膨胀土干缩开裂的尺寸效应及其干湿循环条件下的演变特征

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受形成环境、工程地质和水文地质条件的影响,自然界中膨胀土的分布范围及厚度存在显著的差异性,这种尺度上的差异在一定程度上会影响膨胀土的工程性质,尤其是膨胀土的干缩开裂特性,然而这方面的问题过去常常被人们所忽略。为此,本文在优秀青年科学基金(41322019)以及江苏省自然科学基金(BK2011339)的支持下,针对膨胀土干缩开裂的尺寸效应以及其在干湿循环条件下的演变特征开展了系统研究。通过室内配制不同尺寸条件的膨胀土试样,开展大量干燥试验,分析了一维条件、二维条件、试样不同高宽比等尺寸参数对膨胀土水分蒸发过程、收缩过程和裂隙发育过程的影响,并探讨了膨胀土上述干缩开裂特性在干湿循环条件下的演变规律。此外,通过开展崩解试验,分析了膨胀土的崩解过程与裂隙闭合的相关性。论文主要取得了如下成果:  1、蒸发方面:一维、二维膨胀土试样的水分蒸发过程大致相同;膨胀土蒸发过程呈三阶段划分:常速率阶段、降速率阶段、残余阶段;随着初始厚度的增大,膨胀土的蒸发持续时间增大,且常速率阶段的持续时间也增大,常速率阶段呈y=ax+b线性关系;干湿循环过程会加快膨胀土的蒸发进程,随着干湿循环次数的增多,膨胀土蒸发持续时间减小。  2、收缩方面:一维、二维膨胀土试样的厚度收缩规律大致相同;膨胀土的厚度收缩过程可分为正常收缩、残余收缩、零收缩三个阶段,正常收缩阶段呈y=ax+b线性关系,斜率表示收缩系数λs;随着膨胀土试样初始厚度的增大,土体试样的厚度收缩时间逐渐增大,含水率是影响膨胀土厚度收缩进程的重要因素;干湿循环过程使试样产生了不可逆的收缩变形,收缩应变随干湿循环次数的增大呈减小趋势。  3、裂隙发育方面:不同尺寸效应下的膨胀土试样裂隙形态具有显著差异,一维试样裂隙裂隙大多呈平行的直线型裂隙,且随着初始厚度的增大裂隙条数减少,裂隙发育趋于简单化;二维试样裂隙随初始厚度的增大逐渐有网络型裂隙变为直线型裂隙,裂隙条数减少,裂隙发育程度减弱。根据不同高宽比裂隙规律发现存在某个尺寸高宽比临界值,影响膨胀土的裂隙发育形态;干湿循环过程对膨胀土的裂隙发育具有促进作用,裂隙条数、所分割土块个数呈增多趋势。  4、膨胀土体积收缩过程和裂隙发育过程具有显著的对应关系,二者共同的联系纽带是膨胀土的含水率变化;在干湿循环过程中,膨胀土裂隙遇水发生闭合可认为是膨胀土的崩解性和膨胀性共同作用的结果。
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