陕西蒲城黄土微观结构特征及定量分析

 利用Quanta环境扫描电镜对陕西蒲城电厂各土层黄土特别是Q2黄土试样进行微观结构测试,得到大量微观结构图片。针对黄土的微观结构特征,提出骨架颗粒的连接可分为直接点接触、直接面接触、间接点接触及间接面接触4种形式。微观结构定量分析表明,随着深度的增加,各土层黄土的灰度熵、颗粒和孔隙的数量、圆形度等没有明显的变化规律;颗粒的面积比例、定向度、分布分维逐渐增大;而欧拉数、孔隙的面积比例、定向度、分布分维逐渐减小。研究表明,Q3和Q2黄土微观结构特征与其湿陷性具有较好的相关性。     

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。     

矿物成分对软土强度性质的影响分析

通过X射线衍射分析法定量分析珠江三角洲软土的矿物组成,并采用乙二醇乙醚吸附法(EGME法)测试人工土样与天然土样的总比表面积,研究黏土矿物与非黏土矿物对土体强度特性变化的影响。经分析后发现:黏土矿物(如蒙脱石)通常为片状颗粒,具有很大的比表面积,故吸附的结合水膜较厚,颗粒间的直接接触点较少,颗粒间由结合水膜连接的胶结作用明显,粒间由于易于错动而形成润滑摩擦,表现为抗剪强度与内摩擦角低,黏聚力高;非黏土矿物颗粒(如石英)通常为粒状或针状,比表面积小,吸附水膜较薄,黏聚力较低,粒间大多为直接接触使得摩擦角增加,从而其强度得以增加。     

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。     

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。     

软土真空预压处理有效性的宏微观分析

 地基处理前分析软土宏微观性质对预测真空预压法处理的有效性具有重要意义。通过室内宏微观试验,对珠海金湾地区软土矿物成分、比表面积,以及固结前后的微观结构、孔隙特征等进行分析和研究,得出土体结合水量、强度指标等影响真空预压法处理效果的关键因素。研究结果表明,珠海金湾软土黏土矿物成分含量不高,且黏胶粒占50%,比表面积较黏土矿物小;颗粒呈曲片絮凝状叠聚体,固结变形后出现团聚现象,孔隙压密,无颗粒破碎形状变化;微孔隙尺寸分布主要为400 nm＜r＜2 500 nm,固结后试样的累积进汞量大幅减小,且大孔隙变成小孔隙。说明土体的结合水量不高,含较多的自由水,且内摩擦角变化不大,而黏聚力有较大的增长,真空预压法处理效果明显。     

高温焙烧后黏土孔隙与力学特征研究

 为研究温度作用后黏土孔隙与力学参数变化规律,以不同温度作用后黏土为研究对象,主要采用压汞法、单轴压缩试验,着重分析其孔隙度、渗透率、体积分维数、单轴抗压强度、普氏系数变化规律。得到以下结论：试样中孔隙开放孔较多,孔隙连通性较好,孔隙主要以500 nm～1 000 nm为主;试验温度范围内,大孔总体积随温度的升高而增大,100 ℃～650 ℃之间,微孔总体积随温度的升高而增大,650 ℃以后,随温度的升高而减小;100 ℃～700 ℃之间孔隙度随温度的升高而增大,700 ℃以后有所减小;采用Menger海绵体模型和热力学模型得到的体积分维数随温度的升高整体减小,而采用热力学方法得到的孔隙分维值更能表征试样孔隙特征;100 ℃～700 ℃之间渗透率随着温度升高而增大,700 ℃以后有所减小;100 ℃～400 ℃之间,单轴抗压强度和普氏系数基本维持不变,400 ℃～700 ℃之间,两者随温度的升高快速增大,700 ℃以后,两者随温度的升高而减小,这与试样内部矿物的转变密切相关。     

强电场作用下极细颗粒黏土渗流特性分析

采用常水头渗流法试验,利用数据直流电源提供强电场,研究极细颗粒黏土的渗流的电场效应,在相同试验条件下完成了人工高岭土与人工膨润土按一定比例混合的试样的渗流特性测试。测试结果表明,外加电场对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着电场强度的升高,试样的渗透系数呈先减小后增大的趋势;在相同的电场强度下,试样的渗透系数会随着时间逐步变化,最终趋于稳定。对有无电场作用下渗流后的试样分别进行压汞试验,测试结果表明,在强电场作用下黏土颗粒产生重新排列,从而改变了孔隙结构和尺度,使渗透系数有所增加。试验结果分析认为,电场作用下,黏土颗粒和孔隙水都会产生极化现象,土颗粒和水分子在这种静电力作用下作定向排列,从而改变了试样的孔隙分布情况和孔隙水的粘度,进而影响孔隙水渗流特性。     

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。     

水力梯度对黏土渗透性影响的试验研究

渗透性是土体的重要工程性质之一,其受孔隙率、颗粒粒径及流体性质等诸多因素影响,但通常认为与水力梯度无关。现采用研制的刚性壁固结渗透装置,对经不同固结压力固结的黏土试样,进行先逐级施加水压、后逐级卸除水压条件下的固结和渗透试验。试验结果表明,水压加载时,受渗透力的影响,孔隙比和渗透系数均随水力梯度增大而减小,理论分析验证了递增水力梯度下渗透系数测试值变化趋势的合理性。水压卸载时,孔隙比不变,但渗透系数随水力梯度减小而继续减小,主要与颗粒堵塞和弱结合水相关,水力梯度较大时弱结合水处于流动状态,水力梯度递减后,弱结合水处于黏滞状态,孔隙导水能力下降,渗透系数降低,基于试验数据的线性拟合式显示降幅可达初始值的一半。     

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。     

人工冻融软黏土微观孔隙变化及分形特性分析

为探讨软黏土融沉及压缩特性的微观机理,以宁波地区软黏土为研究对象,采用冻融、压缩和压汞试验,对冻融和压缩前后的软黏土微观孔隙分布及变化进行了研究。取原状土、融土、压缩原状土、压缩融土4种土样分别进行压汞试验,提出孔径划分方法,结合分形理论对冻融软黏土微观孔隙变化进行分析,研究了软黏土的孔隙分布特征,并采用容量维数对孔体积分布和孔表面积分布进行计算,分析了冻融及压缩前后颗粒接触及孔隙变化。研究结果表明:软黏土冻融后孔体积和孔表面积均增大;原状土和融土压缩后孔体积和孔表面积均减小,软黏土的孔体积和孔表面积80%以上分布于微孔和超微孔中;软黏土冻融及压缩前后孔体积和孔表面积存在分形特性。     

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.

     

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。     

黏土矿物及粉粒对昔格达组粉质黏土可塑性的影响

结合西昌钒钛钢铁新基地所揭露的昔格达组粉质黏土的矿物组成及颗粒级配,通过验证性试验及前人研究成果,对黏土矿物及土体的颗粒级配对昔格达组粉质黏土塑性指数的影响进行分析。结果表明:黏土矿物及高粉粒含量是影响昔格达组粉质黏土可塑性的主要因素,高粉粒含量对昔格达组粉质黏土可塑性的影响比粉质黏土中黏土矿物种类及含量对其可塑性的影响大。但粉粒含量对黏性土体的塑性指数的贡献值具有一定范围,一般介于6～10。     

石灰粉煤灰固化天津滨海软土试验研究

天津滨海新区大面积分布的海积软土含水量高、孔隙比大、强度较低,对工程的安全建设和使用存在很大影响,在工程实践中常需要进行固化处理。本文以石灰粉煤灰为固化材料,通过大量室内试验,以及微观结构测试,研究其对天津滨海软土的改良效果。室内试验结果表明,二灰土各项力学性质明显提高,即压缩性降低,水稳性良好,无侧限抗压峰值应变及三轴峰值应变较小,由于其强度很大程度依赖于土体颗粒间的胶结作用,一旦破坏,二次抗压强度则较低。微观结构测试分析表明,石灰粉煤灰与软土在拌合均匀状态下,经一系列物理化学作用,土体颗粒胶结成土团粒,粒间孔隙也得到填充。随着龄期的增长,二灰土孔隙数量减少,等效直径减小,土体颗粒数量减少,等效直径增大;而随着压力的增大,二灰土表现出孔隙数量增多而孔隙等效直径减小,颗粒数量和等效直径变化较小的趋势。室内试验与微观测试认为石灰粉煤灰可用于固化天津滨海软土,是一种经济合理的固化剂。     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系.本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征.研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低...