软土加固过程中微结构变化的分形研究

土体内部孔隙的特征及分布情况是土体微结构变化的内因,也是决定土体物理力学性质的主要因素。在软土性质发生改变时,孔隙的变化是最直接、最显著的。所以,对土体微观结构进行研究,应着重研究土中孔隙的变化。由于土中孔隙的复杂性及非确定性,很难用传统的几何方法对其研究和描述。为研究加固前后软黏土微结构的变化情况,在珠江三角洲某高速公路软土路基利用动力排水固结法加固的施工现场,取不同深度内加固前后土样进行压汞测试,用分形理论对压汞测试数据进行分析,探讨软土中孔隙的分布特征,在此基础上提出了土中孔径划分的方法,进而探讨动力排水固结法加固软土地基的微结构变化,建立了加固后土样的孔隙度分维数与土体固结度之间的关系,研究结果表明土中孔隙分布具有分形特征,用孔隙度分维数可以实现对地基加固程度的预测。     

网纹红土红白色网纹的分形研究

网纹红土的网纹结构是其最主要的结构特性,其网纹包括红色网纹和白色网纹。本研究采用金相显微镜获取网纹红土微观结构图像,再利用IPP图像处理软件对网纹红土红白色网纹部分的微观结构图像进行预处理、图像增强、图像分割、图像二值化等步骤;再提取反映土体微观结构的特征参数,并对微观结构进行分形研究,得出网纹红土红白色网纹在分形结构上的差异性,为工程问题的解决提供参考。研究表明,网纹红土红白色网纹微观结构的孔隙大小符合分形特性,其孔隙分维数在1.06-1.39之间;红色网纹比白色网纹部分的土样自组织程度更高、级配更好、土体的结构更复杂。     

坑侧土体卸荷的侧向应力-应变关系研究

利用平面应变仪对坑侧土体进行固结-侧向卸荷的试验研究,指出经过侧向卸荷过程的土样抗剪强度指标与常规三轴压缩试验结果明显不同;得出侧向卸荷土体的侧向应力-应变间也呈双曲线关系,据此运用邓肯-张建模思路,推导出反映坑侧土体侧向卸荷实际应力路径下的侧向应力-应变关系模型,模型预测与试验结果吻合较好.     

荷载和试件形状对水泥基材料碳化反应孔结构分形特征的影响

利用MIP压汞仪对碳化反应前后不同荷载应力水平和不同试件形状的孔结构信息进行定量研究,利用分形理论中的热力学分形模型计算出各组试样的孔表面积分形维数,分形维数越大表示孔结构的曲折和复杂程度越大,有害侵蚀性介质传输难度增加。研究结果表明:利用分形理论中的热力学分形模型可以定量地表述孔结构的变化,其数值结果在拓扑维数2.0和2.7之间。荷载影响下砂浆试样的孔表面积分形维数的分维值在2.1~2.5之间;对应力水平为0.2的试样,拉应力作用下其孔表面积分形维数的分维值比压应力作用下的大;对应力水平为0.4,0.6的试样,其拉应力作用下的分维值比压应力作用下的小。不同形状的水泥基试样其孔表面积分形维数在2.0~2.7之间,碳化前后其分维值都减小,但是块状试件的分维值减小的幅度比圆柱状试件要大。     

不同应力路径下低液限粉土力学特性三轴试验研究

基于成因不同,土体具有复杂的变异性、不确定性和地域性差异,通过固结不排水剪应力路径试验对宁波轨道交通建设工程典型③层低液限粉土在K0固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了不同固结围压(60、120、200kPa)条件下DE(增P)、DG(等P)、DF(减P)三种应力路径下粉土的应力-应变特性和孔压特性、强度特性及应力路径特性。研究结果表明,应力路径对轴向应变的变化速率、土体的强度影响明显;不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响;土体的应力-应变呈硬化型,试验过程土体表现出明显的剪胀特征,应力路径对土体总应力的内摩擦角影响较大,对有效内摩擦角影响不大。     

隧道盾构施工对场地土力学性能影响的研究

依托无锡地铁1号线盾构区间开挖工程,根据盾构施工周边不同区域内土体扰动的特点,对盾构施工现场原状土进行一系列应力路径室内三轴试验。试验结果表明:不同的应力路径下土体强度和变形特征显著不同,等比压缩、被动压缩、等p压缩和主动压缩的强度依次递减;土体在卸载应力路径下的强度和破坏时的轴向应变小于加载应力路径时的相应值;而土样在压缩应力路径下的强度要远远大于伸长应力路径下的强度。     

基于分形理论的土石混合体强度特征研究

 从土石混合体的非线性特性出发,应用分形几何理论研究土石混合体的强度特征。通过大型三轴试验,对不同粒度分维不同围压下土石混合体的应力–应变特性、强度参数特征及峰值强度特征进行分析;并讨论强度参数、峰值应力差与粒度分维值的关系。结果表明：土石混合体的应力–应变特性相似于岩石典型应力–应变曲线;不同粒度分维的土石混合体强度包线总体呈线性性质,粒度分维值对强度影响很大,其与抗剪强度的关系近似一抛物线;对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度,属最优级配土石混合体,并分析产生这一现象的原因。     

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。     

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。     

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。     

基于植被根系分形维数的生态边坡位移场研究

植物根系与土的相互关系非常复杂,本文将根土复合体当作由土体、根系所联系起来的有机体,提出基于根系形态特征的固土机理数值分析方法,研究在雨水侵蚀力和坡面径流侵蚀力作用下,不同根系形态对土体位移场的影响。同时根据根系形态特征,研发了计算不同植物根系分形维数的分形软件Fractal 1.0,利用该软件能计算不同植物根系分形维数。选择常见护坡植物夹竹桃(Nenium indicum)作为研究对象,依据数值模拟中根系模型与实测根系形态分形维数的关系,研究了植物根系分形维数与边坡土体位移场的关系,给出了分形维数与边坡位移量的定量关系。随着分形维数的增大,根系生长活性增大,根系分枝数量和分枝长度逐渐增大,植入边坡土体后,边坡表层位移量能够有效减小,因此植物根系分形维数大小能够反映根系对边坡土体位移场的影响。     

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。     

石英砂砾破碎过程中粒径分布的分形行为研究

荷载作用下粒状土的颗粒破碎改变土的粒径分布,从而影响其力学特性。试验证据显示随着颗粒破碎的增加,任何初始分布的土粒都将趋向一种自相似的分形分布。为了揭示土的粒径分布的分形转变机制,利用侧限压缩试验研究高压应力下石英砂砾的粒径分布演化规律和颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布实测数据研究破碎过程中粒径分布的分形行为。研究发现:颗粒破碎增长导致粒状土趋向分形分布的过程与颗粒破碎量密切相关,并可以通过增大的分形维数来描述。尽管石英砂砾的初始分布和粒径有所不同,分形维数大于2.2的粒径分布实测数据均展示了较为严格的自相似性,因而该数值可作为分形分布的分形维数下限值。研究还发现:相同破碎状态下Hardin相对破碎率小于Einav相对破碎率,但二者对应力和体应变的响应规律是一致的。颗粒破碎发展至粒径分布成为分形分布时,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定,并且受初始分布的均匀性和颗粒大小的影响很小。这一特点可用于分形分布的识别,并意味着试验中如果粒径分布是分形的,则无须为了粒径分析而终止试验,只需测量到体应变就可估计相对破碎率。     

Investigation of meso-failure behaviors of Jinping marble using SEM with bending loading system

In this study, the meso-failure mechanism and fracture surface of Jinping marble were investigated by means of scanning electron microscope(SEM) with bending loading system and laser-scanner equipment. The Yantang and Baishan marbles specimens from Jinping II hydropower station were used. Test results show that the fracture toughness and mechanical behaviors of Yantang marble were basically higher than those of Baishan marble. This is mainly due to the fact that Baishan marble contains a large percentage of dolomite and minor mica. Crack propagation path and fracture morphology indicated that the direction of tensile stress has a significant effect on the mechanical behaviors and fracture toughness of Baishan marble. For Yantang and Baishan marbles, a large number of microcracks around the main crack tip were observed when the direction of tensile stress was parallel to the bedding plane.Conversely, few microcracks occurred when the direction of tensile stress was perpendicular to the bedding plane. The presence of a large number of microcracks at the main crack tip decreased the global fracture toughness of marble. The results of three-point bending tests showed that the average bearing capacity of intact marble is 3.4 times the notched marble, but the ductility property of the defective marble after peak load is better than that of the intact marble. Hence, large deformation may be generated before failure of intact marbles at Jinping II hydropower station. The fractal dimension of fracture surface was also calculated by the cube covering method. Observational result showed that the largest fractal dimension of Yantang marble is captured when the direction of tensile stress is parallel to the bedding plane. However, the fractal dimension of fracture surface of Yantang and Baishan marbles with tensile stress vertical to the bedding plane is relatively small. The fractal dimension can also be used to characterize the roughness of fracture surface of rock materials.     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系.本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征.研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低...     

常规三轴压缩下花岗岩断裂表面的分形研究

用花岗岩试件做了常规三轴压缩试验,对在不同围压作用下的岩石断裂表面进行了分形研究。其结果表明,随着围压的增加,沿破坏而剪切错动方向分形维数增加,而垂直于该方向的分形维数则基本不变。用光学显微镜及扫描电镜观察岩石断口的分形特征,分析了岩石断裂机理。结果表明,分形维数是一个能反映岩石损伤断裂机理的特征参数。     

压应力对岩石破碎的分维的影响

对不同围压的实验中的砂岩破碎碎屑，用筛析法和比重计法分析砂岩碎屑的分布，发现砂岩破碎碎屑是分形分布。不同围压的实验中，碎屑分布的分维值不同。随着围压（有效压应力）的增加，砂岩破碎碎屑的分维增大。文中解释了砂岩碎屑分维增大的原因，研究了碎屑分形分布的物理机制。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

侧限压缩下石英砂砾的颗粒破碎特性及其分形描述

利用侧限压缩试验研究高压应力下石英粗砂和细砾的颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布资料,研究颗粒的破碎分形。结果表明:颗粒破碎量随着压力的增加而增加,并与粒径大小有关。随着破碎量的递增,粗砂的内摩擦角逐渐增大,细砾的内摩擦角先增大后减小,二者最终均趋于稳值;石英砂砾破碎后的粒度分布具有良好的分形特性,破碎分维数的数值大小反映了破碎量的变化,破碎量愈高,分维数愈大,并与Hardin破碎率有较为显著的线性关系。破碎分维数和Hardin破碎率与压应力之间分别存在着双曲线关系和半对数线性关系,因而通过压应力和土粒参数就可估计破碎分维数和破碎率。破碎分维数为粒状材料的颗粒破碎分析提供了一个新的量化指标。