黄土震陷性的微观结构量化分析

基于数字扫描电镜获得的微观架空孔隙面积量化数据,结合相关原理,建立黄土震陷系数计算公式.通过对兰州、西安等地黄土的动三轴试验、微结构扫描电镜测试、试验与计算震陷系数的对比分析,论证对该公式所用主要参数--架空孔隙面积通过量化处理获取的可行性和公式的合理性与适用范围;通过对基于微观架空孔隙面积量化数据的黄土震陷系数计算公式的数学分析,提出黄土震陷过程中应力-应变发展的5个阶段,并从微观结构给出相应的物理解释,即认为黄土震陷是由于不同大小的架空孔隙不断破坏而导致的多个突变过程的最终宏观结果.     

黄土震陷性的微观结构量化分析

基于数字扫描电镜获得的微观架空孔隙面积量化数据,结合相关原理,建立黄土震陷系数计算公式。通过对兰州、西安等地黄土的动三轴试验、微结构扫描电镜测试、试验与计算震陷系数的对比分析,论证对该公式所用主要参数——架空孔隙面积通过量化处理获取的可行性和公式的合理性与适用范围;通过对基于微观架空孔隙面积量化数据的黄土震陷系数计算公式的数学分析,提出黄土震陷过程中应力–应变发展的5个阶段,并从微观结构给出相应的物理解释,即认为黄土震陷是由于不同大小的架空孔隙不断破坏而导致的多个突变过程的最终宏观结果。     

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。     

黄土的动扭剪震陷特性试验研究

原状结构性黄土具有显著的动力易损性。地震作用下黄土的骨架结构遭到破坏,使得土骨架结构的颗粒重新排列而变得致密,土的架空孔隙结构塌陷,孔隙体积减小,宏观上表现为黄土产生震陷变形。通过西安原状黄土在不同含水率、不同固结围压条件下的动扭剪试验,表明不同含水率筒状黄土试样的轴向变形非线性累积增长,径向和环向变形近似等于零。测试分析了黄土在动扭剪过程中孔隙结构塌陷的累积体应变表征震陷性的震陷系数,以及动剪应力幅值、振次、含水率及固结围压对黄土震陷系数的影响。揭示黄土的震陷系数随动剪应力幅值、循环振次、固结围压和含水率的增大而增加,建立了黄土震陷系数与动剪应力、振次、固结围压和含水率之间的关系式,提出了黄土震陷变形预测的一种途径。     

基于含水率变化的黄土场地震陷评价预测

含水率变化对黄土的震陷特性有着重要影响,其影响变化规律对黄土场地震陷的评价和预测工作具有重要意义。通过开展一系列不同含水率条件下原状黄土的动三轴试验,分析了含水率变化对黄土震陷的影响变化规律,并借此给出采样黄土场地震陷性的评价结果和不同含水率条件下的震陷性预测结果。研究表明:震陷系数随动应力和土样含水率增加而增大,震陷临界动应力随含水率的增加而减小;不同性状黄土震陷性质差别较大,该场地土含水率≤5%时,在VII,VIII度地震作用下基本不发生震陷;含水率5%以后,在VIII度地震作用下将产生震陷灾害。     

剪切波速在黄土震陷性评价中的应用研究

根据黄土动力学试验及原位波速测试资料,探讨了黄土震陷性及其与剪切波速的关系;给出了兰州地区黄土剪切波速和震陷性的统计公式：提出了简单速判别黄土震陷性物理指标和利用剪切波预测黄土场地上震陷量的方法。并对永登地震黄土震陷进行了实例计算,结果表明,黄土的含水量和剪切波速与其震陷性密切相关,可作为黄土震线性判别的初步指标;经含水量归一化处理后黄土的震陷量与其剪切波速及试验动应力之间的关系极为密切。可用于黄土场地上震陷性的判别与震陷预测计算。     

弹塑性黄土微结构与动变形模型的建立与分析

从微观角度分析土的动力学性质,是本构模型探索的重要方向之一。根据架空孔隙是导致弹塑性黄土产生动残余变形动力因素的微观机制,结合气固表面和颗粒理论以及双曲线公式,采用动三轴试验参数、架空孔隙面积、围压等数据建立震陷模型,获得动应力作用下土的残余变形系数计算公式。通过主要黄土沉积区土样的残余变形系数计算值与试验值对比,两者吻合较好。研究结果表明,所获得的微孔隙一维动变形模型能较好地反映不同围压、含水量和干密度下,不同地区黄土微结构差异导致的残余变形强弱,能较普遍反映黄土的弹塑性变形特征。     

爆破场地黄土震陷空间分布特征研究

黄土震陷是广大黄土地区在进行工程建设时避免不了的一种主要地震灾害。许多年来,黄土震陷研究是以室内试验为主要手段,天然地震黄土震陷现象的例证与现场试验的研究较为罕见。在典型震陷性黄土场地通过爆破方法模拟实际地震动的现场试验能够直观地了解黄土震陷发生的真实过程和分布特征和影响因素。试验结果表明,较强的地震动可以诱发黄土震陷的发生;场地内黄土震陷的最大量值可达33 mm,最小值约为13 mm;通过分析场地内黄土震陷分布特征和地震动强度分布特征可知,地震动强度与频谱H/V值是影响黄土震陷的决定性因素,地形也对震陷分布具有一定的影响;因为离爆破点较近,场地下部土层沉降贡献率大于上部土层。     

黄土场地震陷与桩基负摩阻力现场试验研究

震陷是地基基础的主要震害形式,黄土震陷是黄土地震灾害的重要类型。目前,对黄土震陷的时域发展过程了解甚少,黄土震陷与土体结构强度之间的定量关系研究尚属空白,黄土场地震陷引发的桩基负摩阻力的基本特征仍待研究。黄土震陷相关研究的难点在于实际震例太少,现场试验是解决这一缺陷的有效手段,然而与此有关的现场试验研究工作或成果,鲜有文献报道。本文以微差爆破激发的场地强震动为基础,实施针对黄土场地震陷与桩基负摩阻力的现场试验研究。结合现场试验和与之配套的室内动三轴试验等数据,开展爆破模拟地震动作用下黄土场地地面运动特征、黄土震陷的场地分布特征与时域发展规律、黄土震陷数学统计模型与概率性预测方法、黄土震陷时桩基负摩阻力衍生特征与生成机制等诸项研究工作,取得了如下创新性成果:     

爆破模拟地震动条件下黄土场地震陷研究

通过现场爆破试验,对地震动诱发条件下黄土场地震陷的监测结果进行模拟,分析爆破模拟地震动导致的黄土场地震陷的分布、发展特征及其影响因素.监测期间,试坑内黄土震陷量最大值达33 mm,试坑周围场地黄土震陷量最大值为26 mm.受地貌因素等制约,试验场地的黄土震陷具有自南向北逐渐衰减的特征.研究结果表明,微差爆破后,试验场地震陷量即接近监测完结时黄土震陷量的50%.这说明,爆破模拟地震动能使黄土场地发生震陷,黄土震陷在爆破能量传播时会快速累积,而在爆破之后,场地土体还将经历一个相对缓慢的沉降过程.该试验对地震动作用下黄土场地震陷基本特征的研究和对室内试验与现场监测获得的震陷性之间差异的理解具有一定的指导意义;同时也可丰富经验性爆破地震动强度设计的理论.     

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。     

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。     

Correlation of chloride diffusion coefficient and microstructure parameters in concrete: A comparative analysis using NMR,MIP, and X-CT

Permeability is a major indicator of concrete durability, and depends primarily on the microstructure characteristics of concrete, including its porosity and pore size distribution. In this study, a variety of concrete samples were prepared to investigate their microstructure characteristics via nuclear magnetic resonance (NMR), mercury intrusion porosimetry (MIP), and X-ray computed tomography (X-CT). Furthermore, the chloride diffusion coefficient of concrete was measured to explore its correlation with the microstructure of the concrete samples. Results show that the proportion of pores with diameters<1000 nm obtained by NMR exceeds that obtained by MIP, although the difference in the total porosity determined by both methods is minimal. X-CT measurements obtained a relatively small porosity; however, this likely reflects the distribution of large pores more accurately. A strong correlation is observed between the chloride diffusion coefficient and the porosity or contributive porosity of pores with sizes<1000 nm. Moreover, microstructure parameters measured via NMR reveal a lower correlation coefficient R² versus the chloride diffusion coefficient relative to the parameters determined via MIP, as NMR can measure non-connected as well as connected pores. In addition, when analyzing pores with sizes>50 µm, X-CT obtains the maximal contributive porosity, followed by MIP and NMR.     

抗疏力固化剂改性黄土工程性质及其改性机制

 将抗疏力固化剂运用到黄土加固中,并对比水泥、石灰改性黄土性质,探究抗疏力固化剂改性机制。通过强度试验、崩解试验、渗透试验探索改性土工程性质。通过开展水滴入渗、X衍射、电镜扫描、压汞等试验分别分析土样土颗粒表面能、矿物成分、微观结构、孔隙充填情况以探究改性机制。试验结果表明：抗疏力固化剂改性黄土强度、抗崩解性显著提高,渗透性略有降低。水滴入渗试验显示抗疏力改性黄土土颗粒表面自由能极大降低,斥水性明显优于水泥、石灰改性土;不同抗疏力固化剂添量土样X衍射图谱中物象群峰基本相同;SEM图像显示随抗疏力固化剂掺量提高,黄土中粉土颗排列方式基本不变,细小黏附物发生凝聚,附着物略有增多;压汞数据显示抗疏力改性黄土中大、中、小孔隙体积均略有减小,微孔隙明显增多。初步得出抗疏力改性黄土的机制在于：降低土颗粒表面能以提高阻水、抗水性;抗疏力物质包裹土颗粒及细小黏土颗粒发生凝聚来连结土颗粒,强化骨架颗粒连结强度;抗疏力材料膨胀挤密作用较弱,改性黄土通透性好。抗疏力固化剂在改善黄土力学性质、水理性质的基础上,还一定程度上解决了传统固化剂在提高阻水性的同时通透性降低的矛盾。     

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。     

人工制备黄土湿陷性影响因素及微观机理研究

基于模型试验相似理论和Monte Carlo原理,选用石英粉、砂、膨润土、石膏和工业盐,采用空中试验自由下落法制备人工湿陷性黄土。对不同含水量和压实度的土样进行土工试验、能谱仪元素分析和电镜扫描测试。试验结果表明:该人工黄土的元素组成与天然湿陷性黄土具有一致性;人工制备黄土的湿陷性随着初始含水量的增加呈先增大后减小的趋势,随着压实度的增大线性减小,湿陷规律与天然湿陷性黄土相似;该人工黄土具有易受应力状态和浸水影响的结构性。随着压实度和含水量的增大,颗粒的各向异性、面积比和等效直径增大,而扁圆度和充填比减小。土的湿陷系数与各向异性、扁圆度、面积比等微结构参数存在着良好的相关关系。从微观角度合理地解释了该人工黄土相似材料的湿陷性机理,与天然黄土湿陷规律有较高的契合度。     

黄土地区地铁开挖引起地表沉降试验分析

 城市修建地铁所引起的地表沉降已经成为重要的研究课题，为合理评价黄土地区不同施工方法对城市地铁开挖引起地表沉降的影响，依托西安地铁修建工程实际，对在黄土地层中开挖地铁隧道引起的地表沉降进行离心模型试验，模型试验比率为1∶60，模型箱尺寸为700 mm×500 mm×360 mm，试验对正台阶法、全断面法、双侧壁导坑法和中隔壁法4种不同的城市地铁施工方法的试验结果进行对比分析；结果表明，黄土地区地层开挖地铁隧道所引起的地表沉降以主固结沉降为主，全断面法是控制黄土地质地表沉降最有效的方法，试验结果为黄土地区城市地铁设计施工提供了可靠依据。