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高液限红黏土微观结构与工程特性

铁道建筑 2022年第6期62卷 143-147页

作者：于荣喜中铁上海设计院集团有限公司上海200070

结合扫描电镜、压汞试验等方法,研究了高液限红黏土的微观结构,重点分析了红黏土的孔径分布、孔隙分形、比表面积等特征,建立了高液限红黏土微观结构与宏观力学特性的关系。试验结果表明:红黏土孔隙结构以蜂窝状为主,残留有片状高岭石粒... 详细信息

结合扫描电镜、压汞试验等方法,研究了高液限红黏土的微观结构,重点分析了红黏土的孔径分布、孔隙分形、比表面积等特征,建立了高液限红黏土微观结构与宏观力学特性的关系。试验结果表明:红黏土孔隙结构以蜂窝状为主,残留有片状高岭石粒团,孔隙分布较均匀且表面较粗糙,孔径集中分布在100~1000 nm,最可几孔径为609.7 nm,具有较高的热力学分形维数;红黏土总比表面积为17.5~27.5 m^(2)/g,具有较强的亲水性与胀缩性,导致其表层容易形成裂隙;红黏土高液限土边坡易出现因坡脚泡水软化而失稳的破坏形式。

关键词：铁路工程高液限红黏土微观结构工程特性扫描电镜压汞试验

高液限红黏土路堤填挖交界段工后湿化变形特性研究

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高液限红黏土路堤填挖交界段工后湿化变形特性研究

作者：刘忠伟长沙理工大学

学位级别：硕士

高液限红黏土是指液限大于50%的红黏土,在我国湿润的南方广泛分布,其中主要分布在贵州、广西、湖南等地,随着我国经济的飞速发展,南方交通建设也取得较快的发展,高速公路、高速铁路呈现上升发展趋势,这就意味着交通建设不可避免地经过... 详细信息

高液限红黏土是指液限大于50%的红黏土,在我国湿润的南方广泛分布,其中主要分布在贵州、广西、湖南等地,随着我国经济的飞速发展,南方交通建设也取得较快的发展,高速公路、高速铁路呈现上升发展趋势,这就意味着交通建设不可避免地经过高液限红黏土区域。由于高液限红黏土胀缩性和特殊的物理性质,加上低应力条件、湿润的气候环境,高液限红黏土的强度和稳定性发生衰减,出现路堤顶面开裂、不均匀沉降等病害,给公路后期运营带来了极大的安全隐患,增加道路维护成本。鉴于此,本文以高液限红黏土为研究对象,结合国家自然科学基金项目“动力湿化作用下高液限红黏土低路堤灾变机理及长期变形研究(51908073)”,在探讨高液限红黏土基本物理性能的基础上,通过开展低应力条件下高液限红黏土湿化变形试验,建立高液限红黏土湿化应变预估模型,研究高液限红黏土路堤填挖交界段工后湿化变形特性,主要研究内容及结论如下:(1)通过开展高液限红黏土基本物理性质试验,测得高液限红黏土天然含水率为24.3%,液限52.0%,塑限为30.1%,塑性指数为21.9,最大干密度为1.79g/cm3,最佳含水率为15.5%,粒径级配良好;对高液限红黏土进行筛选、制样,通过对筛选后的试样进行X射线衍射定量分析、电镜扫描分析,该高液限红黏土主要有高岭石、石英、褐铁矿等矿物成分,分别占比为64.9%、10.8%、10.7%,其他矿物成分含量均少于10%,表面不平整,孔洞较多,属于不规则集合体晶粒结构。(2)通过自主研发的岩土体湿化变形试验装置对高液限红黏土开展低应力条件下的湿化变形试验,发现高液限红黏土渗透系数分别与围压、应力比呈负相关关系;在围压和应力比不变的条件下,高液限红黏土渗透系数与压实度呈负相关;围压与侧向湿化应变峰值、应力比与侧向湿化应变峰值都呈现出正相关关系,各因素对高液限红黏土竖向湿化应变峰值的影响程度:压实度>应力比>围压。(3)基于低应力条件下高液限红黏土湿化变形规律,分析对比已有应变模型,建立低应力条件下竖向湿化应变模型和侧向湿化应变模型,并分别获取模型的相关参数,通过拟合优化的方法进行模型误差分析,将两个模型的预估值和实测值进行比较,发现竖向湿化应变预估模型误差在11.9%以内,侧向湿化应变模型误差在5%以内,均具有较高的准确度。(4)基于分层总和法和有限元法,提出了一种路堤填挖交界段工后湿化变形计算方法,并采用该方法对路堤填挖交界段处于各种因素下的工后湿化变形量进行计算,采用分层总和法时,压实度与顶面工后湿化变形量峰值呈现出负相关关系,分层台阶宽度越大,路堤填挖交界段顶面工后最终湿化变形量不变;分层台阶厚度与顶面工后湿化变形量峰值呈正相关关系,土体侧向土压力系数与顶面工后湿化变形量呈负相关关系;采用有限元法时,同一压实度条件下,沿着路堤长度,顶面工后湿化变形量整体呈现出增大的趋势。压实度越大,其顶面工后湿化变形量峰值逐渐降低;顶面工后湿化变形量峰值与分层台阶宽度呈负相关关系;分层台阶厚度越大,顶面工后湿化变形量峰值逐渐增大。将分层总和法与有限元法进行对比分析,从工程实践的角度来说,分层总和法计算的工后湿化变形量偏于保守,而有限元法考虑土体侧向变形条件,计算的工后湿化变形量偏大,但更贴合工程实践。

关键词：高液限红黏土工后湿化变形路堤填挖交界段应变预估模型

砖混类建筑垃圾改良高液限红黏土力学性能研究

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砖混类建筑垃圾改良高液限红黏土力学性能研究

作者：潘云峰南昌航空大学

学位级别：硕士

伴随着我国高速公路事业的蓬勃发展,路基工程质量问题日益突出。高液限土在工程中极其常见,用其作为路基填料直接填筑将引发一系列工程病害,因此亟需对其进行改良处理。为充分响应绿色低碳的环保理念,实现建筑垃圾的循环利用,本文提出... 详细信息

伴随着我国高速公路事业的蓬勃发展,路基工程质量问题日益突出。高液限土在工程中极其常见,用其作为路基填料直接填筑将引发一系列工程病害,因此亟需对其进行改良处理。为充分响应绿色低碳的环保理念,实现建筑垃圾的循环利用,本文提出了砖混类建筑垃圾改良高液限土的思路。本研究以江西某公路工程高液限红黏土为对象,首先通过室内试验获取其初始物理特性;而后掺入不同粒径4.75～9.5mm(记为a)、9.5～13.2mm(记为b)、13.2～16mm(记为c),不同掺比10%、15%、20%、25%、30%的砖混类建筑垃圾改良高液限红黏土,通过击实试验、直剪与三轴试验、固结试验和CBR试验确定不同条件下改良土的力学指标,综合对比分析,得出以下结论:(1)在击实试验中,改良高液限红黏土的最大干密度随建筑垃圾掺比的增加而增大。但掺入不同粒径范围建筑垃圾的影响规律并不一致,当高液限红黏土所掺建筑垃圾粒径为b时,最大干密度随建筑垃圾掺比的增加增长最快,粒径a次之,粒径c最慢。改良后高液限红黏土的最优含水率随建筑垃圾掺比的增加均有所减小,当所掺建筑垃圾粒径为b时,其最优含水率随建筑垃圾增加下降最快,粒径a次之,粒径c最慢。当掺比为25%～30%时,各粒径范围内改良土的最大干密度增长均减缓。(2)不同检测抗剪强度指标方法下,不同建筑垃圾粒径改良的高液限红黏土随建筑垃圾掺比的不同其抗剪强度指标变化规律均有所不同。直剪试验中,三种不同粒径建筑垃圾下改良土的粘聚力均随掺比的增大先增大后减小;当建筑垃圾粒径为a时,土体摩擦角随掺比的增大而增大,粒径为b、c时土体的摩擦角随掺比的增大先增大后减小。三轴剪切试验中,当建筑垃圾为粒径a时,土体粘聚力随掺比的增大而增大,摩擦角随掺比的增大先减小后增大最后减小的趋势;建筑垃圾为粒径b时,土体粘聚力随掺比的增大先增大后减小,摩擦角随掺比的增大先减小后增大;建筑垃圾为粒径c时,土体粘聚力随掺比的增大而增大,摩擦角随掺比的增大而减小。(3)在固结试验中,三种不同粒径建筑垃圾改良的高液限红黏土压缩系数随建筑垃圾掺比的增大均减小,压缩模量均增大。不同粒径下土体的压缩系数、压缩模量随建筑垃圾的增大其变化速度也存有一定的不同,最终结果是三种粒径的压缩系数减小速度为粒径b>粒径a>粒径c,而三种粒径的压缩模量增大速度为粒径b>粒径a>粒径c。(4)在CBR试验中,三种不同粒径建筑垃圾改良的土体CBR值均随建筑垃圾掺比的增大而增大,膨胀量与吸水量均减小,其中在建筑垃圾粒径为b时CBR值增长最快,粒径为c时增长次之,粒径a最慢。当掺比达到10%及以上时,改良土CBR值均能达到高速公路及一级公路的下路堤要求(3%)。改良土CBR值增速较快的掺比范围为15%～25%,当掺比达到25%～30%时,CBR值增长均减缓。

关键词：高液限红黏土砖混类建筑垃圾建筑垃圾改良力学性质

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非洲高液限红黏土浸水路基稳定性研究

非洲高液限红黏土浸水路基稳定性研究

作者：宋肖武汉理工大学

学位级别：硕士

随着全球化大环境的不断发展,国与国之间的联系日渐紧密。我国与非洲各国的合作关系正在逐渐稳固,对非洲国家基础设施的援建也与日俱增。其中,对地处非洲西部沿海的喀麦隆也开展了援建高速公路的项目。鉴于该地区独有的工程地质条件和... 详细信息

随着全球化大环境的不断发展,国与国之间的联系日渐紧密。我国与非洲各国的合作关系正在逐渐稳固,对非洲国家基础设施的援建也与日俱增。其中,对地处非洲西部沿海的喀麦隆也开展了援建高速公路的项目。鉴于该地区独有的工程地质条件和气候条件,在有序施工的同时也面临一定的技术挑战。因此本文依托喀麦隆雅杜高速项目,研究高液限红黏土填方路基降雨和积水入渗时稳定性的变化机理。本文以项目沿线的高液限红黏土填方路基为研究对象,重点探寻路基在不同降雨和水位变动时,其内部渗流场、应力场、位移场的变化机理和规律,确定路基发生水损坏而失稳时的最不利工况,并为雅杜高速项目的路基施工提出相应的防护建议。具体研究工作如下:(1)首先,通过试验研究确定雅杜高速项目沿线红黏土样本的基本物理性质和水力特性。试验结果表明,红黏土土样中含有77%的细颗粒,其中天然含水率为40.4%、液限为58%、塑限为29%、液性指数为0.39,确定了红黏土土样高液限、软塑的物理特征。采用Whatman No.42型无灰级定量滤纸测定其不同含水率下的基质吸力,并利用Excel求解拟合方程的相关参数,最终得到雅杜高速项目沿线红黏土样的土水特征曲线。(2)其次,在系统归纳总结非饱和土物质组成、基质吸力、有效应力的基础上,利用ABAQUS/CAE 2020有限元软件建立了高液限红黏土浸水路基的降雨模型。对不同降雨持时、降雨强度、降雨类型下的路基进行模拟,获取其内部水分流速、孔隙水压力等渗流场的变化情况,总结出降雨强度越大、降雨持续时间越长对渗流场影响越大的结论。在此基础上,进一步研究降雨对路基稳定性的影响规律。结果表明,红黏土填方路基在持续7天暴雨(60mm/d)工况下,其稳定性会随降雨的持续而逐渐降低。降雨结束时较降雨前其稳定性降低2.4%,降雨初期稳定性下降幅度大于降雨逐渐停止时的下降幅度。在持续72h大暴雨(110mm/d)工况下,坡顶最大最大沉降为2.607mm。而坡顶在雨水持续下渗的影响下,沉降会在降雨停止前的某一时刻达到最大值。根据该模型的计算结果,确定路基坡顶、坡脚、边坡浅表层等位置是发生水损失稳的高发区,为后文的加固和放排水措施施加提供依据。(3)然后,考虑到降雨会产生积水导致高液限红黏土路基浸泡,继而建立了红黏土路基水位升降模型。该模型控制水位升降周期为6天,浸润面在水位周期性变化时存在一定的滞后性。路基也会在周期内发生竖向沉降,其中沉降最大值为7.415mm。同时,路基的稳定性也会在水位变化周期内持续降低,结束时的稳定性较初始状态下降了9.2%。观测点处孔隙水压力在水位上升稳定期内达到4.74796KPa的最大值,而有效应力的变化与孔隙水压力的变化呈现负相关,两种应力的变化关系解释了水位升降时路基的固结效应。(4)最后,对雅杜高速项目试验段的压实效果进行评价,结果表明压实后红黏土路基的稳定性提高了33.9%,与此同时路基压实结合抗滑桩加固的组合防护可以为路基提供足够的稳定性来应对各种极端工况。确定了设置临时排水沟、跌水沟、管式渗沟相结合的方式排除地表水与地下水,达到防止路基水损坏的目的;同时利用植物防护提高红黏土路基边坡的防冲刷能力;并建议使用全包裹式的加筋挡土墙提高红黏土路基地震时的变形能力。

关键词：高液限红黏土非饱和土降雨入渗浸水路基稳定性路基防护与加固

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非洲高液限红黏土路基稳态渗流分析

中国水运（下半月） 2022年第3期22卷 112-114页

作者：李森于罗斌宋肖中交一公局集团有限公司海外事业部北京100024 武汉理工大学交通与物流工程学院湖北武汉430063 中交一公局集团有限公司北京100024

非洲热带雨林地区年降雨量集中,使得雨季路基长期浸泡,影响路基的结构稳定性。采取ABAQUS数值模拟软件,利用软件所提供的孔隙流体渗透/应力耦合分析步来求解饱和-非饱和土渗流问题。通过双侧浸水1m和1.5m两种工况分析了红黏土路基在不... 详细信息

非洲热带雨林地区年降雨量集中,使得雨季路基长期浸泡,影响路基的结构稳定性。采取ABAQUS数值模拟软件,利用软件所提供的孔隙流体渗透/应力耦合分析步来求解饱和-非饱和土渗流问题。通过双侧浸水1m和1.5m两种工况分析了红黏土路基在不同工况下内部渗流场的变化,得出基于达西定律的红黏土路基内部孔隙水压力及饱和度变化规律。

关键词：非饱和土稳态渗流数值分析高液限红黏土

玄武岩纤维改良华东地区红黏土的工程适用性分析

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河北地质大学学报 2024年第1期47卷 78-85页

作者：葛宏盛刘丽萍汪朝明郑贞成西安工业大学建筑工程学院陕西西安710021 浙江成明试验检测有限公司浙江衢州324300

高液限红黏土在华东地区分布广泛,若治理不当极易引发工程灾害。通过室内土工试验和数值模拟分析玄武岩纤维改良高液限红黏土的可行性。结合室内试验结果,采用有限元差分软件FLAC^(3D)模拟均质红黏土路基和添加玄武岩纤维红黏土路基在... 详细信息

高液限红黏土在华东地区分布广泛,若治理不当极易引发工程灾害。通过室内土工试验和数值模拟分析玄武岩纤维改良高液限红黏土的可行性。结合室内试验结果,采用有限元差分软件FLAC^(3D)模拟均质红黏土路基和添加玄武岩纤维红黏土路基在施加均布荷载情况下对两者塑形区、应力及沉降进行对比。室内土工试验表明,玄武岩纤维能大幅提高土体的黏聚力、无侧限抗压强度以及土体静态弹性模量。数值模拟分析表明,纤维加筋技术能缓解土体塑性流动,提升抗挤压能力,缓解沉降变形。依托纤维加筋技术改良高液限红黏土,可为特殊土体路基改良提供新的理论依据。

关键词：玄武岩纤维高液限红黏土室内土工试验 FLAC~(3D) 沉降变形

机制砂改良高液限红黏土的干湿循环效应试验研究

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机制砂改良高液限红黏土的干湿循环效应试验研究

作者：徐玉鲁南昌航空大学

学位级别：硕士

在高速公路飞速发展的大背景下,我国在山岭地区拟建的高速公路有近50%面临高液限红黏土问题。高液限红黏土作为一种区域性较强的特殊土,其矿物成分中含有高岭石等亲水性较强的矿物质,因此其具有较强的亲水性且吸水之后会出现承载比强度... 详细信息

在高速公路飞速发展的大背景下,我国在山岭地区拟建的高速公路有近50%面临高液限红黏土问题。高液限红黏土作为一种区域性较强的特殊土,其矿物成分中含有高岭石等亲水性较强的矿物质,因此其具有较强的亲水性且吸水之后会出现承载比强度急剧降低、路基不均匀沉降变形的问题,经高温脱水后土体又多呈开裂、工程特质变差的现象,即高液限红黏土在经历干湿循环作用后会产生一系列的岩土工程问题,因此在高液限红黏土地区修筑路基时需要对其进行改良处理,以解决该土水敏性强及无法直接作为路基填料的问题。本文以江西省某高速公路施工现场的高液限红黏土为研究对象,在人工模拟干湿循环的条件下,使用机制砂对其改良的试验研究方法,对干湿循环作用下高液限红黏土强度衰变和压缩变形问题进行了研究。在初始状态下（干湿循环0次）展开室内击实试验、崩解试验、临界含水率试验等基本试验,探讨了掺砂对高液限红黏土基本物理性质的影响;在干湿循环作用下展开改良土的承载比强度与固结压缩变形试验,探讨了干湿循环作用下不同掺比改良土的强度与变形特性;最后从裂隙分形维数、裂隙率、裂隙总长度及裂隙平均宽度几个角度对干湿循环作用下改良土裂隙发育展开了分析与探讨。得到具体结论如下:（1）初始状态下,高液限红黏土的最优含水率、液塑限、塑性指数等基本物理参数随着掺砂比的增大逐渐减小;最大干密度、崩解时间随着掺砂比的增大而逐渐增大;高液限红黏土因掺砂作用性质发生变化转变为低液限土,且水敏性以及压实性问题也得到有效改善。（2）初始状态下,高液限红黏土的承载比（CBR）强度随着掺砂比的增大而逐渐增大,但未是未出现线性增长关系,使用相同比例的中国ISO标准砂改良土与机制砂改良土的CBR值进行对比,结果显示两种改良土的CBR值增长趋势相同均表现出先慢后快再趋于平缓的变化趋势;在干湿循环作用下两种改良土的CBR值衰变幅度会以三个干湿周期呈现,且在干湿循环前期时改良土的CBR值降低幅度最大;掺砂比越大,改良土CBR值对干湿循环作用的敏感度越低。（3）在干湿循环作用下,改良土的压缩变形系数、孔隙比与其掺砂比以及压实度有较强的联系。掺砂比及压实度越大压缩变形系数越小、孔隙比越小;伴随干湿循环次数增加改良土的压缩变形系数越大、孔隙比越小;在干湿循环1次时固结试验目标参数变化幅度最大,随后变化幅度减小并最终趋于稳定状态,改良土掺砂比越大、压实度越大时固结试验目标参数对干湿循环作用敏感度也越低。（4）在干湿循环作用下机制砂改良土的裂隙发育与掺砂比密切相关,掺砂比越小改良土裂隙发育周期越长,裂隙率越大;对裂隙率与裂隙分形维数展开相关性分析,其两者的Pearson相关系数达0.962,说明机制砂改良土裂隙率与其分形维数具有较高相关性,可以考虑使用分形维数对机制砂改良土裂隙复杂程度及开展情况进行描述,但裂隙平均宽度、裂隙总长度与掺砂比和干湿循环次数未表现出明显整体性规律。

关键词：高液限红黏土干湿循环机制砂改良裂隙发育试验研究

干湿循环下高液限红黏土力学特性及边坡稳定性研究

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干湿循环下高液限红黏土力学特性及边坡稳定性研究

作者：崔旭爽石家庄铁道大学

学位级别：硕士

高液限红黏土在我国南方地区分布广泛,具有诸多的不良工程特性,随着南方地区的经济发展,越来越多的公路需要穿越高液限红黏土地区,为了更好的服务实际工程,这就需要我们深入地研究高液限红黏土的特点以及边坡稳定性,本文以海南地区的高... 详细信息

高液限红黏土在我国南方地区分布广泛,具有诸多的不良工程特性,随着南方地区的经济发展,越来越多的公路需要穿越高液限红黏土地区,为了更好的服务实际工程,这就需要我们深入地研究高液限红黏土的特点以及边坡稳定性,本文以海南地区的高液限红黏土为例,结合当地干湿交替频繁的特殊气候条件,借助室内直接剪切试验、扫描电镜试验和压汞试验对高液限红黏土在干湿循环作用下力学特性变化规律进行了研究,填筑高液限红黏土边坡模型,结合数值仿真计算,研究了高液限红黏土在干湿循环作用下稳定性变化情况。主要研究成果如下所示:(1)高液限红黏土试样初始含水率越高,抗剪强度越低,在多次干湿循环作用下,高液限红黏土剪切强度、内摩擦角和黏聚力均呈现下降趋势并在三次循环后趋于稳定。其中,黏聚力下降幅度远大于内摩擦角,说明剪切强度的下降主要是由黏聚力减小造成的。(2)扫描电镜和压汞试验结果表明,多次干湿循环作用下,高液限红黏土土体孔隙含量增加,孔隙大多分布在0.01～0.1μm和10～100μm两个范围内,并且大孔隙和超微孔隙的百分含量远远大于其他孔隙类型,干湿循环作用后大孔隙百分含量增加,超微孔隙百分含量减小。(3)通过模型试验结果可知,边坡不同位置和深度的含水率、孔隙水压力和基质吸力均随着干湿循环的进行呈现周期性变化,距离地表越近,这种变化幅度越明显,模拟降雨阶段影响机理可以通过达西定律和冲蚀作用来解释,模拟日照阶段主要是温度上升加快了边坡水分的蒸发。(4)依据分层强度理论,引入有限元的思想,对干湿循环后的边坡模型进行了优化,根据计算结果可知经过干湿循环后边坡安全系数逐渐减小,边坡潜在滑动面有向表层移动的趋势,若边坡发生破坏,破坏位置会越来越集中在边坡坡面表层以下区域。

关键词：干湿循环高液限红黏土宏微观试验边坡模型数值仿真

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高液限红黏土路堤填筑施工技术及质量控制

交通世界 2019年第17期 58-59页

作者：杨凌云南交投集团投资有限公司

以临清高速公路为背景,分析了高液限红黏土的物理性能指标和路用击实特性,从填筑前的准备、填筑方式、施工要求三方面对高液限红黏土路堤填筑施工工艺展开了详细的探讨,并针对性地提出了几点施工质量控制措施,结果表明:工程取得了良好... 详细信息

以临清高速公路为背景,分析了高液限红黏土的物理性能指标和路用击实特性,从填筑前的准备、填筑方式、施工要求三方面对高液限红黏土路堤填筑施工工艺展开了详细的探讨,并针对性地提出了几点施工质量控制措施,结果表明:工程取得了良好的施工效果。

关键词：高液限红黏土路堤填筑施工质量