原状与重塑红黏土强度变化机理

为了研究红黏土强度特性及其影响机理,对不同法向应力作用下的原状土样和重塑土样进行了直剪试验。采用扫描电子显微镜测试,对比分析原状土和重塑土颗粒单元间接触、连结状态、孔隙形态及分布等微观结构差异,揭示了土体微观结构对宏观力学性质的影响机理。研究结果表明:当法向应力σ小于临界应力时,原状土的剪应力τ高于重塑土;反之,原状土的τ低于重塑土。临界应力的大小取决于土体孔隙比,孔隙比越大,临界应力越大。原状土黏聚力高于重塑土,内摩擦角低于重塑土。重塑土与原状土力学性质存在明显差异,且差异性的大小取决于原状土微观结构性能的好坏。提出了红黏土闭孔孔隙和开孔孔隙的概念,并将其用于红黏土抗剪强度的机理分析,具有一定的工程指导意义。     

碱污染下红黏土强度指标变化的微观角度分析

为了研究碱性环境条件下桂林红黏土强度指标变化机制,对不同质量分数NaOH溶液污染下的红黏土开展直剪试验、物化分析试验、颗粒分析试验以及比表面积试验,进而探究地基土体宏观力学指标与微观结构之间的关系。研究结果表明:随着NaOH质量分数的增加,黏聚力逐渐增大,内摩擦角逐渐减小。随着孔隙溶液中Na~+质量分数的增加,微小土颗粒向黏粒转化,使黏粒质量分数增加,黏聚力增加。Na~+的加入引起土体内部孔塌陷,造成比表面积减小,黏聚力提高。本文从微观层面-矿物成分、土粒尺度和比表面积角度,分析了碱污染下红黏土强度指标变化的机理,发现碱污染状态下红黏土矿物成分被腐蚀引起颗粒内部孔塌陷,部分更微小的胶粒颗粒转化为稍大的黏粒颗粒,从而造成单位质量内土的比表面积减小。     

太湖第四纪沉积区土体荷载响应的效应综合特征

土的微结构对土的力学行为机制起着至关重要的作用,对太湖第四纪沉积区典型软土进行单向压缩试验,利用扫描电子显微镜(SEM)所得的照片研究软土在不同固结压力条件下的微结构大小、形状、定向性等微结构参数,分析其变化规律.研究表明,随着固结压力的增加,结构单元体不断变大,集合体的形状在垂直于压力的方向变长,结构单元体的定向性有所提高但不显著;孔隙分布分维呈下降趋势并逐步稳定.采用电镜扫描仪(SEM)对在复杂应力路径作用下剪切前后的黏土样进行微观观察,并从剪切前后孔隙排列、孔隙形态、孔隙尺度变化特征3个方面分析宏观试验原状软黏土归一化抗剪强度各向异性的微观本质.阐述了淤泥类软土的微观结构对其工程性质的重要影响.从泥炭的微观结构分析入手研究了泥炭的性质及特点(包括含水性质、强度性质、固结及次固结性质).讨论了海积软土在固结、剪切作用下微观结构的变化,阐述了海积软土力学行为的本质.通过室内一维固结蠕变试验系统研究分析了次固结系数与固结压力、时间及压缩指数的关,揭示了太湖第四纪沉积区软土的次固结特性.利用扫描电镜试验( SEM)和X射线能谱仪对软黏土中常见的微量元素进行测定,计算其相对百分比并分析了该土的矿物成分和微观结构组成.实验结果表明,该黏土主要以高岭石、埃洛石(伊利石)、水云母(蒙脱石)为主(其中硅为其主要成分,局部的矿物组成有稍许不同).     

新疆花岗岩物理力学性质的矿物组成和微观结构分析

为分析不同类型花岗岩物理力学性质差异,通过选取不同粒径的新疆花岗岩试样进行电镜扫描和矿物成分测试试验,研究岩石矿物组成和微观结构与其物理力学性质之间关系。结果表明：花岗岩中石英和长石矿物胶结很好而具有孔隙率低和强度高特点;随着粒径增大,花岗岩中云母含量增加,导致粗粒花岗岩的孔隙率较高和强度偏低;通过电镜扫描得出花岗岩微观结构质密,矿物胶结很好,颗粒分布均匀,从而具有孔隙率低和强度高特点,同时由于细粒花岗岩微观结构更质密且晶粒镶嵌紧密而孔隙率最低但强度最高。可见天湖细粒花岗岩体由于质密、低孔隙率和高力学强度的特点更适合作为高放废物地质处置岩体。     

泥石流宽级配砾石土中最优细粒质量分数试验研究

宽级配砾石土的最优细颗粒质量分数可最大限度地降低其渗透性,抑制拦砂坝底扬压力,保障工程安全.通过击实试验和理论分析,研究了宽级配砾石土中细颗粒质量分数对土体干密度(孔隙度)的影响,确定了泥石流堆积物中最优细颗粒质量分数.研究表明,土体干密度与细颗粒质量分数的关系呈抛物线型,抛物线顶点即为最优细粒质量分数.理论分析表明,细粒质量分数在15.5%~20.6%时,粗颗粒孔隙被细粒填满;土体最优细粒质量分数理论值为20.6%,粗、细颗粒均处于最紧密堆积,干密度最大,孔隙度最小.理论计算未考虑粗颗粒的级配和颗粒本身的不规则性,计算结果较实际值偏大.击实试验表明,泥石流宽级配砾石土的最优细颗粒质量分数在15.68%~16.92%之间;土体干密度趋于最大,孔隙度达到最小.因此,为有效降低泥石流拦砂坝基底扬压力,建议坝基砾石土中细颗粒质量分数保持在16%~20%.     

PS对非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响

采用扫描电镜测试PS加固前后黏土微观结构的变化,研究黏土矿物、孔隙结构和土体收缩特性3种因素对加固以后非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响.研究结果表明:PS与土颗粒的反应是非常复杂的物理化学反应,在反应中大量的黏土矿物被消耗,形成一种较致密的结构,力学强度提高,同时,孔隙壁变得光滑、平直,土颗粒磨圆度增大,膨胀性降低,这些因素导致非饱和黏土的土-水特征曲线发生明显变化;PS加固后饱和含水率和残余含水率都有一定程度下降,进气值较高,斜率变陡,下降速度快.Van Genuchten模型(即VG模型)对PS作用前、后的土-水特征曲线的拟合效果较好.研究结果证明PS材料加固土遗址的良好性能.     

不同应力路径下贵阳红黏土固结不排水试验及微观机理研究

为揭示贵阳红黏土不同应力路径、固结不排水试验条件下宏观力学特性及微观作用机理,通过分别施加300 kPa、400 kPa、500 kPa不同围压,在增P、减P、等P加载路径下,研究其应力-应变关系。结合SEM电镜扫描测试结果,分析了贵阳红黏土颗粒形态和孔隙结构等对宏观力学特性的影响规律。研究结果表明:三种应力路径下贵阳红黏土的应力-应变关系不同,应变速率也具有较大差异,但均表现出不同程度的应变软化现象。不同围压下,红黏土发生剪切破坏的峰值应力与围压呈正相关关系。SEM扫描电镜下,贵阳红黏土内部为片状黏土矿物、少量针状分散矿物及微小不定形物质,按一定的分布规律,进行接触、联结与排列组合形成特殊的微观结构,直接影响着宏观力学特性。     

二氧化碳对页岩力学性质劣化规律的影响

针对目前缺少不同相态CO_2对页岩微观结构及力学参数影响规律研究的现状,通过室内岩石-压裂液浸泡测试系统,对不同相态CO_2浸泡后岩石矿物组分、微观结构及力学参数进行了测试。研究结果表明:液态、超临界态CO_2相比较滑溜水对矿物颗粒微观结构的影响更为明显,矿物颗粒之间的孔隙增大4%～15%,易导致页岩宏观力学性质受到劣化影响;不同介质浸泡后页岩力学参数劣化受影响程度排序为:抗拉强度泊松比峰值强度弹性模量,滑溜水浸泡后页岩脆性特征变化不明显,而液态、超临界态CO_2浸泡后页岩脆性增强40%～50%。液态CO_2有利于改善岩石微观孔隙和降低岩石抗拉强度,超临界态CO_2有利于提高微孔隙/裂隙穿透性,提高岩石脆性和降低破裂压力。研究结果为页岩气CO_2干法压裂工艺优化提供了一定的实验支撑和理论依据。     

矿物成分对细颗粒粘土强度特性 影响的试验研究

通过人工土和天然软土的快剪试验,从微观角度研究矿物成分对细颗粒粘土强度特性的影响.研究表明：单一矿物成分试样的强度特性与矿物颗粒的表面特性与结合水性质有关.粘土矿物颗粒具有较大的比表面积、阳离子交换当量,颗粒表面形成强烈微电场而产生较厚的粘滞性结合水膜,使颗粒间粘聚力增强,故表现出较高的粘聚力,而粒间容易错动而形成润滑摩擦,表现出较低的抗剪强度与内摩擦角;混合矿物成分人工土和天然软土试样的强度特性是不同类型矿物颗粒间摩擦、胶结粘聚和结合水性质等微观因素的综合体现,只要某种细颗粒粘土矿物含量超过一定限值,混合土试样的强度特性便由该细颗粒粘土矿物决定.     

基于计算机图像处理技术的松散砂性土微观结构定量分析方法

土体微观结构是土体宏观力学机制的反映,深入研究土体微观结构对正确评价土体工程性质具有重要的指导意义.针对松散砂性土的微观结构量化研究中存在的难题,提出了一整套样品制备方法和试验方法,基于数字图像处理技术,对土样的扫描电子显微镜图像(scanning electron microscope,SEM)进行了定量分析,并通过自主开发的程序实现了土样微观结构量化指标的快速获取和全自动处理.采用该方法能对松散的砂性土制备出符合扫描电镜观测要求并同时保持原始结构不受扰动的试样,开发的程序能对土样的SEM图像进行去除多余信息、二值化、去噪、参数统计等预处理步骤,快速获取颗粒个数、面积、形态比、表观孔隙率、分形维数等微观结构量化指标.借助统计学方法,对一些关键量化指标的分布特征进行了分析和探讨.研究结果表明,计算机图像处理技术可以高效识别土体的颗粒和孔隙形态,进行土体微观结构参数的精确提取,从而为土体微观结构的定量分析提供了有效的途径.     

煤矿巷道软岩性质及支护方法的多尺度研究

通过微观结构分析、细观力学机制分析,为软岩工程支护提供指导。通过地质调查和岩石力学试验,对某煤矿巷道软岩物理力学性质和微观性质进行了综合研究,包括物理性质、矿物成分、及强度和变形性质。基于颗粒流离散元程序PFC,从细观尺度研究岩块的的应力-应变曲线,使细观尺度模型表现与宏观尺度模型相同的力学性质。     

饱和细粒土固结的三维多尺度结构演化及微宏观性质分析

饱和细粒土具有多物质多尺度共存的特殊性,其微观结构的形态演变是土体具有复杂工程特性的根本原因.本研究采用数据约束算法(DCM)结合多能量同步辐射X射线μCT技术,解决微观定量表征这一难题.基于物质对X射线吸收系数的差异,将土样材料分成孔隙、有机质和矿物质3个组分,进而表征了土样在不同固结压力下的物质赋存及多尺度三维结构演化特征.结果表明,饱和细粒土中孔隙与矿物质容易共存且互呈团絮状结构,弥散于土体中的有机质体积较小,多与孔隙重叠或位于孔隙与矿物团聚体交界处.当土样受压从0增加到1600 kPa时,孔隙连通程度减弱而矿物质贯通程度增强.固结压力超过400 kPa时,大孔隙连通体消失,微纳米尺度孔隙连通体开始出现.土体由大孔疏松状变成小孔密集状,微观结构变化不规律.细粒土结构的变化不仅与初始孔隙和矿物分布有关,也与固结压力有关.微宏观定量分析表明,饱和细粒土的力学特性与微纳米、纳米尺度的孔隙和矿物团聚体联系密切,这可为土体蠕变机制分析提供可行性理论和技术.     

两种应力路径下非饱和污染土强度与微观结构研究

以非饱和CH_3COOH污染黏土为研究对象,完成不同基质吸力下加压和减压两种应力路径的三轴试验,得到了强度参数和强度公式,并利用扫描电镜(SEM)观测污染黏土微观结构,分析污染黏土微观结构的变化特征.发现非饱和土的基质吸力可增大土体内聚力和内摩擦角;常规三轴试验与减压三轴试验的应力-应变曲线呈现出不同的强度变化规律;基质吸力由小变大,黏土颗粒分布的均匀性变差,孔隙尺寸从大孔向中孔再向小孔逐渐过渡,说明基质吸力可促进土体固结;基质吸力的增加对减压路径下土体抗剪强度的提高效果优于对加压路径下的影响.     

基于分形理论的固化土微观结构变化特性

为探究海洋环境中不同离子对固化土微观颗粒结构的影响，研究了钢渣+水泥固化土与水泥固化土在侵蚀环境下微观颗粒结构变化特点。选取海水中影响较大的3种离子对固化土试样进侵蚀性试验，对不种侵蚀龄期的试样进行电镜扫描，借助OpenCV图像处理软件对扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)图像进行处理，获得土体微观颗粒结构的形态特征，与试样无侧限抗压强度(unconfined compression strength, UCS)相结合，得到固化土微观颗粒结构变化与宏观强度变化的相互关联特性。研究结果表明：(1)在Mg²⁺作用下水泥固化土(CS)、掺激发剂的钢渣水泥固化土(A-SSP-CS)、钢渣水泥固化土(SSP-CS)的宏观强度变化与微观颗粒结构变化具有一定的相关性，且相关性在前期优于后期；(2)在Cl^-环境下CS、A-SSP-CS的宏观强度变化与微观颗粒结构变化在整个试验阶段内体现出较好的相关性，SSP-CS的宏微观相关性前期优于后期；(3)在SO₄^2-环境下，CS、A...     

极细颗粒黏土的比表面积测试与分析(英文)

软黏土如淤泥和淤泥质土的固相物质主要由极细粒径的黏土矿物和胶状物质组成,其力学性质、渗透性以及流变性等与颗粒的比表面积及表面电荷性质和密度密切相关.因而,比表面积测试对分析极细颗粒土的物理力学性质具有重要作用.采用乙二醇乙醚(EGME)吸附法和氮吸附(BET)法分别对膨润土、高岭土、石英和长石以及其混合土、深圳土、科威特土等极细颗粒土的比表面积进行测试和分析.比表面积测试结果表明,对于同样颗粒尺度的土情况,比表面积膨润土远大于高岭土,石英与长石相近;深圳土小于科威特土;随着膨润土相对含量的增加,试样的比表面积迅速增加;EGME法与BET法能够分别测出膨润土的总比表面积与外比表面积,高岭土的总比表面积与外比表面积相当接近,石英与长石的测试结果也比较接近.文中的比表面积测试和分析对深入了解影响软黏土的渗流固结与流变性等物理机制具有指导意义.     

木质素改良粉土基本工程特性试验研究

将工业副产品木质素应用于粉土改良.通过界限含水率、颗分、击实、无侧限抗压强度和电阻率等室内试验,对素土及掺木质素改良土的基本物理力学性质、p H值和电学特性等进行对比研究,明确改良土的基本工程特性变化规律和改良效果,并采用扫描电子显微镜(SEM)对土体微观结构变化进行对比分析,阐述了木质素与土体的相互作用机理.试验结果表明:木质素可有效改善粉土的颗粒级配,降低土体的塑性指数;改良后粉土的最大干密度增加,最佳含水率减小,同时干密度对含水率变化的敏感性增强;改良土的无侧限抗压强度优于素土,p H值低于10,龄期和含水率对强度影响显著,对p H值无明显影响;胶结物质填充孔隙并联结土颗粒,改良土微观结构更为稳定.这说明木质素可有效改善粉土的基本工程特性.     

重金属镉污染对土体力学特性的影响及机理分析

为了研究重金属镉(Cd)对土体力学特性的影响规律及其微观机理,开展了不同Cd含量污染土强度、渗透、剪切特性、压汞和扫描电镜试验研究。力学特性试验结果表明:重金属Cd会劣化土体力学特性;随着Cd含量的增加,土体的抗压强度、剪切强度和黏聚力显著降低;而渗透系数、内摩擦角明显增大。扫描电镜试验结果表明:Cd使土颗粒发生团聚,Cd污染土出现大的团聚体,大颗粒增多,土体表面变得比较粗糙,土颗粒之间的接触形式增多,出现点-面接触和边-面接触;且团聚体间的孔隙较大。压汞试验表明:随着Cd含量的增加,污染土中孔径大于1μm的孔隙体积明显增加。污染土的微观结构和孔隙分布的改变是Cd污染土力学特性变化的本质原因。     

赣南花岗岩残积土的抗剪强度及其影响因素

为研究赣南花岗岩残积土抗剪强度影响因素,采用X射线粉晶衍射和扫描电镜等方法对赣南地区的黑云母二长花岗岩残积土和黑云母花岗岩残积土的矿物成分及微观结构进行了分析,并通过三轴固结不排水剪切试验对2类花岗岩残积土的原状样与重塑样的抗剪强度进行了研究。结果表明:赣南花岗岩残积土矿物成分主要为石英矿物和高岭石、伊利石等黏土矿物,原生结构强度明显,原状样的抗剪强度高于重塑样;各围压下原状样和重塑样的应力-应变关系均呈应变-硬化型,表现为塑性破坏;受孔隙度大和粗颗粒多的影响,孔压-应变关系在低围压下表现为先剪缩后剪胀,在高围压下始终表现为剪缩;其内摩擦角受粗颗粒含量影响明显,黏聚力受细颗粒含量影响明显。     

面向材料老化的遗址土特性研究——以销阳城遗址为例

暴露在自然环境中的土遗址在降雨、风沙和温度变化的长期影响下，材料功能不断退化。以锁阳城遗址土为研究对象，测试遗址土物理、化学、热学和力学特性，为开展土遗址建筑材料老化机理研究提供基本参数。结果表明，不同方位城墙遗址土均为低液限黏土，矿物成分主要为石英、长石、云母、绿泥石、方解石和白云石，易溶盐主要为NaCl和CaSO₄。不同方位城墙土体颗粒及矿物组成造成物理力学性质差异。东城墙的可溶盐总量较大，矿物风化程度最大。西城墙土体的导热系数和热扩散系数最小，热劣化损伤程度最小。原生夯土比重塑试样的结构性更好，具有较高的抗压强度和抗剪强度。在土遗址夯筑砌补加固施工过程中，分层夯筑有利于提高结构稳定性。     

强酸对柳州红黏土物理力学特性的影响

为了确定酸污染对红黏土物理力学性质的影响,使用盐酸溶液对柳州地区红黏土进行浸泡,分析浸泡后红黏土的物理力学指标的变化,试验结果表明:随着浸泡的时间及浓度的增加,土中黏粒百分含量和液塑限增大,而比表面积和游离氧化铁含量降低;由于浸泡后柳州土的孔隙比有较大增加,压缩系数和渗透系数增大。对试验结果分析后认为,土性的变化源于强酸环境中游离氧化铁等物质发生溶解引起土体团粒崩解,黏粒的双电层及微观组构类型均发生了显著改变,各种物理力学指标是微观变化的宏观响应。