固结条件下软黏土微观孔隙结构的演化及其分形描述

利用扫描电镜(SEM)研究软黏土固结前后的微观结构,采用数字图像技术研究软黏土固结过程中微孔隙的大小、数量及其分布的演化规律.基于Sierpinski地毯的分形概念,结合量测数据给出了描述孔隙结构的Sierpinski分维数并研究其差异性.图像分析表明,随着固结压力的增大,软黏土的孔隙度和孔径趋于减小,孔径范围变窄,土体固结过程对孔隙级配具有一定的调节作用.分形研究表明,分维数的数值大小反映了软黏土固结过程中的孔隙度变化,固结压力愈大,孔隙度愈小,分维数愈大.分维数与孔隙度、固结压力、压缩量之间存在较为显著的线性回归关系,并能反映软黏土的结构性特点.研究结果揭示了土体宏观变形与微孔隙结构分形特性之间存在的相关关系,分维数可为软黏土固结变形预测提供依据.     

压缩变形影响下的土-水特征曲线及其简化表征方法

非饱和土的本构关系研究需获得任意压缩变形条件下的土-水特征曲线,但试验测量往往只能给出特定状态下的土-水特征曲线。压缩变形改变土体孔隙分布特性,从而影响其土-水特征曲线。采用压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜研究压缩变形条件下土体孔隙孔径分布的变化规律,基于实测及已有试验数据研究土-水特征曲线变化规律,通过孔径分布变化规律阐释压缩变形影响土-水特征曲线的机制。研究结果表明：在不同的压缩变形条件下,土体（单位颗粒质量）的累计孔隙体积分布整体上呈现“扫帚型”分布,质量含水量表示的土-水特征曲线也呈现相似的分布,二者变化规律较为一致,从而揭示了土-水特征曲线随压缩变形变化的内在机理。在此基础上,建议了一种压缩变形影响下的土-水特征曲线简化表征方法,其描述的土-水特征曲线与试验结果吻合较好。     

压缩变形影响下的土-水特征曲线及其简化表征方法

非饱和土的本构关系研究需获得任意压缩变形条件下的土-水特征曲线,但试验测量往往只能给出特定状态下的土-水特征曲线。压缩变形改变了土体孔隙分布特性,从而影响其土-水特征曲线。采用压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜研究压缩变形条件下土体孔隙孔径分布的变化规律,基于实测及已有试验数据研究土-水特征曲线变化规律,通过孔径分布变化规律阐释压缩变形影响土-水特征曲线的机制。研究结果表明:在不同的压缩变形条件下,土体(单位颗粒质量)的累计孔隙体积分布整体上呈现"扫帚型"分布,质量含水率表示的土-水特征曲线也呈现相似的分布,二者变化规律较为一致,从而揭示了土-水特征曲线随压缩变形变化的内在机理。在此基础上,建议了一种压缩变形影响下的土-水特征曲线简化表征方法,其描述的土-水特征曲线与试验结果吻合较好。     

湿地湖泊相黏土一维固结压缩特性宏微观试验研究

湿地湖泊相黏土是一种特殊的区域性软弱土,其物理力学性质和压缩性质与一般软土的物理力学性质和压缩性质有很大区别。为探究湿地湖泊相黏土的固结压缩特性及其机理,对湿地湖泊相黏土进行一维固结压缩试验,同时采用扫描电镜和计算机图像处理软件,提取不同固结压力下土体的微观结构参数,对土体微观结构的变化进行定性和定量分析。结果表明:湿地湖泊相黏土具有较明显的结构强度;由于结构强度的影响,原状土的压缩性明显小于重塑土的压缩性;当固结压力超过结构屈服应力后,原状土的结构强度逐渐丧失;在固结压缩过程中,微观结构参数的变化规律在固结压力达到结构屈服应力前后发生改变,曲线形态呈“二段折线”形式;在固结压力达到结构屈服应力前后,湿地湖泊相黏土土骨架的动态重组是土体压缩性发生改变的根本原因。在固结压缩过程中,孔隙的形态特征和定向排列特征变化较大,而颗粒的形态特征变化较小但定向排列特征变化较大,颗粒和孔隙通过不同的方式对土的压缩性产生影响。研究成果可为相关地区的地基处理工程提供借鉴参考。     

压汞法在研究饱和软土孔隙分布中的应用

采用压汞法对广州软土单轴压缩过程中的不同固结压力下的试样进行了试验研究。结果表明:原状淤泥土孔隙较大,孔隙分布以小孔为主,随着固结压力的增大,土体中孔隙体积显著减少,土中团粒发生塌陷、滑移,团粒内的孔隙被压密,孔隙分布逐渐向微孔和超微孔发展;当固结压力达到800 kPa时,孔隙分布结构发生显著变化,孔隙结构完全以微孔和超微孔为主。     

考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究

红黏土是一种具有高度水敏性的典型特殊土,而土水特征曲线(SWCC)是研究红黏土工程性质的重要依据。红黏土在含水率变化时会发生明显的胀缩效应,现有SWCC测试往往缺乏对此效应的考虑,导致所测得的结果具有一定的误差。本文通过压力板仪法和滤纸法,量测了湖南某地区红黏土在不同含水率下所对应的基质吸力,并根据收缩试验掌握了红黏土在不同含水率下的体积变化特征并获取了相应的收缩系数,推导了体积变化修正公式,对SWCC进行了体积变化修正,最后利用V-G模型对修正后的SWCC进行了拟合,探讨了模型参数与初始孔隙比(压实度)的关系,建立了红黏土改进V-G模型。结果表明:红黏土在含水率改变时的体积变化对其SWCC影响很大,同一基质吸力状态下,体积变化修正后红黏土试样的体积含水率和饱和度明显高于修正前的值,且基质吸力越高该差别越明显。对于体变修正后SWCC的V-G模型,模型参数受初始孔隙比的影响较大,其中表征进气值的参数a和孔隙大小分布的参数n与初始孔隙比呈幂函数关系,而表征残余含水率的参数m与初始孔隙比接近线性关系。     

基于SEM图像处理的天然硅藻土分形特征分析

为探讨天然沉积硅藻土的微观结构及变形机制,对硅藻土样进行了SEM电镜扫描、压汞试验和高压三轴试验。采用图像分割原理及最佳阈值法分析了天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形特征和孔隙结构特征参数,探讨了硅藻土分形维数和各向等压固结压力之间的关系。结果表明,硅藻土体多孔隙,具有很强的结构性。土中孔隙孔径大多在0.1~1.0 μm之间。在固结压力达到屈服压力后,孔径大于1 μm的较大孔隙随固结压力的增加而减少,硅藻颗粒破坏,孔隙结构坍塌。获取了灰度阈值及二值化后的SEM图像。得到天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形盒子数和盒维数。结果还表明分形盒维数随固结压力增加而增加,天然沉积硅藻土在固结压力下的微观结构性及孔隙分布可通过分形盒维数来反映。     

非饱和黏土受冻融影响的渗透性演化试验研究

土体的渗透性是评价其抗冻性能的重要指标,在冻融循环条件下,土体结构及孔隙特征改变,导致渗透性能产生差异。为研究非饱和黏土受冻融影响的渗透性演化规律,针对不同饱和度和密实度的试样,开展了冻融循环条件下黏土的渗透性测试。结果表明:随着冻融次数的增加,黏土的渗透系数先快速增大而后逐步趋于稳定,并且这种变化趋势受到饱和度和密实度的影响;饱和度越高,渗透系数增量和增长率越大;密实度越高,冻融对渗透性的影响越小,冻融过程中渗透系数能更快达到稳定状态。最后根据试验结果提出了包含冻融次数、饱和度和密实度的渗透系数演化模型。     

不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性

为研究不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性, 利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪进行不同初始孔隙水压与不同加载速率下的混凝土常三轴试验。结果表明:不同围压下, 混凝土内部孔隙水压的变化规律可分为迅速变化、缓慢变化和趋于稳定3个阶段。不同应变速率下, 混凝土峰值应力随初始孔隙水压的增大逐渐增大, 高应变速率提高了初始孔隙水压力对混凝土峰值应力的影响; 初始孔隙水压力在较大程度上提高了混凝土峰值应力的率敏感性。不同初始孔隙水压力下, 混凝土峰值应力随应变速率的提高逐渐增加。依据试验数据, 基于Weibull统计理论模型构建了混凝土水环境下的经验率型本构方程, 对不同初始孔隙水压下混凝土常三轴动态压缩应力-应变曲线进行描述, 拟合效果良好。这证明所建模型可用来描述不同工况下混凝土应力-应变全曲线及损伤变化规律。     

黏-砂混合土压缩特性与微观结构特征关系研究

黏-砂混合土在吹填土地基中广泛应用,混合土地基变形与微观结构息息相关。为探讨黏-砂混合土压缩变形的微观机制,以黏土与砂不同配比的混合土为研究对象,利用压缩、扫描电镜(SEM)试验和图像处理技术(IPP)对固结前后试样的颗粒排列、孔隙分布进行定性和定量分析,从微观层面探讨了混合土微观结构随固结压力变化的演变机制。结果表明:随着含砂量的增大,混合土孔隙比呈先减小后增大的趋势,压缩系数不断减小;大、中孔隙随着含砂量增大明显增多,颗粒间接触方式从以边-面、面-面接触为主向点-点、点-面接触过渡;固结作用提高了颗粒排列的密实性和有序性,孔径分布向小孔径范围移动,大孔隙面积占比最大降幅达31.39%,中孔隙面积显著增加,对微、小孔隙影响不明显;土体颗粒的定向概率熵与和含砂量呈正线性相关,与压缩系数a_1-2呈负线性相关,含砂量越大,混合土颗粒排列越混乱,定向概率熵越大,其压缩性越低。由此可见,固结压力和配比不同引起的颗粒、孔隙微观结构参数变化是导致混合土压缩特性差异的内在原因。     

广州地区海积软土蠕变特性试验研究

为探求广州地区海积软土在长期荷载作用下的蠕变规律,对广州地区海积软土开展了三轴压缩试验和不同固结围压作用下的三轴固结不排水蠕变试验,系统探讨了海积软土蠕变变形特性。试验结果表明,海积软土蠕变特性与多种因素有关,包括围压水平、偏压力水平、排水条件等;该地区软土具有较强的非线性蠕变特性,非线性特性通过偏应力水平的增大而逐渐显现;孔压增量与应力增量并非线性关系。更多还原     

排水剪切下湿地湖泊相黏土结构性宏微观试验研究

为了探讨排水剪切条件下结构性对湿地湖泊相黏土力学特性的影响,对湿地湖泊相黏土原状样和重塑样进行三轴排水剪切试验,将试验后的原状样进行微观定性和定量分析,研究不同围压下结构性对土体剪切强度和变形特性的影响。结果表明:在土体结构屈服破坏前,结构性会提高原状土抗剪强度,减小剪切变形;当土体结构屈服破坏后,结构性会降低原状土抗剪强度,增大剪切变形。原状土的峰值结构强度随围压增大近似呈线性增加,而峰值结构体积应变随围压增大呈指数型趋势减小。在围压小于结构屈服应力时,剪切阶段由胶结联结和结构骨架承担荷载,孔隙压缩较小,颗粒和孔隙的形状和排列变化较小;当围压超过结构屈服应力后,在剪切阶段胶结联结和结构骨架逐渐破坏,孔隙受到压缩,颗粒和孔隙的形状趋向圆形,并向荷载优势方向调整排列。研究成果对于揭示湿地湖泊相黏土的结构破损机理及指导湖泊湿地地区的工程建设具有重要意义。     

干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力响应规律研究

非饱和土基质吸力与其微观孔隙结构息息相关。为探究在干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力的响应规律, 以重塑黄土坡滑坡滑带土为研究对象, 采用压汞法分析干湿循环过程中孔隙大小分布规律, 得到不同干湿循环次数下滑带土孔隙分布曲线。在此基础上, 结合分形原理, 将滑带土孔隙划分成三类(大孔隙、中孔隙和小孔隙); 结合毛细管模型, 间接推算出滑带土的土-水特征曲线(SWCC)。研究结果表明:反复干湿循环作用使小孔隙逐渐转化成大孔隙, 颗粒孔隙转化成团粒孔隙; 不同干湿循环次数对应的土-水特征曲线均存在一个共同的拐点, 拐点上侧, 含水率相同时, 随着干湿循环次数增加, 基质吸力逐渐增大, 下侧反之。研究成果有利于深入了解滑带土的干湿循环效应, 可用于库岸滑坡演化机理研究。     

复杂循环荷载作用后长江口原状淤泥质软黏土静强度弱化特性研究

利用土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪, 针对取自于长江口的海洋原状淤泥质软黏土，在不固结不排水条件下，分别进行了动三轴、45°线耦合以及圆耦合等多种复杂循环剪切试验及循环荷载作用后静三轴试验。结果表明，随着循环次数的增加，三种不同模式循环荷载作用产生的应变、孔压增量以及循环荷载作用后土的静强度衰减程度差异均变得越来越明显。对应相同循环剪切次数，双向耦合循环剪切要大于单向循环剪切产生的应变与孔压增量，双向耦合循环剪切后静强度衰减更加明显；而对于双向耦合循环剪切，圆耦合循环剪切大于45°线耦合循环剪切产生的应变与孔压增量，并且圆耦合循环剪切后静强度衰减更加显著。由此表明，主应力轴连续旋转会使土体产生更大的变形与孔压增量，并且使静强度显著降低。分别定义了广义综合剪应变及综合孔压增量比，并建议了循环荷载作用后静强度与广义综合剪应变、综合孔压增量比的关系。     

基于压汞法的改良土渗透特性研究

为探讨改良剂(水泥、固化剂)对土壤渗透性及微观孔隙分布的影响机理,以平原水库粉质黏土为研究对象,采用渗透试验和压汞试验,对改良土的渗透系数及微观孔隙进行研究。结果表明:固化剂使孔隙体积变小,降低改良土的渗透系数,但并非呈线性减小关系;当掺量为2%时,水泥和固化剂之间产生较大的抑制作用。固化剂速凝,可明显缩短施工周期,为工程抢修提供新的发展方向。水泥对改良土渗透性影响最大,随着水泥掺量增加,土体内部由大孔隙向小孔隙过渡。当龄期超过7d,土体渗透性降幅较大,大孔、中孔含量减少,微孔、极微孔逐渐增多;该研究建立了渗透系数与大孔、中大孔孔隙率的函数关系,为改良土作为防渗材料的稳定性分析提供理论依据。     

RVE孔隙模型细观结构特征分析与对比

为揭示三维层面花岗岩残积土内大孔隙分布特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,采用计算机断层扫描(CT)技术得到CT扫描图像,并进行三维重构,提取了土壤内相关大孔隙参数,选取代表性体积单元(RVE)对大孔隙特征进行定量表征分析。结果表明:花岗岩残积土中不同试样的连通孔隙数量差异性较大,但由于孔隙形成原因类似,孔隙结构之间差异性较小,且孔隙半径多介于1～4 mm之间;不同位置的土壤内部孔隙拓扑空间结构差异性较大,部分孔隙的配位数可达40以上,但深度对其影响较小;对比不同处理方法可知,二维图像处理得到的孔隙平均直径最小,孔隙差异性较大,孔隙网络模型处理得到的孔隙平均直径最大,孔隙分布较为均匀;而三维重构处理和孔隙网络模型处理平均孔隙体积相差5倍以上。     

冻融循环作用后水泥土及粉煤灰土的力学性能试验研究

对水泥土及粉煤灰土进行了冻融循环作用后的单轴抗压试验研究,探讨并对比了冻融循环次数、养护龄期、干湿冻融对两种改良土力学性能的影响规律,并分析了冻融循环对改良土的破坏机理。结果表明:冻融循环对削弱水泥土抗压强度的影响随着冻融次数的增加越来越明显,然而对粉煤灰土抗压强度的影响仅在冻融循环初期较显著。改良土的抗冻性能随着养护龄期的增长有不同程度的提高。干冻、湿冻对改良土抗压强度影响明显,相同冻融次数下干冻改良土的抗压强度高于湿冻条件下的抗压强度。通过对水泥土和粉煤灰土破坏机理进行分析,发现粉煤灰掺料的颗粒粒径小于水泥掺料的颗粒粒径,因而填充土体细小孔隙效果更优。由于结冰温度随着毛细孔径的减小而降低,导致粉煤灰土的抗冻性能优于水泥土的抗冻性能。在实际工程中,应根据工程所处环境的不同选取不同的冻土改良方法从而达到工程要求。     

基于核磁共振成像的混凝土冻融损伤特征

为研究多次冻融循环过程中材料内部孔隙分布的变化特点,采用低强度磁场核磁共振成像扫描仪对经过0,50,100和200次冻融循环的混凝土试件进行扫描,获得了弛豫时间T₂分布谱和扫描图像。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,表征材料孔隙率大小的T₂谱面积呈现初期增速较快,后期增速减小的规律;小孔隙含量随循环次数增加而减小,大孔隙含量随循环次数增加而上升;不同损伤程度的混凝土试件的核磁共振(NMR)扫描图像与T₂分布谱的变化特点具有较好的同步性,体现了扫描结果的准确性。研究成果有助于加深对混凝土在冻融循环过程中结构损伤演化规律的认识。