水位下降条件下西安D7裂缝土体孔隙变化特征试验

为研究压缩性土体在孔隙水压力下降下所引起的孔隙变化特征,选取孔隙度及分形维数作为评判指标,以西安D7地裂缝两侧可压缩性土层为研究对象,借助三维CT扫描成像技术,依托Matlab计算平台及VG Studio Max图像处理软件,对在水位下降过程中可压缩性土体压缩变形引起的孔隙度和分形维数孔隙变化进行定量评价,并探讨了固结压缩过程中土体孔隙分形维数的变化规律及其影响因素。研究表明:孔隙度随压缩进行大幅降低,由压缩前4.36%降至0.61%;土体分形维数与孔隙度、上覆压力均呈线性相关性,相关系数分别为0.947 2和0.966 0;而且分形维数可以很好的表征孔隙分布特点,是孔隙度的有效补充;通过分析土样孔隙度与分形维数关系,为后期建立区域上地裂缝—地下水开采耦合模型提供参数赋值基础。     

基于SEM图像处理的天然硅藻土分形特征分析

为探讨天然沉积硅藻土的微观结构及变形机制,对硅藻土样进行了SEM电镜扫描、压汞试验和高压三轴试验。采用图像分割原理及最佳阈值法分析了天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形特征和孔隙结构特征参数,探讨了硅藻土分形维数和各向等压固结压力之间的关系。结果表明,硅藻土体多孔隙,具有很强的结构性。土中孔隙孔径大多在0.1~1.0 μm之间。在固结压力达到屈服压力后,孔径大于1 μm的较大孔隙随固结压力的增加而减少,硅藻颗粒破坏,孔隙结构坍塌。获取了灰度阈值及二值化后的SEM图像。得到天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形盒子数和盒维数。结果还表明分形盒维数随固结压力增加而增加,天然沉积硅藻土在固结压力下的微观结构性及孔隙分布可通过分形盒维数来反映。     

济南浅层地基微观结构及分形特征研究

天然沉积土的宏观力学特性与微观结构紧密相关,研究土体微观结构对深入揭示土的宏观力学特性具有重要意义。首先研究济南地区深度在50 m以内黄河冲积地层天然沉积土的物理力学参数分布特征,再采用场发射扫描电镜试验,分析各土层不同方向土样的微观结构特征,最后应用分形理论,研究各层土分形维数的演化规律及其与物理特性参数间的相关性。结果表明:第(7)层黄土是以粗粉粒为主体骨架的蜂窝状大孔隙结构,第(8)层粉质黏土是碎屑粉粒为骨架的蜂窝结构,第(9)、(10)和(11)层粉质黏土是以黏粒集合体为基本单元的薄层状絮凝结构。不同土层土体土粒和孔隙的分形行为明显,随着地基深度增大,土粒和孔隙的分布分维数均逐渐加大,形态分维数均逐渐减小,土粒的粒径变化比孔隙的孔径变化明显,而孔隙的形态变化比土粒复杂。土体的分维数与含水率、孔隙比、液塑限、黏聚力和内摩擦角之间存在较强的相关性。     

湿地湖泊相黏土一维固结压缩特性宏微观试验研究

湿地湖泊相黏土是一种特殊的区域性软弱土,其物理力学性质和压缩性质与一般软土的物理力学性质和压缩性质有很大区别。为探究湿地湖泊相黏土的固结压缩特性及其机理,对湿地湖泊相黏土进行一维固结压缩试验,同时采用扫描电镜和计算机图像处理软件,提取不同固结压力下土体的微观结构参数,对土体微观结构的变化进行定性和定量分析。结果表明:湿地湖泊相黏土具有较明显的结构强度;由于结构强度的影响,原状土的压缩性明显小于重塑土的压缩性;当固结压力超过结构屈服应力后,原状土的结构强度逐渐丧失;在固结压缩过程中,微观结构参数的变化规律在固结压力达到结构屈服应力前后发生改变,曲线形态呈“二段折线”形式;在固结压力达到结构屈服应力前后,湿地湖泊相黏土土骨架的动态重组是土体压缩性发生改变的根本原因。在固结压缩过程中,孔隙的形态特征和定向排列特征变化较大,而颗粒的形态特征变化较小但定向排列特征变化较大,颗粒和孔隙通过不同的方式对土的压缩性产生影响。研究成果可为相关地区的地基处理工程提供借鉴参考。     

网纹红土孔隙特性研究

土内孔隙形状、大小及分布是土的结构组成的重要因素,对与土体体积相关的总体工程行为起着重要的作用。利用基于气体吸附的全自动比表面积分析仪,研究了网纹红土的孔隙形态、比表面积、孔容、孔径分布与孔隙的分形特性。研究表明:网纹红土由片状矿物构成,孔隙形态以窄缝状为主;比表面积为20.9 m2/g;网纹红土所含黏土矿物主要为高岭石;孔径小于3 150的总孔容主要由27~1 958的中、大孔构成;孔径分布以41,130,180,350孔分布最优,平均孔径为1 415;孔隙分布具有分形特征,分形维数为2.7与2.8。研究该土体孔隙特征对于土的工程性质有着重要的指导意义。     

基于分形理论的饱和土孔隙水压力计算模型

孔隙水压力是一种作用于土体孔隙间的应力,其定量分析对于探究土体的抗剪强度等力学性能有着至关重要的作用。传统的孔隙水压力计算方法忽略土体内部孔隙中流体流动及流量变化对孔隙水压力的影响,导致计算结果偏小。为修正此计算误差,基于孔隙数目-尺寸分形模型,推导出土颗粒材料孔隙度与分形维数之间的演化公式,并结合孔隙水流动方程及压力方程推导出饱和土孔隙水压力与分形维数、孔隙水压缩模量及孔隙间流量变化之间的函数关系。并使用此孔隙水压力计算公式对饱和黏土边坡进行数值分析验证公式准确性及实用性。所得公式可用于饱和土体的有效应力及抗剪强度计算修正,并可应用于饱和土体宏观-微观的多尺度液相-固相耦合渗流分析。     

基于ABAQUS的红黏土地基排水固结沉降分析

针对红黏土地区地基排水固结过程的复杂性,对红黏土地基排水固结沉降进行数值分析。采用大型通用有限元分析软件ABAQUS/Standard中的固结计算模块Soils和自带的修正剑桥模型,以某铝厂的改造工程项目为算例,对红黏土地基中的沉降随时间的变化规律、孔隙水压力消散规律、孔隙比随深度的非线性分布以及土体的有效应力增长进行了研究。研究表明:计算结果与土力学规律吻合,能准确反映红黏土地基固结沉降的实际情况,可为红黏土地基上的建(构)物改造工程地基处理和工程设计提供参考。     

双层超固结软黏土地基一维非线性固结分析

本文通过引入固结土层孔隙比与固结压力和渗透系数之间的非线性经验模型，建立双层超固结饱和软黏土地基非线性固结控制方程，并基于半解析法，编制了相应的计算程序。利用该程序，针对不同排水条件、变荷载、自重应力沿深度实际分布等条件分析双层超固结饱和软黏土地基一维非线性固结性状。计算结果表明，双层超固结软黏土地基比正常固结软黏土地基沉降小、固结发展快。荷载的大小、上下土层先期固结压力、土体压缩性和渗透性的变化等对双层地基的固结性状均有明显影响。     

软土堤基固结沉降预测的数值仿真分析

针对青草沙水库软土堤基固结沉降需持续若干年,为了研究分析软土堤基的固结沉降值及其规律性,本文利用大型通用有限元软件ADINA精细地建立了2-D Solid平面应变单元,含地下水的土体变形计算必须考虑孔隙水压力与土体变形之间的关系。依托青草沙水库工程,软土堤基采用多孔介质的岩土本构模型(土体骨架属性和孔隙水属性),岩土体双向排水,随着孔隙水压力不断消散,堤基不断固结沉降,根据数值仿真计算来研究分析堤基固结沉降的过程及规律,同时利用现场水库堤基的沉降监测数据作对比分析,能够准确地预测堤基沉降达到稳定时所需固结时间及最终固结沉降值。     

人工冻融海相黏土微观孔隙特征试验研究

针对海相黏土的强结构性,结合微观孔隙特点,定量分析了压汞试验海相黏土冻融及压缩前后进汞压力与进汞增量的变化关系,获得了4种工况下的土体孔径、孔表面积的定量变化规律。结果表明,原状软黏土经冻融、压缩作用后孔隙分布发生改变,各类孔隙在数量分布上也发生改变,部分较大的孔隙破裂分解成中小孔隙,或部分小孔隙连通成狭长的中大孔隙,孔隙变化情况复杂;同冷端温度条件下冻融及压缩后,孔径-对数进汞增量曲线对应峰值处,最大进汞增量及对应孔径差异较大;对于冻融后的压缩土,在外荷载作用下,峰值处对应的最大进汞增量均降低约50%,孔径与进汞压力为负对应关系。     

用粒径的数量分布表征的土壤分形特征

应用计算机图像分析技术，对6个典型土样测定土壤颗粒的等效直径和分布规律，给出用粒径的数量分布表征的土壤分形维数。结果表明：土壤颗粒的粒径分布具有一定的统计分形特征，分维数的数值反映了粒径大小和分布的均匀程度。分维数愈大，土壤颗粒的粒径愈小，细粒含量愈高，质地愈不均匀；土壤颗粒在单一粒级分布的集中程度对分维数的数值有重要影响，单一粒级的颗粒含量愈高，分维数愈大。计算机图像分析技术为土壤的分形研究提供了一种精确、简便的实验和分析方法。     

冲击荷载作用后软粘土的再固结

围绕“动静结合排水固结法”课题，对冲击荷载作用下软粘土性状进行了试验研究，重点分析了排水条件对土体固结和再固结的影响。指出孔压上升与再固结体应变的唯一性关系，这为饱和软粘土地基在冲击荷载作用下附加沉降量的计算提供了一个简单的思路。并指出经多遍冲击再固结土体的强度可大大提高。     

饱和土的变渗透系数固结理论及其合理性验证

饱和土体的固结过程伴随着土骨架的压缩和孔隙水的排出,其孔隙比及渗透系数随固结过程不断减小,但当前的Biot和Terzaghi固结理论均没有考虑固结过程中孔隙比及渗透系数的变化。这种处理方法对于压实土地基的固结过程来说,计算结果与实际相差甚微,但对于孔隙比很大的欠固结软黏土层、尾矿堆积层以及淤地坝库区的固结沉降来说,计算结果与实际过程的差异则会很大。首先建立土体固结过程中孔隙比与体应变的关系式,再利用渗透系数与孔隙比的关系式建立了渗透系数与体应变的关系式,最后利用弹性力学的几何方程得到渗透系数与单元位移的关系式。将这一关系式代入Biot固结理论,即得到变渗透系数固结理论,并在COMSOL中实现了求解计算。理论分析和数值计算表明：变渗透系数固结理论能够反应固结过程中因孔隙比减小造成的孔压消散缓慢、沉降速率降低的客观现象;土体初始孔隙比越大,体应变越大时,修正的渗透系数对固结过程的影响越大;渗透系数的减小只影响固结过程,不影响固结计算的最终结果。     

变荷载下饱和软黏土一维大应变固结解析理论

基于软黏土一维非线性大应变固结基本理论，建立了能考虑荷载变化、土层自重等因素影响的拉格朗日坐标下以超静孔压u为变量的一维大应变固结控制方程，并通过对土体压缩性和渗透性的假定获得了方程的解析解。基于此解，分析了单级等速加荷条件下软黏土一维大应变固结性状。从中可见，大应变固结过程中土体变形的发展要快于超静孔压的消散；荷载增大，超静孔压消散趋慢；加荷速率越大，土体固结越快；考虑土层自重影响时孔隙比的分布更为合理。此外，本文的解析解也可用于验证各种大应变固结数值解法的正确性。     

珠海地区软土微观结构类型及定量分析研究

随着我国沿海地区的高速发展,大型地下及地上建筑不断涌现,这些建筑大都坐落于分布广泛的海积软土之上,而与此有关的软土工程问题愈来愈突出。软土的工程性质很大程度上取决于微结构的变化。本文通过对珠海地区具有代表性的软土微观结构进行分析和研究,获取珠海地区软土的微结构类型和特点;对不同固结压力条件下试样的SEM图像进行定量分析,揭示了土体发生变形的宏观机制及土体在受力过程中具有逐渐破损的变形规律,以指导工程实践。     

冲击荷载下饱和软黏土的孔压和变形特性

利用室内动力固结试验装置，对淤泥质饱和软黏土施加冲击荷载，分析在不同围压下施加不同的冲击能量时试样所受的冲击应力、孔隙水压力和轴向变形，发现锤重和落距的组合是影响冲击应力的主要因素。试验表明，轴向变形与冲击次数之间呈对数一双曲线关系，孔隙水压力与冲击次数之间呈单纯的双曲线关系。将室内试验结果同现场测试资料对比表明，模型能较好地模拟现场强夯法处理饱和软土地基。     

Impact of consolidation pressure on contaminant migration in clay liner

Consolidation deformation occurs in clay liners under the self-weight of wastes at a simple garbage dump or dredged sediment dump, which leads to a decrease in the porosity. However, the migration of contaminants in clay liners is influenced by the porosity. Thus, the impact of consolidation deformation of clay liners on the migration of contaminants cannot be ignored. Based on Biot’s consolidation theory, the contaminant migration theory, and consideration of the three kinds of migration mechanisms of convection, diffusion, and adsorption, a one-dimensional migration model of contaminants in deforming porous media was established, and the finite difference method was adopted to obtain the numerical solutions for an established initial-boundary value problem. The impact of consolidation pressure on the migration law of a contaminant was studied. The results show that, regardless of adsorption modes, different consolidation pressures have similar impacts on the migration law of the contaminant. Namely, over a certain migration time, the greater the consolidation pressure is, the smaller the migration depth of the contaminant. The results also show that, while the migration time increases, the impact of a certain increment of consolidation pressure on the variation of contaminant concentration with the depth increases gradually and, while the migration depth increases, the impact of a certain increment of consolidation pressure on the variation of the contaminant concentration with time increases gradually.