氧化铁胶体与黏土矿物的交互作用及其对黏土土性影响

以湛江黏土为研究对象,采用选择性化学溶解法,利用浸泡法、改进型渗透仪与柔性壁渗透仪除去土中游离氧化铁、无定形氧化铁和络合铁胶体,比较分析除去氧化铁胶体前后土的物理与力学性质指标、矿物成分以及结构变化特点,探讨氧化铁胶体的界面活性、胶结特性及其与黏土矿物的交互作用。结果表明,湛江黏土的结构强度受黏土矿物——氧化铁胶体的电性引力和镶嵌孔隙的氧化铁胶结状态的控制是导致其具有高灵敏性、强结构性的根本原因。氧化铁胶体对湛江黏土的水稳性、稠度、黏附性、渗透性、压缩性、灵敏性、结构强度均有重要影响。氧化铁胶体与黏土矿物的交互作用的本质并不是通过改变和破坏矿物晶格结构来改变黏土矿物性质,而是通过改变土颗粒间的联结状态及粒间力来控制微观结构形态,进而影响土的基本性质。氧化铁胶体对土性的影响程度与其赋存状态、老化结晶程度、水化程度密切相关,除了游离氧化铁、无定形态的氧化铁也是构成湛江黏土胶质联结的重要组成部分。     

填海区水化学场变异对细粒土细观结构的影响

根据物质之间的物理化学反应和平衡的基本原理,分析了赋存环境变化下地下水溶液中的化学组分与土颗粒之间胶结物以及土颗粒中矿物成分的水土相互作用反应;以及细颗粒土的双电层理论和土颗粒之间胶结作用力学机制分析了土颗粒之间的相互作用。海相沉积的细颗粒土是一种结构性土,结构性细颗粒土的细观结构是决定土体结构强度和工程特性的主要因素之一。填海环境下海相沉积的细颗粒土的赋存环境将会发生改变,地下水化学场将发生变异,地下水的pH值和化学组分的成分和浓度将发生改变。赋存环境变化下,在水土相互作用反应形成新的平衡过程中土体的细观结构将会发生改变,进而影响土体的结构强度和工程特性。     

碱污染黏土变形特性及微观结构演化规律的试验研究

以黏土在碱液环境下力学性质的改变为工程背景,研究不同浓度NaOH溶液作用下压实黏土的力学特性变化。采用压汞试验、扫描电镜试验对黏土微观结构进行观测,得到如下结论:NaOH溶液的引入将引起黏土的抗剪强度降低,引入碱液的浓度越大,剪切强度指标下降得越多,碱液质量分数从0提高到到24%时,黏土黏聚力仅为原状土的49.7%,最大抗压强度仅为原状土的25%左右;NaOH溶液的引入将对黏土颗粒进行严重的腐蚀,溶蚀其中的胶结物质,造成黏土内部总孔隙度的增加,整体呈松散结构,团聚体结构越加疏松,团体间孔隙更加分散,黏土表面的孔隙极度发育,结构松散度极高。在孔隙观测试验中,观察到碱液的腐蚀作用使得黏土体内部的小孔向大孔转化现象。     

黏土触变过程中强度恢复的微观机理

触变性是复杂的流变特性之一,它是指外力扰动导致土体强度衰减,静止后随时间增长逐渐强度恢复的现象。为了探寻黏土触变过程中强度恢复机理,开展了在长达500 d的龄期内,观测湛江黏土扰动后不同静置龄期下的无侧限抗压强度与贯入阻力,分析触变强度的恢复时间与过程,利用触变强度比率评价湛江粘土的触变性。利用扫描电镜与压汞试验,分析不同静置龄期下的结构演变规律。结果表明,湛江粘土具有明显的触变性,扰动后静置500 d后土体持有强度是其扰动后的2.58倍,但触变恢复强度仅占扰动损失强度的21.2%~23.5%。对于高灵敏性、强结构性的地基土,因施工扰动带来的强度损失引发的工程灾害不容忽视。黏土触变过程中的强度恢复主要是颗粒间引力与斥力的相互作用的力场变化使结构有分散趋向絮凝发展所导致,这一过程中结构产生自适应调整,孔隙分布均匀化发展,微观结构向亚稳定结构转变,在一定时期内表现出触变现象。     

龙泉山隧道地区地下水化学分析与侵蚀性研究

文章根据龙泉山隧道地区水化学类型,Ca2+/Mg2+、HCO3-/SO42-比值等化学参数,对该地区地下水水化学进行了分析研究,结合地下水中侵蚀性CO2分析,进一步研究了该地区地下水对铁路混凝土的化学侵蚀及环境作用。     

滑带土环剪剪切面的微观观测与分析

 滑带土的残余强度一直是边坡工程研究的重点。由于剪切面微观结构在剪切前后的变化与宏观的土体强度存在必然的联系,所以针对一古滑坡滑动带的含砂黏土进行环剪试验,采用电镜扫描技术分析剪切前后微观结构的变化,探讨微观结构与土体宏观力学特征的关系。研究表明,含砂黏土的强度特征不同于一般黏性土,没有明显应变软化特性,粗粒含量对峰后强度有比较明显的影响。剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列,微观结构发生改变,出现颗粒破碎、孔隙率提高,颗粒形状变狭长的现象,这与滑带土的宏观强度变化有密切的关系。另外,通过周长–面积法对剪切面颗粒形态的分形研究,发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征,分形维数与滑带土的残余强度指标呈线性负相关关系。     

水-岩土反应的力学与环境效应研究

 博士学位论文摘要　水2岩土反应对岩土的力学效应方面的研究。涉及力学、物理和化学三方面, 也即为地球化学与岩土力学两个研究领域的交叉。总的来说, 水2岩土反应的力学效应, 是相当复杂的, 是一个值得开拓的新研究领域。鉴于此, 本文结合国家自然科学基金项目“受力岩体渗透、水化学作用导致破坏的机理”和“珠江三角洲软粘土的结构性研究及其工程应用”, 主要开展了下列研究工作, 获得了一些成果和认识, 也提出了许多问题, 其主要目的乃至意义是开拓工程地质学及环境地质灾害学的理论、方法研究的新思路。(1) 为了研究自然界中水2岩反应对岩石的宏观力学效应, 在常温常压、不同循环流速条件下, 对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩、砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验;(2) 较系统地开展了水2岩反应之岩石断裂力学效应的试验, 在常温常压、不同循环条件下, 对不同水化学溶液化学作用下不同岩石(两种花岗岩和两种砂岩) 的K Ic值和COD 断裂力学指标及抗压缩指标的历时效应进行了研究;(3) 基于上述的试验及分析, 对水2岩反应的力学效应的机理及定量方法进行了较系统的探讨;(4) 研究了非饱和土中的广义吸力2湿吸力和结构吸力, 探讨了非饱和土有效应力原理和强度理论;(5) 对水2土反应的物理力学效应做了一次尝试性试验, 探讨了水2土反应之土力学效应的机理;(6) 探讨了水2岩土反应环境力学效应的研究思路、研究方法及其应用。通过上述的研究, 得到了如下主要成果和认识:11 分析了水2岩土反应力学效应的研究意义、研究特点及研究方法, 全面地提出要重视此领域的研究, 并展望: 水2岩土的化学作用对岩土力学性质的影响, 是岩土力学中亟待开拓的研究领域, 此方面的研究及其应用将直接导致地质灾害研究领域中新认识的出现, 并在地质灾害机理、防法研究和环境地质研究等方面具有广泛的应用前景。21 通过分析水化学作用的岩石宏观力学效应的特点及机理, 发现:①岩石的化学损伤与水2岩化学反应强度成正比;②水2岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间依赖性;③影响岩石化学损伤的主要因素有: 岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学性质、岩石的结构成物质成分空间分布的不均匀性、水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史五个因素。31 水2岩反应之断裂力学效应试验的结果及分析表明:①水2岩反应的断裂力学效应是显著的, 具有历时效应, 而且不同的水化学溶液、不同的岩性、不同的浸泡方式及不同的水溶液流动速率, 对岩石断裂力学指标及尖全比的影响存在着很大差异;②水2岩反应的断裂力学效应和抗压缩性效应存在一致性;③水2岩反应强度高的力学效应比反应强度低的要大, 红色砂岩的> 灰色砂岩的> 花岗岩的;④岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水2岩化学作用力学效应的一些关键离子或物质成分, 尤其是含铁离子的矿物的作用对水2岩反应具有正反两方向的力学效应。41 认为渗透、水化学综合作用对岩体裂隙扩展、变形和破坏的力学效应及其机理方向的问题的研究和解决, 是真正关系到岩体断裂力学应用于岩石力学的关键问题之一。在试验中, 提出了化学损伤和断裂力学效应的尖全比概念, 试验证实了尖全比的存在性, 对其进行了分析, 并认为对尖全比的理论研究具有重要的理论与实际意义。51 由水2岩反应力学效应的试验结果, 可得出如下一般性结论:①水化学作用造成岩石的损伤是存在的具是相当严重的, 仅从力学原理或有效应力原理来考虑水对岩石的力学效应是远远不够的, 而应考虑水2岩化学作用对岩石的化学损伤这样复杂的过程;　②水2岩化学作用之力学效应的历时效应的特点意味着, 水2岩反应是一个动力系统, 研究岩石的化学损伤时不仅要分析水2岩反应的力学效应的现状及未来的变化, 而且要清楚其发展历史。61 认为水2岩反应力学效应是不同尺度之间的多重耦合和相互作围, 是一种非线性动态过程, 其机理很复杂。本文对其进行了较系统地分析及探讨, 首次提出并运用考虑化学损伤的断裂力学理论方法分析了水2岩反应的力学效应, 初步提出了化学破坏模型及定量方法研究途径。71 在非饱和土力学研究中, 提出并阐述了湿吸力的概念, 分析了非饱和土的孔隙水压力或基质吸力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别, 探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素。认为结构吸力象湿吸力一样也是随含水状态及水溶液化学性质的改变而变化, 并由此提出了可变结构吸力和本征结构吸力的概念, 探讨了可变结构吸力的性状。基于щукнн的土结构强度理论, 分析了可变结构吸力的计算方法, 讨论了可变结构吸力的测试方法。研究表明: 对可变结构吸力除受土含水状态或饱和状态的影响外, 还受土颗粒几何结构的影响; 结构吸力结构参数N 与湿吸力结构参数D 存在内在联系。81 指出在研究非饱和土的有效应力时, 要研究的是随饱和状态而变化的湿吸力和可变结构吸力, 而且必须对湿吸力和可变结构吸力分别进行研究, 然后将其综合成广义吸力及广义有效应力, 形成非饱和土广义有效应力原理。91 指出并分析了现有有效应力公式、原理及强度理论中所存在的概念问题。分别基于湿吸力和可变结构吸力概念, 分析并给出了狭义有效应力公式, 建议了非饱和土的状态分类及相应的狭义有效应力原理。给出了B ishop 有效应力公式中经验参数X的表达式并明确解释了X 的物理意义、适用范围及影响因素。基于广义吸力, 提出了全新的非饱和土广义有效应力公式和广义有效应力原理。探讨了非饱和土的抗剪强度理论, 分析了A 1w 1B ishop 和D1G1F redlund 的非饱和土抗剪强度理论的主要问题。在广义吸力及广义有效应力基础上, 给出了非饱和土的广义抗剪强度公式, 其附加强度项中的状态变量及参数物理意义明确。101 研究表明土的结构及广义吸力不仅随着其受力的过程而变化, 而且随着水2土化学反应过程及其物理化学成分的变化而变化, 因此, 提出: 非饱和土变形理论的研究, 首先应采用细观土力学方法, 然后上升到宏观及应用。111 概述了土的组织和土体的组构以及水2土化学作用力学效应的重要性。通过土与水溶液反应后的力学效应的不同特征的分析, 探讨了水2土反应的正的力学效应和负的力学效应的机理。试验结果表明, 士在不同水溶液或不同浸泡状态下, 其水2土化学反应后的液限和塑限有不同的值, 存在着正负两个方向的力学效应。对水2土反应的力学效应的机理进行了分析, 认为具有力学效应的水化学作用主要有: 溶蚀作用、沉淀或结晶作用和阳离子交替吸附作用三种, 并分别对其进行了探讨。此试验结果及分析的意义在于, 使我们认识到可以通过水与土的化学反应达到调控土的物理力学性质, 以改良土质, 防治环境地质灾害的目的。121 认为化学对岩土力学的渗透, 将丰富岩土力学的研究内容, 使岩土力学的研究与应用更加贴近实际。将水2岩土化学作用与地质灾害等岩土体稳定性联系起来, 强调此方面是环境地质研究中一个值得开拓的新研究领域, 认为水2岩土反应的力学效应及环境力学效应存在正负西方面的效应, 在重视研究其负效应的同时, 还要强调正效应对环境力学及地质灾害的重要性。遵循此思路, 对于环境力学及地质灾害与防治研究, 提出并探讨了这样一个研究思路:①地质环境监测中要加强水2岩土化学反应方面的信息监测及追踪研究;②通过调整地下水流动系统来改变水2岩土反应;⑤利用水2岩土化学作用来改良土质及岩体力学性质;④可以而且应该更多地通过分析水2岩土化学作用的过程, 综合利用地质环境中水2土相互作用的规律来达到预防、控制和治理地质灾害。本文全面地提出, 要重视此领域的研究。     

大气氧化致诱黏性土土性异变现象及其机理

关注了常温、常压、常态的大气环境下黏性土土性发生缓慢异变现象。以湛江黏土为研究对象,在大气氧化影响下,土色由青灰色、绿灰色变为淡黄棕、黄棕色;颗粒团聚程度增强,塑性、膨胀性、收缩性、灵敏性、结构屈服强度皆有所降低。大气氧化对土性改造使其力学性质有所强化,但因结构强度的减损对其力学稳定性的影响是长期的,且潜在危害较大。通过建立结构概化模型讨论了大气氧化致诱黏性土土性异变机理,大气环境诱发氧化还原环境变化,水-土-大气间的化学反应与运动影响颗粒间作用力改变,导致结构单元体联结形式更改进而重塑微观结构形态,控制土体的稳定性状态。氧化反应促使土中铁离子的化合价升高,在浓度梯度与土颗粒表面吸附能的作用下发生迁移并伴随着胶体态氧化铁的老化反应向晶质态发展,由#x0201c;混铁#x0201d;变为#x0201c;包铁#x0201d;为主的存在形式,微观结构变为低塑性的、物理接触的、弱结构强度的散凝结构。该研究可为因环境变化引起的地质灾害、工程灾害的预防、控制和治理提供了一定的理论支持。     

花岗岩红土游离氧化铁对其胶结特性影响的试验研究

花岗岩红土是华南地区广泛分布的一种区域性特殊土，游离氧化铁是影响其胶结特性的重要因素，研究游离氧化铁含量变化对土胶结强度的影响具有重要意义。以广州典型的花岗岩红土为研究对象，采用盐酸淋溶方法去除胶结物，对淋溶前后的土样分别进行直剪试验及含量分析，在此基础上探讨去胶结前后土强度的变化规律。研究表明：随着游离氧化铁含量的降低，土体的抗剪强度呈下降趋势，通过对胶结强度与游离氧化铁含量进行回归分析，其结果具有明显的二项式特征。胶结强度与含水量呈负相关性，与胶结物含量具有正相关性，以含水量和游离氧化铁含量为自变量，胶结强度为因变量，通过二元回归分析，建立的胶结强度算式，能较好地反映土胶结强度水平，具有一定应用价值。     

不同气候环境下黄土胶结性状的试验研究

黄土作为一种常见的非饱和土天然地基,由于其特殊的胶结结构,往往较常规粉土或粉质粘土的粘聚强度高。为了研究黄土胶结物赋存状态和组成类型及气候环境对其的影响,本文选取我国甘肃、陕西两省5处黄土作为研究对象,采用全分散法和半分散法对每种试样进行溶解处理,对处理后的土悬液进行粒集形态和粒径分析。试验结果表明:经半分散法处理后的土悬液上层水体清澈,灰色碎屑颗粒沉淀在容器底层,分层明显;经全分散法处理后的土悬液由于试验过程中破坏了土颗粒中的内、外胶结单元,呈现出明显的溶胶状态,分层不明显;在全分散法处理后的土悬液中提纯出粒径小于0.005 mm的黏粒,分别对其进行矿物组成、碳酸钙、易溶盐、离子交换量等进行测试。分析表明:处于干燥干旱地区的ZY、DX、GG黄土,胶结物以黏土矿物和微晶碳酸钙组成为主,处于湿润多雨的QZ、WG黄土,胶结物以黏土矿物为主,并且五处黄土的胶结能力自西向东依次增强。     

游离氧化铁对红粘土工程特性的影响

本文针对鲁布格工程选定的残坡积红土的生成条件,主要矿物组成,化学成分以及组成红土集合体的基本粒组、胶结原因、多孔结构等问题进行了初步的试验研究,从而对红土的低容重、高含水量、高强度等工程特性产生的原因进行了分析。     

环境同位素和水化学在堤坝渗漏研究中的应用

首先分析了环境同位素和水化学在堤坝渗漏分析研究中的基本原理，作为天然示踪剂，环境同位素和水化学标记着地下水、河水和降水。通过对比地下水与河水、雨水的同位素和化学成分，确定这几类水之间的水力联系，从而判别地下水的补给源、渗漏区的位置与范围、地层的性质等。在3个实例中，运用环境同位素和水化学得出了许多有益的结论，并且这些结论也通过其它方法得到了验证。在堤坝的渗漏研究中，环境同位素和水化学是一个很有价值的工具，运用它可以得出许多直观的结论，并最终对防渗加固有一定的指导作用。     

土中结合水对红黏土抗剪强度特性的影响机制

通过室内红黏土试样的直剪试验和等温吸附试验,探讨了含水量对红黏土抗剪强度的影响,并对红黏土中吸附结合水含量和类型进行了测定和划分,阐释了结合水影响红黏土强度特性的微观机制。结果表明:(1)红黏土吸附曲线可分为稳定吸附阶段(RH<0.908,此阶段主要吸附强结合水),强吸附阶段(RH=(0.908, 0.976),这一阶段主要吸附弱结合水),吸附平衡阶段(RH>0.976);(2)红黏土的抗剪强度值与黏聚力均随含水量增加呈先增后减的趋势,且均存在临界含水量,R1和R2分别约为23.0%和12.0%(与各自的土中结合水总含量接近),内摩擦角则随含水量增加不断减小,呈一阶线性负相关;(3)红黏土强度的改变是土中各种微观作用力共同作用的结果,当土中吸附水主要为强结合水时,颗粒间的水膜连结力和胶结作用力增大,宏观表现为黏聚力增大,抗剪强度增大;(4)随着土中自由水的出现,结合水膜变厚,水膜连结力减弱,同时胶结作用也被破坏,黏聚力下降,抗剪强度减小。     

Role of Fly Ash on Strength and Microstructure Development in Blended Cement Stabilized Silty Clay

This paper presents the role of fly ash on strength and microstructure development in blended cement stabilized silty clay. Its strength was examined by unconfined compression test and its microstructure (fabric and cementation bond) by a scanning electron microscope (SEM), mercury intrusion porosimetry (MIP), and thermal gravity (TG) analysis. The flocculation of clay particles due to the cation exchange process is controlled by cement content, regardless of fly ash content. It increases dry unit weight of the stabilized clay with insignificant change in liquid limit. This results in irrelevant difference in optimum water content (OWC) for the unstabilized and the stabilized clay since OWC of low swelling silty clay is mainly controlled by liquid limit. It is found from the microstructural and the strength test results that the reactivity of fly ash (pozzolanic reaction) is minimal, which is different from concrete technology. This is possibly due to less amount of Ca(OH)₂ to be consumed. The role of fly ash in cement stabilization is to disperse the large clay-cement clusters into smaller clusters. Consequently, the reactive surfaces to be interacted with water increase, and hence the cementitious products (inter-cluster cementation bond). To conclude, the strength development in the blended cement stabilized clay is controlled by cementitious products due to combined effect: hydration and dispersion. Cementitious products due to hydration are governed by cement content, while cementitious products due to dispersion by fly ash content and fineness. Water content of 1.2OWC and 10% replacement ratio are regarded as the effective mixing condition for the stabilization, exhibiting the highest cementitious products.     

湛江强结构性黏土的三轴排水蠕变特征

 利用GDS应力路径三轴试验系统,开展不同围压下湛江强结构性黏土的三轴固结排水剪切蠕变试验,获得其轴向应变、体应变与应力和时间的关系,分析蠕变性状的结构性效应,建立相应的蠕变模型。结果表明,湛江黏土的蠕变变形演化特征受其强结构性制约,其蠕变特性的敏感程度与结构性强弱相关联。在低偏应力下,其蠕变变形和变形速率均较小;偏应力超过临界值后,土体在短时间内发生破坏。湛江黏土在?3＜?k时,其体变性状总体上表现为剪缩,但随时间变化出现一定的剪缩和剪胀交替性,即存在回弹现象;而当?3≥?k时,则表现为剪缩。蠕变引起的强度衰减主要表现为黏聚力的降低,且 77.63%。采用6元件扩展Burgers模型能较好地描述湛江黏土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变3个阶段。在实际工程中,必须对土的结构性给予充分的认识,在较低应力范围内,可以利用其结构性的有利因素,但设计荷载严禁超出结构屈服应力。     

红粘土的水—土作用力学效应试验研究

对红粘土试样进行物化分析试验和常规室内试验,结果表明该土样结构为铁质胶结,胶结物主要为针铁矿,且土样含水量高、孔隙比大、塑性高。对不同含水量的试样进行直剪强度试验,在三种垂直压力作用下,红粘土的抗剪强度都随含水量的升高而减小。对经过不同pH值的Al（NO3）3溶液和Fe（NO3）3溶液浸泡后的试样进行直剪试验,结果显示...     

Thixotropic mechanism of clay: A microstructural investigation

Clays with high sensitivity exhibit varied degrees of thixotropic characteristics. Previous research has been focused on dilute suspensions, but only a few studies have investigated normal clay with water contents lower than the liquid limit. Given the limited studies performed, the thixotropic behavior of clays and the underlying mechanism remain ambiguous, particularly in the microscopic scale. In this study, samples of Zhanjiang clay from southern China were used to elucidate the thixotropic process. The samples were agitated and then subjected to unconfined compressive strength and pocket penetrometer tests, scanning electron microscopy, and mercury intrusion porosimetry to evaluate their regain strength and microstructure. After 500 d of thixotropy, the strength of the Zhanjiang clay was 2.58 times higher than that after the disturbance and significantly higher than that of the other clays reported in the literature. These findings provide evidence that thixotropy is a process in which the dispersed structure is transformed into a flocculent structure through the homogenization of the pore size distribution caused by particle movement. This phenomenon may be due to the changes in the interaction of attractive and repulsive forces between particles. Given the experimental findings, a thixotropic mechanism for clay is proposed. This study will be beneficial for predicting the strength of disturbed soils.