饱和细粒土孔隙结构定量表征

土的物质组成多样且结构尺度跨度大,多物质成分和多尺度结构影响土体结构特征。借助室内试验及数值模拟(数据约束模型),表征饱和细粒土固结过程中多物质成分的多尺度结构,并进行三维结构定量表征,侧重探讨饱和细粒土固结过程中孔隙结构的变化特征。研究表明,饱和细粒土受压固结的蠕变界限在400 kPa左右,对应的界限孔隙值为0.4μm(微米孔隙)。随土样受压强度增加,土体中不同尺度的孔隙及其连通体数量均发生变化:孔隙和孔隙连通体数量都先增加后减少最后趋于稳定,但变化规律并不完全一致。孔隙数量在200 kPa压力时达到峰值,而孔隙连通体数量却在400 kPa压力下达到峰值,孔隙总体积受孔隙数量和孔隙体积两个因素影响。土体固结前期主要发生大孔隙变形,大孔隙数量是影响其固结效应的重要因素。而在固结后期,微小孔隙体积是影响土体固结效应和蠕变的关键因素之一。本研究多方法结构分析在突破吹填淤泥这类饱和细粒土的结构定量分析后,有利于物质微宏观力学理论的进一步深化。     

不同固结压力下饱和软粘土孔隙分布试验研究

土体的微结构对土的工程力学特性具有决定性影响,运用压汞试验方法对上海淤泥质粘土单轴固结过程中的不同固结压力水平下的土样进行试验,采用孔隙种类、孔隙大小两种不同的标准对上海淤泥质粘土的孔隙分布特点及孔隙的大小进行研究.研究结果表明:上海淤泥质粘土孔隙以小孔隙为主,即多以团粒内在的孔隙和颗粒间的孔隙为主,孔隙半径多分布在0.2μm- 1.2 μm之间.随着固结压力增大,当固结压力分别为132 kPa,264 kPa时,土体中孔隙分布仍以小孔隙为主,但小孔隙和微孔隙分布的比例有一定的变化;当固结压力增大到800 kPa时,土中孔隙以微孔隙和超微孔隙为主,试样中团粒间的孔隙几乎消失,颗粒间的孔隙占有完全的主导地位.     

不同固结压力下重塑土微孔隙特征变化的试验与分析

土体的微结构对土的工程力学特性具有关键性影响,采用压汞试验方法对重塑土轴向固结过程中不同固结压力水平下的土样进行了试验。试验结果表明:重塑土中介于1000～10000 nm范围的中孔隙所占比例最大,而微孔隙和超微孔隙所占比例均很小;固结压力改变重塑土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变了土体的压缩性。     

尾砂软土固结过程中的微结构变化特征

尾砂软土的孔隙特征及其变化规律对其压缩性和渗透性有重大的影响,尾砂软土孔隙特征随荷载的变化规律的试验研究为揭示尾砂软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据.文章利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的尾矿库淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析.试验结果表明:淤泥土中介于0.4～2.5μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10 μm的大孔隙和小于30 nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性,在固结前期(p ＜200 kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小,在固结后期(p ＞200 kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓.     

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。     

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。     

珠江三角洲软土工程特性的微观机理探索

通过对珠三角典型软土样固结过程的微观结构观测、压汞分析和矿物成分分析,定量研究不同固结荷载下软土的微孔隙形态、尺度分布、颗粒定向性等微观参数随荷载的变化规律。研究表明,固结压力将显著改变软土的孔隙尺度分布、颗粒的定向性,以致改变土体的压缩性和渗透性。固结前期孔隙尺度较大,颗粒排列较紊乱,压缩系数和渗透系数较大并随固结压...     

基于SEM和MIP试验结构性黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律

 为探求土体在变形过程中微结构形态的演化规律,对湛江结构性黏土进行室内压缩试验,通过真空冷冻升华干燥法对天然土和压缩后土制样,进行扫描电子显微镜扫描试验和压汞试验,基于灰度计算土的三维孔隙率,分析压缩过程中微观孔隙的变化规律。结果表明,较二值化处理获得的二维孔隙率,三维孔隙率物理意义明确,求取方法简单,有较高准确性。湛江天然黏土孔径为1.0～0.1 μm的小孔隙组占优,其孔隙体积占总孔隙体积的73%。压缩过程中,P＞?k前,各孔径组分变化甚微。P＞?k后,随压力的增大,小孔隙含量表现为先增加后降低。各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在“瓶颈”效应,其结果可能会夸大小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性黏土压缩过程中微观结构形态的演化可分为结构微调、结构破损、结构固化3个阶段。该研究有助于深入了解土的变形机制,为结构性土的工程设计提供科学的依据。     

升降温作用对黏性土剪切特性影响的试验研究

采用温控三轴仪，对升降温作用后的正常固结饱和黏土进行了固结不排水剪切试验，研究了升降温作用对土体强度、有效应力路径、超孔压等的影响。结果表明，在100,200,400 kPa固结围压下，土样在升降温作用后呈现出类似超固结土的特性，固结不排水剪切强度分别提高了25.8%,22.1%,14.8%。强度的变化主要表现为黏聚力的提高，临界摩擦角基本保持不变。对比室温下不同超固结比（OCR）土样的固结不排水剪切试验结果，发现升降温作用后土样的峰值强度与OCR=1.5的土样相近，但升降温作用过程中产生的塑性体积应变增量远小于力学加-卸载所产生的，表明升降温作用对土体的硬化作用与超固结土的体积硬化机理有所区别。     

积水入渗稳定时近饱和土中封闭气泡含量 试验研究

含有与大气不相连通的封闭气泡且饱和度接近 100% 的土体称为近饱和土体。通过室内土柱一维积水入渗模型试验,研究了入渗稳定时土壤类型、干密度和初始含水率对近饱和土体中封闭气泡的含量以及气相逸出率的影响,分析了 3 种影响因素对封闭气泡体积的影响趋势和影响机理。试验结果表明：土样孔隙中封闭气泡的体积随土样干密度的增大而减小;当土样初始含水率超过某一临界含水率时,土样孔隙中封闭气泡的逸出随初始含水率的增加显著减少;由于黏性土达到渗流稳定需要的时间较砂性土长,因而砂性土的气相逸出率要明显小于黏性土的气相逸出率。通过试验揭示了实际土体入渗中的一些物理现象,为更好地理解土壤入渗过程和建立数值模拟模型提供了试验数据。     

饱和重塑黏性土固结过程的孔径分布特性研究

对饱和重塑黏性土采用不同加载速率进行排水固结,将不同加载时段的试样进行核磁共振(NMR)测量,分析横向驰豫时间T₂分布、T₂谱面积变化与孔隙的关系,研究饱和重塑黏性土固结过程的孔径分布特性。结果表明:饱和重塑黏性土试样初始阶段的横向驰豫时间T₂为两谱峰,分别代表大小孔径的孔隙,随着加载的进行,各试样组试样孔径逐渐向较小尺寸转移,最终变成致密均匀的小孔径孔隙;恒载一定时间后,孔径变化不再明显,说明孔隙中可流动流体已排尽,此时完成排水固结;根据加载速率与最大孔压的正相关关系得到一分界速率,合理推断控制加载速率小于该值,则主固结阶段即完成排水固结。     

不同幅值温度荷载下一种饱和红黏土的固结效应

通过室内试验,研究一种饱和红黏土在不同升温幅值温度荷载作用下的固结效应。亦即,首先将试样在初始温度20℃和一定围压下（σ₃=50,100,150,200 kPa）进行固结。然后,在不排水条件下将试样温度由20℃上升至40℃（或50℃,60℃,70℃,80℃）,再让试样在该温度荷载下进行等温排水固结。试验表明,温度荷载引起的孔隙水压力最大值随升温幅值的增大而增大,达到同一温度设定值后的孔隙水压力与围压比随围压的增大而相应减小,而孔隙水压力值则增大。在温度荷载作用下,固结体应变随温度幅值的增大而增大,而随围压的增大有减小的趋势。在相同幅值温度荷载和相同围压作用下,红黏土的孔隙水压力增长速率及最大值要明显大于一种低塑性的粉质黏土,而其固结体应变却要小些。     

基于连续介质模型的颗粒材料孔隙度及孔隙水压力计算公式

孔隙度是能够部分反映颗粒材料微观结构的一个宏观量,其数值及其演化对颗粒材料的宏观力学行为有重要影响。基于连续介质模型,在颗粒体积应变均匀的前提下推导了颗粒材料的孔隙度随颗粒集合局部平均体积应变的演化公式,并应用该关系式结合孔隙水状态方程给出了饱和颗粒材料的孔隙水压力与孔隙度、固体颗粒体积模量、固体颗粒变形之间的关系。所得公式可用于饱和含液颗粒材料流–固耦合计算或饱和多孔介质宏观–细观多尺度流–固耦合渗流分析。     

湿喷桩施工中饱和粉土的触变性研究

针对某高速公路软基处理中出现的湿喷桩下沉现象,通过埋设孔隙水压力传感器和土压力传感器,比较湿喷桩施工桩周土的水平向土压力和超孔隙水压力的大小关系,提出湿喷桩下沉的判别方法。根据现场静力触探试验、取土样和室内土力学试验结果,分析湿喷桩施工扰动下饱和粉土的触变性,粉土强度随时间延长而增加。     

黏弹性分数导数型饱和土中球形空腔的动力响应

基于Biot理论,在频率域内研究了黏弹性分数导数型饱和土中球形空腔的动力响应。利用分数阶导数黏弹性模型描述土骨架的应力–应变本构关系,并采用与土体孔隙率有关的应力系数合理地确定了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。通过土体和衬砌接触面处的连续性边界条件,得到了内水压力作用下黏弹性分数导数型饱和土体中球形空腔的稳态动力响应。考察了物性参数对响应幅值的影响,研究表明：土体黏性和材料特性以及多孔柔性衬砌和饱和土的相对渗透性,对系统响应有较大的影响。     

融化饱和哈尔滨黏土的应变速率效应试验研究

 对饱和哈尔滨黏土进行7次冻融循环后,在不同围压和应变速率下进行固结不排水三轴剪切试验,分析融化饱和黏土的有效偏应力及孔隙水压力随应变速率的发展规律。结果表明,融化饱和哈尔滨黏土在小于240 kPa的围压下表现出超固结特性,在240 kPa围压下表现为正常固结或者轻度超固结特性。随着应变速率的增大,融化哈尔滨黏土的强度变化规律以0.15 h－1为节点分为2个阶段：当应变速率小于0.15 h－1时,试件的强度随着速率的增大先增大后减小,当应变速率超过0.15 h－1时,试件的强度随着速率的增大持续增大;孔隙水压力的发展趋势随着围压的增大由软化型转变为硬化型,但各围压下的应变速率效应对孔隙水压力的发展趋势影响不明确;利用广义双曲线模型对试验数据进行分析拟合,研究表明,该模型能够合理的描述融化哈尔滨黏土的应变速率效应。     

沉积成层饱和粉土质砂振动孔压发展规律的试验研究

具有层状结构砂土的力学特性有别于纯净的砂土或含有一定细粒含量均匀混合砂土,利用自行制作的土样制备箱采用水中沉砂法制备沉积成层粉土质砂,通过动三轴液化试验研究这种沉积成层饱和粉土质砂的振动孔压发展规律。试验结果发现:对于沉积成层饱和粉土质砂,孔压一般达不到有效固结压力,仅为有效固结压力的70%~80%,而相应的轴向双幅应变可达到0.05左右;当围压为50 kPa时,其振动孔压发展模式可用反正弦函数表示;当围压为100,200 kPa时,其振动孔压发展模式都可用双曲线函数表示。     

两相非连续介质固结理论

 基于两相非连续介质(如饱和土)的力学模型,导出一个有效应力方程,在该方程中总应力分布取决于孔隙率和孔压传递系数?(?∈[0,1]),将其引入Biot固结理论,导出三维固结新方程。以圆柱土体径向受压为例,用Abaqus对两相非连续介质固结理论进行分析,求解得到孔压和位移,并比较新老理论结果的差异。根据相关文献的渗透性数据,获得几种黏土的?值,其合理范围为0.35～0.54。在相同的模量和渗透系数条件下,随着孔隙率和孔压传递系数的减小,固结过程加快,Mandel-Cryer效应更加显著。当孔隙率和孔压传递系数减小为0,固结在瞬间完成,两相非连续介质固结理论自动过渡为连续介质的弹性理论。两相非连续介质固结理论在传统固结理论和弹性理论之间搭建一座桥梁,从侧面印证两相非连续介质力学模型的合理性。     

一种用于饱和土的热固结试验装置及其应用

介绍一种用于饱和土圆柱形试样的热固结试验的温控固结压力室系统，可用来测定变化温度荷载和外力荷载耦合作用下试样的热固结变形量。该试验装置压力室内温度可在17℃～100℃范围内变化，同时可承受较高的等向周围固结压力（0～3 MPa）。分析了该试验装置的基本原理和测试方法。此外，针对一种典型的黏性土，研究了温度诱致的饱和黏性土的热固结变化规律，对试样的温度演化过程、孔隙水压力变化以及热体积应变的测定等问题进行了分析。