重塑Q2黄土微观结构研究

对陕西蒲城电厂不同干密度试样的重塑Q₂黄土微观结构进行对比测试,研究了重塑Q₂黄土的微观结构特征。微观结构定性定量分析表明:随干密度增大,重塑Q₂黄土孔隙的大小明显变小,而数量明显增多;微观结构定量参数随干密度的变化呈现较好的线性关系,随干密度增大,Q₂黄土的灰度熵、欧拉数和孔隙的面积比例、圆形度、定向度、分布分维减小;而颗粒的面积比例、圆形度、定向度、分布分维将增大。相对于干密度相同的原状Q₂黄土,重塑Q₂黄土孔隙数目增多,颗粒和孔隙的圆形度增大。     

基于图像处理的Q3黄土的微观结构变化研究

 黄土地质灾害的发生与黄土的微结构特征息息相关。针对黄土微结构图像定量分析中存在的问题,对原状及循环荷载作用后Q3黄土的微观结构特征进行研究。首先探讨SEM图像处理中的降噪和分割方法,将Lee图像增强算法应用于图像的降噪处理,将FCM聚类方法应用于灰度图像的分割,在此基础上计算循环荷载作用前后Q3黄土的孔隙面积、孔径、圆度、形态比等参数。结果表明：(1) 通过SEM图像表观特征的分析可知,在动应力的作用下,大孔隙数目减少,颗粒排列逐渐密实,接触关系也逐渐由点接触变为面接触;(2) 通过对孔隙面积、数量变化的分析可知,循环荷载产生的变形主要由于大孔隙破坏造成;(3) 通过对孔隙定向分布特征的研究可知,原状黄土的孔隙具有定向特性,在循环荷载的作用下,孔隙的定向性发生改变;(4) 通过对孔隙形状分布特征的研究可知,在动应力作用下,土颗粒发生转动,部分孔隙连通性受损。本研究可为揭示土体宏观受力的变形机制提供依据。     

人工土固结过程中微观结构效应研究

通过定量分析固结人工土的微观结构,研究非黏土矿物与黏土矿物对土体微观结构(颗粒和孔隙)变化的影响。经ESEM图片比对分析后发现:非黏土矿物长石试样颗粒较大,粒间大多以面-面连接,结构较致密,加载后,大颗粒碎散成小颗粒,颗粒平均粒径减小,圆形度提高,颗粒定向性变化较大而其分布分维数呈现下降趋势;黏土矿物高岭土试样颗粒较小,粒间大多以边-边、边-面连接,孔隙较多,加载后,团聚现象明显致使颗粒平均粒径增大,圆形度降低,孔隙也逐渐向团聚单元体内部孔隙转变,在加载初期(p<100 kPa),颗粒与孔隙的定向概率熵与分布分维数均明显下降,之后趋于稳定。     

干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究

为了明确天然及干湿循环状态古土壤的细微观特性及力学性质变化情况,揭示细微观结构变化与宏观力学性质的相关关系,并区分古土壤与黄土间存在的差异性。基于此,从银西高铁早胜三号隧道取古土壤试样,分别利用X射线衍射、扫描电镜及核磁共振技术,从矿物成分、孔隙特征、接触形式及弛豫时间等几方面对不同条件下古土壤的细微观特征及力学特性进行了系统研究,并同黄土的已有研究成果进行了对比。认为:古土壤主要以石英、长石、方解石等矿物为主,在微观层面表现出凝块、集粒发育,以间接接触、面–面接触为主,微小孔隙占比较大,颗粒趋于类圆形,分布相对集中的特点。而在细观层面核磁共振结果表现为反演良好、三峰分布、一主两次的T_2谱分布形式;但随着干湿循环的进行,粒间接触形式由面–面接触逐渐过渡为边–面接触,最后发展为边–边或点–面的形式。同时,微小孔隙所占比例逐渐减少,大中孔隙含量逐渐增加,颗粒丰度值不断增加,分形维数逐渐减小。在细观尺度上,T_2谱主峰仍占到绝大多数,且随着循环次数增加,图谱峰值大致增加,谱图不断右移,谱面积逐渐增大,与循环次数呈现良好的相关关系。同时,微、细、宏观相互作用使得土体黏聚力、内摩擦角随干湿循环的进行表现出负相关关系,而无荷膨胀率则表现出一定的正相关;将试验结果与黄土试验结果对比,发现古土壤中石英含量较少,伊利石含量较多,方解石含量最多;微孔隙所占比例较大,小孔隙比例较小,大中孔隙含量相当;颗粒分布相对集中,形状趋于圆形。     

基于微结构量化的含渐变带天然黄土渗透各向异性研究——以延安新区Q1黄土为例

为研究含渐变带天然黄土的渗透各向异性特征，以含黄土层(L19)、古土壤层(S18)以及两者之间渐变带(S18Z)的早更新世(Q₁)黄土为例，获取了各土层在0°，45°，90°方向的饱和渗透系数，并计算了相应的孔隙度nm、形状系数F、形态分维数D、概率熵Hm等微观结构参数，分析了微观结构参数对渗透系数的影响。结果表明：(1)除概率熵外，孔隙和颗粒的微观结构参数均具有各向异性特征，渐变带土层的微观结构特征与相邻土层存在显著差异；(2)各土层沿沉积方向渗透系数均最大、渗透能力随渗流时间衰减最快，沿垂直沉积方向渗透系数均最小、渗透能力衰减最慢；(3)微观结构参数对各土层渗透系数的影响程度均表现为nm>F(孔隙)>F(颗粒)>D(孔隙)>D(颗粒)>H_m(孔隙)≈H_m(颗粒)，其中孔隙度对渗透性能的贡献约可达到30%；(4)渐变带土层的渗透性能最差，水分易在渐     

不同黏粒含量粉土的微观结构研究

粉土在中国广泛分布,粉土液化现象的发生与粉土微观结构息息相关。将粉土的宏观抗液化特性与微观结构特征结合起来,分析了不同黏粒含量粉土微观结构的变化规律。利用扫描电子显微镜(SEM)获取不同黏粒含量粉土的微观结构图像并运用Image-Pro Plus(IPP)图像处理软件对粉土微观参数进行计算和分析。结果表明,随着黏粒含量逐渐增加,粉土内部结构逐渐紧密,颗粒接触方式由直接线或面接触转变为点接触,孔隙类型由架空孔隙向镶嵌孔隙转变;孔隙面积随孔径增大而增大,微、小和中孔隙的数量随黏粒含量的增加先增大后减少;随着黏粒含量的增加,微、小和中孔隙形态基本保持不变,但大孔隙的丰度和分形维数显著增加,结构的复杂程度增加。通过不同黏粒含量微观结构的变化规律,揭示了黏粒含量对粉土微观结构的影响以及粉土宏观抗液化特性的微观机制。     

黄土显微结构特征与震陷性

黄土的动力学性质与其微观结构有着密切的关系,而黄土显微结构特征因生成地质环境和应力历史的不同有较大差别,其中,架空孔隙的大小,颗粒粒径分布,颗粒类别均是黄土产生残余应变的主要内因,它们直接影响到黄土结构的力学稳定性。本文基于西安、宝鸡、山西、兰州、通渭、永登、会宁等地黄土的电镜照片,用图像处理软件获取相关参数,并将其与震陷系数进行对比分析研究,结果发现,架空孔隙面积,粒径偏斜度和粒径分布峰值与黄土震陷系数具有较好的相关性。为此,作者将架空孔隙面积与粒径偏斜度之和定义为表征黄土震陷性大小的“微结构特征参数”。进而结合对不同地区黄土孔隙排列方式、颗粒特点及其胶结程度等的分析,按照震陷性强弱提出了较为简单的黄土微结构分类方法。     

某黏性土压缩性与微细结构形态之间关系的研究

从土体内部结构形态角度分析了黏性土压缩性影响因素。通过微细结构光学测试系统拍摄了七组压缩性不同的黏性土的微细结构图片,并提取了相应的微细结构量化参数;运用多元线性回归法对黏性土的压缩系数和各微细结构量化参数进行关联性分析,从而确定了各微细结构要素对黏性土压缩性影响的大小。研究表明:粘性土的压缩性与颗粒的形态、分布及排列、孔隙的分布情况密切相关。一般来说,颗粒的分布分维、定向度、圆度越小,土体的压缩性就越低,抗压性能就越好。     

黄土震陷变形特征的细观分析*

 黄土在我国广泛分布,黄土的震陷性是黄土地区的主要灾害之一。本课题将黄土的震陷变形特征与微观结构特征有机地结合起来,分析土结构性在地震荷载作用下的变形破坏机理。通过电镜扫描分析手段,对Q3震陷性黄土的微结构特征、颗粒形态等进行了分析,探讨了中大孔隙对黄土震陷的影响,揭示了黄土的显微结构与震陷系数及震陷的临界动应力的关系。     

干湿循环作用下压实黄土动强度性质试验研究

为了解干湿循环作用下压实黄土动强度的变化规律,对不同干湿循环路径的试样开展土动三轴试验和扫描电镜试验,得到不同干湿循环次数下压实黄土的动强度和微观结构图像。结果表明:压实黄土的动强度和动强度指标随干湿循环次数增加先减小再逐渐增大,受干湿循环幅度影响,曲线的转折点明显不同;动强度指标劣化度随干湿循环次数增加先增大再减小,甚至出现负值;临界干湿循环次数n_c是压实黄土整体结构损伤和整体结构强化的界限,不同干湿循环幅度的临界干湿循环次数不同。干湿循环过程中土样的宏观与微观结构特征表明,增湿过程孔隙数量不断增多和减湿过程土样表面及内部出现裂隙导致了压实黄土结构损伤和动强度降低;土颗粒结构向镶嵌结构发展,孔隙结构向均匀小孔隙演化和基质吸力使土样趋于密实是结构强化和动强度提高的主要原因。     

Microstructural properties and compressive strength of lime or/and cement solidified silt: a multi-scale study

Because of its poor engineering properties, silt often needs to be treated to meet the design requirements. Solidification using binder is one of the most common methods to improve the engineering properties of silt. Lime or/and cement are often used to treat silt. However, the mechanical properties of soil are closely related to its microstructure. Although much research has been done on the mechanical properties and stabilization mechanism of lime or/and cement solidified silt, the multi-scale research between the microstructure and macroscopic mechanics properties of solidified silt has received no attention. Therefore, in this paper, unconfined compression, mercury intrusion, and scanning electron microscope (SEM) tests were conducted on lime, cement, and lime and cement mixtures (LC) solidified silt. The microstructure parameters of particle, pore, and contact zone were extracted from SEM images. Meanwhile, the effect of curing time and binder dosage on the microstructure parameters was analyzed. In addition, the relationship between micro-parameters and macro-mechanical strength was established. The results showed that the particle diameter, particle area, contact zone diameter, and contact zone area increased with increasing curing time and binder dosage, while the pore ratio, fractal dimension of particle size distribution (PSD), and fractal dimension of contact zone size distribution (CZSD) decreased with increasing binder dosage. The unconfined compressive strength (UCS) decreased with the increase of particle roundness, pore area, pore diameter, pore ratio, and fractal dimension of PSD, and increased with increasing fractal dimension of pore size distribution (PPSD). In addition, there were no obvious relationships between UCS and pore roundness, contact zone area, and fractal dimension of CZSD.

     

西宁地区不同深度原状黄土湿陷性及微观机理研究

通过室内浸水压缩试验对不同深度西宁地区原状黄土的湿陷性进行了研究,并结合扫描电子显微镜（SEM）和颗粒及裂隙图像识别分析系统（PCAS）,分析了不同埋深、不同上覆压力下的原状黄土湿陷性与内部微观结构的关系。结果表明：土体内部的大孔隙,架空结构及大量的直接点接触是本地区黄土具有湿陷性的内部条件;随着埋深的增大,在相同上覆压力及浸水条件下,湿陷性有逐渐减小的趋势,而在相同埋深情况下,在一定范围内,随着上覆压力的增加并给予浸水条件,黄土的湿陷性有着明显的提高,证明了外部荷载和浸水是黄土发生湿陷性的外部条件。     

冻融黄土微观结构变化规律及分形特性研究

季冻区黄土微观结构性研究是冻融环境下黄土工程机理劣化分析的关键科学问题之一。本文对不同冻融循环次数作用的原状黄土进行扫描电镜试验,采用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)结合分形理论,定量分析陕西咸阳原状黄土颗粒微结构特征。结果表明:随着冻融次数的增加,土颗粒排列、形态、尺度分布等特征参数呈现规律性变化,概率熵减小,分形维数增大;平均形状系数、面积概率分布指数、颗粒分布分形维数先减小后增大,在冻融循环5次时出现最小值。研究表明:冻融循环过程中,由于土中水相变化及冷生结构形成,土颗粒偏转,颗粒排列方式改变;胶结力弱化,集粒经历了碎屑开始剥落及完全分离的两个过程,土颗粒的形态、尺度分布发生变化,形成新的结构体系。     

原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析

通过对西安Q_3原状黄土在封闭系统冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,研究了冻融作用对原状黄土微观结构和强度的影响。试验表明:冻融过程中原状黄土微观结构发生显著变化,大颗粒集粒数量明显减少,小粒径土颗粒所占比重增加,孔隙面积比增加。进一步基于损伤力学理论,得到微观结构冻融损伤度随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏黄土体的结构强度,但多次冻融后黄土体结构强度趋于稳定的残余强度。冻融过程土样表面结构发生破坏,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重。粘聚力随冻融次数增加呈指数衰减趋势,且含水率越高,粘聚力衰减幅值和速率越小;粘聚力随含水率增加表现出线性衰减特征,且冻融后粘聚力与含水率的变化规律近似重合;内摩擦角无明显规律性变化。粘聚强度冻融损伤系数随冻融次数增加呈指数增加趋势,随含水率升高有增大趋势。基于试验数据规律性,进一步提出了原状黄土粘聚强度劣化模型,该模型经试验验证可较好描述原状黄土粘聚强度劣化规律。     

南水北调中线膨胀土/岩微观特征及其性质研究

对南水北调中线工程典型的强、中膨胀土/岩开展室内土工试验与X射线衍射试验,研究了其矿物成分及与胀缩性指标的关系,利用扫描电镜SEM图像进行了微观结构的定性分析,并基于MATLAB软件对孔隙和微结构单元体的微观特征进行了定量化研究,探讨了不同类型膨胀土/岩的颗粒形态、结构类型、裂隙分布等微观特征及其与工程特性的关系。结果表明：膨胀土/岩中的蒙脱石等黏土矿物含量高,强膨胀土/岩以絮凝结构,扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主,中膨胀土/岩以紊流状、粒状堆叠结构为主,片状聚集体与单粒体并存,前者微裂隙发育且定向性明显,孔隙比大,孔隙分形维数与颗粒尺寸小于后者。膨胀土/岩微结构单元圆形度低,复杂度高。膨胀岩定向排列特征显著,颗粒分形维数小,颗粒分形维数与膨胀潜势和孔隙比的变化规律一致。微观组分和结构特征与物性指标分别呈线性关系与负指数幂关系。     

黄土剪切蠕变特性试验研究

 通过对陕西杨凌地区Q3黄土的直接剪切蠕变试验,研究原状、重塑和饱和黄土的蠕变特性。结果表明：原状、重塑和饱和黄土均具有蠕变特性;相同试验条件下,饱和黄土的蠕变速率最快,蠕变变形量最大,重塑黄土次之,原状黄土蠕变现象较不明显。根据蠕变曲线形态特征,建议一种对数型蠕变模型;选用分数线性蠕变模型模拟杨凌地区Q3黄土的剪切蠕变特性,经验证,该模型能很好地描述杨凌地区Q3黄土的剪切蠕变特性。另外,基于试验数据,拟合出剪切模量和法向应力、时间的关系,为确定剪切模量提供一条新途径。