干湿环境下膨胀土力学性能劣化的多尺度效应
发布时间：2021-02-26 14:50
为探索干湿循环作用下膨胀土力学性质与其结构损伤的多尺度效应,首先对重塑膨胀土试样进行0～6次干湿循环并记录开裂过程,而后分别展开三轴强度试验、核磁共振测试及扫描电镜试验,进而研究土体宏观力学行为与微细观结构损伤规律。研究结果表明:（1）干湿作用参与下,土体应力-应变曲线软化显著,抗剪强度劣化,其中黏聚力在前3次干湿循环期间骤减,4次后趋于稳定,内摩擦角变化较小;（2）土体裂隙在干湿循环作用下经历了启裂期、传播期和平衡期,平均裂隙率及平均隙宽均先后经历了增长期和稳定期,且平均隙宽在稳定期末略有收敛;（3）土体微观结构受干湿循环影响显著,孔隙总体积增加,微孔不断粗化、贯通,形成介孔或大孔;土体微观结构破碎、疏松,颗粒和孔隙间界限模糊;颗粒丰度稍有增加,但整体处于平衡互馈状态;颗粒定向频率整体呈各向同性,但局部存在最优取向;粒径分布表现为黏粒稍减、粉粒稍增、砂粒相对稳定。综合分析上述结果,对干湿循环下膨胀土的微细观损伤过程进行描述,从而得到土体力学性能劣化的多尺度机制:湿度交替变化引起土体内亲水性黏土矿物循环胀缩,诱发膨胀势、基质势,反复作用于土体微细观结构,造成疲劳损伤,导致土体黏聚力骤减...
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(10)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
取样现场概况Fig.1Samplingsiteoverview
振及扫描电镜观测，明确了土体宏观抗剪强度、细观裂隙及微观孔隙(颗粒)的演化规律及内在关联；综合分析试验结果，全面描述了干湿环境下膨胀土的微细观损伤过程；最后，着重探讨了土体力学性能及结构损伤演化的多尺度机制。2试验方案2.1试验材料土样采自陕西西乡盆地一处膨胀土边坡(32°5753"N，107°4738"E)，取样深度1～1.5m，呈黄褐色，局部存在白色被膜，为钙质结核或其他造岩矿物(见图1)。土样基本物性测试结果见表1、颗粒级配信息见图2。借助Shimadzu7000SX射线图1取样现场概况Fig.1Samplingsiteoverview表1土样的基本物理性质Table1Basicphysicalpropertiesofsoilsamples天然含水率/%干密度/(g·cm－3)相对密度液限/%塑限/%塑性指数收缩系数自由膨胀率/%19.3～19.41.652.7145.220.524.70.3646＞0.075mm砂粒17.38%＜0.005mm黏粒40.26%0.005～0.075mm粉粒42.36%图2土样的粒径分布Fig.2Grainsizedistributionofsoilsamples衍射仪，鉴定了土样的矿物成分，其中黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层、高岭石和绿泥石，含量依次为19%，29%，13%及6%，伊蒙混层(I/S)中蒙脱石占15%，其余为石英21%和长石12%。考虑土体自由膨胀率测试结果及蒙脱石含量，参考规范[25]，将其归类为中等偏弱膨胀土。2.2试验方法(1)试样制备及干湿循环试验研究所用试样均为重塑试样，将所取土壤彻底粉碎，破坏所有可见骨料，随后烘干、过筛，根据目标含水率(21%)取相应蒸馏水与散土均匀拌和，密封48h，使水分扩散均匀，而后根据目标干密度(1
撂逑感≈旅?的黏土矿物反复胀缩，加快其周围土体结构损伤、疏松，从而大量微孔粗化、贯通，形成较大一级的介孔或大孔。综上所述，土样的NMR测试相比传统NA和MIP测试具有扰动孝反演灵敏、样品尺寸多样化等优势，但局限于获取土体孔隙结构信息，对于颗粒范畴的研究，还需深入分析SEM测试结果。(2)颗粒结构的干湿循环效应为保证视域内土体结构的完整度和清晰度，拟选用较高倍率的微观图像予以分析。限于篇幅，仅展示试样历经0，5次干湿循环后在放大5000倍下的SEM微观图像，如图12所示。平层片状丝网漩涡状薄片层状贯通孔隙颗粒破碎体(a)0次(b)5次图12不同干湿次数下试样SEM图像Fig.12SEMimagesofsamplesunderdifferentdry-wetcycles观察图12(a)发现，未干湿的试样微观颗粒主要为细小的黏粒或较大的集聚体，粉砂粒相对少见，土颗粒间定向度及排列形式存在较大差异，局部黏粒组呈平层片状，少数表面有轻微翘起的片状颗粒附着，且具有较好的定向性，较大的集聚体间呈面-面缔合或面-边拼接，视域内结构相对紧凑且牢固。分析图12(b)可知，5次干湿后，土体原有致密结构丧失，视域内颗粒破碎严重，颗粒与孔隙间的界限变得模糊，局部薄片状颗粒卷曲，粒间孔隙贯通，且多集中在黏土矿物附近，视域内土体结构整体变得松散。由此可见，前述土体宏观强度的劣化及细观裂隙的传播，在微观结构演化趋势中也均有所体现。颗粒结构的量化研究拟从颗粒形态(丰度)、排
【参考文献】：
期刊论文
[1]初始含水率对膨胀性古土壤力学性能的影响[J]. 叶万军,魏伟,郑超,陈明. 土木工程与管理学报. 2019(04)
[2]干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J]. 叶万军,吴云涛,杨更社,景宏君,常帅斌,陈明. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[3]卢氏膨胀岩在干湿循环作用下的胀缩特性研究[J]. 张善凯,冷先伦,盛谦,李彪,周永强. 岩土力学. 2019(11)
[4]酸性环境干湿循环条件下膨胀土的膨胀特性及微观作用分析[J]. 常锦,杨和平,肖杰,刘雄,毛瑞,陈冠一. 中国公路学报. 2019(03)
[5]干湿循环下滑带土强度特性与微观结构试验研究[J]. 江强强,刘路路,焦玉勇,王浩. 岩土力学. 2019(03)
[6]毛细水干湿循环作用下土遗址的强度特性与孔隙分布特征[J]. 任克彬,王博,李新明,尹松. 岩土力学. 2019(03)
[7]现代土力学研究的新视野——宏微观土力学[J]. 蒋明镜. 岩土工程学报. 2019(02)
[8]基于核磁共振和扫描电镜的蒙内铁路膨胀土改良细观结构研究[J]. 安爱军,廖靖云. 岩土工程学报. 2018(S2)
[9]含水率对泥质粉砂岩物理力学性质影响的规律与机制[J]. 贾海梁,王婷,项伟,谭龙,申艳军,杨更社. 岩石力学与工程学报. 2018(07)
[10]干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究[J]. 冷挺,唐朝生,施斌. 工程地质学报. 2016(05)
博士论文
[1]干湿循环下黄土的强度及微结构变化机理研究[D]. 袁志辉.长安大学 2015
硕士论文
[1]一次冻融粘土力学特性及微观孔隙特性试验研究[D]. 黄凌.中国矿业大学 2016
本文编号：3052746
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(10)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
取样现场概况Fig.1Samplingsiteoverview
振及扫描电镜观测，明确了土体宏观抗剪强度、细观裂隙及微观孔隙(颗粒)的演化规律及内在关联；综合分析试验结果，全面描述了干湿环境下膨胀土的微细观损伤过程；最后，着重探讨了土体力学性能及结构损伤演化的多尺度机制。2试验方案2.1试验材料土样采自陕西西乡盆地一处膨胀土边坡(32°5753"N，107°4738"E)，取样深度1～1.5m，呈黄褐色，局部存在白色被膜，为钙质结核或其他造岩矿物(见图1)。土样基本物性测试结果见表1、颗粒级配信息见图2。借助Shimadzu7000SX射线图1取样现场概况Fig.1Samplingsiteoverview表1土样的基本物理性质Table1Basicphysicalpropertiesofsoilsamples天然含水率/%干密度/(g·cm－3)相对密度液限/%塑限/%塑性指数收缩系数自由膨胀率/%19.3～19.41.652.7145.220.524.70.3646＞0.075mm砂粒17.38%＜0.005mm黏粒40.26%0.005～0.075mm粉粒42.36%图2土样的粒径分布Fig.2Grainsizedistributionofsoilsamples衍射仪，鉴定了土样的矿物成分，其中黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层、高岭石和绿泥石，含量依次为19%，29%，13%及6%，伊蒙混层(I/S)中蒙脱石占15%，其余为石英21%和长石12%。考虑土体自由膨胀率测试结果及蒙脱石含量，参考规范[25]，将其归类为中等偏弱膨胀土。2.2试验方法(1)试样制备及干湿循环试验研究所用试样均为重塑试样，将所取土壤彻底粉碎，破坏所有可见骨料，随后烘干、过筛，根据目标含水率(21%)取相应蒸馏水与散土均匀拌和，密封48h，使水分扩散均匀，而后根据目标干密度(1
撂逑感≈旅?的黏土矿物反复胀缩，加快其周围土体结构损伤、疏松，从而大量微孔粗化、贯通，形成较大一级的介孔或大孔。综上所述，土样的NMR测试相比传统NA和MIP测试具有扰动孝反演灵敏、样品尺寸多样化等优势，但局限于获取土体孔隙结构信息，对于颗粒范畴的研究，还需深入分析SEM测试结果。(2)颗粒结构的干湿循环效应为保证视域内土体结构的完整度和清晰度，拟选用较高倍率的微观图像予以分析。限于篇幅，仅展示试样历经0，5次干湿循环后在放大5000倍下的SEM微观图像，如图12所示。平层片状丝网漩涡状薄片层状贯通孔隙颗粒破碎体(a)0次(b)5次图12不同干湿次数下试样SEM图像Fig.12SEMimagesofsamplesunderdifferentdry-wetcycles观察图12(a)发现，未干湿的试样微观颗粒主要为细小的黏粒或较大的集聚体，粉砂粒相对少见，土颗粒间定向度及排列形式存在较大差异，局部黏粒组呈平层片状，少数表面有轻微翘起的片状颗粒附着，且具有较好的定向性，较大的集聚体间呈面-面缔合或面-边拼接，视域内结构相对紧凑且牢固。分析图12(b)可知，5次干湿后，土体原有致密结构丧失，视域内颗粒破碎严重，颗粒与孔隙间的界限变得模糊，局部薄片状颗粒卷曲，粒间孔隙贯通，且多集中在黏土矿物附近，视域内土体结构整体变得松散。由此可见，前述土体宏观强度的劣化及细观裂隙的传播，在微观结构演化趋势中也均有所体现。颗粒结构的量化研究拟从颗粒形态(丰度)、排
【参考文献】：
期刊论文
[1]初始含水率对膨胀性古土壤力学性能的影响[J]. 叶万军,魏伟,郑超,陈明. 土木工程与管理学报. 2019(04)
[2]干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J]. 叶万军,吴云涛,杨更社,景宏君,常帅斌,陈明. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[3]卢氏膨胀岩在干湿循环作用下的胀缩特性研究[J]. 张善凯,冷先伦,盛谦,李彪,周永强. 岩土力学. 2019(11)
[4]酸性环境干湿循环条件下膨胀土的膨胀特性及微观作用分析[J]. 常锦,杨和平,肖杰,刘雄,毛瑞,陈冠一. 中国公路学报. 2019(03)
[5]干湿循环下滑带土强度特性与微观结构试验研究[J]. 江强强,刘路路,焦玉勇,王浩. 岩土力学. 2019(03)
[6]毛细水干湿循环作用下土遗址的强度特性与孔隙分布特征[J]. 任克彬,王博,李新明,尹松. 岩土力学. 2019(03)
[7]现代土力学研究的新视野——宏微观土力学[J]. 蒋明镜. 岩土工程学报. 2019(02)
[8]基于核磁共振和扫描电镜的蒙内铁路膨胀土改良细观结构研究[J]. 安爱军,廖靖云. 岩土工程学报. 2018(S2)
[9]含水率对泥质粉砂岩物理力学性质影响的规律与机制[J]. 贾海梁,王婷,项伟,谭龙,申艳军,杨更社. 岩石力学与工程学报. 2018(07)
[10]干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究[J]. 冷挺,唐朝生,施斌. 工程地质学报. 2016(05)
博士论文
[1]干湿循环下黄土的强度及微结构变化机理研究[D]. 袁志辉.长安大学 2015
硕士论文
[1]一次冻融粘土力学特性及微观孔隙特性试验研究[D]. 黄凌.中国矿业大学 2016
本文编号：3052746
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