滨海软土微观孔隙测定方法研究

摘 要 土体孔隙结构是其重要物理力学指标,对研究土体变形、破坏有重要意义。本研究通过室内试验（SEM、CT技术）及数值模拟（ArcGIS）对滨海软土的孔隙结构、孔径大小及分布进行研究,就土体在分级荷载下的二、三维孔隙结构进行探讨。将基于CT试验的ArcGIS三维孔隙率、PCAS统计的SEM二维孔隙率、利用SEM二维图像计算的三维孔隙率、压汞试验实测孔隙率进行对比,分析不同方法测定孔隙率的精确度。同时对SEM图像进行测量和分析,统计不同孔径的孔隙数量随荷载的变化规律,从而分析软土的固结机理和微宏观力学性质。研究表明：随竖向荷载增大,土体大孔隙逐渐被压缩,孔隙平均直径逐渐减小,总孔隙体积减小,结构单元之间变得紧密,表观孔隙率减小。土体的轴向、径向和体积的收缩变形是由于孔隙的压缩以及颗粒的变形引起的,同时孔隙的分形维数受孔隙的压缩和颗粒的影响较大,周长-面积法求取孔隙的分形维数受阈值选取影响,但体积-面积法不受阈值选取的影响。     

固结蠕变下软土微观结构参数的定量分析

为了探究土的微观结构特性和更加准确的描述土的变形过程,从微观上分析珠三角地区软土的固结蠕变,对软土的微观结构特征、孔隙个数和直径、孔隙和颗粒丰度、孔隙定向频率等方面进行了定量分析,对代表性广州番禺地区的土样试验结果表明:原状土样的微观结构主要是以蜂窝状和基质状结构为主,土体颗粒接触方式主要为点-点接触和点-面接触;当施加轴向固结荷载时土体的结构发生变化,轴向荷载较大时,土体的微观结构以紧密的骨架状和紊流状结构为主,土体颗粒的接触方式以面-面接触为主。软土在蠕变过程中,土体颗粒和孔隙大小的变化都遵循大孔隙优先改变原则,颗粒和孔隙的边界变得圆滑且形状趋向于扁圆形。蠕变后,颗粒和孔隙的个数有明显增加,直径都有明显减少,孔隙丰度值和复杂度有所降低。原土的分形维数高于土体蠕变变形后的分形维数。当固结应力增大时,土中孔隙的分形维数不断减小,大孔隙不断减少,大颗粒破损,小颗粒被挤入大孔隙中,颗粒和孔隙朝着均匀化方向发展。     

荷载作用下软土压缩模量与孔隙结构关系研究

以深圳软土为研究对象,通过压汞试验获取了软土孔隙结构的特征参数,研究了在荷载作用下软土压缩模量与孔隙体积含量、孔隙尺度大小、孔隙连通量等软土结构特征的关系;探讨了在荷载作用下软土压缩模量随土体孔隙结构变化的机理。研究表明:(1)在荷载作用下软土压缩模量随其孔隙体积、平均孔径大小及孔隙连通量均呈双曲线形的负幂函数变化;(2)荷载作用下软土压缩模量随孔隙结构的变化过程可分为两个阶段。     

软土路基微结构扫描电镜图像的分形

根据分形模型的构造方法,提出了用于描述软土孔隙变化的孔隙度分维、孔隙分布分维和孔隙边缘形状分维,并以珠江三角洲地区某高速公路软土路基加固为例,用分形维数对土体扫描电镜(SEM)图像进行分析。研究发现,加固后3种分形维数均有不同程度降低,表明加固后孔隙的分布面积减小,结构单元体之间排列紧密,孔隙尺寸分布趋于均匀,孔隙边缘形状变得规整光滑。结果表明,软土中孔隙分布及形状具有分形特征,不同的分形维数,可以从不同角度反映土体的加固效果及力学特性变化。     

钙质砂颗粒内孔隙三维表征

南海钙质砂颗粒形状复杂,颗粒棱角突出且面孔隙与内孔隙结构发达.为了准确表征钙质砂内孔隙三维形态,本文借助高精度X射线μCT扫描技术,得到钙质砂颗粒高精度断层图像.通过对原始CT扫描断层图像切割、除噪、二值化等一系列操作,重构得到钙质砂颗粒三维图像.由于钙质砂颗粒外形不规则,因此直接提取其内部孔隙较为困难,本文通过对钙质砂颗粒的三维图像进行三维闭合运算等一系列算法的处理,较好地重构了钙质砂内部的三维孔隙.根据块状钙质砂颗粒的外表特征、内孔隙孔隙率的大小、孔径分布曲线形状以及分形维数的大小,可以大致将块状钙质砂颗粒分为两种类型.第1种类型块状钙质砂颗粒外表存在较多沟壑且内孔隙较为发达,第2种类型块状钙质砂颗粒内孔隙较不发达且连通性较低.两种类型块状钙质砂颗粒内孔隙的孔隙率与孔径分布曲线存在明显差异.同时研究发现,钙质砂颗粒内孔隙较好地符合三维分形特征,且分形维数的大小与孔隙率大小成正相关关系.为了深入地研究钙质砂颗粒内部孔隙的连通性,本文通过计算其距离图获得颗粒内孔隙的空间网络模型,对其分析得出,钙质砂颗粒网络模型的配位数分布大体趋势相同,由于两种钙质砂颗粒内孔隙形态的差异,配位数的分布也略有差异.     

固化污泥的压实特性及微观机理研究

固化污泥进入填埋场需要压实,为探求一种经济有效的方法将其填埋,需要对压实过程中微观结构特征的变化进行研究,揭示污泥固化土的压实机理。对以水泥为固化材料的污泥进行击实试验,通过真空冷冻干燥技术制样,进行扫描电镜试验;借助GIS技术实现了SEM图像的三维可视化及三维孔隙率的定量计算,分析击实过程中微观孔隙的变化规律。结果表明,固化污泥的干密度随着击实功的增加先增加后趋于稳定、孔隙率先减小后趋于稳定。三维可视化模型实现了土体颗粒表面起伏形态的三维显示。对比结果显示三维孔隙率的变化情况,较好地描述了固化污泥击实过程中孔隙体积的变化,可以依据三维孔隙率的变化选取一个经济击实功。研究成果为污泥固化土这种特殊性质土体的基本力学性质研究提供基础参数,并为其实际填埋施工工艺选择提供理论依据。     

双荷载共同作用下土体变形影响机理及计算方法

在明确给出化学荷载定义及其表征变量的基础上,考虑力学荷载的共同作用,将土体的变形分为由力学荷载引起的力学固结变形以及由化学荷载引起的化学-渗透固结变形.提出了化学和力学双荷载共同作用下考虑化-力耦合的土体变形计算方法,并从微细观作用机理角度,分析了双荷载作用下土体变形影响机理.推导了宏观孔隙体积变化量的计算公式,在此基础上结合室内渗透试验结果对2种荷载共同作用下土体的变形开展了定量化分析.结果表明,化学物的存在会引起土体发生固结变形,但土体宏观孔隙体积却并非一定减小.由于吸附水解吸到宏观孔隙空间中,也可能造成孔隙通道变宽,孔隙比增大.     

上覆荷载影响下膨胀土微观机理孔隙特征

为研究外部上覆荷载对弱膨胀土孔隙结构的影响,对不同上覆荷载作用下吸水变形后的膨胀土试样进行微(纳)米级微观压汞试验.结果表明,试样孔径分布范围为360～0.005μm,总孔隙体积随上覆荷载增大而减小,试样的孔径分布密度曲线呈双峰分布,原因是膨胀土的孔隙有团粒内孔隙和团粒间孔隙两种模式,选取0.2μm作为两种孔隙的界限值.当上覆荷载大于膨胀力时,试样被压缩,孔隙量减小,试样在外力作用下的变形主要是由于团粒内大孔隙结构被压缩,而小孔隙结构几乎不受影响.     

基于GIS的固化污泥微观结构的三维孔隙率及分形维数的计算方法

采用GIS技术对固化污泥的SEM图像进行三维定性与定量微观结构分析。研究结果表明:从固化污泥的3D Scene图像中获取的信息量远远大于SEM图像的信息量,能更真实地反映固化污泥微观结构表面起伏情况;通过GIS技术可以计算三维孔隙率和三维分形维数等微观参数,以及其三维孔隙率和三维分形维数的计算方法是合理的。     

混凝土中孔结构的分形维数研究

建立了分形模型来模拟水泥浆体的空间结构,在此基础上推导出了孔体积分形维数D和孔隙率P、孔径分布的关系式;根据所得公式预测混凝土的孔体积分形维数D在0到3之间,并且D值随孔隙率减小和孔径分布范围变宽而增大.同时运用压汞法(M IP)测定普通硅酸盐混凝土的孔结构,进行孔体积分形维数计算,发现孔体积分形维数与强度之间有比较好的相关性.     

基于分形理论的疏浚淤泥固化土孔隙结构定量化研究

在分析疏浚淤泥固化土试样累计进汞曲线及SEM照片的基础上,基于分形理论,求得疏浚淤泥固化土孔隙结构的分形维数,确定了分形维数与微观结构参数、宏观力学性质以及固化材料比例之间的关系.研究结果表明:疏浚淤泥固化土微观孔隙结构具有明显的分形特征,其分形维数在2.8~3.2.并且,疏浚淤泥固化土的分形维数与平均孔径、孔表面积、承载比、黏聚力、内摩擦角以及矿粉掺量之间均具有很好的相关性:分形维数越大,疏浚淤泥固化土的平均孔径越小,比表面积越大,压缩指数越小,承载比、黏聚力和内摩擦角越大;分形维数随着配比中矿粉掺量的增加逐渐增大.采用分形维数可很好地定量描述疏浚淤泥固化土孔隙结构特征及力学特性,也可为疏浚淤泥固化土宏微观特性分析及模型的建立提供数据支持.     

腐蚀砂浆锚固体形貌特征及分形维数

在砂浆锚固体腐蚀物理实验过程中所获得扫描电子显微镜(SEM)图像的基础上,通过图像处理技术提取了砂浆锚固体微观形貌特征,利用分形理论对形貌特征进行了定量描述,并建立了分形维数和砂浆锚固体的宏观粘结强度之间的关系,最后进行压汞试验,并与SEM图像处理的结果作对比分析。结果表明:随着腐蚀时间的增加,受力工况和未受力工况下锚固体的孔隙率均成线性增大,孔隙数量逐渐减少,孔隙的分形维数逐渐降低,分形维数和孔隙率成负线性关系;随着分形维数的减小,砂浆锚固体的粘结强度先增大后减小。压汞试验的测试结果与图像处理的结果对比,发现误差在5%~7%范围内。     

马兰黄土孔隙分形特征与渗透性关系

为探究Q3马兰黄土孔隙分形特征与渗透性之间的联系及为其孔隙结构量化提供参考,通过压汞试验,基于各种分形模型计算不同尺度范围孔隙分形维数,将结果与实测渗透系数及理论渗透系数进行相关分析,筛选最适模型,为渗透性评价提供参考.结果表明:①质量分形维数在尺度范围430～2μm、32～0.2μm、430～0.2μm内均与渗透系数呈正相关,相关性0.79以上,体积分形维数仅在430～0.2μm内与渗透系数呈负相关,相关性0.70以上;②通过两者分形维数计算的迂曲度分形维数均与渗透系数呈负相关,相关性0.79以上,排驱压力、微孔含量与质量分形维数呈负相关、与中值孔径正相关,这与体积分形维数恰好相反.可见基于孔隙率的质量分形维数与基于孔径搭配的体积分形维数对评价马兰黄土渗透性有重要参考意义.     

软土卸荷过程孔隙结构演变规律及损伤定量描述

以宏观卸荷试验及此过程的微(细)观结构分析为基础,定义了卸荷软土损伤变量w/wc,采用分形理论定量描述结构性软土卸荷过程中微(细)观结构演变规律。结果表明:土体开挖卸荷实际上是一个渐进并伴随损伤的过程,其损伤演化可以用分形维数D定量描述;软土卸荷过程在整体上呈现分维数减小的趋势,反映了软土损伤趋于增大的演化规律;软土卸荷过程中,随着卸荷等级的增大,软土在横纵断面的颗粒分布分维数和孔径分布分维数都越来越小,但纵断面的变化速度明显低于横断面。因此,颗粒分布分维数和孔径分布分维数可作为描述软土卸荷损伤的定量指标。     

透水模板布改善混凝土表层质量试验研究

为研究透水模板布对混凝土表层微观质量的影响,采用贴透水模板布试模与普通试模成型的水泥净浆和水泥砂浆试块模拟表层混凝土的微观孔隙结构,运用扫描电镜、压汞法及分形理论分别对试块的表观质量和微观孔隙结构进行了测试和分析.试验结果表明:使用透水模板布后水泥净浆与水泥砂浆试块表观质量提高,孔隙体积减小,孔隙率分别降低了3.95%和7.59%.孔隙分布得到了改善;临界孔径分别由93.8和338.4 nm减小到了54.1和58.6 nm,抗渗性增强.分形理论分析表明,贴透水模板布试块孔隙分形维数减小,孔隙分布范围变窄,孔隙结构趋于规则,有利于提高混凝土耐久性.     

基于扫描电镜的页岩微观孔隙结构定量表征

根据二维高分辨率扫描电镜(2D-SEM)图像孔隙灰度阈值提取页岩孔隙分布,采用分形理论计算孔隙形态和孔径分布分形维数,在此基础上分析孔径分布模型、步长及分辨率对页岩2D-SEM孔径分布影响,并与高压压汞(MICP)和低温氮气吸附-解吸(LNA/D)孔径分布对比。结果表明:2D-SEM孔隙提取结果能够定量表征页岩孔隙结构复杂性,孔隙形态分形维数越高,孔隙越复杂,孔径分布分形维数越高,孔径分布越复杂,微孔所占比例越高;连续型孔径分布模型能够准确表征页岩孔径分布,以1/2平均孔喉半径为步长提取的2D-SEM与MICP和LNA/D孔径分布吻合最好;2D-SEM孔径分布受分辨率和页岩非均质性双重影响,应选择代表页岩孔隙结构的高分辨率区域,或采用多张高分辨率SEM拼接图像提取孔径分布;2D-SEM图像能够精确定量表征页岩孔隙结构特征,为取心及制样困难的页岩孔隙结构研究提供了新方法。     

崇启大桥接线工程下部软土孔隙结构分析

利用压汞法对崇启大桥接线工程下部海陆交互相沉积软土不同深度原状样及某一深度流变样进行了孔隙结构分析.结果表明:接线工程沿线下部软土以颗粒间微孔隙为主,孔径范围在0.02～5 μm之间,其中21,26和30 m深处原状土微孔进汞孔径的峰值分别为0.865,0.351和1.3 μm;其次是少量的团粒内和团粒间大孔隙,孔径在5～200 μm之间,呈多级分布特征.软土孔隙结构特征与其埋深有关,30 m深处原状样中仅含极少量的团粒内和团粒间大孔隙.经历固结压缩和蠕变变形后,软土的孔隙结构进行了重新分布,原状土中大孔隙含量明显减少.软土流变样微孔部分所对应的进汞孔径峰值减小,流变样内包含少量的颗粒内孔隙.     

压实对土体空间结构影响的分形描述

为了准确地模拟土体颗粒在压实过程中空间结构的变化,计算土体压实所能达到的最终状密实态,文章采用分形几何原理,建立了土粒径分布、颗粒空间结构与土体变形参数之间的函数关系,提出了土体空间结构分形维数计算公式,计算分析了土体孔隙通道分形维数值;分析表明,随着压实进行孔隙通道的曲折程度增大,孔隙通道的长度变短,土体密实增加;通过Gaudin-Schuhmann粒度分布方程可以定量地由粒径的分布来判断压实所能达到的终极状态,从而更清晰地分析土体微观结构与压实性能之间关系.     

基于SEM的长螺旋压灌桩水泥浆液渗透规律

为研究长螺旋压灌桩湿作业下水泥浆液的渗透特性,以某桩-粉质黏土过渡带为研究对象,采用扫描电子显微镜技术对地下水位以下粉质黏土层中的水泥浆液渗透区孔隙结构进行定性和定量分析,借助Image-Pro Plus (IPP)及地理信息系统(GIS)软件分析水泥浆液渗透区域的平均渗透距离、孔隙率、孔隙定向性及孔隙分形维数随深度增大的变化规律.结果表明:随着渗透区深度增加,水泥浆液渗入桩侧土体的平均距离增大,水泥水化产物对孔隙的充填作用增强,纤维状水化产物逐渐发育,胶结形成的空间网状结构范围增大;并且随着渗透区深度增加,桩侧土体孔隙率减小,小孔隙数量增加,大孔隙面积减小,孔隙定向性减弱,微观结构更加复杂.     

基于孔隙特征的天津滨海软粘土微观结构研究

利用真空冷冻干燥法,制得天津滨海新区软土不同固结压力下代表性样品,并利用扫描电子显微镜(SEM)对样品进行扫描观察.在此基础上系统地分析了样品SEM图像在不同固结压力下孔隙结构参数的变化规律及运用平面分形维数Dp对样品不同固结压力下土中孔隙分布状况的整体性、平均性进行了分析,且提出能够综合反映土中孔隙的大小、形态、分布、定向性等微观特征的结构性参数孔隙结构因子(pore structure factor).分析表明,土体内部孔隙的结构性参数与外部荷载之间有着良好的对应关系,在结构屈服压力前后,土体内部孔隙特征存在明显的差异.