土体孔隙分形模型及其与土体渗透性关系的研究

土体颗粒和孔隙分布直接影响土体渗透性大小。文章引入分形几何理论,基于土颗粒粒度的分维系数和球形土颗粒的假设,确定了单位体积土体中土颗粒的总数以及孔隙的总表面积,进而建立土体孔隙比表面积分形模型。该模型包括的四个参数可由实验方法确定。实例分析结果证明,土体的渗透系数随孔隙比表面积增大而逐渐减小,这与渗流分析结果一致。验证了模型的合理性和可行性,为土体渗透性的研究提供了一种新的方法。     

济南浅层地基微观结构及分形特征研究

天然沉积土的宏观力学特性与微观结构紧密相关,研究土体微观结构对深入揭示土的宏观力学特性具有重要意义。首先研究济南地区深度在50 m以内黄河冲积地层天然沉积土的物理力学参数分布特征,再采用场发射扫描电镜试验,分析各土层不同方向土样的微观结构特征,最后应用分形理论,研究各层土分形维数的演化规律及其与物理特性参数间的相关性。结果表明:第(7)层黄土是以粗粉粒为主体骨架的蜂窝状大孔隙结构,第(8)层粉质黏土是碎屑粉粒为骨架的蜂窝结构,第(9)、(10)和(11)层粉质黏土是以黏粒集合体为基本单元的薄层状絮凝结构。不同土层土体土粒和孔隙的分形行为明显,随着地基深度增大,土粒和孔隙的分布分维数均逐渐加大,形态分维数均逐渐减小,土粒的粒径变化比孔隙的孔径变化明显,而孔隙的形态变化比土粒复杂。土体的分维数与含水率、孔隙比、液塑限、黏聚力和内摩擦角之间存在较强的相关性。     

非饱和黄土宏细观含水状态与结构性的研究

土水特征曲线可以反映土中孔隙的空间分布与变化情况,利用土体的孔隙分布特征可以研究 非饱和土的持水特性和结构特性。首先通过室内压力膜仪试验,研究了非饱和黄土的土水特征曲线的 进气压力值、脱湿速率、孔径分布参数等指标与干密度、击实含水率的关系;然后基于孔径分布计算理论 和试验结果,给出了非饱和黄土的孔径分布曲线,用来评价土体内部孔径的分布情况,分析了非饱和黄 土干密度和击实含水率对土的宏细观含水状态和结构性的影响机理。结果表明:增大非饱和土的干密 度,可使孔径变小,孔隙结构分布范围变窄,土颗粒从架状结构向致密结构转换,基质吸力变化引起含水 率变化较小,持水特性提高,土体的脱湿速率变慢,进气值呈现增大趋势;而击实含水率位于最优含水率 湿测时,影响并不明显。     

干湿循环对坝体土体孔隙影响研究

针对干湿循环对土体结构的影响,通过模型试验获取模型坝坡不同部位基质吸力变化,据此绘制土水特征曲线;根据土水特征曲线分析土体孔隙孔径,在假定土体孔隙为球体的基础上分析受旱过程中孔隙半径的变化,据此研究整个受旱过程中土体孔隙体积的改变。研究表明,对于未产生裂缝的土体在受旱过程中孔隙体积将增大,且这种变化受干湿循环条件影响越大越明显,孔隙体积的增大将降低土体的密实度,威胁填土工程的安全。     

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。     

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。     

人工冻融海相黏土微观孔隙特征试验研究

针对海相黏土的强结构性,结合微观孔隙特点,定量分析了压汞试验海相黏土冻融及压缩前后进汞压力与进汞增量的变化关系,获得了4种工况下的土体孔径、孔表面积的定量变化规律。结果表明,原状软黏土经冻融、压缩作用后孔隙分布发生改变,各类孔隙在数量分布上也发生改变,部分较大的孔隙破裂分解成中小孔隙,或部分小孔隙连通成狭长的中大孔隙,孔隙变化情况复杂;同冷端温度条件下冻融及压缩后,孔径-对数进汞增量曲线对应峰值处,最大进汞增量及对应孔径差异较大;对于冻融后的压缩土,在外荷载作用下,峰值处对应的最大进汞增量均降低约50%,孔径与进汞压力为负对应关系。     

水位下降条件下西安D7裂缝土体孔隙变化特征试验

为研究压缩性土体在孔隙水压力下降下所引起的孔隙变化特征,选取孔隙度及分形维数作为评判指标,以西安D7地裂缝两侧可压缩性土层为研究对象,借助三维CT扫描成像技术,依托Matlab计算平台及VG Studio Max图像处理软件,对在水位下降过程中可压缩性土体压缩变形引起的孔隙度和分形维数孔隙变化进行定量评价,并探讨了固结压缩过程中土体孔隙分形维数的变化规律及其影响因素。研究表明:孔隙度随压缩进行大幅降低,由压缩前4.36%降至0.61%;土体分形维数与孔隙度、上覆压力均呈线性相关性,相关系数分别为0.947 2和0.966 0;而且分形维数可以很好的表征孔隙分布特点,是孔隙度的有效补充;通过分析土样孔隙度与分形维数关系,为后期建立区域上地裂缝—地下水开采耦合模型提供参数赋值基础。     

四参数随机生成法重构土体微观孔隙结构的分形特征

四参数随机生成算法(QSGS)生成的微观结构模型,已被广泛用于研究土的微观孔隙结构并预测土的水力学性质,但模型能否真实反映实际土体的孔隙结构特征,目前尚缺乏实验证据及定量对比分析。利用扫描电镜(SEM)对3种不同孔隙率的土样制备SEM图像,以与QSGS模型进行定量对比分析。采用数字图像技术分析QSGS模型与土体中孔隙的形态特征和分布规律,基于实测数据估算孔隙的质量分维数Dm和表面分维数Ds。结果表明:QSGS算法生成的微观结构由孔隙度P、生长核的分布概率Pd和方向生长概率Pi等参数控制,其中Pd对孔隙结构的影响更为显著。Pd≤0.01时所生成的QSGS模型与实际土体具有相似的微观孔隙形态和分布规律,以及相同的分形特性和相近的分维数值。P越小则Dm越大,Dm与P存在较为显著的线性回归关系。孔隙轮廓愈不规则,Ds愈大,各孔隙的Ds分布符合总体正态分布形式。研究结果揭示了模型参数对QSGS算法生成的微观结构的影响,为合理选取参数提供了科学依据。     

双向搅拌桩施工对桩周土体扰动分析

为探究双向搅拌桩施工时桩周超孔隙水压力和有效应力的分布和变化规律,依托江苏某高速公路软基处理工程,通过在不同位置布置传感器,测得单桩和群桩施工时桩周孔隙水压力和土压力的变化。结果表明:在施工过程中桩周土体孔隙水压力和土压力变化剧烈,靠近桩的位置产生了很高的超静孔隙水压力,孔压在桩周土的固结作用下消散规律表现为先快后慢;背离施工方向孔压累积值小于沿着施工方向的累积值,遮拦效应阻挡了约60%的超孔隙水压力,工程中可利用该现象减小施工对土体的扰动;单桩施工时桩周超孔压的分布与半径比的对数呈线性关系,分布规律与Vesic圆孔扩张理论解答的趋势相同,扰动影响范围约为20倍桩半径;施工过程中孔隙水压力小于土压力,桩体不会出现下沉和孔周土体液化等灾变,基于该原理可以通过改良设备和施工方法避免掉桩等灾变的发生。研究结果可为软土加固工程的施工安全提供参考。     

无黏性混合土临界细粒含量的多途径判别研究

临界细粒含量反映了无黏性混合土颗粒级配和结构性对力学性状的重要影响,其值的确定是一个相互验证的过程。假设无黏性混合土具有砂-粉二元结构,在此基础上通过理论分析颗粒骨架于孔隙比的影响,运用土体基本物理指标对临界细粒含量的范围进行了预测;最大孔隙比和最小孔隙比随着细粒含量的变化反映了颗粒的形状和相互间接触关系,由此得到的临界细粒含量也是区间值;分形理论中的分维数反映了土体颗粒结构的自相似性,通过分形维数变化情况的探讨进一步缩小了临界细粒含量的取值;稳态线反映出无黏性混合土的力学性质特征,取稳态线斜率变化处的细粒含量为临界细粒含量。后两种方法得到的临界细粒含量均在前两种方法获得的区间范围内。综合各种方法,得出由南京砂重塑得到的无黏性混合土的临界细粒含量为25%。     

石灰土的表面吸附试验研究

采用表面吸附仪对膨胀土和石灰土样品进行了表面吸附试验,测得了土样加石灰前后的BET比表面积、BJH微孔比表面积、BJH微孔体积、微孔平均孔径及孔径中值的变化。研究了不同含灰量在饱水和非饱水养护条件下石灰土微孔结构的变化特征。试验结果表明,掺加石灰后比表面积变小,并存在一最小值;随着石灰含量的增加,小于100的超微孔显著减小,而大于100的较大孔显著增大,以100~1000的孔为优势孔。在非饱水状态,石灰含量为6%时的累积孔体积和平均孔径最大,且无侧限抗压强度最大;在饱水状态,石灰含量为10%时的累积孔体积和平均孔径最大,石灰含量为8%时无侧限抗压强度最大。因此,掺灰膨胀土在非饱水状态下的最佳石灰含量为6%,在饱水状态下的最佳石灰含量为8%~10%。     

非饱和土的渗透系数

非饱和土的渗透系数是分析水分和物质迁移的重要参数,直接测量非饱和土渗透系数的代价较高,且直接测量的精度较差,因此间接估算非饱和土渗透系数成为很好的选择。分形理论适合用来描述多孔介质的结构和透水性。本文建立了土体孔隙分布的分形模型,导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式。与实验结果的比较表明,用分形模型计算得到的水分特征曲线和渗透系数与试验结果一致。     

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.     

土的分形微结构

本文综述了土粒表面、土粒分布、土孔隙的表面和分布的分形特征,以及土的分形微结构在土力学和土壤学中的应用。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

基于微观孔隙通道的饱和/非饱和土渗透系数模型及其应用

从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理,建立相应的预测方法,对于饱和/非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的科学意义。利用流体力学理论,建立了微观孔隙通道渗透系数与等效孔径的关系,在此基础之上,结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线的关系模型,并利用已有试验数据验证了模型的合理性。结合该模型与变形条件下土-水特征曲线预测方法,对变形条件下武汉黏性土饱和/非饱和渗透系数进行预测,结果表明黏性土在压缩变形条件下:饱和渗透系数呈数量级的减小,预测值与实测值均吻合较好;双对数坐标下,非饱和相对渗透系数在进气值之后随基质吸力增加而减小,不同初始孔隙比条件下其斜率近似不变,整体呈现"毛刷型"分布,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大;非饱和渗透系数,进气值之前近似为饱和渗透系数,进气值之后随基质吸力增大而减小,不同初始孔隙比的变化线近似重合。     

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。     

基于多孔介质土体分形特征的渗透系数研究

堤坝工程渗流计算中确定土体渗透系数尤为重要。利用分形维数不同尺度域,分析渗透破坏试验土样无标度区,指出土体细颗粒含量是决定土体分形维数的主要因素。基于多孔介质毛管束模型,推导了渗透系数和孔隙率与分形维数之间分形关系解析式,阐释了多孔介质土体渗透系数影响因子包括分形系数、孔径大小、分形维数及流体黏滞系数。利用土体渗透破坏试验结果,进一步论证了渗透系数和孔隙率与分形维数之间的非线性关系。结果表明:当分形维数大于2.83时,孔隙率随着分形维数的增大而减小,但在颗粒吸着水和薄膜水形成的黏聚力影响下,渗透系数随着分形维数增大而减小的规律不明显。研究结果可为渗透破坏形成机制及发展过程分析提供理论依据,减少堤坝渗透破坏致灾隐患。     

高层建筑软土地基桩基础施工处理措施

1.软土地基中的桩基应用常见的软土地基,是由淤泥、淤泥质土、杂填土或其他高压缩性及抗剪强度低的土构成的地基,具有强度变化缓慢、加荷载易变形,不均匀,变形速率大且承载力低,沉降量大等不良工程性质的软弱地基;软土特点是天然含水量大、孔隙比大、压缩系数高、强度低,并具有流变性、触变性等特殊的土力学性质,工程利用条件较差;软土地基在附加荷载作用下,逐渐排出孔隙水,使孔隙比变小而产生固结变形,随着土体超静孔隙水压力的逐渐扩散,土的有效应力