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北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究

崔子晏 张凌凯

崔子晏,张凌凯. 北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究[J]. 水利水运工程学报,2022(6):103-112. doi:  10.12170/20211220006
引用本文: 崔子晏,张凌凯. 北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究[J]. 水利水运工程学报,2022(6):103-112. doi:  10.12170/20211220006
(CUI Ziyan, ZHANG Lingkai. Experimental study on mechanical properties and microscopic mechanism of expansive soil in a project in north Xinjiang[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(6): 103-112. (in Chinese)) doi:  10.12170/20211220006
Citation: (CUI Ziyan, ZHANG Lingkai. Experimental study on mechanical properties and microscopic mechanism of expansive soil in a project in north Xinjiang[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(6): 103-112. (in Chinese)) doi:  10.12170/20211220006

北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究

doi: 10.12170/20211220006
基金项目: 新疆维吾尔自治区天山青年计划项目(2019Q077);新疆维吾尔自治区高校科研计划项目(XJEDU2019Y020);新疆维吾尔自治区青年基金项目(2019D01B16)
详细信息
    作者简介:

    崔子晏(1992—),男,陕西西安人,硕士研究生,主要从事膨胀土力学特性试验研究。E-mail:cuiziyan@163.com

    通讯作者:

    张凌凯(E-mail:xjau_zlk@163.com

  • 中图分类号: TU411

Experimental study on mechanical properties and microscopic mechanism of expansive soil in a project in north Xinjiang

  • 摘要: 北疆某工程穿越膨胀土区域,自运行以来发生多次滑动破坏,为深入探讨其破坏机理,通过对膨胀土进行室内直剪、压缩、渗透及扫描电镜试验,从宏观角度分析其力学特性,微观上揭示其物理机制。宏观分析表明:随含水率增加,黏聚力降低,内摩擦角呈先增后减趋势,在最优含水率时达到峰值;随干密度增加,黏聚力增加,内摩擦角呈逐步增大的趋势;随含水率增加,稳定孔隙比呈下降趋势,表明土体的压缩性增强;随干密度增加,初始孔隙比减小,稳定孔隙比趋于定值。电镜扫描结果显示:随固结压力增加,土体的结构类型由絮凝结构逐渐向紊流和层流状结构演化,孔隙数量与大小均下降,颗粒聚集效应明显,膨胀土压缩性降低;膨胀土在低固结压力下渗透性较强,在较高压力(200~1 600 kPa)下较小,渗透系数量级为10−6~10−8,与孔隙比呈正相关,可用幂函数的形式表达;随固结压力增加,松散堆积结构转变为紧密结合的层流状结构,孔隙面积减少,渗透系数显著降低。
  • 图  1  膨胀土粒径分布

    Figure  1.  Particle size distribution of expansive soil

    图  2  膨胀土试样微观试验处理流程

    Figure  2.  Micro-test process for expansive soil test specimen

    图  3  不同含水率膨胀土的剪切特性

    Figure  3.  Shear strength of expansive soils with different moisture contents

    图  4  不同干密度膨胀土的剪切特性

    Figure  4.  Shear strength of expansive soil with different dry densities

    图  5  不同含水率下膨胀土压缩曲线

    Figure  5.  Compression curve of expansive soil under different moisture contents

    图  6  不同干密度下膨胀土压缩曲线

    Figure  6.  Compression curve of expansive soil under different dry densities

    图  7  不同压力下试样放大10 000 倍SEM图像

    Figure  7.  SEM images magnified 10 000 times under different pressures

    图  8  lgks-e关系曲线

    Figure  8.  Relationship curves between lgks-e

    图  9  渗透作用下放大10 000 倍试样扫描电镜SEM图像

    Figure  9.  SEM image of 10 000 times magnification sample under infiltration

    表  1  膨胀土基本物理性质指标

    Table  1.   Basic physical properties

    天然含
    水率/%
    天然干密度/
    (g·cm−3)
    液限/
    %
    塑限 /
    %
    塑性
    指数
    液性
    指数
    风干含
    水率/%
    最大干密度/
    (g·cm−3)
    最优含
    水率/%
    线缩率/
    %
    体缩率/
    %
    自由膨
    胀率%
    14.81.6061.320.141.2−0.138.01.6718.9 18.4 29.5 75
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    表  2  膨胀土矿物组成

    Table  2.   Composition of expansive soil

    蒙脱石/%石英/%长石/%方解石/%钠长石/%杂质/%
    60.332.76.00.50.40.1
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    表  3  直剪压缩试样控制指标

    Table  3.   Control index of direct shear compression specimen

    不同含水率 不同干密度
    控制含水率/%控制干密度/(g·cm−3) 控制含水率/%控制干密度/(g·cm−3)
    15.9 1.6 18.9 1.37
    18.9 1.6 18.9 1.47
    21.9 1.6 18.9 1.54
    24.9 1.6 18.9 1.60
    27.9 1.6 18.9 1.67
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    表  4  膨胀土的不同含水率下压缩性指标

    Table  4.   Compressibility index of expansive soil

    试样
    编号
    含水率/
    %
    压缩系数/
    MPa−1
    压缩模量/
    MPa
    压缩
    指数
    1 16.1 0.102 15.793 0.336
    2 18.8 0.109 14.802 0.328
    3 22.0 0.357 4.512 0.296
    4 24.2 0.375 4.292 0.396
    5 27.6 0.389 4.143 0.409
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    表  5  不同干密度下膨胀土的压缩性指标

    Table  5.   Compressibility index of expansive soil under different dry densities

    试样
    编号
    干密度/
    (g·cm−3)
    压缩系数/
    MPa−1
    压缩模量/
    MPa
    压缩
    指数
    1 1.34 0.41 3.9 0.459
    2 1.48 0.15 10.66 0.424
    3 1.55 0.10 16.35 0.355
    4 1.61 0.11 14.29 0.275
    5 1.66 0.09 17.66 0.216
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    表  6  颗粒参数

    Table  6.   Particle parameters

    压力/kPa颗粒总数/个总面积/μm2平均宽度/μm面积占比/%平均周长/μm
    0 344 43.507 0.126 40.759 1.792
    100 455 56.767 0.125 53.817 1.596
    200 327 72.575 0.222 67.586 0.973
    400 201 71.917 0.358 68.382 1.875
    800 382 76.951 0.201 73.447 0.574
    1600 115 82.295 0.716 78.361 2.185
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    表  7  渗透系数与孔隙比关系

    Table  7.   Permeability characteristic relationship

    编号固结压力/
    kPa
    饱和后对应
    孔隙比
    饱和渗透
    系数/(cm·s−1
    实测渗透
    系数/(cm·s−1
    100.854 2.78×10−3
    21000.6712.25×10−67.09×10−4
    32000.6114.23×10−78.95×10−6
    44000.5483.35×10−84.47×10−6
    58000.4732.48×10−83.66×10−7
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    表  8  微观试验结果

    Table  8.   Micro-test results

    编号压力/kPa总体孔隙面积/μm2孔隙平均面积/μm2孔隙面积占比/%渗透系数/(cm·s−1
    1011.6501.15110.8212.78×10−3
    210010.2880.8969.5947.09×10−4
    32004.3540.2944.0728.95×10−6
    44009.5250.5528.9704.47×10−6
    58006.9601.2935.6923.66×10−7
    616004.5100.4322.9651.49×10−8
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-20
  • 网络出版日期:  2022-11-01
  • 刊出日期:  2022-12-15

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