干湿循环下膨胀土裂隙CT试验研究

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干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究

（桂林理工大学，土木与建筑工程学院摘要桂林５１ｏ）４ｏ４通过膨胀土多次干湿循环的三轴和直剪实验，从试样裂隙率计算结果可以得出，三轴试样，经第１次循环，其表面裂
隙率增幅最大，４次循环增幅较大，５次循环增幅较小。直剪试样，２～第试样表面裂隙率经１～３次循环增幅较大，４次循第
环增幅较小，５次循环以后试样表面裂隙率有所降低，降低的幅度不大。总的说来，第但随干湿循环次数的不断增加，膨胀土试样表面裂隙率不断增大。
关键词膨胀土干湿循环裂隙分形
中图分类号：６２１Ｐ４．３文献标识码：Ａ
ＦＲＡＣＴＡＬＲＥＳＥＡＲＣＨＴＨＥＣＲＡＣＫＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＥＸＰＡＮＳＶＥＣＩＳｏＩＬＵＮＤＥＲＥＴＴＩＷＮＧ．ＤＲＹＧＣＹＣＬＥ
ＢＡ０ｉｎＷＥＩＸｕｆｎＨｕｍｉｇｅｅｇ
（ｕｉｎｅｉｅｈｏｏｙＧｉｎ５１０）ＧｉｎＵｉｒｔｏｃｎｌ，ｕｌ４０４ｌｖｓｙｆＴｇｉ
ＡｂｔａｔＢｙｍｅｎｓｏｈｔｉｇｄｙｎｙｌｅｔｆｔｉｘａｎｉｅｔｓｅｒｏｈｘａｓｖｏｌｒＩｅｔｓｒｃａｆｔｅｗｅｔｎ — ｒｉｇｃｃｅｔｓｓｏｒａｉｌａｄｄｒｃ —ｈａｎｔｅｅｐｎｉｅｓｉ．Ｉｌｔｓ＇ｅｉｄｈｔｗｉｆｓｔｇｄｎｙｌｒａｉｌｔｓ，ｒｃａｉｎｅｐａｓｖｏｌａｌｕｃｓｔｅｌｒｅｔｆｎｓｔａｔｒｔｗｅｔｎ — ｒｉｇｃｃｅｔｉｘａｅｔｔｅｃａｋｒｔｏｉｘｎｉｅｓｉｓｍｐｅｓｒａｅｉｈａｇｓｈｉｉｙｈｆｉｃｅｓｗｉｅｏｄｔｏｒｈｗｅｔ — ｒｉｙｌｔｅｃａｋｒｔｎｅｐｎｉｅｓｉｓｍｐｅｓｒａｅｉｈｉｇｒｉ — ｎｒａｅ，ｔｓｃｎｏｆｕｔｔｉｄｎｇｃｃｅ，ｈｒｃａｉｉｘａｓｖｏｌａｌｕｆｃｓｔｅｂｇｅｎｈｎｇｙｏｃｅｓ．ｄｔｅｃａｋｒｔｏｉｘｎｉｅｓｉｓｍｐｅｓｒａｅｉｈｉｔｎｒａｅ，ｔｈｔｎ — ｒｉｇｃｃｅｉｒａｅＡｎｒｃａｉｎｅｐａｓｖｏｌａｌｕｃｓｔｅｌｌｉｃｅｓｗｉｈｔｅｗｅｔｇｄｎｙｌｓｈｆｔｅｉｙ

干湿循环作用下改良膨胀土力学指标的变化规律

改良膨胀土的力学指标随干湿循环作用次数增加趋于稳定。［关键词】改良膨胀土；干湿循环；抗剪强度；压缩系数；ＣＢＲ
［中图分类号】Ｔｕ４７１．９１［文献标识码］Ａ［文章编号】１６７４ — ０６１０（２０１５）０４ — ００４１ — ０６
第４０卷，第４期
２０１５年８月
公路工程
ＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．４
Ａｕｇ．，２０１５
干湿循环作用下改良膨胀土力学指标的变化规律
［Ａｂｓｔｒａａｒｉａｔｉｏｎｒｕｌｅｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｉｎｄｅｘｅｓｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｅｘｐａｎｓｉｖｅｓｏｉｌａｎｄｄ
干湿循环作用不同次数后的直接剪切、固结试验及ＣＢＲ强度试验。试验结果表明：干湿循环作用造成的试样表面松散，导致了改良膨胀土力学指标的快速下降，但经历多次干湿循环，试样表面的松散程度及深度并未显著增加，
董云，张渊‘ ，蒋洋‘ ，刘宇翼
２２１１１６）（１．淮阴工学院土木工程实验室，江苏淮安２２３００１；２．中国矿业大学，江苏徐州

膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙.

1、膨胀土的定义膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性粘土。

膨胀土是一种对于环境变化，特别是对于湿热变化非常敏感的土，其反映是发生膨胀和收缩，产生膨胀压力。

2、膨胀土的主要物理力学特征⑴粒度组成中，通常黏粒（d＜2μm ）含量不大于30%.⑵粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等亲水性矿物占主导地位。

⑶土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝，反复的干缩湿胀，使土中的裂隙发育，不仅破坏土体的连续性和完整性，而且也形成了地表水浸入的通道，同时水的浸入又加速了土体的软化及裂隙生成。

（裂隙性）⑷膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。

（强度衰减性）⑸多数属于液限大于50%的高液限土。

⑹超固结性：膨胀土在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚而产生固结压密。

由于自然环境的变化和地质作用的复杂性，土在自然界的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用。

膨胀土在反复胀缩变形过程中，由于上部荷载（土层自重）和侧向约束作用，土体在膨胀压力作用下反复压密，土体表现出较强的超固结特性。

这种超固结与通常的剥蚀作用产生的超固结机理完全不同，是膨胀土由于含水率变化引起的膨胀压力变化产生的，是膨胀土特有的性质。

3、工程建设中的膨胀土问题⑴在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性低，在地面以下一定深度取样时难以发现宏观裂纹。

但一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，很快出现大大小小的裂纹，土体结构迅速崩解，透水性不断增加，强度迅速减小直至为零。

膨胀土边坡在极缓的情况下发生滑动。

“逢堑必滑，无堤不塌”。

“晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”是膨胀土强度特性和胀缩性规律的高度写照。

⑵膨胀土素土作为堤坝回填土时，因其干密度与含水率关系非常密切，很难压实，压实质量难以控制。

若碾压质量不好，在运行过程中，填土含水率增加时土体极易产生膨胀变形，含水率降低也会在土体中产生干缩裂隙，使土体渗透性变化，外界水分极易进入。

干湿循环作用下膨胀土开裂和收缩特性试验研究

干湿循环作用下膨胀土开裂和收缩特性试验研究叶万军;万强;申艳军;杨更社;董西好;王铭【摘要】膨胀土的变形特性包括裂隙性和胀缩性,其中开裂和收缩特性对于膨胀土边坡变形研究具有重要的作用.取陕西汉中十天高速公路边坡膨胀土进行室内干湿循环试验,研究不同干湿循环次数下脱湿过程中膨胀土的开裂、收缩特性,观察脱湿完全后裂隙的扩展特性,探讨收缩的方向性随干湿循环次数和初始含水率的变化规律.结果表明:前2次干湿循环脱湿过程中,裂隙与收缩开展剧烈;脱湿过程中裂隙面积率先增大后减小,第1次干湿循环的裂隙面积率峰值最小,且出现时间较早;脱湿过程中收缩面积率先增大,后趋于平缓,随着干湿循环次数的增加,收缩面积率逐渐增大直至第三次干湿循环趋于稳定,前2次干湿循环其差值最大;随着干湿循环次数的增加,试样的变形量逐渐增大,收缩比开裂更早趋于稳定;裂隙的宽度和长度近似正态分布,裂隙面积概率随着裂隙面积增加逐渐减小;膨胀土的收缩具有明显的各向异性性质,初始含水率越高,各向异性表现越明显.【期刊名称】《西安科技大学学报》【年(卷),期】2016(036)004【总页数】7页(P541-547)【关键词】膨胀土;干湿循环;裂隙;收缩;面积率;各向异性【作者】叶万军;万强;申艳军;杨更社;董西好;王铭【作者单位】西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054;西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】TU44膨胀土及其工程问题一直是国内外关注的重大问题，膨胀土有3个主要特性[1-2]，即胀缩性、裂隙性、超固结性。

膨胀土变形特性包括胀缩变形和开裂变形，初始裂隙的产生为雨水入侵提供了有力条件，加剧了膨胀土的裂隙和胀缩发育，反复的干湿循环使得膨胀土裂隙和胀缩进一步发展[3-6]。

裂隙对膨胀土强度影响的试验研究

ａｄｔｅｔａｉｓ，ｔｓｘｌｎｄｔｔｈｒｎｔｅｌａｏｓｄｅｔｔｅｅｐｅｔｆｈｒｋｎ．Ｔｒｕｈｔｅｎ — ｎｉａｔｔｉｉｅｐａｅａｔｅｓｅｇｄｃｎｔｎｉｊｔｕｅｄｖｌｍｎｏｅｃａｉｈｒｘｅｌｉｈｔｈｉｉｓｕｏｈｏｔｃｇｈｏｇａｈａｌ
不同裂隙开展程度的膨胀土饱和试样进行了直剪试验，并首次进行了三轴试验，研究了膨胀土饱和强
度随裂隙开展而变化的规律。试验结果表明，膨胀土饱和强度随干湿循环次数呈双曲线关系衰减。对不同裂隙开展程度的膨胀土试样进行拍照，反映了试样裂隙的开展过程，结合直剪试验和三轴试验结果说明，正是裂隙的开展使得膨胀土强度降低。通过对试验结果的分析，指出膨胀土强度指标的选取
应考虑裂隙开展的影响，并给出了选取标准。
关键词：பைடு நூலகம்胀土；裂隙；干湿循环；残余强度
中图分类号：Ｔ４３Ｕ４文献标识码：Ａ文章编号：１０ —８０２１）９００ —５０００６（０００ —１００
Ｅｘｒｍｅａｔｄｙ０１ｓｒｎｇｈｆｅｐｓｖｏｌｕｐｅｉｎｔｌｓｕ１ｔｅｔｏｘａｎｉｅｓｉｎｄｅｎｕｎｃｆｃａｋｓｒｉｆｅｅｏｒｃｌ
ｙｉｏｈｅｔｅｕｔｔｉｐｉｔｄｏｔｈｔｔｅｉｆｅｃｆｔｅｃａｋｎｅｅｏｍｅｔｓｂｏｓｄｒｄｄｒｇｔｅｓｌｃｉｎｏｓｓｎｔｅｔｓｒｓｌ，ｉｓｏｎｅｕａｎｕｎｅｏｒｃｉｇｄｖｌｐｎｔｈｌｈｍｕｔｅｃｎｉｅｅｕｎｅｅｔｆｉｈｏｔｅｓｒｎｔｎｅｒｔｅｅｐｎｉｅｓｉａｄｔｅｒｌｖｎｅｅｔｎｓａｄｄｍｕｔｅｇｖｎａｌｈｔｅｇｈｉｄｘｆｈｘａｓｖｏｌｎｈｅｅａｔｓｌｃｉｔｎａｓｂｉｅｓｗｅ１ｏｏｒ．

干湿循环作用下膨胀土的土压力试验研究

ｌｓｒｃＪｂｓｇｔｅｅｐｎｉｏｌｓｍｌｆＮｎｏｏｄａｄＣａｇｈｎｏｄ，ｎｎｒｕｎｔａｔｙｕｉｈｘａｓｅｓｉａｐｅｏａＹｕＲｓｎｈｎＺａｇＲａＡｂｎｖｉｅｇｏｐｉ—
１试验概况
本文利用广西南有路的中等膨胀土和湖南常张
路的弱膨胀土，并于２００３年９月至２０年７月历时０４１月进行了９组室内模型试验０个。各组试验的土样分别按某一坡比在３ｎ长）３（ × Ｉ
较强的蒙脱石或伊利石；二是具有特殊的膨胀结
ｄｏｘｅｉｎａｉｎｗａａｒｅｏｏｒｅｐｒｍｅｔｔｏｓｃｒｉｄｎ，ｗｈｃｓｍｕａｅｉｅｅｔｃｍｂｎｔｎｏｏｒｋｎｓｏｌｔｆｈ — ｉｈｉｌｔｄｄｆｒｎｏｉａｉｆｆｕｉｄｆｃｉｅｏｙｏｍａｄｐ，ｏｅｃｓ，ｒｉｆｌａｄｓｎｉｈｎｏｒｇａｅ．Ｔｅｌｗｆｔｅｓｄｎｏｔｍｏｌｐｅｓｒｈｎｅｗｉｏｒｓｖｒａｔａｎａｌｎｕｌｇｔａｄｆｕｒｄｈａｏｉｅａｄｂｔｈｏｓｉｒｓｕｅｃａｇｔｈｔｍｅｕｄｒｔｅｆｎｔｏｆｔｅａｔｒａｉｎｏｒｎｓｎｔｅｓｉｏｃｕｅｉｎｅｈｕｃｉｎｏｈｅｎｔｏｆｄｙｅｓａｄｗｅｎｓｓｃｎｌｄｄ，ｗｈｃｌｏｆｒｖｕｂｅｔｓｌｉｈｗｌｆｅａａｌｅｔｉｌｄｔｏｔｅｄａｎｇｎｒｔｃｉｎｄｓｇｎｔｅｅｐｎｉｅｓｉｆｒｔｎ．ａａｔｈｒｉａｅａｄｐｏｅｔｏｅｉｎｉｈｘａｓｖｏｌｏｍａｉｏ

干湿循环条件下碾压膨胀土的裂隙发展规律

获得压实膨胀土中裂隙的发育过程及随干湿循环作用次数的变化规律．用ＭＡＴＡＢ的图像处理功运Ｌ
能，开裂试样进行了定性描述和定量统计分析．析结果表明：始状态下，样中产生的裂隙细微短对分初试
ｏｘａｓｖｏｌｅｂｎｍｅｔｆｅｐｎｉｅｓｉｍａｋｎ．
Ｋｅｒ：ｄｙｗｅｃｃｉｙｗｏｄｓｒ — ｔｙｌｎｇ；ｃｏｍｐａｔｄｘｎｉｓｉ；ｌｂａｏｙｉｕａｉｔｓｓ；ｃｅｅｐａｓｖｅｏｌａｏｒｔｒｓｍｌｔｏｎｅｔｇａｎｄｉｇｒｅｓｎｒｐｈａｍａｅｐｏｃｓｉｇ；ｃａｃａｅｒｋｒｔ
和超固结性等三大特性，中裂隙性是造成工程其
结构破坏的关键因素．中裂隙的产生、土延展和贯通，大地破坏了土体结构的整体性并降低了它极
的强度和稳定性．
基金项目：家自然科学基金资助项目（０７０５；通部科技项目（０９５３１６）广西交通科技项目（０１２）国５９８３）交２０３３１００；２１ — ０作者简介：和平（９４）男．沙理工大学教授，士生导师．杨１５一，长博
表１土样基本性质测试结果
Ｔｂｅ１Ｔｈａｉｒｐｒｉｓｏｏｌａｐｅａｌｅｂｓｃｐｏｅｔｆｓｉｓｍｌｓｅ

膨胀土干湿循环裂隙分形研究

06
研究结论与展望
研究结论
01
膨胀土干湿循环裂隙具ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分形特征
该研究通过实验和分析，发现膨胀土在干湿循环作用下形成的裂隙具
有分形特征，即裂隙的分布和形态具有自相似性和多重尺度性。
02 03
分形参数与土体物理性质相关
研究还发现，这些分形参数与膨胀土的物理性质，如含水率、干密度和塑性指数等密切相关。这表明可以利用分形参数来评估膨胀土的工程性质。
膨胀土具有明显的层状结构和片状构造，这种构造使其在吸水和失水过程中容易产生裂隙。
矿物成分
膨胀土主要由硅酸盐矿物组成，包括石英、长石、云母等。此外，还含有一定量的碳酸盐和硫酸盐等。
膨胀土的力学性质
吸水膨胀性
膨胀土具有显著的吸水膨胀性，其体积随着含水量的增加而增大。这种特性主要与土中的亲水性粘土矿物有关。
研究意义与应用前景
膨胀土是一种具有重要工程意义的特殊土质，其裂隙发展对工程安全性有重要影响。该研究结论为膨胀土的工程性质评估和灾害防治提供了新的理论依据和技术手段。
该研究不仅对膨胀土的工程性质进行了深入探讨，还对其他特殊土质的裂隙发展提供了借鉴。研究成果可应用于不同类型的特殊土质工程中，
如黄土、红土等。
针对膨胀土干湿循环裂隙的深入研究，对揭示膨胀土工程性质的本质、预测膨胀土工程灾害、保障工程建设安全具有重要意义。
研究现状与不足
国内外学者对膨胀土裂隙开展了大量研究，但主要集中在裂隙形态、分布、力学性质等方面，对干湿循环作用下裂隙的发育演变规律及其对工程性质的影响研究不够深入。
现有的研究方法大多基于宏观工程性质指标，对微观结构和物理化学过程考虑不足，难以全面揭示膨胀土裂隙的演变规律和机制。

膨胀土干湿循环特性的试验研究

膨胀土干湿循环特性的试验研究林青芝河海大学岩土工程科学研究所，南京 (210098)E-mail：qingzhilin@摘要：本文针对江苏宁淮高速公路淮安段膨胀土进行了相关的室内试验研究，得出了膨胀土在干湿循环的条件下，其变形特性的一些变化规律。

得出膨胀土的干缩湿胀变形过程是不可逆的，随着干湿循环次数的增加，膨胀土的膨胀力、无荷膨胀率逐渐减小，变形速率逐渐增大，干密度和稳定后含水率逐渐减小直至趋于稳定。

关键词：膨胀土；干湿循环；膨胀力；膨胀率1．引言膨胀土是在自然地质环境中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性特殊性粘土。

土体粘粒中含有一定质量的强亲水性矿物蒙脱石与伊利石，因此膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形等与正常固结粘土不同的工程地质性质，而且土中杂乱分布的裂隙对各种边坡所产生的变形破坏作用往往具有长期潜在危险的特点，容易给工程造成巨大的经济损失。

在膨胀土地区，路基土体遇水软化，容易发生胀缩变形，引起路基下沉而导致路面变形、开裂、翻浆冒泥、沉陷等，同样修建在其上的公路、桥梁及其它建筑物也会遭受强烈的变形破坏，甚至引发破坏性很大的滑坡。

随着我国基本建设的发展，在膨胀土地区兴建公路、铁路、水利、建筑、机场以及码头等工程项目将会日益增多，随之也会遇到大量的与膨胀土有关的工程问题。

因此，为确保路基的稳定性和强度，对膨胀土性质的研究显得尤为重要。

本文着重在于对膨胀土的循环干湿变形特性做必要的讨论分析。

2．关于膨胀土膨胀特性的研究膨胀土的变形特性研究是膨胀土的重要研究内容之一，也是相关工程防治的关键，必须依据大量的室内试验和工程实例,分析并建立反映湿胀、湿陷、干缩特性的非饱和膨胀土的新型本构模型,才能较准确地描述膨胀土的变形特性。

膨胀土的变形主要可分为两大类:①外加荷载作用下的压缩变形；②入渗或浸水作用下的湿胀、湿化变形；③蒸发、风干、水位下降等失水作用下的干缩变形；④外荷载和入渗、浸水或失水共同作用下的变形。

干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究

万方数据增刊慕现杰等：干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究５８１做直接剪切试验，保证每次干湿循环的含水率为２２％。

（２）无侧限抗压强度试验：将含水率为３０％的重塑土，静置２４ｈ，制成１１个直径为３．９１ｃｍ、高为８ｃｍ的试样；将试样放在烘箱里进行烘干，设置温度为５０℃，每烘１ｈ，取出一个试样进行无侧限抗压强度试验，试验按４ｒａｄ／ｍｉｎ的速度进行。

本试验中，直剪试验的测力计率定系数为１．９２ｋＰａ／Ｏ．０ｌｍｍ，无侧限抗压强度的测力计系数为１．２５５９Ｎ／０．０ｌｍｍ。

４试验结果分析４．１直剪试验图ｌ～３是土样干湿循环后烘干的状态。

从中可以看到土样随干湿循环的裂缝的发展。

第１次循环，土样出现了几条较大的裂缝，但没有明显的微裂缝，是由于第１次循环土体原有结构受到明显的破坏；第２次循环，大裂缝逐渐减少，并且出现少量的微裂缝；第３次循环，没有大裂缝，出现了大量的微裂缝。

随着干湿循环次数的增加，大裂缝减少，微裂缝发育，且多为均匀分布。

在得到的试验数据中，得到土样的强度在随干湿循环条件下的变化趋势，见图４。

图１１次循环Ｆｉｇ．１Ｏｎｅ－ｔｉｍｅｒｅｃｙｃｌｉｎｇ图２２次循环Ｆｉｇ．２Ｔｗｏ－ｔｉｍｅｒｅｃｙｃｌｉｎｇ图３３次循环Ｆｉｇ．３Ｔｈｒｅｅ－ｔｉｍｅｒｅｃｙｃｌｉｎｇ由图４可以计算出该土样的黏聚力钿和内摩擦角妒ｑ，见表２。

图４反映了抗剪强度随干湿循环的变化曲线。

随着循环次数的增加，抗剪强度逐渐减小，土的内聚力ｃｑ也逐渐减小；但随循环次数的增多，速率会降低，而内摩擦角妒ｑ也会逐渐减小。

从０次到１次循环黏聚力Ｃｑ和内摩擦角妒ｑ都变化较大，是由于土样突然烘干和加水，使得土样本身结构受到大的破坏而致。

２００３００垂直压力／ｋＰａ图４抗剪强度与垂直压力的关系曲Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ表２３次干湿循环的黏聚力和内摩擦角Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｃｏｈｅｓｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｒｅｅ・－ｔｉｍｅｗｅｔｔｉｎｇ・－ｄｒｙｉｎｇｃｙｃｌｅ４．２无侧限抗压强度试验以含水率为横坐标，以无侧限抗压强度为纵坐标，绘制无侧限抗压强度随含水率变化的曲线，见图５，剪切面的形式见图６。

基于MATLAB的干湿循环条件下膨胀土试验研究

６
一 —
ｆ二．
，
薰嚣ｚ
０
０
（ａ）１次干（ｂ）２次干
１
２
３
４
５
６
循环次数（次）
图１５膨胀土直剪试样表面裂隙率与循环次数的关系曲线
分析图ｌ４、图ｌ５中的关系曲线可得，从整体上来看，随干湿循环次数的不断增加，膨胀土试样
像素点分别用矩阵中的０和ｌ来表示，黑像素和白
像素之和即为裂隙图像的总面积。裂隙率定义如
下：
型
灰黑色膨２５０５７３胀土
，
∞
１８２
∞
ｌ４５
率 ∞ 醢油
６８２２６
∞
５６
∞
４２．０
本论文采用ＭＡＴＬＡＢ中提供的原始图像灰度比、增强低灰度级、中值滤波、二值图像平滑处理
等功能进行编程计算【２】。
１．３裂隙率的定义
本论文采用ＭＡＴＬＡＢ７．６软件编程对二值图像进行黑白像素统计，在二值图像中，黑像素点和白
要求后，按组将试样放入电烘箱内，在５０￣Ｃ的温度下烘ｌ２个小时，然后将烘干后的试样装入内壁涂有
凡士林的饱和器内，放入真空缸内抽真空饱和，至此即完成一次干湿循环过程。通过测烘干后试样的
宽度下进行剪切，对于三轴试样和直剪试样，先

干湿循环作用下膨胀土膨胀特性试验研究

第51卷第6期2020年6月人民长江Yangtze RiverVol.51,No.6June,2020文章编号：1001-4179(2020)06-0200-06干湿循环作用下膨胀土膨胀特性试验研究笛志乐1,粽昱东1,宋铤宏2(1.西华大学土木建筑与环境学院，四川成都610039；2.中国五冶集团，四川成都610063)摘要：为了研究干湿循环对膨胀土膨胀特性的影响，以及干湿作用对膨胀率变化的影响，将河北省石家庄灵寿县的黄白色膨胀土作为试验研究对象，利用膨胀仪、固结仪等设备对经过干湿循环后的膨胀土开展自由膨胀率试验、无荷载膨胀试验和膨胀力试验研究。

研究结果表明：①膨胀土的无荷膨胀率与含水率、干湿循环频率都具有相关性，含水率越小则膨胀率越大，干湿频率越大则线性膨胀率越小；②该试样的膨胀变形分为初膨胀、加速膨胀、匀速膨胀3个阶段;③经干湿循环后膨胀土的膨胀力逐渐变小。

在此基础上，综合膨胀试验，对膨胀土的膨胀过程进行了定性的描述并推导了基于能量耗散的膨胀变形公式。

关键词：膨胀特性；膨胀土；膨胀力；干湿循环；能量原理中图法分类号:P642文献标志码：A DOI：10.16232/ki.1001-4179.2020.06.0351研究背景膨胀土是一种分布极广且具有较强破坏性的特殊非饱和土，主要由亲水矿物如蒙脱石、伊利石等组成。

膨胀土的胀缩性是其区别于其他黏土的主要性质，同时也是工程应用中关注度最高的性质,其湿涨干缩的特性通常会对土体结构造成影响,从而导致房屋建筑物、公路铁路等工程被破坏I"〕。

因此,在膨胀土研究中，有关膨胀土膨胀变形的研究就显得尤为重要。

国内学者对膨胀土的膨胀特性进行了大量研究‘归，并取得了丰厚的研究成果。

孟庆云、杨果林在研究过程中发现，膨胀变形与膨胀土初始含水率、初始干密度相关3。

赵艳林、曾召田等将现场的气象数据运用到模拟当中,提出了新的膨胀地基变形计算方法［⑷。

刘静德等对南水北调中线强膨胀岩重塑样进行了膨胀率试验,得到了膨胀率与干密度以及含水率的关系少］;周葆春、孔令伟对荆门膨胀土开展了胀缩和渗透试验，并得了到膨胀力与干密度呈现出的壽指函数关系，同时还指出压实度对膨胀土的体缩率具有重要的影响少］；陈伟志、蒋关鲁等开展了铁路路基下的浸水膨胀土的现场试验,研究了浸水膨胀土路基的膨胀规律"I o鄢卫平等针对有荷条件下膨胀土分级增湿变形特性展开了研究［则O国内学者对于膨胀土的研究，主要集中在试验研究方面,对于膨胀土在膨胀过程中能量转换的理论研究则较少。

膨胀土试验研究报告

膨胀土试验研究报告
标题：膨胀土试验研究报告
研究目的：
本试验旨在研究膨胀土的力学性质和膨胀特性，为土木工程中对膨胀土进行设计和处理提供科学依据。

试验方法：
1. 采集膨胀土样品，并进行初步性质分析；
2. 进行膨胀土的试验前制备工作；
3. 进行不同试验参数下的膨胀土试验，包括密度试验、含水率试验、液限试验、塑限试验、单轴压缩试验等；
4. 分析试验数据，并得出膨胀土力学性质和膨胀特性的结论。

实验结果：
通过上述试验，得出以下实验结果：
1. 膨胀土的密度与含水率呈负相关关系，即密度增加时，含水率减小；
2. 膨胀土的液限与塑限呈正相关关系，即液限增加时，塑限也增加；
3. 膨胀土的单轴压缩曲线呈现典型的弹塑性特性，即开始阶段沿弹性线性变形，随着围压增加进入塑性变形，最后趋于稳定；
4. 膨胀土的围压对单轴抗压强度有一定的影响，随着围压增加，抗压强度逐渐增加；
5. 当含水率过高时，膨胀土容易产生塑性变形和膨胀现象；
6. 膨胀土的膨胀系数与含水率、固结度、液限等因素有关，不同条件下的膨胀系数差异较大。

结论：
根据以上实验结果，可以得出以下结论：
1. 膨胀土的力学性质与含水率、密度、液限等因素密切相关，需在设计和处理过程中综合考虑；
2. 在工程实践中，应根据实际情况选择合适的处理方式，防止膨胀土产生塑性变形和膨胀现象；
3. 膨胀土的固结度和含水率应控制在合理范围内，以保证土体的稳定性和工程质量。

4. 膨胀土的膨胀系数是进行膨胀土处理及设计的重要参数，需要根据实际情况进行准确分析和计算。

参考文献：参考文献省略。

膨胀土干湿循环效应与微观机制研究

膨胀土干湿循环效应与微观机制研究一、本文概述膨胀土是一种特殊的黏性土，其独特的体积变化特性使得它在工程应用中具有重要的研究价值。

本文旨在深入探讨膨胀土在干湿循环作用下的效应及其微观机制，以期为解决膨胀土地区的工程问题提供理论依据。

文章首先介绍了膨胀土的基本特性，包括其成因、分类、分布和工程特性等。

随后，重点分析了干湿循环对膨胀土的物理性质、力学性质及微观结构的影响，探讨了膨胀土在干湿循环作用下的变形规律。

在此基础上，文章通过一系列室内外试验，深入研究了膨胀土干湿循环效应的微观机制，揭示了膨胀土体积变化的内在原因。

文章总结了膨胀土干湿循环效应的研究成果，并提出了相应的工程应用建议，以期为膨胀土地区的工程建设提供有益的参考。

二、膨胀土干湿循环效应膨胀土作为一种特殊的土类，其最显著的特征是在吸水和失水过程中发生的显著体积变化。

这种变化不仅影响了土的工程性质，还可能对建筑物和基础设施的安全稳定性造成威胁。

因此，研究膨胀土在干湿循环下的效应具有重要意义。

在干湿循环过程中，膨胀土的体积变化主要表现为吸水膨胀和失水收缩。

当膨胀土处于湿润状态时，土颗粒间的水分增加，使得土颗粒间的距离增大，导致土的体积膨胀。

相反，当膨胀土失水时，土颗粒间的水分减少，土颗粒间的距离减小，导致土的体积收缩。

这种周期性的体积变化不仅会导致土的密度、孔隙率和渗透率等物理性质的改变，还会引起土的力学性质的变化。

在干湿循环过程中，膨胀土的力学性质也会发生显著变化。

由于体积的变化，土的抗剪强度、压缩模量和变形模量等力学指标都会受到影响。

特别是在反复干湿循环下，土的抗剪强度会逐渐降低，土的压缩性和变形性会增加，使得土的稳定性降低。

干湿循环还会对膨胀土的微观结构产生影响。

在吸水膨胀过程中，土颗粒间的距离增大，颗粒间的连接变得松散，土的微观结构发生破坏。

而在失水收缩过程中，土颗粒间的距离减小，颗粒间的连接变得更加紧密，土的微观结构得到一定程度的恢复。

膨胀土裂隙生成特征研究

建材世界2016年第37卷第6期doi：10. 3963/j.issn. 1674-6066. 2016. 06. 005膨胀土裂隙生成特征研究(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070)摘要：以南京绕城高速公路路基弱膨胀土为研究对象，通过改变膨胀土的含水率，在实验室内对降雨蒸发交替作用下膨胀土裂隙开裂过程进行模拟，观测并统计分析裂隙特征的关键因素，研究不同含水率及不同循环次数对裂隙的长度、宽度、数量的影响。

研究结果表明：在一次干湿循环过程中，裂隙生成速度随时间变化先快后慢，最终达到稳定；在整个干湿循环过程中，每次循环结束时裂隙数量呈逐渐增多的趋势，在第五次干湿循环之后裂隙发育最终达到稳定。

关键词：膨胀土；干湿循环；裂隙生成；含水率Study on Cracking Development of Expansive SoilX I N Ming-ming , DU You-fu(School of Civil Engineering and Architecture»Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China.)A b s t r a c t:T'his paper takes Nanjing Ring Expressway roadbed of weak expansive soil as the research object. Bychanging the moisture content of expansive s oil in the laboratory»this paper made expansive s oi correct simulation under the action of the rainfall evaporation a lternating. T'hcn observed and sta factors of fracture c haracteristics to research the cracks rate under different moisture content of different cycle times, such as the length of the fracture，width and quantity. T'he research results showed that in a dry-wet cycle process, cracks generated quickly b efore they are slow over time and eventually achieve stability；in the whole dry-wet cycle process»the quantity of cracks appear increasing trend along with the end of each cycle gra stability at fifth dry-wet circulation.K e y w o r d s:expansive soil; dry-wet cycle; crack generate; moisture content膨胀土具有裂隙性、超固结性和膨胀性，这三种性质均与膨胀土的含水量密切相关，其中裂隙破坏了土体的整体性，对实际工程造成了最直接的危害，是工程中最棘手的问题之一。

不同失水速率下膨胀土的开裂特性研究

层膨胀土失水速率之间的关系，通过数字图像技术对裂隙几何特征进行统计分析，定量研究了薄层膨胀土失水
速率与蒸发及开裂特征参数的关系。结果表明：在裂隙发育时期，相同含水率下失水速率低的土体裂隙率与裂
隙总长更大，节点数目与裂隙条数也更多，失水速率低的土样在裂隙发育达到相对稳定状态时的含水率也更高，
１０５ ℃ 的烘箱内烘干备用。在干净烧杯中加入烘干
土体７００ｇ与蒸馏水４０２５ｇ并充分搅拌均匀，制
成初始含水率约为土体液限１４倍（即５７５％）
的饱和泥浆。将９４５ｇ饱和泥浆缓慢倒入３３０ｍｍ ×
２３０ｍｍ × ２２ｍｍ的长方体容器内，充分振荡容器去
土样进行称重与拍照时难免对其裂隙形态造成影
隙发育的影响因素，目前对外界气候条件的研究
响，同时频繁开启气候箱也会极大地干扰试样的
只针对温度或湿度等单一因素的影响，这与复杂
蒸发环境，因此本文自制了一套全过程无干扰气
的实际工程条件难以对应起来。
本文利用自制的一套蒸发条件恒定无干扰、
２０℃
３０℃
４０℃
４０
ＨＴ－１
ＨＴ－２
ＨＴ－３
ＨＴ－４
７０
ＨＴ－９
ＨＴ－１０
ＨＴ－１１
ＨＴ－１２
５５
８５
ＨＴ－５
ＨＴ－１３
ＨＴ－６
ＨＴ－１４
ＨＴ－７
ＨＴ－１５
ＨＴ－８
ＨＴ－１６
２二维数字图像处理及裂隙特征定量分析
２１二维数字图像处理
验容器为黑色，裂隙颜色便显为托盘颜色，经灰
度化处理后，裂隙像素与土块像素差异将被像素

膨胀土干湿循环试验研究

膨胀土干湿循环试验研究陈永艾;刘福春;张会平【期刊名称】《铁道工程学报》【年(卷),期】2017(034)008【摘要】研究目的:通过中等膨胀土扰动击实样品的不同干湿循环路径,进行1 ～12次的干湿循环试验,探讨抗剪强度、膨胀率、膨胀力与干湿循环路径、循环次数的关系,明确干湿循环的试验条件以及干湿循环特征循环参数,从而为膨胀土边坡稳定性分析提供干湿循环试验依据.研究结论:(1)中等膨胀土扰动击实试样的干湿循环试验,随着干湿循环次数的增加,抗剪强度随之减小,经过5次干湿循环后,抗剪强度收敛趋于稳定;(2)经干湿循环后,膨胀土的膨胀率和膨胀力均具不可逆性,随着干湿循环次数增加而随之减小,5次干湿循环后膨胀率和膨胀力收敛趋于稳定,5次干湿循环可以作为干湿循环试验的特征循环参数;(3)本研究成果可作为干湿循环的标准试验方法,为膨胀土边坡稳定性分析提供依据.【总页数】6页(P34-39)【作者】陈永艾;刘福春;张会平【作者单位】中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063;中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063;中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063【正文语种】中文【中图分类】TU414【相关文献】1.膨胀土及袋装膨胀土干湿循环试验研究 [J], 白福青;浦敏艳;朱克生2.干湿循环下钢渣微粉水泥改良膨胀土强度特性试验研究 [J], 吴燕开;李丹丹;胡兴涛;韩天;于佳丽;史可健;王浩;曹玉鹏3.干湿循环作用下膨胀土膨胀特性试验研究 [J], 舒志乐;陈昱东;宋钇宏4.干湿循环对粉煤灰改良路堤膨胀土影响试验研究 [J], 张明敏5.干湿循环下钢渣粉水泥改良膨胀土室内试验研究 [J], 吴燕开;乔晓龙;李丹丹;韩天;苗盛瑶;曹玉鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

干湿循环作用下击实膨胀土胀缩变形模拟

干湿循环作用下击实膨胀土胀缩变形模拟背景介绍膨胀土是土质结构中比较特殊的材料，其具有孔隙水分自行调节的能力，在旱涝条件的反复变化过程中，会随着水分的变化而出现膨胀变形等现象。

由于膨胀土受到外界条件（湿度）的影响，它的本构参数在干湿循环作用下会发生变化，影响着膨胀土结构的性能安全。

因此，对膨胀土进行干湿循环作用下的击实膨胀变形模拟研究就显得十分必要。

研究内容击实膨胀土的击实膨胀变形模拟主要研究内容包括：确定膨胀土受干湿循环作用下的变形规律，并利用该变形规律构建击实膨胀土的击实变形模型。

针对本次模拟变形，实验土样应具备一定的击实强度，该能力反映了膨胀土样品的自重和表面胶结力。

土质块之间耦合作用由体内毛细表面接触实现，采用Rice-Tec裂缝模型，其数学模型参数由实验室试验数据估算，以及受贯入荷载作用下模拟击实膨胀土变形。

研究方法研究采用易于实验室控制的受控条件，应用软件完成研究。

为了模拟缩短模拟时间的考虑，考虑到当体积变化发生时，单轴压缩模型不能同时反映膨胀土变形的实际状况，可以采用细解模拟技术。

在采用细解模拟的技术的同时，借助当前技术工具ABQ(Abaqus)进行模拟，其中建立膨胀土力学模型，利用其中的UEL/MAT02单元（UEL——User-Defined Element，MAT02——含有孔隙水分自行调节材料），进而建立包内分导向公式（PFD）描述膨胀变形过程，并且利用图像化处理模块DODGE进行图像化分析；其次建立网格，并设置接触约束和平衡判别等。

最后，根据温度，湿度变化规律，结合膨胀土的本构参数，确定击实膨胀土变形模拟实验条件，进行模拟试验，记录膨胀土在不同体积变化范围下的变形状态，提供研究击实膨胀变形模拟的理论依据。

结论本次击实膨胀土击实变形模拟主要在实验室控制中进行，可以通过设置特定满足实验条件，借助ABQ模拟处理软件，确定击实变形的变形特征和变形规律，从而构建击实膨胀土的变形模型，并模拟受湿度干湿循环作用下的击实膨胀变形。

干湿循环作用下石灰改良的膨胀土力学性能分析

作为一种具有特殊性质的黏土，膨胀土内部含有较多的蒙脱石、伊利石等矿物质，具有吸水迅速膨胀，失水收缩，强度迅速降低的性质，属于特殊土的范畴。

膨胀土具有较大的工程危害性，对道路、地基、边坡建设等工程建设会产生很大危害，通常情况下不能直接作为工程建设的基础填料。

膨胀土的性质导致其十分容易受到气候变化、雨水等干湿循环的影响，容易使其产生大量的内部裂隙继而形成裂隙网络，因此，在膨胀土地区建设的路基、路面、边坡等工程所造成的危害具有长期潜伏性和难预料性。

我国膨胀土范围分布广且土体众多，如果将膨胀土弃之不用，将会造成极大的浪费。

因此，在实际工程中，常常先改良膨胀土，然后再加以利用，以此来满足工程建设的需要。

1 改良剂的选择1.1 水泥改良膨胀土水泥改良膨胀土能较好地提高膨胀土的力学性能。

膨胀土中掺入水泥后，膨胀土的内部结构和化学组成发生较大变化，从而引起膨胀土的胀缩性能的改变。

水泥改良后膨胀土的物理性能改变主要体现在3个方面：团粒作用、离子交换作用、凝硬反应和碳酸反应。

当水泥与水搅拌混合后，会发生一系列水化反应生成氢氧化钙，膨胀土中的钙离子含量急剧增加，在很短时间内膨胀土中氢氧化钙就会完全饱和。

随着钙离子的释放，膨胀土黏聚力增大，从而可以达到加固土体的效果。

但随着水泥水化反应的持续进行，反应不断消耗膨胀土中的水分，因此，黏土矿物会发生不同程度的干缩和开裂，从而造成膨胀土强度下降，使得膨胀土的稳定性较差。

水泥水化反应会生成一定量的胶凝物质使土颗粒黏结起来，从而提高土体的稳定性和耐水性。

1.2 粉煤灰改良膨胀土粉煤灰属于一种人工火山灰活性材料，其能够有效改良膨胀土的膨胀潜势。

粉煤灰中含有较多的活性氧化硅和活性氧化铝，其在常温下能够与氢氧化钙发生化学反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。

从矿物组成成分上看，粉煤灰内部含有大量的光滑玻璃微珠，这种物质干湿循环作用下石灰改良的膨胀土力学性能分析樊继文叶英杰李佳欣潘梓瑶姚彤沈正陶羽杭南京工程学院，江苏南京 211167摘要：为研究膨胀土的力学特性，探究干湿循环作用下水泥、粉煤灰、风化砂、石灰等改良剂改良膨胀土的效果，本文对改良后膨胀土的力学性能进行研究分析。

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本试验使用江苏省中大医院ＣＴ科室里的西门子６４排螺旋ｃＴ仪（见图１）。该ＣＴ机具有图像质量高扫描时间短、准确率高、覆盖范围大、受辐射
、
科
学
技
术
与
工
Байду номын сангаас程
１３卷
中心处一定范围内的灰度均值作为基准点，所有循环下的ｃＴ图像均按照ｍａｔｌａｂ自编程序进行调整，
为裂隙发育、过渡、不发育三个部分的规律。关键词膨胀土ＣＴ技术三维重建ＭＡＴＬＡＢ变异系数
中图法分类号
ＴＵ４４３；
文献标志码
Ｂ
膨胀土是一种特殊性质土，具有 “ 裂隙性、胀缩
性和超固结性 ” 的特征．２Ｊ。膨胀土裂隙对房屋、桥
１．２ＣＴ试验装置
第一作者简介：袁俊平（１９７５一），男，汉族，湖北麻城人，副教授，博士。研究方向：土体基本性质和非饱和土力学。Ｅ — ｍａｌｌ：１３８５８６ｎ０９＠６３＿一。
以此减少亮度、图像尺寸对灰度值、方差的影响。
结果表明：（１）由图１０可知，图像灰度熵随着干湿循环次
表１新乡膨胀土基本物理性质指标
液限
４２．７
隙的ＣＴ观测和定量描述进行了探索，并希望以此进一步拓展膨胀土裂隙度量指标，从而深入认识膨胀土力学性质，较好地解决膨胀土边坡稳定问题。
塑限
１９．２
塑性指
自由膨
最大干密度比重
墼
２４
皇
５６．８
：！竺：：！１
１．８ｌ２．７４
２０１２年１２月５日收到，１２月２８日修改
国家自然科学基金
青年基金项目（５ｌ００８１１７）资助
＠
２０１３Ｓｃｉ．Ｔｅｅｈ．Ｅｎｇｒｇ．
干湿循环下膨胀土裂隙ＣＴ试验研究
袁俊平，杨国俊，王敏
（河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，岩土工程科学研究所，南京２１００９８
生与开展规律，描述了裂隙发育的深度；三维重建后的ｃＴ图像清晰描绘了裂隙产生一发育－贯穿的过程；定量分析了裂隙发育
程度与图像灰度均值、图像方差、灰度熵的关系，提出了以变异系数来描述裂隙发育规律，由此得出膨胀土裂隙沿深度方向分
原状膨胀土由于受结构性、不均匀性、应力历史等影响，相同试验条件下不同试样间裂隙发展差
异的可比性较差，难以分析总结膨胀土干缩裂隙发
形，使土体强度降低；另一方面裂隙的存在使沿裂
隙面和滑动面的土体强度大大降低。因此，膨胀土裂隙问题成了当今工程领域的重大问题【４＇５ｊ。到目前为止，膨胀土裂隙的观测方法有素描法、拍照法、显微镜切片法、Ｘ射线衍射法、扫描电镜
江苏省中大医院放射科。，南京２１００９８）
摘
要
为了对膨胀土裂隙进行定性、定量分析，采用６４位螺旋ＣＴ仪对重塑膨胀土在干湿循环过程中裂隙演化规律进行了
ｃＴ试验。运用ＭＡＴＬＡＢ进行图像处理，计算了裂隙图像的平均灰度值、灰度方差及灰度熵。试样的ＣＴ图像揭示了裂隙的产
第１３卷
第１２期
２０１３年４月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ１．１３Ｎｏ．１２Ａｐｒ．２０１３
１６７１ —１８１５（２０１３）１２－３５０９・０６
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
定量、无损地量测裂隙的发生发展，精度高，效果较
好；不仅可以观测到二维平面上的裂隙情况，还可
以拓展到三维条件下的裂隙情况。因此，本文对裂
ｇ／ｅａｒ和１４％，具体制样过程参考《土工试验方法
标准》。
法、ＣＴ法、电导法和超声波法等Ｊ。ＣＴ法可动态、
展演化规律。为简化问题起见，本研究从简单均匀的重塑膨胀土开始，更好的分析膨胀土裂隙。试样采自河南新乡，其基本物理性质见表１，按自由膨胀率划分为弱膨胀土。在试样制备过程中控制试样的干密度和含水率，使其接近于天然状况。采用制样器制成直径６１．８ｍｍ，高度４０ｍｍ的重塑样。试样的初始干密度和含水率控制为１．６５
１试验概况
１．１试样制备
梁、水库、道路、渠道、边坡等工程的施工和运行有着严重影响，而且这种危害往往具有长期性、隐蔽
性和渐进性Ｊ。膨胀土边坡中的裂隙发育一方面增加了土体的渗透通道，导致土体结构的湿化变