循环作用下非饱和膨胀土的裂隙和微观结构形态演化规律是理解和预测膨胀土各种灾害和提出防治措施的基础。本项目计划在已有研究成果基础上，以国内典型膨胀土为试验材料，用吸力可控制或量测的压力板、张力计及蒸汽平衡法，同时联合粒子图像测试技术试验平台、扫描电镜仪和压汞仪，在吸力控制干湿循环作用下对非饱和膨胀性土表面裂隙和微观结构形态特征等进行一系列试验研究，并以吸力为基本变量提出描述非饱和膨胀性土表面裂隙和微观结构形态演化规律的方法。研究旨在揭示吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土的裂隙和微观结构形态演化规律及其定量关系。本项目可为膨胀土相关的岩土工程问题提供有用的研究成果。

Application Abstract: Unsaturated expansive soils exist in many regions of China,and it is sensitive to the climate change.Expansive soils have swelling-shrinking,cracking and overconsolidation characteristics due to wetting and drying,and it is different from other unsaturated soils.Geological or engineering disaster often occurs due to drying and wetting cycles in the area of expansive soils.The macroscopic manifestations of physical and mechanical properties are the performance of internal microscopic structure of the soil.In a certain extent,the macroscopic properties of soil are affected by the changes in the soil microstructure.To study the evolutions of the cracking and microstructure of unsaturated expansive soils under the suction-controlled drying-wetting cycles is a fundamental issue for understanding and predicting various kinds of the disaster and proposing the control measure.On the basis of the existing research results of unsaturated expansive soils,a series of experimental study on the surface cracking and microstructure characteristics of expansive soils under the suction-controlled drying-wetting cycles is planned by using the suction-controllable pressure plate,measurable tensiometer,and the vapor equilibrium method,together with the test platform of particle image velocimetry,scanning electron microscopy and mercury intrusion porosimetry,and taking one kind of typical expansive soil in China as a testing material,and the description methods of the evolutions of the surface cracking and microstructure of unsaturated expansive soils are proposed by using the suction as basic variable in the plan.The study aims to reveal the evolutions of the cracking and microstructure of unsaturated expansive soils under the suction-controlled drying-wetting cycles and its quantitative relationship with suction.This project can provide some useful research results for geotechnical engineering problem with unsaturated expansive soils.

项目受资助省

河南省

项目结题报告(全文)

土体在宏观上表现的物理力学性状均是其内部微细结构的具体表现，因此定量研究干湿循环作用下非饱和膨胀土的裂隙和微观结构形态演化规律是理解和预测膨胀土各种灾害和提出防治措施的基础。本项目经过3年持续不断的深入研究，取得了如下成果:(1)揭示了吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土裂隙演化规律及主要影响因素，并提出了相应的定量描述方法；基于粒子图像测速技术(PIV),揭示了非饱和膨胀土径向劈裂及其裂隙演化规律。(2)揭示了吸力控制干湿循环作用下非饱和膨胀土的微观结构形态演化规律及其影响因素，并提出了定量描述的公式；提出了由微观结构特征预测土水特征曲线的方法；提出了预测干湿循环作用多次后土水特征曲线和强度的预测模型；揭示了不同温度条件下膨润土的变形特性及其微观机理；揭示了非饱和膨润土径向劈裂宏观表现及其微观演化规律。(3)基于PIV技术揭示了非饱和土在沉桩过程中桩周土体变形场的变化规律；获得了考虑土体三维强度特性的不排水圆柱孔收缩相似解解析及演变规律。(4)国内外学术交流方面，在基金资助下参加了2017年第二届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会,2018年第七届全国岩土工程青年学者论坛,2019年第十三届全国土力学及岩土工程学术大会等，分别作了关于本课题研究成果的学术报告。(5)发表学术论文15篇，其中SCI收录6篇,EI收录7篇，核心2篇，获授权发明专利7项。以项目研究为依托，毕业硕士研究生3名，获得2018年河南省教育厅科技成果壹等奖1项，排名3,获河南省科技进步奖壹等奖1项，排名12。研究成果已在南水北调总干渠穿越禹州采空区工程、前坪水库高边坡工程等工程中成功运用，取得了显著的经济、社会和环境效益。

  • 排序方式：
  • 1
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  • 1.吸力控制条件下膨润土的裂隙及微观结构形态演化规律

    • 关键词：
    • 吸力控制;膨润土;裂隙;持水特性;微观结构
    • 王兴翠
    • 指导老师：华北水利水电大学 姜彤
    • 学位论文

    膨润土作为缓冲或回填材料,在高放废物处置库的使用过程中需要具有高膨胀性、低渗透性、热稳定性、核素吸附性和长期稳定性等性质特征。膨润土具有湿胀干缩的典型特性,即膨润土在非饱和状态和饱和状态之间转变时会发生较大的体积胀缩变形,在此过程中会产生裂隙或裂缝,工程屏障受到破坏进而导致放射性核素的泄露。因此,本文主要研究了膨润土的胀缩性、持水特性和吸力控制条件下的裂隙演化及微观结构特征,具体研究内容如下:（1）利用固结仪对不同初始含水率和不同初始干密度（1.21g/cm3、1.36gcm3、1.43 g/cm3）条件下的膨润土进行—系列膨胀变形试验,试验结果表明膨润土的膨胀率和时间呈现出较好的对数关系,对数曲线均可分为两段,即迅速膨胀（或收缩）段和稳态段。膨润土的干密度相同时,其膨胀力随含水率的增大而增大;干密度与e-p曲线中的参数a、参数b均成线性关系。（2）分别运用滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法对膨润土进行了持水特性试验研究,得到不同吸力范围内膨润土的土-水特征曲线。滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法测得的土-水特征曲线均随吸力的增大而减小。根据滤纸法量测的试验数据,运用origin软件获得Fredlund and Xing（1994）提出的模型参数,通过建立模型参数与干密度之间的关系,给出了预测膨润土的土-水特征曲线公式。（3）采用不同干化方式对初始含水率为（35%,40%,45%）和初始干密度为（1.35g/cm3、1.25g/cm3、1.15g/cm3）条件下的膨润土进行了一系列的干化过程土体表面裂隙的观测试验,其中干化方式分别为烘箱烘干（50℃C）、烘箱烘干（100℃C）和饱和盐溶液蒸汽平衡法。运用Matlab数字图像处理技术对干化过程裂隙开展的规律进行定量的描述,试验结果表明:膨润土在不同干化条件下裂隙特征的总体特征是:膨润土的裂隙指标均随时间的具有先逐渐增大最终趋于稳定的规律。（4）联合用蒸汽平衡法和扫描电镜（SEM）对特定吸力点（367.54MPa,149.51MPa,71.12MPa,38.00MPa）的膨润土试样进行扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）试验研究。本文根据膨润土不同放大倍数条件下的SEM图像的最大孔径,将膨润土的孔径划分为5个阶段:分别为≥50μm、10～5μm、0.5～10μm、0.1～0.5μm和≤0.1μm;与之相对应的SEM图像的放大倍数分别为100x、1000x、5000x、10000x和20000x。将某种放大倍数条件下的表面孔隙率与膨润土的实际表面孔隙率的比值定义为权重Ri,利用Image Pro-Plus（IPP）软件对以上放大倍数的SEM图像进行处理得到孔隙参数,通过调整权重R1（0.20～0.41）、R2（0.22～0.45）、R3（0.31～0.32）得到膨润土在不同吸力时的SEM的表面孔隙率。试验结果表明不同吸力条件下膨润土的宏观孔隙率与SEM表面孔隙率呈定量关系。

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  • 2.基于PIV技术对比研究静压沉桩桩周砂土和粉土的变形特性

    • 关键词：
    • 非饱和粉土;砂土;PIV;模型试验;沉桩;位移场
    • 李博
    • 指导老师：华北水利水电大学 姜彤
    • 学位论文

    基于静压桩沉桩模型试验与粒子图像测速（PIV）技术,针对砂土及不同含水率的粉土桩周土体的位移场进行了一系列对比模型试验研究。在试验过程中,用高速工业相机CCD（charge coupled device）对观测面进行拍摄,传输到Davis8.0采集系统中,用后处理软件PIVview2C处理所采集的图像,得到位移场云图,试验结果表明:（1）单桩在砂土中沉桩时,根据P-H曲线大致可以将整个沉桩过程分为三个阶段,不同阶段压桩力P与沉桩深度H的变化率不同,相比于前2个阶段,第3阶段内桩端下方土体的扰动最大。随着桩端的刺入,桩周土体位移场在桩端两侧呈对称椭圆环形分布。位移场的横向和竖向最大影响范围分别为6.3D和6.7D左右。（2）单桩在粉土中沉桩时,粉土含水率对压桩力P和沉桩深度H关系曲线形态和位移场特征均有着重要的影响。粉土含水率为3.4%、17.3%的P-H曲线形态和位移场特征均基本一致,粉土含水率为7.4%、11.1%和13.4%的P-H曲线形态和位移场特征均类似。A阶段中,在相同沉入深度条件下,压桩力P随着含水率的增加呈先增加而后减小的趋势,当含水率为11.1%时的压桩力P最大。上述现象可由不同含水率粉土的粘聚力变化进行合理解释。粉土粘聚力随含水率的增加也具有先增加后减小的变化规律,当含水率过大或过小时,粉土颗粒间的气-水界面收缩膜的有效表面张力均降低,导致粘聚力减小。位移场的横向和竖向影响范围约为整个拍摄面。（3）对比两个沉桩过程。压桩力方面:根据P-H曲线形态,砂土与含水率为7.4%、11.1%、13.4%的粉土沉桩过程大致都被划分为了三个阶段,含水率3.4%、17.3%的粉土的沉桩过程被划分体两个阶段,整体上砂土压桩力高于粉土。位移场形态方面:关于砂土,首先桩端两侧近距离处逐渐形成椭圆环形,远处再逐渐贯通,最后两桩端外侧位移场为贯通独立椭圆环形;关于粉土,首先在桩端正下方形成独立的椭圆环,同时在桩端两侧竖向形成两列相互对称的椭圆环,最后桩端下椭圆环型逐渐下移与两侧的椭圆环贯通融合成一个独立的环形。位移量方面:随着沉桩深度的增加,砂土与粉土的位移变形趋势有很大不同,且整个沉桩过程中,桩周砂土土体最大位移量远大于粉土。综合分析表明桩周土体的位移变化特征是桩周土体的宏观力学特性的反映,PIV位移场试验有助于明确沉桩挤土效应内在机理和解决相关的岩土工程问题。

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