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學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

陳少壯

201608020910

土木工程

男

2016

禹樂詩

201608020904

土木工程

女

2016

劉大順

201608021134

土木工程

男

2016

鄒嘉瑤

201708020237

土木工程

男

2017

郭嘉坤

201708020211

土木工程

男

2017

指導(dǎo)教師

曾鈴

職稱

講師

項目所屬

一級學(xué)科

土木工程

項目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

已完成的科研課題：

1.長沙理工大學(xué)學(xué)生科技立項項目：在低溫狀態(tài)下輕集料混凝土的吸水性與吸濕性研究

項目負(fù)責(zé)人：陳少壯    指導(dǎo)老師：周德泉

2.長沙理工大學(xué)學(xué)生科技立項項目：國學(xué)對塑造大學(xué)生健全心理和提高道德素質(zhì)的必要性研究

項目參與人：劉大順    指導(dǎo)老師：鐘武強(qiáng)

學(xué)生科研情況介紹：

陳少壯，長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)16級學(xué)生，曾參加李傳習(xí)教授團(tuán)隊國家自然基金項目，多次參加結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽、數(shù)學(xué)競賽、百科知識競賽等，具有較豐富的專業(yè)知識儲備，曾獲得長沙理工大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽校級一等獎，長沙理工大學(xué)材料與地質(zhì)知識競賽三等獎等，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識，曾參加2014、2015年山東省數(shù)學(xué)競賽，并分別獲省一、二等獎。

禹樂詩，長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)16級學(xué)生，學(xué)習(xí)成績排名專業(yè)第一，曾參與學(xué)習(xí)李傳習(xí)教授團(tuán)隊國家自然基金項目，有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識。大一期間參與獲得長沙理工大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽三等獎，獲得長沙理工大學(xué)數(shù)學(xué)競賽三等獎。

劉大順，長沙理工大學(xué)土木工程專業(yè)16級學(xué)生，學(xué)習(xí)成績年級前列，積極參加學(xué)校的科技立項活動及長沙理工大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，取得了校級三等獎的成績，并在巖土實驗室做了一學(xué)期助理，有較強(qiáng)的動手能力。

郭嘉坤，長沙理工大學(xué)土木工程專業(yè)17級學(xué)生，學(xué)習(xí)成績優(yōu)異，積極參加學(xué)校舉辦的科技創(chuàng)新活動，具有較強(qiáng)的動手實踐能力，高中階段參加省航模競賽獲得三等獎，有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識。

鄒嘉瑤，長沙理工大學(xué)土木工程專業(yè)17級學(xué)生，學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀，積極參加學(xué)校舉辦的創(chuàng)新活動、實驗操作與技能競賽，具有較強(qiáng)的動手能力，對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形及強(qiáng)度特性有濃厚的興趣。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

曾鈴博士，從事非飽和土滲流及邊坡穩(wěn)定性方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，主持了1項國家自然青年科學(xué)基金（51508040），參與了“十二五”國家科技支撐課題子課題（2014BAC09B01-02）、湖南省科技計劃重點項目等國家、部級項目，指導(dǎo)本科生完成了大學(xué)生科技立項1項（結(jié)題優(yōu)秀，校級一等獎）。已經(jīng)發(fā)表了與本試驗結(jié)果有聯(lián)系的學(xué)生論文數(shù)篇，鑒于此，邀請曾鈴老師作為本項目的指導(dǎo)教師。

指導(dǎo)老師主持的課題：

1.國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目，51508040，炭質(zhì)泥巖路堤動力濕化變形及損傷失穩(wěn)機(jī)理研究，2016/01-2018/12，20萬元，在研，主持人：曾鈴

2.長沙理工大學(xué)土木工程重點學(xué)科創(chuàng)新性項目，12ZDXK08，2015/01-2016/12，4萬元，結(jié)題，主持人：曾鈴

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1 研究和試驗的背景

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南地區(qū)，是由軟弱灰?guī)r、砂巖、頁巖和頁巖互層等沉積類巖石構(gòu)成的地質(zhì)體。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖作為路堤填筑材料既可極大地降低工程造價并能較好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，已在廣西、云南等省高速公路工程中推廣應(yīng)用。經(jīng)推廣應(yīng)用發(fā)現(xiàn)其水理性強(qiáng)、強(qiáng)度低、易崩解，在季節(jié)性反復(fù)降雨后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖產(chǎn)生持續(xù)崩解及強(qiáng)度劣化，堵塞路堤排水管道，導(dǎo)致路堤內(nèi)部處于荷載與浸水環(huán)境，產(chǎn)生超限變形，甚至引發(fā)路堤失穩(wěn)（如圖1），危害行車安全。因此，為避免或減少炭質(zhì)泥巖路堤失穩(wěn)等災(zāi)害，有必要全面深入地研究荷載與浸水條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形及強(qiáng)度變化特征。

圖1 荷載與浸水條件下炭質(zhì)泥路堤失穩(wěn)現(xiàn)象

2 研究和試驗的目的

通過試驗的實施，可以獲知荷載與浸水共同作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形特性及強(qiáng)度規(guī)律，進(jìn)而得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度與變形的關(guān)系。研究成果將為炭質(zhì)泥巖路基變形機(jī)理及長期變形預(yù)測方法研究和炭質(zhì)泥巖分布地區(qū)的路基設(shè)計、建設(shè)、維護(hù)提供試驗和理論依據(jù)，具有一定的理論價值及現(xiàn)實意義，且對提高學(xué)生的科研興趣及動手能力具有促進(jìn)作用。

3 試驗實施的內(nèi)容

(1) 濕化變形裝置的設(shè)計。通過對西南地區(qū)炭質(zhì)泥巖路堤失穩(wěn)案例進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)荷載與干濕循環(huán)是路堤失穩(wěn)的重要原因，需要設(shè)計可以對試樣施加荷載的濕化變形裝置。該裝置由三部分組成，第一部分為試驗裝置，試驗裝置為底部設(shè)有排水孔的合金圓筒；第二部分為加載裝置，加載裝置為放置在底座上的杠桿加載儀；第三部分為測量裝置，測量裝置為兩個端部設(shè)有百分表的支架。

(2) 正交試驗方案的制定。正交試驗是研究多因素多水平的一種科學(xué)設(shè)計方法，可高效、快速、經(jīng)濟(jì)地分析出各因素對試驗結(jié)果的影響。首先確定壓實度、含水率、豎向荷載、浸水時間及循環(huán)次數(shù)為五個因素，每個因素取4個水平；再在正交試驗軟件中輸入相應(yīng)的因素與水平；最后可以得到5因素4水平下的正交實驗表。

(3) 濕化變形試驗實施與數(shù)據(jù)的獲得。在完成前文所述的兩個實驗步驟實的基礎(chǔ)上，在公路工程試驗中心試驗大廳進(jìn)行預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖濕化變形試驗。首先對濕化變形裝置進(jìn)行調(diào)平，調(diào)節(jié)試驗儀器左端杠桿上的調(diào)平砝碼的位置，使之與未加砝碼前右端杠桿保持平衡，并用螺母將其固定；其次，將制好的試樣裝入試驗裝置內(nèi)，并對試樣進(jìn)行加載，同時按照試驗方案進(jìn)行浸水與循環(huán)；再之，將百分表安裝在加載蓋上，并將百分表的指針調(diào)零，注意預(yù)留試樣的變形量，通過百分表的讀數(shù)連續(xù)記錄試樣豎向變形量。最后，對得到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合正交試驗原理分析各因素對濕化變形的影響。

(4) 直接剪切試驗的實施與數(shù)據(jù)的獲得。在完成上述的三個實驗步驟實的基礎(chǔ)上，取濕化變形后的試樣進(jìn)行直接剪切試驗。整個剪切試驗的操作步驟嚴(yán)格按公路土工試驗規(guī)程（JTG E40—2007）的要求執(zhí)行。收集并處理剪切試驗的數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度特性，最后得到抗剪強(qiáng)度對變形之間的關(guān)系。

4 試驗解決的主要問題

通過本項目試驗的實施，擬解決以下2個問題：

(1) 炭質(zhì)泥巖水理性強(qiáng)、強(qiáng)度低、易崩解，在季節(jié)性反復(fù)降雨后，路堤內(nèi)部處于荷載與浸水環(huán)境，易產(chǎn)生超限變形，甚至引發(fā)路堤失穩(wěn)，危害行車安全。因此，本項目通過試驗的方式獲得荷載與浸水條件下的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形特性成為本試驗解決的主要問題之一。

(2)炭質(zhì)泥巖的強(qiáng)度對路堤穩(wěn)定性有重要影響，荷載及浸水條件可導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，而絕大多數(shù)路堤失穩(wěn)都是由于土體抗剪強(qiáng)度不足引起。本項目通過應(yīng)變控制式直剪儀測試濕化變形試驗后的試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分析得到炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性及其與變形的關(guān)系，成為本實驗解決的主要問題之二。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南地區(qū)，其作為路堤填料已被推廣應(yīng)用^[1]，季節(jié)性反復(fù)降雨使路堤內(nèi)部處于荷載與浸水狀態(tài)。已有研究表明，荷載及浸水條件可導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而產(chǎn)生超限濕化變形，且絕大多數(shù)路堤失穩(wěn)都是由于土體抗剪強(qiáng)度不足引起^[2-3]。炭質(zhì)泥巖路堤失穩(wěn)等災(zāi)害與填筑材料的強(qiáng)度劣化及超限變形密切相關(guān)，有必要全面深入地研究荷載與浸水條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形及強(qiáng)度變化特征。因此，許多學(xué)者分別采用現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等方法對公路路堤變形及強(qiáng)度特性進(jìn)行了深入的探討。現(xiàn)將路堤變形及強(qiáng)度特性方面國內(nèi)外學(xué)者目前所從事的研究工作進(jìn)行簡要的介紹。

國內(nèi)外學(xué)者針對巖土體的濕化變形已作大量研究，王輝^[4]、遲世春^[5]等學(xué)者認(rèn)為濕化變形這個概念最早來源于土石壩等水利工程，指土石料填筑體在一定應(yīng)力狀態(tài)下浸水，由于部分顆粒浸水軟化破碎以及浸水潤滑顆粒接觸等原因而使顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重新排列，從而產(chǎn)生變形，并使土體中的應(yīng)力發(fā)生重分布的現(xiàn)象；談云志等^[6]認(rèn)為路基土體變形主要包括壓縮變形及增濕變形兩部分，壓縮變形一般會趨向穩(wěn)定，而因受季節(jié)性的氣候反復(fù)作用，增濕變形將不斷累積，路基土體的后期沉降主要取決于由于含水率變化所產(chǎn)生的增濕變形；劉新喜等^[7]對復(fù)雜應(yīng)力下的強(qiáng)風(fēng)化軟巖濕化變形進(jìn)行了試驗研究，認(rèn)為提高路基填土的壓實度可有效減少濕化變形；鄒德高^[8]、楊貴^[9]等利用數(shù)值模擬的方法研究了巖土體的濕化變形，為相關(guān)工程設(shè)計提供一定參考依據(jù)；毛雪松等^[10]、馮蕊^[11]等通過原位試驗及現(xiàn)場監(jiān)測對巖土體的變形進(jìn)行了深入研究，并取得了卓有成效的研究成果；Liu Xinrong^[12]、Wang L L^[13]等依次針對巖土體的浸水變形開展了大樣本的室內(nèi)試驗研究，得到了不同類巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并初步掌握了相關(guān)巖土體變形特性的一般規(guī)律。申請者所在研究團(tuán)隊也在炭質(zhì)泥巖填筑路堤的變形方面開展了許多研究工作，筆者^[14-17]采用數(shù)值模擬方法研究了各種降雨條件下炭質(zhì)泥巖路堤邊坡的穩(wěn)定性，并探討了降雨強(qiáng)度、土體飽和滲透系數(shù)、土體飽和含水率等降雨入滲參數(shù)變化條件下炭質(zhì)泥巖路堤暫態(tài)飽和區(qū)時空響應(yīng)規(guī)律。同時還開展了炭質(zhì)泥巖-土分層路堤在浸水條件下的滲流及變形特征試驗，為研究復(fù)雜條件下的炭質(zhì)泥巖路堤濕化變形規(guī)律提供了技術(shù)及經(jīng)驗積累。除此以外，還有許多學(xué)者針對巖土體的變形特性開展了許多研究工作，得到了一些有益的結(jié)論。

抗剪強(qiáng)度是土體的重要力學(xué)性質(zhì)，它的準(zhǔn)確確定在土的工程性質(zhì)分析中尤為重要。由于強(qiáng)降雨過程中負(fù)孔隙水壓力的消失和干濕循環(huán)等因素導(dǎo)致的土體強(qiáng)度的降低，路堤失穩(wěn)等工程問題時有發(fā)生。國內(nèi)外學(xué)者針對巖土體的抗剪強(qiáng)度也進(jìn)行了大量研究，吳珺華^[18]、Ulusay R^[19]、劉文華^[20]等進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下不同巖土體的抗剪強(qiáng)度試驗研究，對干濕循環(huán)前后巖土體的強(qiáng)度進(jìn)行了對比，表明干濕循環(huán)后巖土體的抗剪強(qiáng)度均有一定程度的下降；Zhang B Y ^[21]、劉翔^[22]等利用三軸儀分別對粗粒料和花崗巖全風(fēng)化土濕化變形后的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，得到了不同圍壓、不同濕化應(yīng)力水平下的濕化情況及軸變與體變間的變化規(guī)律。分析表明，試樣在濕化過程中均產(chǎn)生了軸變與體變，并且經(jīng)濕化變形后產(chǎn)生了各向異性。當(dāng)初始有效圍壓相同時，各濕化應(yīng)力水平下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值近似相等，與干樣相比，濕樣的黏聚力c值減少明顯，內(nèi)摩擦角φ值變化不大。

綜上所述，國內(nèi)外針對巖土體的變形及強(qiáng)度特性研究雖取得了較為豐碩的成果，促進(jìn)了巖土體濕化變形及抗剪強(qiáng)度相關(guān)理論的發(fā)展，但仍有一些問題有待研究。首先，現(xiàn)有研究主要針對粗顆粒、膨脹土、風(fēng)化土等巖土體，而關(guān)于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖濕化變形與抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)實驗、數(shù)值計算及理論研究卻鮮有報道，尤其關(guān)于抗剪強(qiáng)度與濕化變形關(guān)系的研究寥寥可數(shù)，且預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖與其他類巖土體的變形與強(qiáng)度存在顯著差異，例如，其水理性強(qiáng)，高溫、降雨交替作用后表面快速剝落，強(qiáng)度迅速降低，適用于其他類巖土體的相關(guān)理論并不一定適用于炭質(zhì)泥巖，室內(nèi)試驗試樣尺寸小，費用低，是獲取大樣本數(shù)據(jù)的優(yōu)選方法，因此可通過室內(nèi)試驗對其性能進(jìn)行研究；其次，季節(jié)性降雨使得路堤經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，長期處于荷載與浸水條件下，對邊坡的變形和穩(wěn)定產(chǎn)生不可忽視的影響^[11~12]，而關(guān)于荷載與浸水條件下巖土體變形特性及強(qiáng)度規(guī)律的研究較少，因而有必要研究各因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形特性及抗剪強(qiáng)度的影響。

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本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

曾鈴老師主講《土力學(xué)》課程時，介紹了降雨對公路與存在荷載將對預(yù)崩解炭質(zhì)產(chǎn)生很大影響的范例，使用視頻及圖片的方式使試驗小組了解到目前炭質(zhì)泥巖等具有崩解特征的軟巖將大量的被運用于路堤填筑工程中，但在荷載與浸水條件下炭質(zhì)泥巖的變形和強(qiáng)度還需要進(jìn)一步研究。通過課后與指導(dǎo)老師的交流，激發(fā)了課題組成員對荷載與浸水條件下的物理力學(xué)特性變化產(chǎn)生了濃厚興趣。

本項目學(xué)生主要為2016級與2017級土木工程大類的本科生，雖然都處于低年級學(xué)生，但已經(jīng)有三位學(xué)生都分別參加了各類校級科研課題與科技立項，獲得了校級一等獎，并有兩名同學(xué)曾參加過李傳習(xí)教授團(tuán)隊國家自然基金項目，有一名同學(xué)曾在巖土實驗室做了一學(xué)期助理，有較強(qiáng)的動手能力與實驗素養(yǎng)。

第1承擔(dān)人陳少壯在周德全老師的指導(dǎo)下主持完成了課外科技立項項目（2017年科技立項），“在低溫狀態(tài)下輕集料混凝土的吸水性與吸濕性研究”，該項目主要通過試驗完成。另外，還參與了長沙理工大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽（2016屆），培養(yǎng)了試驗動手能力，對試驗儀器的操作比較熟悉，為本試驗的開展提供了技術(shù)支撐。

第2承擔(dān)人禹樂詩于2017年參與完成了長沙理工大學(xué)學(xué)生科技立項項目“斜拉荷載作用下擴(kuò)底樁的工程性狀”具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識及數(shù)據(jù)處理能力，也將為本次試驗的實施提供技術(shù)保障。

第3承擔(dān)人劉大順在鐘武強(qiáng)老師的指導(dǎo)下負(fù)責(zé)了課外科技立項項目（2017年科技立項），“國學(xué)對塑造大學(xué)生健全心理和提高道德素質(zhì)的必要性研究”，并巖土實驗室做了一學(xué)期助理，有較強(qiáng)的動手能力。

項目的創(chuàng)新點和特色

國內(nèi)外學(xué)者單獨針對巖土體的濕化變形或抗剪強(qiáng)度已作大量研究，其成果促進(jìn)了巖土體濕化變形及抗剪強(qiáng)度相關(guān)理論的發(fā)展，但考慮荷載及干濕循環(huán)共同影響的炭質(zhì)泥巖路堤的變形和強(qiáng)度特性研究鮮有所見，綜合分析，本項目的主要創(chuàng)新之處有：

（1）現(xiàn)有研究主要針對粗顆粒、膨脹土、風(fēng)化土等巖土體，而關(guān)于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖濕化變形與抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)實驗、數(shù)值計算及理論研究卻鮮有報道，尤其關(guān)于抗剪強(qiáng)度與濕化變形關(guān)系的研究寥寥可數(shù)，且預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖與其他類巖土體的變形與強(qiáng)度存在顯著差異，例如，其水理性強(qiáng)，高溫、降雨交替作用后表面快速剝落，強(qiáng)度迅速降低，適用于其他類巖土體的相關(guān)理論并不一定適用于炭質(zhì)泥巖，因此，炭質(zhì)泥巖復(fù)雜的物理、力學(xué)性質(zhì)則成為項目的特色之一。

（2）季節(jié)性降雨使得路堤經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，長期處于荷載與浸水條件下，對路堤的變形和穩(wěn)定產(chǎn)生不可忽視的影響，而關(guān)于荷載與浸水條件下巖土體變形特性及強(qiáng)度規(guī)律的研究較少，因而同時考慮荷載與浸水等多因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形特性及抗剪強(qiáng)度的影響成為本項目研究的特色之二。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

1 技術(shù)路線

(1)試驗流程與規(guī)范

試驗流程：

方案設(shè)計→試驗實施→數(shù)據(jù)處理→項目結(jié)題。

試驗規(guī)范：

[1]  中華人民共和國交通部. JTG E40—2007 公路土工試驗規(guī)程[S]. 北京：人民交通出版社，2007

[2]  中華人民共和國交通部. JTG D30—2015 公路路基設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2015

本項目的技術(shù)路線如圖2所示：

圖2  技術(shù)路線圖

(2)試驗方案設(shè)計

本項目的實施主要包括四個部分，分別為正交試驗方案的制定、濕化變形裝置的設(shè)計與制作、濕化變形試驗實施與數(shù)據(jù)的收集、處理及分析、直接剪切試驗的實施與數(shù)據(jù)的獲得。以下便主要從這四個方面進(jìn)行詳細(xì)說明。

①正交試驗方案設(shè)計

正交試驗是研究多因素多水平的一種科學(xué)設(shè)計方法，可高效、快速、經(jīng)濟(jì)地分析出各因素對試驗結(jié)果的影響。它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設(shè)計是分式析因設(shè)計的主要方法。以3水平3因素為例，均勻試驗須進(jìn)行33次共27次試驗，而利用正交設(shè)計原理，只需要進(jìn)行9組試驗，9個試驗點分布見圖3。

圖3  試驗點分布圖

表1 試驗因素水平

水平

因素

壓實度

含水率

豎向荷載/kPa

浸水時間/h

循環(huán)次數(shù)

I

92%

6%

0

0

0

II

94%

10%

50

24

1

III

96%

14%

100

48

2

IV

98%

18%

200

72

3