灾害性膨胀土的微结构特征及其工程性质

文中研究了我国一些典型膨胀土的微观结构特征，将膨胀土中的微观结构单元归纳为三种类型，并将由结构单元组成的微结构特征分为六种。讨论了微结构特征与膨胀势的关系。研究了膨胀土中的光滑裂隙面的特征，如物质组成、微结构定向性等，并将定向特征与力学强度建立了关系，由实测资料得到摩擦角φ随定向度的增加而减小的结果     

基于GIS的黏性土微观结构的分形研究

介绍了一种利用图象处理技术结合地理信息系统(GIS)软件的数据提取技术,从而计算土体中颗粒形态分形维数的方法,讨论了在图象处理过程中阙值的确定方法。通过对郧县膨胀土土样微结构图象分析,论证了黏性土微观结构的分形特征,并分析了分形维数与土体微观结构类型间的关系。     

富水环境下泥质板岩膨胀演变各向异性特征研究EI北大核心CSCD

针对富水环境下含结构面的泥质板岩在膨胀过程中所表现的各向异性特征,制备含不同角度结构面的泥质板岩重塑样,开展膨胀特性试验、核磁共振试验和扫描电子显微镜试验,分析泥质板岩膨胀各向异性宏观演变规律和微观结构变化特征;基于试验结果,建立含结构面倾角的泥质板岩三维膨胀本构模型和膨胀应力细观表达式。结果表明:在富水环境中,在结构面倾角的影响下,重塑样膨胀率–膨胀荷载呈非线性关系,与天然泥质板岩曲线趋势表现一致;在相同轴向荷载下,轴向极限膨胀率与结构面倾角呈负相关;含不同倾角结构面泥质板岩的侧向约束轴向极限膨胀率、恒体积下轴向极限膨胀应力表现出明显的各向异性,二者均与结构面倾角呈负相关;膨胀稳定后以小孔隙和中孔隙为主,大孔隙较少;泥质板岩微观基本单元以片状颗粒为主,部分为块状颗粒,且颗粒空间排列定向性较明显,颗粒之间主要为片状体的面面接触,叠聚呈塔状;随结构面倾角的增大,孔隙数量、孔隙面积和面孔率逐渐减小,孔隙边缘趋向于复杂化;含结构面的泥质板岩三维膨胀本构模型和膨胀应力细观表达式从宏–细–微观尺度定量表征了富水环境下泥质板岩膨胀演变的各向异性特征。研究成果可为软岩膨胀机制研究和软岩膨胀问题处治提供参考。     

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。     

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明：随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发...     

考虑干湿循环累积损伤的膨胀土土水特征研究

为探明干湿循环中膨胀土裂隙发育对其土水特征的影响,制备经历不同次数干湿循环的柱状土样,并对其土水特征曲线进行测定。结合CT扫描结果,基于裂隙的分形特征构建土柱截面和整体损伤变量,通过其变化规律阐明裂隙发育对土水特征的影响。结果表明：裂隙的分形维数沿深度方向逐渐减小,大体呈线性变化规律,不同循环次数下裂隙的开展过程具有相似性;基于裂隙分形维数构造的损伤变量能够较好描述干湿循环对膨胀土的累积损伤效应,土柱的整体损伤变量随干湿循环次数逐渐增加,且增速逐步提高;提出的基于土柱整体损伤变量进行修正的Fredlund-Xing模型能够较好拟合裂隙膨胀土的土水特征曲线。研究成果能够为后续裂隙膨胀土的渗流和工程应用研究提供理论支持。     

MATLAB在处理膨胀土数字图像中的应用

膨胀土的力学性状和它的裂隙率有很大的关系,而其裂隙率大致等于其平面图像中的裂隙率,利用MAT-LAB编程对膨胀土的数字图像进行处理、统计、计算,得出膨胀土的裂隙率和分形维数,为对膨胀土裂隙进行定量化分析提供了一种快捷方法。     

膨胀土裂隙结构的分形特征及其意义

依据分形理论,研究了膨胀土裂隙结构的分形特征,分析了膨胀土裂隙网络分维和裂隙面分维的力学效应。结果表明,膨胀土裂隙网络和裂隙形态特征具有很好的统计自相似性,分维定量地描述了膨胀土裂隙的力学效应特征,同膨胀土的抗剪强度指标有很好的相关性。在此基础上,探讨了分维的研究意义。     

膨润土溶出性侵蚀分形模型的数值模拟研究

分析膨润土的微观结构,可得到一维侵蚀模型的控制方程。但作为多孔介质,膨润土孔隙结构具有分形特征,不能由传统几何来准确描述。基于分形毛细管束模型,采用孔隙面积分形维数和孔通道弯曲分形维数分别描述孔隙大小分布和孔隙通道弯曲程度,得到了孔隙率、分形维数与Kozeny-Carman常数的关系式,完善了一维侵蚀模型。通过对模型影响因素的分析得出:随着电解质溶液浓度的增大,膨胀力变小;表面电荷密度增大,膨胀力也增大;初始体积分数增大,膨胀力变大。     

酸雨入渗膨胀土的水土化学试验与作用机理分析

弄清酸雨入渗膨胀土所产生的水土化学作用,对获取酸雨区浅表层膨胀土基本性能劣化机理及分析边坡的稳定性非常重要。为此,取广西酸雨重灾区的百色原状膨胀土,研制循环饱水试验装置并模拟不同pH值的雨水入渗环境,开展酸雨入渗膨胀土水土化学试验;运用多种微观测试技术,探究膨胀土的矿物与化学成分演变规律;采用地球化学模拟软件(PHREEQC)及水土化学理论,分析膨胀土与酸雨间水土化学作用机理。结果表明：相比静态水饱和状态,降雨入渗动态水饱和环境能促进膨胀土中矿物质的溶蚀与淋滤,加速土体结构的破坏;酸雨入渗后膨胀土中CaO、Fe₂O₃、K₂O明显大于Si O₂、Al₂O₃等氧化物的溶蚀与淋滤量;雨水的pH值越小,膨胀土片状微结构间溶蚀的方解石及游离氧化物等胶结物越多,离子交换作用增强;酸雨与土中矿物的相互作用加剧,部分伊利石脱钾转变为蒙脱石黏土矿物,导致伊利石含量减小,蒙脱石含量增加,土的亲水性增强而结构不稳定性变大,不利于膨胀土边坡的稳定。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

密级配沥青混合料集料分形分维与路用性能的关系

从集料结构本身出发,利用分形几何的基本理论,建立沥青混合料集料的粒径分布分形模型、集料体积分形模型和集料孔隙分形模型。集料的体积分形维数是一个饱含丰富信息的重要参数,其与沥青混合料的空隙率存在强相关性,建立AC-16密级配沥青混合料集料体积分形维数与沥青混合料空隙率的回归模型。通过大量路用性能试验,得到AC-16密级配沥青混合料集料的体积分形维数与路用性能指标之间的相关变化规律。集料的体积分形维数增大,沥青混合料的高温性能、抗滑性能呈下降趋势,水稳定性、低温抗裂性呈上升趋势。根据密级配沥青混合料集料体积分形维数与各项路用性能的关系,可对具有不同集料体积分形维数的沥青混合料的路用性能进行预估。     

土体干湿循环过程中的体积变形特性研究

本文通过室内试验,研究了干湿循环过程中,土体沿不同方向失水导致裂隙沿不同方向开展时,土体应变的变形的特征。采用高精度卡尺直接量测的方法测量了膨胀土膨胀收缩后的应变变化,获得了膨胀土膨胀收缩过程中的应变曲线,试验结果表明:在干湿循环三次后土体的裂隙开始大幅的开展,但强度不会明显降低,此时土体可以看成是由强度和体积均较大的骨架颗粒组成,土体体积的增大即为团聚体间空隙增大的结果,土体在宏观上仍为强度和体积均较大的骨架结构,从而解释为何土体经多次干湿循环后裂隙不断开展但强度趋于稳定。在干湿循环过程中,无论土样沿轴向或径向失水,土样的轴向裂隙一直有较大程度的开展,而在干湿循环三次以后,土样的径向裂隙才开始大幅开展。     

基于数字图像处理的土石体粗料分形特性研究

考虑到土石混合体各要素之间的作用与重要性,选取粒度分维、粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维以及孔隙分布分维作为土石混合体分形特性研究结构参数指标,作为土石混合体结构定量化研究的依据。基于数字图像处理技术,分别对25%、30%、35%、50%及70%五组不同含石量的土石混合体试样进行了拍照、数字图形处理及分析计算,研究了土石混合体粗料分布分维及粗料轮廓分形特性以及粗料分布分维与含石量的关系。结果表明:土石混合体的粗料分布具有很好的分形特性,其分维值在1.0～2.0之间;粗料分布分维值与图像大小和图像划分的等分数有关,图形的处理效果受光线、拍照距离、灰度值的影响;对于级配良好的土石混合体,粗料的分布分维与含石量呈抛物线关系,含石量越大,粗料分布值越接近2.0;土石混合体粗料轮廓线具有分形特性,定量反应了粗料颗粒形状和起伏程度,其物理意义与通常所说的圆形度相对应。     

膨胀岩土地层环状膨胀对盾构隧道衬砌荷载的影响

为了获得膨胀岩土地层环状膨胀产生的膨胀荷载对于盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,从理论上推导了岩土环状膨胀引起的附加荷载计算公式, 并利用有限元分析软件ANSYS,建立了膨胀地层隧道模型并进行数值模拟。结合数值分析方法,研究了不同膨胀圈厚度情况下,地层环状膨胀对衬砌结构接触压力增量的影响。研究结果表明,膨胀荷载与岩土膨胀力大小、应力水平、地层抗力、膨胀后岩土的物性参数等因素有关,因环状岩土膨胀引起的衬砌压力增加值小于室内测得的岩土膨胀力;衬砌径向压力增加值与衬砌和深部围岩刚度、膨胀圈厚度成正相关关系;衬砌压力的增加值主要体现在结构轴力上,这对结构受力是有利的,从而轴力成了该结构设计的控制因素。研究成果为盾构隧道结构设计膨胀荷载的取值提供了依据。     

砂石粒径对改良膨胀土的影响研究

为研究砂石改良膨胀土工程特性随砂石粒径的变化规律,通过直剪试验、收缩试验、膨胀力试验、无荷膨胀率试验,分析了膨胀土抗剪强度、胀缩特性与砂石掺量、砂石粒径的关系。试验结果表明:随着砂石掺量增加,膨胀土的抗剪强度有所提高,内摩擦角增大,黏聚力先增大后减小,膨胀土的胀缩特性逐渐改善,相同掺量下,掺砂石的粒径越大,膨胀土的黏聚力和内摩擦角越大,胀缩特性改善效果越明显,掺入砂石粒径越大,胀缩特性得到改善并趋于稳定的砂石掺量越小,最优砂石掺量逐渐减小。建议不同粒径砂石改良膨胀土的最优掺量分别为:风化细砂40%,风化中砂30%,碎石25%。掺大粒径的砂石改良膨胀土更加经济有效。     

风化岩石的破碎分形及其工程地质意义

利用分形统计的方法,对风化花岗岩矿物成分的粒度分布特征进行了分析和统计,并根据分析的结果指出,岩石的风化破碎过程具有分形特征。其粒度分布的双对数曲线为多段折线,不同斜率的折线段对应不同的分形维。因此,分形维至少有2个数值,一为结晶颗粒粒度分形维,一为碎裂颗粒粒度分形维。同时,根据试验结果和理论分析得到,碎裂粒子的累积频率分布也符合指数分布,并给出了用指数分布系数求解碎块的碎裂概率的理论计算公式。随后,讨论了碎裂分形维和岩石强度与颗粒结构的关系,并以岩石的降维碎裂演化,得到以分形维描述的岩石风化速率。     

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。     

丽江某变电所膨胀土特性及填筑适宜性分析

220kV丽江变电所位于盆地与山麓接合地带,地层岩性主要为第四系残积型粘土和第三系粘土,土层具有中等膨胀潜势,若用非膨胀土换填或用改良膨胀土来回填工程造价均较高,因此,从膨胀土的野外特性、颗粒组成、膨胀潜势、回填特性来分析膨胀土用作填筑材料的适宜性,有重要的工程意义。