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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. 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. 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(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(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: 北疆供水一期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。结果表明:(1)随含水率增加,黏聚力降低,内摩擦角呈先增大后减小的趋势,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;(2)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;(3)膨胀土在低固结压力下渗透性较强,在较高压力下(200~1 600 kPa)较小,量级为10−6~10−8,渗透系数与孔隙比呈正相关,可用幂函数的形式表达。电镜扫描结果显示,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 content

    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 content

    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 were magnified 10 000 times under different pressures

    图  8  ks-e之间的关系曲线

    Figure  8.  Relationship curve between ks-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及矿物组成

    Table  1.   Basic physical properties and mineral composition of expansive soil

    基本物理性质指标矿物组成
    天然含水率/%天然干密度/ (g·cm−3)液限/%塑限 /%塑性指数液性指数蒙脱石/%石英/%长石/%
    14.81.6061.320.141.2−0.1360.332.76.0
    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/%方解石/%钠长石/%杂质/%
    8.01.6718.918.429.5750.50.40.1
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    表  2  直剪压缩试样控制指标

    Table  2.   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 控制含水率控制干密度
    /% /(g·cm−3) /% /(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  3  膨胀土的不同含水率下压缩性指标

    Table  3.   Compressibility index of expansive soil

    试样
    编号
    含水率/
    %
    压缩系数av(1-2)/
    MPa−1
    压缩模量Es(1-2)/
    MPa−1
    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  4  膨胀土的不同干密度下压缩性指标

    Table  4.   Compressibility index of expansive soil under different dry densities

    试样
    编号
    干密度/
    (g·cm−3)
    压缩系数av(1-2)/
    MPa−1
    压缩模量Es(1-2)/
    MPa−1
    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  5  颗粒参数

    Table  5.   Particle parameters

    压力/kPa颗粒总数总面积/μm2平均尺寸/μm面积占比/%平均周长/μm
    034443.5070.12640.7591.792
    10045556.7670.12553.8171.596
    20032772.5750.22267.5860.973
    40020171.9170.35868.3821.875
    80038276.9510.20173.4470.574
    160011582.2950.71678.3612.185
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    表  6  渗透系数与孔隙比关系

    Table  6.   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  7  微观试验结果

    Table  7.   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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  • 收稿日期:  2021-12-20

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