交通荷载下粉质黏土路基翻浆冒泥机理试验

为研究粉质黏土路基翻浆冒泥发生规律,自主研制了一套路基翻浆冒泥模型试验装置。模型中路基层分别采用级配碎石与粉质黏土进行填筑,试验研究了交通循环荷载下路基中孔压累积、翻浆冒泥与沉降发展全过程,分析了粉质黏土地基土体成分、孔隙比等对路基翻浆冒泥的影响规律。研究表明:交通循环荷载下地基内部孔隙水压逐渐累积,当地基中有效应力为零时出现瞬态液化并发生翻浆冒泥现象。针对易发生翻浆冒泥的粉质黏土地基,试验发现黏粒含量与孔隙比是影响路基翻浆冒泥的重要参数;黏粒含量增加将使地基中孔压累积,进而发生翻浆冒泥现象;而同样黏粒含量下,地基孔隙比减小将使路基翻浆冒泥现象受到抑制。基于试验结果,在塑性指数和孔隙比坐标系下提出了地基翻浆冒泥的判别参考准则,当塑性指数与孔隙比位于该判定准则上方时,可初步判定路基易发生翻浆冒泥。本文研究可为交通荷载下道路翻浆冒泥评价与控制提供参考。     

高速铁路无砟轨道路基翻浆模型试验

针对高速铁路无砟轨道出现的路基翻浆病害,构建了足尺的轨道路基翻浆模型试验系统,量测了路基翻浆发生过程中路基的含水率、基质吸力和超孔隙水压力,分析了高速列车动荷载作用下路基动水压力的变化规律,并探讨了高速铁路无砟轨道路基翻浆的机理和影响因素.结果表明:无砟轨道基床表层在雨水入渗条件下基本处于饱和状态,在列车动荷载的长期作用下,易发生翻浆病害;超孔隙水压力的显著增大导致路基发生翻浆,翻浆区域内超孔隙水压力的增量沿基床表层深度方向上保持不变;饱和状态下,底座板两侧路基的超孔隙水压力较路基中心线下更高,更易发生翻浆.降低路基含水率或孔隙水压力可有效地防止和抑制路基翻浆的发生.     

降雨作用下土体细颗粒迁移特征及其对崩塌的影响

为了研究坡面土体崩塌的时空特征,进行了人工降雨水槽实验,在不同降雨强度下,观测了土体细颗粒的迁移、土体崩塌的时间序列和相应的孔隙水压力变化曲线,并对崩塌体、迁移土体和渗流浆体进行序列取样。实验结束后进行了土体颗粒分析,并结合标度分布参数,对比了坡面相同位置不同深度实验前后颗粒级配的变化,从随机性的角度分析了土体颗分参数与强度之间的关系。结果表明：在降雨作用下,坡体中的细颗粒会发生迁移,使土体结构发生改变。细颗粒在某一位置集聚,引起孔隙水压力增大;在水力梯度较大和细颗粒容易积聚的区域,更容易发生坡面崩塌破坏;坡脚处流出的细颗粒波动越大,坡面崩塌现象越明显;土体的剪切强度和内摩擦角随细颗粒含量的增大而减小;坡面土体颗粒的空间分布决定了土体强度的空间分布,坡面土体剪切强度和内摩擦角均具有Weibull随机分布特征,最终导致坡面土体的崩塌在时间和空间上呈现随机性。     

铁路路基病害与动力触探试验研究

根据铁路既有线路基病害检测实践 ,论述了轻型动力触探试验的数据处理方法 ,给出了沪宁线下行 K1 40 4 5 0～ K1 41 4 5 0翻浆冒泥和下沉外挤病害的检测结果 .根据基床软弱层厚度大小 ,将 1 km线路分为 1 1段 3种类型病害 :翻浆冒泥、翻浆冒泥与轻度下沉外挤、翻浆冒泥与严重下沉外挤 ,并分析了病害成因 ,提出了改善排水系统和换填、加固基床土的综合整治方案     

土体冻胀试验系统的研制与应用

为了研究土体在不同环境下的冻胀特性,自主设计研制了土体冻胀试验系统.该系统模拟自然条件下路基土的工作状态,从温度荷载的加载方式、上覆荷载的加载方式、水分补给方式、侧向约束条件等方面严格控制试验环境.基于温度控制盘、滑动绝热装置的创新设计,在实验室内实现了对路基土冻胀过程的真实模拟,并实现了冻结过程中温度分布、上覆压力和冻胀变形的实时监测.最后,通过饱和粉质黏土冻胀试验的测试结果,验证了该系统的可靠性和有效性,明确了土体冻结过程中的温度分布特征和冻胀变形规律.     

间歇性循环荷载作用下细粒土的变形特性

铁路路基承受的列车动荷载作用由列车通过时产生的周期性振动和无列车通过时的加载间歇组成, 针对此工程背景,开展不同围压、水的质量分数、动应力条件下的连续加载与加载-停振的动三轴试验,研究间歇性循环荷载作用下细粒土的超孔隙水压力、弹性应变、回弹模量和累积塑性应变的变化规律. 试验结果表明,加载间歇对路基变形特性有显著影响. 由于加载间歇阶段试样卸载以及排水作用,试样在加载阶段积累的超孔隙水压力在间歇阶段消散,土体内部颗粒及结构得到调整,试样抵抗后续荷载的能力得到提高. 此外,加载间歇显著减缓了后续加载阶段的塑性应变发展,降低了试样的累积塑性应变. 加载间歇对提高试样回弹模量、降低弹性应变的效果有限. 加载-停振的间歇加载方式可以更准确地模拟实际列车荷载作用,进而获得更具实际意义的试验结果.     

有压冻融土体孔隙水压力变化试验研究

基于室内试验,开展了周期温度边界和上覆荷载共同作用下土体内部孔隙水压力变化及变形发展规律研究.结果表明：土体内部孔隙水压力的变化同时受到温度、上覆荷载以及冻融周期等因素的综合影响.融化过程中,孔隙水压力在短时间内快速增大后消散.冻结过程中,孔隙水压力先增大后减小.孔隙水压力变化幅度随上覆荷载的增大而增大,在冻融周期为8 h温度边界条件下,上覆荷载由50 kPa增加至150 kPa,试样高度77 mm处孔隙水压力平均变化幅度由13.4 kPa增加至46.0 kPa.冻融周期越大,孔隙水压力的变化幅度越大.在周期温度边界和上覆荷载共同作用下,试样竖向变形呈现阶梯型发展趋势,且量值主要受上覆荷载影响.荷载相同时,冻融周期对试样最终竖向变形值影响较小,上覆荷载为100 kPa时,冻融周期4 h和8 h温度边界条件下试样的最终竖向变形分别为10.5 mm和11.2 mm.     

加载方式对杂填土与软土互嵌沉降的影响

杂填土地基下覆的淤泥质软土在受到上覆荷载作用时，会被轻易地挤入杂填土颗粒之间的孔隙中而引起互嵌沉降，在传统地基沉降的计算方法中该部分沉降未被考虑。采用自主研发的土体互嵌实验仪，对南京秦淮河地区的软土与杂填土进行一次加载、常规分级加载和复合多级加载试验，揭示互嵌沉降在不同加载方式下的发展规律。结果表明：不同加载方式下总沉降与互嵌沉降均呈现出阶梯式增长的趋势，在加载瞬间沉降骤增，然后逐渐减缓并趋于稳定，总沉降、互嵌沉降的差异主要来源于荷载施加瞬间的沉降变化。多级加载情况下，互嵌沉降与加载级数负相关，与荷载占比正相关，且通过曲线拟合发现互嵌沉降与加载级数呈现对数相关性，与荷载占比呈现出指数相关性。互嵌沉降比重与加载级数负相关，与荷载占比正相关，且当粒径较大时，互嵌沉降比重对加载方式敏感度降低。     

水泥稳定碎石材料孔隙特性研究

为研究水泥稳定碎石材料细观孔隙特性以及探究荷载作用时孔隙空间结构的变化过程,通过建立孔隙三维模型量化断面孔隙和三维孔隙,并转换为孔隙三维网络结构,提取孔隙配位数、孔隙体积、喉道长度等相关参数,研究参数随逐级荷载的变化规律,推演孔隙空间结构变化过程.研究结果表明:量化的断面孔隙率与三维孔隙率能表征材料孔隙变化规律;m、n区域的峰值从12.10%、10.29%分别扩展到13.89%、13.41%,n区峰值分布区域跨11个层位,m、n区域波形变化较剧烈,孔隙细观结构变化明显;配位数均值由小于0.45突变为0.505,孔隙体积中小孔隙占据孔隙空间结构的80%,但随荷载增加孔隙体积会改变,喉道在逐级加载过程中,最大喉道长度增加近2 mm,喉道先负向演变后转为正向演变,荷载作用致使孔隙空间结构改变.逐级荷载作用,孔隙细观结构和孔隙空间结构都发生剧烈变化,孔隙结构的剧烈变化导致材料内部结构改变,促使材料宏观破坏,因此材料宏观破坏与孔隙结构变化有着本质联系.     

土工合成材料防治路基翻浆的设计与应用

对某公路翻浆路段进行现场调查,测定土工格栅的力学指标,分析土工合成材料防治路基翻浆的基本原理,提出具体的设计和施工方法,结果表明：土工织物可防止粗粒料陷入路基软土层,阻止翻浆形成,而土工格栅的加筋作用可扩散交通荷载、限制路基变形以减小车辙黉度,提高路基承载力和延长使用寿命,工程实践证明土工合成材料用于防治路基翻浆的效果显著。     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明：决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质（水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向）的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。     

压汞测孔评价磷渣-水泥浆体材料孔隙分形特征的试验

用混沌分形理论结合压汞测孔技术,直接测试评价了磷渣-水泥浆体材料孔隙的显微结构特征,计算出了对应的分形维数,并对普通水泥浆体与掺磷渣的水泥浆体孔隙的分形特征进行了比较;同时探讨了孔体积分维数与孔隙率、孔表面积、孔分布及磷渣掺量的关系.研究表明,磷渣-水泥浆体的孔结构具有明显的分形特征,孔体积分形维数在2.4~2.8之间;掺磷渣的水泥浆体不仅具有粗孔细化的效果,而且孔隙的分形特征也有了明显的改善;在磷渣掺量大于30%时,其分维数、孔隙率与小于20 nm的微孔数有明显的突变性.     

三轴剪切过程中软黏土的微观结构及分形特征

土的物质组成和内部结构是决定土物理力学性质的主要因素;当土性质变化时,土中孔隙大小和形状变化最直观.为研究三轴剪切过程中软黏土微观结构变化特征,利用扫描电子显微镜获取了软黏土在不同应变速率和不同应变阶段的三轴固结不排水剪切试验后土试样的SEM图像;计算得到了软土的等效孔径和孔隙（颗粒）分维值.研究表明,该软黏土具有团粒-絮凝结构.试验前后软黏土中的孔隙均以小孔径、中孔径为主,大孔径孔隙分布较少;大孔隙主要存在于原状土和剪切破坏后土样中.剪切过程中存在一个影响孔隙分布随应变速率变化的应变阈值.软黏土具明显分形特征,孔隙分维值为1.891~1.750,颗粒分维值为1.825~1.908;在剪切过程中,颗粒分布分维值增大,孔隙分布分维值减小,孔隙大小和形状变化最显著.     

鄂尔多斯盆地东缘煤储层渗流孔隙分形特征

基于压汞试验,分析了鄂尔多斯盆地东缘14个矿区56件煤样储层孔隙的分形特征,通过分维数与煤储层渗透性的比较,得出孔隙体积分维数与煤储层渗流孔隙的渗透性关系.结果表明,煤储层压汞孔隙分形尺度为孔直径86 nm～1 000μm,体积分维数2.75～3.24,在区域分布上呈自北向南降低的趋势,与煤变质程度、灰分、矿物含量呈负相关关系,与水分、中孔含量及视孔隙度(>5%)呈正相关关系.储层渗透性的分形表征与分形维数、分形尺度及分形孔隙的分布连通性多因素相关,但在储层孔隙率较低的情况下,分形孔隙的分布连通情况对渗透性起决定性作用.     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

岩土体孔隙结构研究中的CT图像处理方法比较

为了更深入地揭示岩土体的力学特性及内在规律,对黏性土、岩石和泡沫混凝土等材料的CT扫描图像,分别采用灰度法和二值化法计算孔隙分形维数,研究了岩土体孔隙率与孔隙分形维数间的关系,对比讨论了这两种方法在孔隙结构分形特性研究的特点和适用性。结果表明:二值化法的处理效果取决于阈值的选择,并且采用以试样原始孔隙率为基准进行试算校核的阈值计算方法简单并且有效;而灰度法则较好地保留了更多的原始图像信息。对于不同的岩土体材料,其孔隙率与二值化法所得孔隙分形维数间均呈较好的幂函数关系。采用灰度法时,岩土体孔隙分形维数随其孔隙率的增大呈现微弱增大趋势,近似线性关系。总体来看,两种处理方法均可用于岩土体孔隙结构分形特性研究但各有优劣,应根据研究对象去选择适用的方法。     

高煤阶煤岩孔隙结构分形特征研究

分形理论为定量描述储层非均质性提供了重要的手段, 而煤层具有独特的孔隙 - 裂隙双重孔隙, 其是否具有分形特征以及如何表征其分形特征亟待进行深入的研究。通过借鉴砂岩分形特征研究和分形维数计算的方法, 对沁水盆地南部5块煤样压汞曲线进行了研究。结果表明, 所研究煤样孔隙结构具有分段分形特征, 具有孔隙半径r<0. 1μm, 0. 1μm< r<1 0μm和r>1 0μm三个分形区间。据此, 可将研究区块煤岩孔隙按大小分为三类: 小孔和微孔( r<0. 1μm) 、 中孔和大孔( 0. 1μm< r<1 0μm) 和割理( r>1 0μm) 。从整体趋势上看, 对于不同煤样, 分形维数越大, 其孔隙度、 渗透率越小, 孔隙分选性越差, 非均质性越强; 对于同一煤样在不同分形区间中的分形维数越大,其孔隙半径在该区间内的分选性越差, 即非均质性越强。     

Pore structure characterization and seepage analysis of ionic rare earth orebodies based on computed tomography images

Pore network structure of ore body is a diffusion channel of leaching agent solution that exerts a significant influence on seepage. The ore body structure, pore distribution, pore and throat size, and pore network characteristics of topsoil, weathered, and semiweathered layers of ionic rare earth ore in southern Jiangxi Province were explored in this study. The effect of leaching operation on the pore structure was investigated, and main factors affecting the seepage were analyzed. Results showed that the semiweathered layer presents a dense structure and a small number of unconnected pores. Pores of topsoil and weathered layers are mainly long and narrow column openings with some planar fractures. Even pore distribution and large size span were observed. Compared with the weathered layer, the topsoil layer demonstrates larger voids, smaller average pore volume and equivalent radius, and fewer coordination throats; however, the average equivalent radius of the throat in the topsoil layer is larger and large-scale channels exist through ore body vertically. Hence, permeability of the topsoil layer is significantly higher than that of the weathered layer. Colloidal clay minerals migrate easily and the occurrence of silting in the small porosity blocks the throat and significantly decreases the permeability of the ore body in the leaching process. The equivalent radius of the throat is the key to the seepage. Reducing the migration of fine particles is an effective measure to protect the throat and shorten the leaching period.     

基于NMR和SEM技术研究陆相页岩孔隙结构与分形维数特征——以松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩为例

为了表征陆相页岩的孔隙结构和分形特征,选取松辽盆地长岭断陷沙河子组陆相页岩作为研究对象,通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)图像分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形维数理论,讨论NMR分形维数与矿物组成、地球化学参数、物性参数之间的相互关系,并且通过SEM图像提取技术定量化研究页岩储层孔隙特征。结果表明:沙河子组陆相页岩具有多种孔隙类型、孔径分布复杂、非均质性较强的特点。基于弛豫时间截止值,可将NMR分形维数划分为束缚流体孔隙分形维数(0.060 9～1.420 4)和可动流体孔隙分形维数(2.964 0～2.986 9)。矿物组成与分形维数的关系显示石英含量与束缚流体孔隙分形维数成负相关关系,黏土矿物含量与束缚流体孔隙分形维数成正相关关系; NMR分形维数与有机质含量呈线性相关,与成熟度不存在明显相关性; 这说明矿物组成和有机质含量对NMR分形维数起明显的控制作用。储层物性方面,NMR分形维数与孔隙率成线性负相关关系,而与渗透率成正相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量物性的重要指标。总体来说,SEM图像分形维数可以用来反映孔隙形态的多样性和页岩孔隙的发育程度; NMR分形维数与储层物性之间的关系可用于评价页岩储层质量。     

Effect of Steel Slag and Granulated Blast-furnace Slag on the Mechanical Strength and Pore Structure of Cement Composites

Reuse of solid industrial wastes is an effective approach to develop low-carbon construction materials. This paper examines how two materials, steel slag(ST) and granulated blast-furnace slag(SL) impact the mechanical performance and pore structure of cement-based systems. Analysis was done on the variations of the porosity, pore size, and pore volume distribution with the curing age and replacement content, and the fractal dimensions of pore surfaces. The results suggested that systems with both supplementary materials had lower early strengths than pure cement, but could generally surpass pure cement paste after 90 d; higher SL content was particularly helpful for boosting the late strengths. The addition of ST increased the porosities and mean pore sizes at each age, and both increased with ST content; SL was helpful for decreasing the system's late porosity(especially harmless pores below 20 nm); The lowest porosity and mean pore size were obtained with 20% SL. Both systems had notably fractal characteristics on pore surfaces, with ST systems showing the highest dimensions at 10% ST, and SL systems at 20% SL. Compressive strength displayed a significant linear increase with fractal dimension.