泥岩遇水软化微观机理研究

通过扫描电镜与X射线衍射仪对不含蒙脱石的华北中生代煤系地层泥岩的微观结构与物质组成进行分析，研究了该泥岩遇水软化过程中微观结构随时间变化的动态特征．研究表明：泥岩中的矿物颗粒在水的作用下，颗粒间的连结将逐渐破坏，使水分进入层状颗粒之间，从而在岩石内部产生不均匀内应力以及大量的微孔隙．这些微孔隙的出现及其吸附效应的影响，进一步破坏了岩石的内部结构体系，使泥岩在宏观上产生软化崩解的现象．可见，泥岩内部结构体系的特点是其软化崩解的真正原因，而是否含有蒙脱石并非泥岩软化崩解的决定性因素．     

CT实时观察下泥岩遇水软化过程的机理

利用CT断面成像技术(X-ray CT)实时观察水-岩作用过程中泥岩细观结构的动态软化过程.通过对不同浸水时间泥岩试样的实时扫描观察,获得水作用下泥岩内部裂隙的时空演化特点,如初始裂隙效应、网状扩展行为、空间非均匀分布和典型活跃期.据此得出水-岩作用过程中泥岩遇水软化微观结构演化的三个环节:首先历史成岩过程形成的细观裂隙为后来的水分子侵入泥岩提供了初始通道;接着侵入的水分子通过物理和化学作用导致泥岩中黏土矿物的体积膨胀和可溶碳酸盐溶解;最后是不利的黏土矿物体积膨胀和可溶碳酸盐溶解衍生的力学效应导致裂纹的扩展和相互连通.     

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩微观结构及持水特性研究

为研究预崩解炭质泥岩持水特性在长期大气环境影响下的演变规律,通过扫描电镜和压汞试验研究干湿循环作用下预崩解炭质泥岩的微观结构及孔隙分布特征,并开展预崩解炭质泥岩土水特征曲线试验和渗透试验。基于Van Genuchten模型建立考虑干湿循环作用的预崩解炭质泥岩土水特征曲线修正模型,并预测预崩解炭质泥岩非饱和渗透系数。研究结果表明：干湿循环可促进预崩解炭质泥岩继续崩解,导致大孔隙体积及孔隙率增加,土体结构变得松散,但在干湿循环作用6次后孔隙率趋于稳定;干湿循环对预崩解炭质泥岩的持水特性影响显著,土水特征曲线随干湿循环次数增加整体向左偏移,土体进气值减小;在高基质吸力阶段,不同干湿循环作用下Van Genuchten修正模型预测得到的预崩解炭质泥岩的土体非饱和渗透系数曲线基本重合,说明干湿循环作用对其渗透性影响较小。     

红砂岩边坡稳定性能分析

红砂岩具有极强的风化崩解与遇水软化的性质。在一定应力状态下浸水后,在水膜的润滑作用下,颗粒发生相互滑移、破碎和重组,使得岩体软化;当水沿着孔隙、裂隙进入红砂岩内部时,吸附水膜增厚,一些胶结物便会软化甚至溶解,从而引起岩石颗粒的崩解解体,产生岩土体变形失稳,使得控制地表沉降及边坡稳定性防治困难。因此,研究红砂岩软化和崩解性对工程建设尤为重要。     

压实度与初始含水率对红黏土崩解特性的影响

为了研究压实度和初始含水率对红黏土的崩解影响机制,将取自桂林市南郊的红黏土压制成不同压实度和初始含水率的试样,采用自制仪器进行崩解性试验,计算不同时间的累积崩解率。同时,基于非饱和土力学分析不同初始条件下红黏土的崩解机制。试验结果表明:非饱和红黏土的崩解率随压实度增大而增大,随初始含水率增大则先减小后增大,最优含水率土样的崩解率最低。水流入渗过程中提高孔隙气压、降低基质吸力、产生膨胀力以及(超)静孔隙水压力,是不同压实度和初始含水率红黏土崩解的主要影响因素。     

巢湖地区坟头组泥岩遇水软化特性与机理试验研究

从物理力学性质、矿物与化学成分、微观结构等方面,对巢湖地区坟头组海相粉砂质泥岩遇水软化的特性与机理进行试验研究.利用DB-16超声测速仪、单轴压力机,测试岩样浸于蒸馏水后不同时间波速、抗压强度的变化;采用电感耦合等离子体法,分析岩样浸泡液化学成分随时间的变化;利用X射线衍射、荧光光谱分析,测试岩样矿物化学成分变化情况;采用电子扫描显微镜观察岩样微观结构,并利用GIS软件对不同浸水时间岩石孔隙率、孔隙表面积进行半定量计算.试验表明,泥岩浸水后,单轴抗压强度和波速明显下降,岩石孔隙率下降,孔隙表面积增加;浸水前后,泥岩化学成分变化不大;水沿微裂隙进入岩石内部,溶解可溶盐胶结,使裂隙向纵深发展,进而使裂隙连通导致岩石软化,其中,岩石微裂隙的产生与岩石内部的不均一性密切有关.     

弱风化泥岩崩解特性试验研究

三峡库区广泛分布的泥岩遇水易软化、崩解,致使许多库岸工程在水文涨落下出现病害。为了分析泥岩崩解特性及崩解机理,通过室内崩解试验,结合细观裂隙扩展规律及矿物成分的涉水特性,对泥岩崩解现象进行详细描述,阐释了泥岩崩解的机理。认为泥岩的崩解是裂隙扩展的过程,是与泥岩的沉积形成相反的过程;崩解可分为三个阶段:毛细裂隙吸水阶段、裂隙贯通阶段、二次崩解阶段;崩解物的颗粒粒径分布与泥岩颗粒中的矿物成分关系密切。     

白鹤滩库区小坝组泥岩崩解特性及边坡破坏机制

降雨与库水位变动引起的干湿循环作用是导致库岸边坡破坏的关键因素之一。为了探究白鹤滩水电站库区蓄水后边坡的长期稳定性,以小坝组红层软岩为例,采用X射线衍射技术、扫描电镜技术及耐崩解仪,研究了干湿循环作用下红层软岩微结构演化机理及其崩解特性,并结合数值模拟方法与不同现场案例,分析了白鹤滩库区边坡的破坏机制。结果表明,干湿循环影响下的黏土矿物溶胀压力是导致岩体结构中孔-裂隙产生的关键因素;小坝组泥岩耐崩解性指数随着崩解循环次数增加具有指数变化规律,且泥岩比砂岩呈现了更强的崩解特性;砂岩与泥岩互层边坡在干湿循环作用下,因泥岩崩解产生了空腔以及贯通的裂隙,导致库区左岸的顺向坡易形成滑移—拉裂式破坏,库区右岸逆向坡易产生塑流—拉裂式破坏。本文从微-细-宏观等角度出发,多尺度地探究了小坝组岩质边坡的破坏机制,为白鹤滩重大水电工程建设的灾害防治工作提供理论指导。     

不同荷载模式作用下饱水沥青路面结构动力响应对比分析

目的探讨不同荷载模式下饱水沥青路面结构的水损害机理,改进和完善沥青路面防排水设计方法.方法基于沥青混合料的渗透试验和多孔介质流固耦合理论,采用非线性有限元方法,对比分析了碗形分布荷载和均布荷载作用下饱水沥青路面结构各力学场量的变化并进行数值模拟分析.结果在均布荷载和碗型荷载两载模式下,饱水沥青路面结构内部各力学场量的时程变化特性相类似,均随着车轮动荷载的作用过程表现出波动性和滞后性,孔隙水压力对体积应力和应变影响较大.与均布荷载下计算结果相比,碗形分布荷载作用时上面层内最大正孔隙水压力高0.18倍,下面层底部最大水平拉应力和最大水平拉应变分别高0.14倍和0.15倍,中面层底部最大竖向压应力和基层底部最大竖向拉应力分别高0.23倍和0.03倍,路表最大竖向位移高0.07倍,面层内最大剪应力高0.05倍.结论在碗形分布荷载作用下,饱水沥青路面更容易产生水损害.采用接近于实际车轮荷载的碗形分布荷载模式来开展饱水沥青路面动力响应分析更为合理.     

三溪村红层水岩作用的时效性试验研究与应用

为进一步深入了解和掌握三溪村滑坡滑带泥岩饱水软化的特质,研究其随饱水时间的弱化规律以及将其恰当地应用于工程实践指导该区工程稳定性的防治与评价。将取自都江堰青城山后山的泥岩试样进行了不同饱水时间下的直剪试验以及将天然和饱和状态下的试样进行了应变式常规三轴压缩试验,并将实验结果进行了归纳用于后续的公式推导。结果表明:剪切面无论是人为选定还是自然选择,其结果都证实了水岩效应在红层泥岩饱水后对其强度起到了很强的负面作用;初期饱水时,水分较难渗入到岩体内部,多滞留在体表,随着饱水时间增长将会使泥岩失去部分岩石特性进而向土体属性过渡转化,表现在初期强度衰减较小,随后出现急剧下降。将两种试验的结果进行有效结合可以提高研究成果的工程实用性,方便实际工程中快速评价泥岩饱水后强度的衰减情况。     

浸出过程中矿石颗粒表面微孔裂隙演化规律

为揭示矿石表面微孔裂隙在溶浸液作用下的响应机制,以羊拉碱性氧化铜矿堆浸为工程背景,借助光学显微镜和扫描电镜开展浸出前后矿石表面微形貌演化试验研究,在微孔裂隙发育特征研究的基础上,分析酸浸环境下矿石表面微形貌损伤机制.根据分形几何理论,对矿石表面微孔裂隙演化规律进行分形描述.研究表明:随着浸出时间增加,孔隙分形维数和孔隙率变大,裂隙信息维数也变大,证明可用分形维和信息维表征不同浸出阶段矿石表面不均匀性和复杂程度.同时,Ca,S及Fe等元素会形成结晶物沉淀填充在矿石微裂纹、细微孔隙及晶粒表面,阻塞渗流通道,减缓微孔裂隙进一步扩展或延伸.     

炭质泥岩抗剪强度的饱水软化特性及工程应用研究

采用试样浸泡饱和法和室内快剪试验,对炭质泥岩浸泡饱水后的抗剪强度变化规律进行了试验研究。结果表明,炭质泥岩的抗剪强度随饱水浸泡时间的增加而显著降低,内聚力和内摩擦角均表现出较明显的负指数变化规律。以贵州某高填方边坡为例,阐述了炭质泥岩抗剪强度的饱水软化特性对工程的危害。     

多次激光冲击对电子束熔化成形Ti–6Al–4V合金的微观组织及力学性能的影响

激光冲击强化作为一种先进的表面处理技术，利用强激光束产生等离子冲击波，可用来提升增材制造金属构件的力学性能。然而，激光冲击对增材制造金属构件力学性能的影响机制仍不清晰。本文研究了多次激光冲击对电子束增材制造（EBM）Ti–6Al–4V钛合金的微观组织及力学性能的影响。系统地分析了多次激光冲击前后电子束增材制造Ti–6Al–4V钛合金试样的微观组织、表面形貌、残余应力及拉伸性能。通过x射线计算机断层扫描三维成像技术分析了激光冲击前后电子束成形试样的内部孔隙分布。研究结果表明，经过两次激光冲击强化处理，可以降低电子束成形Ti–6Al–4V合金试样内部孔隙，细化表层晶粒；两次激光冲击强化后试样抗拉强度提升了12%。此外，试样表层应力状态发生改变，表层产生的最大残余压应力达到419 MPa，影响层深度达到700 μm。多次激光冲击提升EBM成形钛合金力学性能的强化机制可归结为α相的晶粒细化与较深的残余压应力层的形成。     

微生物诱导碳酸钙沉淀胶结加固泥岩试验研究

在水环境作用下,泥岩容易发生软化、崩解等现象,应用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术处理重塑泥岩试样。研究了试样颗粒粒径、制备方式及MICP处理方式对碳酸钙沉淀物的影响,探讨了MICP方法治理泥岩稳定性的可行性。基于X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线能谱分析（EDS）、直接剪切等试验测试胶结试样,分析了胶结试样微观结构及力学性能的变化。结果表明,选用直径为1mm的30g、0.5mm的45g、0.25mm的20g制备重塑泥岩环刀样,在相同浓度营养盐条件下采用一次浸泡菌液的方式可以在试样中形成方解石型碳酸钙晶体;碳酸钙晶体沉积在颗粒接触处或填充在孔隙中形成“胶结桥”,产生胶结效果而增强试样的力学性能;不同垂直压力下胶结试样强度逐渐增加而趋于稳定值,表现为应变硬化的特征,黏聚力与内摩擦角分别提高288%、8.66%,说明微生物胶结泥岩具有较好的应用价值。     

CT扫描视域下黏土干湿循环劣化机理

为研究干湿循环对黏土力学特性和微观结构的影响，通过一系列无侧限抗压强度试验和CT扫描测试从宏观和微观角度揭示了干湿循环对黏土的劣化机理。结果表明：随着干湿循环次数的增加，黏土的抗压强度保持指数性下降趋势，在经历4次循环后，抗压强度损失了40%左右，干湿循环达到8次后抗压强度基本达到稳定；CT扫描横剖面显示，在干湿循环过程中，裂隙从试样四周开始发育，并逐渐向内部扩展，裂隙的宽度和长度均持续增加，连续性也有所提高；随着干湿循环次数的增加，试样的逐层面孔隙率均明显增加，且不同层间的交界面孔隙率的增加更为显著，层间的裂隙最先发育，试样表面也有竖向裂隙发育，试样内部连通孔隙的数量增加，闭合孔隙的数量减小；不同次数干湿循环作用下黏土的孔隙率与抗压强度之间保持负指数性关系，当干湿循环次数达到4次后，孔隙率的增加对抗压强度的影响减小。     

单轴压缩条件下平行双裂隙演化机理的颗粒流分析

基于离散元理论,研究含平行双裂隙的水泥砂浆试件在不同裂隙倾角和单轴压缩下裂纹萌生、扩展、搭接及贯通机理,并从应力场和位移场的角度分析裂纹扩展演化规律。研究结果表明:当裂隙倾角α=30°时,翼裂纹在最大应力降的作用下沿着垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后将保持较长时间不变,直到次生裂纹大量出现后,裂隙外侧的翼裂纹才会在最大拉应力的作用下沿着最大加载方向继续扩展;在萌生初期,次生裂纹的出现会削弱了裂隙尖端的压应力集中效应,同时抑制裂隙内侧翼裂纹的扩展,最大拉应力集中在裂隙之间导致次生裂纹一般都是瞬时成片出现,且形成的裂纹的宽度远大于翼裂纹的宽度;翼裂纹主要是由颗粒之间的相对拉伸或直接拉伸产生;次生裂纹SC-1以拉裂纹的形式优先出现在裂隙尖端R1和R2之间,随着轴向应力增加,SC-1处萌生的新裂纹为拉剪复合型裂纹。     

玄武岩纤维和砂对水泥土微观结构及拉压强度的影响

为研究玄武岩纤维和砂对水泥土微观结构及强度的影响,进行了不同玄武岩纤维掺量、不同掺砂量条件下水泥土的扫描电镜(SEM)分析以及拉压强度对比试验,探讨了玄武岩纤维和砂增强水泥土强度的作用机制.微观结构表明:砂的填充和置换作用增加了水泥土的密实度和整体性,定量分析得到掺砂量在15%时水泥土的微观结构表现最佳;玄武岩纤维能够承担试样内部因荷载作用而产生的拉应力,且随着掺量的增大,拉应力也会相应的提高,在玄武岩纤维掺量为1.5%时达到最佳;合适掺量的玄武岩纤维和砂会共同促进水泥土拉压强度的提高.微观结构分析与拉压强度试验得出的结果较为吻合,玄武岩纤维的合适掺量为1.0%～1.5%,砂的合适掺量为15%.     

湿热力作用下粉砂质泥岩开裂特性研究

为探究湿热力作用下粉砂质泥岩的开裂特性，开展裂隙演化试验，得到湿热力单因素及多因素耦合循环作用下粉砂质泥岩的裂隙演化规律，同时利用X射线衍射、扫描电镜研究其微观结构变化特征，分析宏观和微观试验结果关联性，揭示湿热力作用下粉砂质泥岩裂隙扩展机制.研究结果表明：粉砂质泥岩裂隙发育表现为增长-平缓趋势；在单因素循环作用中，湿度循环（浸水~烘干）最易造成粉砂质泥岩开裂，温度循环（5~60 ℃）次之，荷载循环（0~50 kPa）最弱；在多因素耦合循环作用中，裂隙发育程度排序为：湿热力＞湿热＞湿力＞热力，验证了湿度循环致裂性最强的结论.湿热力耦合循环作用15次后裂隙率达0.92%，裂隙条数增至30条，平均长度延伸至60.58 mm，而平均宽度稳定在0.47 mm左右.孔隙率与裂隙率的灰关联度最大，为0.813，即微观结构变化中孔隙发育与裂隙扩展的关联程度最大.湿热力耦合循环作用中，湿度循环引起黏土矿物晶层间距变化，导致颗粒破碎、孔隙扩张形成微裂隙，温度循环使试样产生差异性热应力、水分分布，促使微裂隙发育贯通，荷载作用增加尖端应力，最终导致裂隙网络形成.     

膨胀土裂隙三维空间分布特征试验研究

膨胀土裂隙性研究多集中在土体表面裂隙,然而实际工程中裂隙是沿三维空间上扩展,土体内部裂隙较土体表面裂隙要复杂得多,针对这一情况采用高精度工业三维CT技术对南阳膨胀土原状样进行扫描;采用医用CT对膨胀土试样裂隙发育过程进行CT扫描实验,研究膨胀土裂隙的三维空间分布扩展规律;采用Poremaster33高压孔隙结构仪进行压汞实验研究土体内部裂隙发育微观机理。从宏观三种尺度进行研究,结果表明:膨胀土原状样三维空间裂隙发育极为复杂,样品中存在几条交错的主裂隙,并延伸出细小裂隙裂隙将整个土样分割得极为破碎;重塑膨胀土样裂隙总是首先出现在土体表层,土样裂隙发育最剧烈的部位是与土体表面有一定距离处,与现场情况相吻合;初始含水率越高试样收缩越明显,脱湿后整体性越强;初始含水率降低土体内裂隙增多,土体被裂隙分割得愈破碎;原状土试样脱湿前后微观结构变化较剧烈,总孔隙体积急剧减小,但大孔隙所占相对比例急剧增加;重塑土样脱湿前后变化明显,脱湿后不同孔隙孔径分布曲线相对于脱湿前的最大区别在于曲线中的波峰被降低削減,波峰向大孔径方向移动。     

液氮溶浸煤致裂的机理研究

为分析液氮作用下煤的致裂机理,对原煤煤样开展了液氮溶浸实验。利用激光显微镜观测液氮溶浸前后煤样的原生裂隙扩展和新裂隙萌生情况,利用断裂力学理论分析液氮溶浸下煤样原生裂隙的扩展机制。研究结果表明:1)液氮作用引起煤内温度拉应力和应力集中,当应力强度因子超过煤原生裂隙的断裂韧度时,煤样原生微裂隙扩展;2)温度拉应力使得原生裂隙周围强度不大的颗粒团拉破坏、脱落,破坏了煤样的结构,并引起新的微裂隙萌生;3)液氮作用时间对应力强度因子有很大的影响,随着作用时间增加,温度梯度增大,裂隙的应力强度因子增加,煤更易发生断裂。