基于SEM图像的软土三维孔隙率计算及影响因素分析

 为了获取丰富的SEM图像信息用于土体微观结构研究,对杭州紫金港软土进行了大量的SEM图像扫描。通过分析软土SEM图像的特点,建立了三维空间计算模型,首次提出利用Image-Pro Plus(IPP)软件计算软土三维孔隙率的方法,并分析了计算步距、放大倍数、阈值大小、分析区域大小等对软土三维孔隙率计算结果的影响。研究结果表明：计算精度跟步距大小有关,步距越小精度越高,采用步距2有利于兼顾计算容量和精度要求;对软土三维孔隙率放大倍数宜采用1 200±300倍;阈值取值跟放大倍数有关,放大倍数越大阈值也应相应增加;分析区域面积不宜太小,能有效反映整张图像信息的区域面积应占图像总面积的70%以上。     

大连市黏性土压缩特性SEM微观机理研究

黏性土的工程特性,都与土体的微观结构有着密切的联系。大量的研究表明,微观结构的变化,决定了土体宏观力学性质。因此,研究黏性土工程特性与其微观结构状态之间的内在联系,对于深入研究黏性土工程特性具有十分重要的工程意义。本文选取大连市某钻孔不同深度的5个土样样品首先进行模拟原状样压缩试验(主要还是针对扰动样),分析不同荷载下的释水量和变形量,试验完成后,对原状样和压缩土样采用电子显微镜扫描(SEM),然后利用ERDAS软件对SEM图片进行分析,研究压缩前后土体微观结构,特别是孔隙大小和颗粒相关指标变化规律,结合压缩试验数据,分析二者之间的联系。     

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。     

基于扫描电镜图像的土体三维视孔隙率定量计算方法

通过扫描电镜来观察土体微观结构是目前研究微观土力学的重要手段。目前,大部分通过SEM图像反映土体孔隙率的研究多采用二维表观孔隙率定性分析,而此时得到是土体的二维表观孔隙率难以反映土体真实的三维孔隙率。因此,建立一种基于二维扫描图像计算三维孔隙率的计算方法具有重要研究意义。基于SEM电镜扫描图像,利用SEM图像处理软件IPP,变换不同的阈值得到不用阈值下的二维表观孔隙率,并且引入二重积分的思想,提出了一种基于SEM扫描电镜二维图像确定土体三维视孔隙率的计算方法。最后对不同种类的土进行了对比试验验证,结果表明本文提出的计算方法能够较好地反映土体真实的三维孔隙率。     

罗布泊天然盐渍土冻融循环后微观结构分析

为从微观角度研究冻融循环条件对天然盐渍土结构的影响,以罗布泊地区一定深度的天然盐渍土为试样,进行了室内3、5、7次冻融循环试验,在每次试验后测定土样的密度、含水率,并利用SEM提取微观结构图片,进而对试验后的土样在1000倍放大扫描电子显微镜下的微观结构变化进行分析。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,水分自下而上向冷端迁移,冷端含水率较高;土样的密度不断减小,且在深度方向呈现出不规则的正"3"字形的变化规律。冻融前后土体微观结构特征明显不同,经过冻融循环后,土体颗粒间孔隙增大,密实度降低,内部骨架结构发生位移,易引发土体盐胀变形、翻浆、溶陷等不良现象,会严重影响道路工程的稳定性。     

基于SEM和MIP的冻融循环对粉质黏土强度影响机制研究

冻融作用会影响土体的强度特性,以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象,对经历不同冻融次数的土样进行单轴抗压强度试验、扫描电子显微镜(SEM)试验和压汞(MIP)试验,通过数字图像处理技术对土样的微结构图像进行定量分析来揭示冻融循环对土体强度影响的微观机制。结果表明:随冻融循环次数的增加,土体的单轴抗压强度呈指数型降低趋势,并在冻融30次后逐渐趋于稳定;冻融作用中土体的面孔隙度、各类孔隙所占比例和孔隙分形维数都经历了波动调整期和动态稳定期2个阶段,其中面孔隙度的变化和单轴抗压强度之间呈负相关关系;冻融循环改变土体的孔隙分布,孔隙大小及孔隙密度都呈增大趋势;冻融作用过程中,土体产生贯穿的孔隙和裂隙使土颗粒骨架与颗粒特征发生改变,导致土骨架的结构性转移,受力体系发生改变,从而改变土体强度。SEM试验和MIP试验相互对比、补充,使土体微观孔隙结构研究更加准确有效。     

东南沿海典型结构性软土微观特征研究

土体的微观结构特征对其工程特性有很重要的影响。本文以不同固结压力下东南沿海典型结构性软土的原状土样为研究对象,利用Image Pro-Plus软件处理其放大5000倍的ESEM图像,分析了微观结构参数和宏观结构参数之间的量化关系。研究表明:该软土孔隙平均孔径与固结压力及压缩量之间均为负指数关系;颗粒平均粒径与固结压力之间为对数关系,与压缩量之间为负指数关系。论文最后推导出了土体一维孔隙平均孔径和颗粒平均粒径的微观结构本构模型,分析结果对相关土体性质研究将具有一定的参考价值。     

基于微观图像处理技术的土体三轴试验颗粒流模型

以扫描电子显微镜拍摄获取的粉土图片为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等微观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在此基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。研究表明:通过颗粒簇模型和颗粒排斥法可以实现土体微观颗粒形状和粒径组成模拟。所建立的颗粒流模型能够很好地拟合土体的应力-应变关系和模拟试验中的剪缩-剪胀现象;摩擦系数、平行连接强度和刚度比对土体的初始模量和残余强度的影响规律有所不同;通过监测孔隙率的变化,可以反映土体剪切带发展的过程。     

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。     

基于GIS实现黏性土颗粒形态的三维分形研究

利用扫描电镜照片研究黏性土的微观结构是目前应用较为广泛的方法,但多数研究仍以定性为主,定量研究方法十分有限。介绍了利用分形理论定量研究黏性土微观结构的方法,并提出利用图像处理技术结合GIS数据提取技术,通过计算颗粒表面积和体积的方法获取土颗粒形态三维分形维数的方法。该方法简化了颗粒表面积和体积计算过程,提高了分维确定的工作效率。通过对计算图像分形维数的表面积–体积法和面积–周长法进行的对比分析,认为表面积–体积法更能够反应土体的三维特性。     

基于坡度坡向原理的黏性土扫描电镜图像颗粒定向性研究

 利用扫描电镜图像中边缘像素的坡向与颗粒的长轴定向方向正交的原理,采用GIS空间分析技术对扫描电镜图像进行边缘提取和定向分析,并分别利用定向玫瑰图、主定向方向和各向异性率等指标对颗粒的定向特征进行描述,通过实例分析验证该方法的有效性。试验结果表明：由于噪声及算法误差的影响,低坡度区间内的定向玫瑰图及各向异性率不能反映土样的定向特征,玫瑰图在坐标轴及对角线方向上将出现异常突起,各向异性率也明显偏低;随着坡度的升高,噪声及算法误差的影响逐渐变小,并可以很好地反映土样的整体定向特征。     

简支梁桥位移与内力动力系数差异研究

动力系数是桥梁结构设计和检定中一个基本而关键的参数,其可以用位移放大系数来表示,也可以用内力(弯矩、剪力)放大系数来表示,而在桥梁的设计、检定工作中,并未注意到它们量值之间的区别.文中理论探讨了移动荷载列过桥模型的位移、内力放大系数的异同,以及不同动力系数沿简支梁桥跨长的变化规律,为区分制定桥梁动力系数的合理表达形式提供理论依据.并计算分析了车桥耦合模型与移动荷载列过桥模型的桥梁动力系数计算值的差异,结果表明应用移动荷载列模型计算简支梁桥动力系数可以得到安全可靠的结果,即可应用该模型解析解分析动力系数的主要影响因素.     

Preparation of soil specimens for SEM analysis using freeze-cut-drying

A new method, freeze-cut-drying, is introduced for preparing a soil specimen for microstructural analysis using scanning electron microscopy (SEM). With this method, moisture in the specimen is removed by freeze-drying and an SEM observation surface is made by cutting the specimen at a temperature below freezing point. Tests on bentonite clay were used to compare the results from this method with those using other existing techniques such as peeling. Image processing was employed to analyse the SEM micrographs quantitatively in terms of distributions of size and orientation of particles and pores in the soil. The results indicate that this method can preserve the original soil microstructure and minimise flaws such as false voids and erroneous orientations which frequently occur in SEM images obtained from specimens prepared by other techniques. This method is particularly suitable for clay soils with high moisture contents and should find wide application in the analysis of soft clays, slurries and marine sediments. Received: 20 September 1998 · Accepted: 2 April 1999     

基于差异进化算法的土层多参数动态反分析

为得到更加真实准确的深基坑施工过程各土层参数值,确保深基坑工程质量和安全稳定性,以大连某地铁车站深基坑工程为研究背景,根据现场地下连续墙水平位移实测数据,采用正交设计法对各土层参数进行敏感性分析,然后,基于差异进化多参数反分析方法,对深基坑各土层参数进行静态和动态位移优化,最后,根据地下连续墙体水平位移现场监测数据,对数值模拟结果进行辅助验证。研究结果表明:动态反分析的土层参数值更接近土层真实值,利用动态反分析得到的土层参数进行数值模拟分析,其结果比静态反分析模拟结果更接近实际监测数据,从而验证了该方法的合理性和正确性,为后续深基坑稳定性研究和变形预测提供技术支持。     

广州软土固结过程微观结构的显微观测与分析

 利用环境扫描电子显微镜(ESEM)对珠三角典型的广州金沙洲软土固结过程土样的微观结构进行观测,基于观测所得的显微照片分析软土在不同固结压力下微结构的尺度、形状、定向性等微结构特征及其变化规律,并采用计算机图像处理软件定量分析软土的微孔隙率、结构单元体分布角等微结构参数随固结压力的变化规律。根据显微观测照片的分析获得随着固结压力的增加结构单元体不断变大、微孔隙率减小、垂直于固结压力方向的集合体形状增长、结构单元体的定向性有所提高以及孔隙分布分维呈下降趋势并逐步稳定等有价值的结论。     

Microstructure characteristics of cement-stabilized sandy soil using nanosilica

An experimental program was conducted to explore the impact of nanosilica on the microstructure and mechanical characteristics of cemented sandy soil.Cement agent included Portland cement type II.Cement content was 6% by weight of the sandy soil.Nanosilica was added in percentages of 0%,4%,8% and 12% by weight of cement.Cylindrical samples were prepared with relative density of 80% and optimum water content and cured for 7 d,28 d and 90 d.Microstructure characteristics of cementnanosilica-sand mixtures after 90 d of curing have been explored using atomic force microscopy(AFM),scanning electron microscopy(SEM) and X-ray diffraction(XRD) tests.Effects of curing time on microstructure properties of cemented sandy soil samples with 0% and 8% nanosilica have been investigated using SEM test.Unconfined compression test(for all curing times) and compaction test were also performed.The SEM and AFM tests results showed that nanosilica contributes to enhancement of cemented sandy soil through yielding denser,more uniform structure.The XRD test demonstrated that the inclusion of nanosilica in the cemented soil increases the intensity of the calcium silicate hydrate(CSH) peak and decreases the intensity of the calcium hydroxide(CH) peak.The results showed that adding optimum percentages of nanosilica to cement-stabilized sandy soil enhances its mechanical and microstructure properties.     

粘性土的微观的结构分析技术研究

重点介绍了工程粘性土微观结构研究方面的一些新技术、新成果和新发展,主要包括供扫描电镜（SEM）分析用的处理高含水量土样的冷冻刀切干燥法、定量评价粘性土微观结构的图象处理技术、测定粘性土粒间胶结物化学成分的EDX技术和无损伤探测土体内部结构的CT技术。     

黏土微结构参数的相关分析和主成分分析

将统计学中的相关分析和主成分分析方法引入到对土微结构参数的研究之中,并给出了具体分析方法。从而不仅可以消除不同微结构参数在反映土体内部机理方面存在的"部分信息重复"现象,而且可以大大降低微结构参数的维数。根据对累积贡献率的要求不同,可以用不同数目的主成分近似表达所有微结构参数携带的大部分信息,这使得微结构参数的广泛应用成为可能。降维得到的主成分指标,可以用来建立本构方程、强度准则等土力学关系,以反映土微结构特征与宏观力学现象之间的固有联系;并可以利用建立的关系研究土微结构再造过程。对由64幅SEM照片组成的黏土样本进行的域微结构分析表明,微结构参数之间存在明显的"信息重复"现象,2个主成分就可以反映6个原始微结构参数95.28%的信息,从而达到了降维目的。