微纳米球形颗粒之间的毛细力研究

两球形颗粒之间的相互接触问题是研究微机械系统中纳米接触问题的一个重要课题.在微尺度下,毛细液桥现象尤为重要,在观测纳米级物体的相互接触作用力中不可避免地要研究微纳米尺度的液桥问题.本文采用液桥力学平衡、环形近似、体积守恒方法,建立了微纳米球形颗粒之间的液桥模型,通过精确的数学求解,分析球形颗粒的接触角对于毛细作用力和液桥的断裂高度的影响.模拟结果发现,当2个颗粒之间的毛细力作用都很小时,液桥的断裂高度随着接触角的增加而减小,当其中一个颗粒的毛细力作用比较大时,断裂高度随着接触角的增大而增大,接触角的大小对于液桥的断裂高度有直接的决定作用.研究结果为计算预测微观颗粒之间的相互作用力、探索纳米颗粒间的相关特性和机理提供参考.     

柴油污染改良土的击实特性及微观机理

为研究柴油污染对水泥改良后花岗岩残积土压实特性的影响,通过室内击实试验,以柴油和水为介质,得到了单一水介质和油水混合介质时土样的击实曲线.发现污染土样的最优含水率呈下降趋势,而最大干密度却呈一定幅度的上升趋势.同时通过液限和塑限联合测定法得到土样的稠度界限,发现其塑限变化趋势与最优含水率相似,即土样的液限、塑限以及塑性指数都是先增大再减小,并且在含油率为6%时达到峰值.最后通过SEM扫描电子显微镜进行观察,分析并得到柴油污染改良土击实特性微观结构.微观视角下,水泥和柴油会发生物理胶结作用,填充了土颗粒之间的孔隙,导致单位体积下土样的孔隙率减小,从而密度增大.     

新疆伊犁谷地重塑黄土抗拉强度试验研究

为研究伊犁黄土抗拉强度变化特征及拉张裂缝形成过程,采用自行研制的土体拉伸强度测定仪,并借助粒子图像测速(PIV)系统、核磁共振(NMR)技术及扫描电镜(SEM),对不同干密度、不同含水率的伊犁重塑黄土进行室内试验.结果表明:重塑黄土抗拉强度与含水率和干密度密切相关,随着含水率的下降,黄土抗拉强度呈上升趋势,且存在一个界限含水率wc=18%(塑限含水率附近).NMR和SEM试验分别从水分赋存形态及微观结构角度揭示了含水率变化对伊犁黄土抗拉强度的影响机制.当含水率高于wc时,含水率降低对应毛细自由水的大量脱失,此阶段基质吸力的提高和少量黏粒的凝聚促使抗拉强度缓慢增加;当含水率小于等于wc时,结合水的迅速降低导致黄土中大量黏粒凝聚,重新胶结了黄土颗粒,部分填充了孔隙,且水膜物化作用力增强,从而促使抗拉强度的迅速提升.     

基质吸力对非饱和粉质砂土抗剪强度的影响

从宏观吸力控制型直剪试验和微观土体颗粒结构分析两方面入手,在压力板仪试验分析非饱和粉质砂土水土特性的基础上,采用不同吸力条件下的直剪试验和2种不同含水量土样结构的微观扫描研究,分析非饱和粉质砂土抗剪强度和基质吸力之间的关系。研究结果表明:与黏性土不同,当粉质砂土含水量逐渐降低时,土体基质吸力对土体抗剪强度的贡献效果并不是一直增加,而是存在一个"峰值效应",这种现象的出现是由于粉质砂土微观结构的组成特点以及随含水率减小所含水分的存在形式不断改变这两方面因素,致使基质吸力作用面积不断变化造成的。另外,土体的应力环境也会影响吸力对土体强度贡献的大小。     

花岗岩残积土抗拉强度试验研究

在传统工程地质环境及土力学性质的研究中,土体的抗拉强度常常被忽略,而其实抗拉张强度在评估非饱和红土的崩岗、崩塌及土坝、堤防、路基、垃圾填埋场等边坡的稳定性方面,起着决定性的作用。文章利用自行研制的土体单轴抗拉强度试验仪,对华南地区广泛分布的两种花岗岩残积土的抗拉强度进行了试验研究,同时通过快剪试验得到了黏性花岗岩残积土的抗剪强度参数,并对花岗岩残积土的抗拉强度机理进行了分析。试验结果表明,花岗岩残积土抗拉强度与含水量呈负相关关系,并且随着含水量的增大,抗拉强度的减小幅度会随干密度大而增大;抗拉强度与干密度呈正相关关系,并且随着干密度的增大,抗拉强度的增大幅度会随含水率增大而增大;砂质花岗岩残积土(粉黏土质砂)的抗拉强度普遍低于黏性花岗岩残积土(含砂黏土)的抗拉强度;黏性花岗岩残积土(含砂黏土)的抗拉强度与其粘聚力呈正相关关系,与内摩擦角相关性不大。花岗岩残积土的抗拉强度机理分析表明,土颗粒间的联结作用力是土体抗拉强度主要来源,包括土颗粒间的直接接触联结作用力、土颗粒间的微观非接触联结作用力和通过胶结物或气液收缩膜作用产生的间接接触联结作用力。     

农药氯氰菊酯对土体基本性质影响的室内试验研究

为了研究有机氯农药对土体基本性质的影响,配制了不同浓度的氯氰菊酯农药污染土试样.对不同龄期的污染土样分别进行了颗粒分析、液塑限、p H值、电阻率测试、扫描电镜(SEM)等试验.结果显示,农药污染土的黏粒组分随农药掺量增加而增大;液限和塑限随污染物浓度增加而增大,塑性指数随浓度增加呈先增大后稳定的趋势;不同龄期试样的p H值随污染物浓度的增加而减小,变化幅度相似;同一龄期污染土的电阻率随农药掺量的增加而减小,在28 d龄期时电阻率最大;SEM试验发现,试样在1~56 d龄期时,孔隙先增大后减小,在28 d龄期时孔隙最大.同时分析了产生这些变化的原因,为有机污染物污染土体的原位测试研究提供了基础.     

柴油污染土的含水量计算方法与界限含水量变化规律

以2种天然沉积土和钙基膨润土、钠基膨润土为源土,配置具有不同柴油含量及不同目标含水量的柴油污染土,进行柴油污染土的含水量测定及界限含水量试验研究.提出了柴油污染土的起始可挥发含油量的概念,建立了能够同时考虑柴油挥发性和黏土矿物对柴油吸附作用的含水量计算方法.结果表明,以天然沉积土为源土的含油污染土的液限和塑限均随含油量的增加呈先增大后减小的趋势;以钙基膨润土和钠基膨润土为源土的含油污染土的液限随含油量的增加而减小,塑限则呈相反的变化规律.柴油污染对塑限的影响明显大于对液限的影响.以钙基膨润土和钠基膨润土为源土的含油污染土的塑性指数随含油量的增加而减小,以天然沉积土为源土的含油污染土的塑性指数则呈相反的变化规律.     

含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验

为建立热导率与影响因素间的确定性关系和推算公式,需要严格的实验,即研究某一影响因素时应保持其他因素不变.在严格控制其他各影响因素的情况下,分别研究了土体热导率随含水量(保持孔隙率、土样成分等不变)及随孔隙率(保持含水量、土样成分等不变)的变化规律,在此基础上再对影响因素的综合影响进行研究.并从微观的角度分析土体热导率的变化规律,研究其内在传热机制.分析发现,土样种类不同,热导率随含水量及孔隙率的变化规律也不同,同时还发现土体内部粘粒含量是表征热导率递变速率发生明显变化的重要因素.给出了土体热导率的经验公式,将该公式计算值与工程土体的实验值进行对比后发现,两者间相对误差较小,该公式可直接应用于实际工程.     

基于差示扫描量热法的哈尔滨黏土未冻水含量特性

为研究哈尔滨黏土在低温条件下冻土中未冻水含量特性,通过差式扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)研究了不同初始含水量的哈尔滨本地黏土、高岭土和蒙脱土在冻结过程中的未冻水含量变化,并结合微观角度的扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)实验、中观角度的液塑限实验对不同黏土颗粒土质以及哈尔滨黏土粒度进行实验研究。结果表明,温度因素对于未冻水含量变化的影响最为显著,可将未冻水含量的变化过程依据节点温度分为3个典型阶段,分别为恒定不变段、剧烈下降段和缓慢降低段。初始含水量主要影响冻结过程第二阶段,初始含水量越高,第二阶段冻结的水量越多。土质不同,其未冻水变化曲线不同。粒度分布主要影响冻结过程的第三阶段,粒径越小,等效微小孔隙越多,第三阶段未冻水含量变化相对更剧烈。可见哈尔滨黏土的冻结过程中的未冻水含量特性除了与初始含水量和温度有着密切联系,同时也受到土体的土质、粒度的影响。     

盐分浸析对我国海相沉积土物理性质的影响

为了研究盐分浸析对我国海相沉积黏土劣化性状的影响,分别采用Na Cl溶液和蒸馏水来改变温州黏土和连云港黏土孔隙水溶液盐分浓度.测定土体的界限含水率、活性指数等物理指标,分析我国海相沉积黏土物理性状随孔隙水溶液盐分浓度的变化规律.研究结果表明,土体液限和活性指数随着孔隙水溶液盐分浓度的降低而减小,塑限几乎不变,液性指数增加.物理性质随孔隙水溶液盐分浓度的变化曲线存在一阀值浓度4.1 g/L;当孔隙水溶液盐分浓度小于4.1 g/L时,液限和活性指数急剧减小,且液限减小率为1.6~2.3,液性指数大于1.0;当孔隙水溶液盐分浓度大于4.1 g/L时,液限减小率显著降低,仅为0.2~0.8.     

粘性土开裂的细观角度分析

为了揭示土体在自然条件下因蒸发失水而开裂的原因,采用颗粒简化模型,将土体开裂看做是无数土颗粒的运动的结果,运动依然符合牛顿运动定律。不考虑其他因素引起基质吸力的组成部分,只考虑毛细水作用对基质吸力的贡献;并从土颗粒、水、气、水膜四相之间相互作用的细观角度,将土颗粒作为研究对象进行受力分析,找到土体开裂的内在动力,从细观角度阐明土体开裂的原因。结果表明土体在含水率相差较大的地方最先容易产生开裂;并分析低饱和度黏性土坚硬的原因。     

经高温烧结处理的淤泥质土的微观结构

为确定经高温烧结处理的淤泥质土抗压强度变化的微观机理,借助SEM和XRD技术进行淤泥质土烧结前后微观结构和化学成分变化研究.结果表明:在高温烧结过程中,淤泥质土的成分要素和结构要素产生调整,使得土体中化学成分和微观结构随加热温度的升高发生不可逆转的变化;高温烧结后淤泥质土矿物成分发生转变,并且伴有混晶和三元共熔化合物的出现,使土体颗粒的接触状态、颗粒大小和联结形式等微观结构发生改变;烧结温度达700℃以上时,土体颗粒在共熔化合物的胶结作用下形成大体积的土体骨架,微观结构由最初的蜂窝状结构变为块状结构,土体结构的整体性提高进而使抗压强度增强.     

河南中东部黄泛区粉土物理特性区域差异性实验研究

河南中东部地区为典型黄泛区,随着该地区基础建设的迅速发展,迫切需要对该地区粉土的物理力学性质进一步研究.本文通过筛分实验、液塑限实验和击实实验,基于土体的颗粒组成、液塑限、最大干密度和最优含水率指标,研究河南中东部区域黄泛区粉土的物理特性差异.结果表明:(1)河南中东部不同区域黄泛区粉土颗粒级配、液塑限存在明显差异,细粒含量差别显著,细粒含量越多液塑限越大;(2)该地区不同区域最大干密度基本相同,最优含水率有差异,说明粉土的最终压实度相近,最优含水率与细粒含量有关.     

氯盐和硫酸盐对遗址土体颗粒级配和界限含水率影响的对比

为了探讨盐分对遗址土体颗粒级配和界限含水率的影响,通过室内试验,对洗盐后的素土分别以0(素土),0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%的梯度加入NaCl,Na_2SO_4两种可溶盐,测试特定盐分质量分数和类别的含盐土的颗粒粒径分布和界限含水率的变化.试验结果表明:盐分对遗址土体的颗粒级配有一定的影响,尤其对黏粒占比的变化影响显著,随着盐分质量分数的增大,分布在细粉粒和黏粒范围内的颗粒占比相对减小,分布在粗粉粒和砂粒范围内的颗粒占比相对增加,并且Na_2SO_4盐对土体颗粒级配的影响比NaCl盐的显著;随着盐分质量分数的增大,含盐试样的液限含水率、塑限含水率以及塑性指数均逐渐减小,试样由粉质黏土变为粉土,由于盐分的加入,盐分作为电解质对土粒产生团聚作用,黏粒被吸附,使得试样中黏粒占比相对减少.     

料仓中湿颗粒流动规律的数值仿真与试验研究

通过引入液桥力模型,结合离散颗粒法(DEM),数值模拟了料仓中湿颗粒的流动,研究了液桥力对料仓内颗粒质量流率的影响.结果表明:对于干颗粒,满足不结拱的料仓开口度尺寸至少为颗粒直径的3倍,而湿颗粒则要求料仓开口度至少为颗粒直径的4倍;干颗粒由漏斗流向整体流转换的角度在45°左右,而湿颗粒的转换角度为40°左右.研究还发现液桥力对于小粒径颗粒的影响明显大于大粒径颗粒.在相同含水量的情况下,小颗粒更容易出现团聚,而不易分离.     

磁场对磁性湿颗粒运动机理的影响

为了了解磁流化床内磁性湿颗粒的运动特性,数值模拟了匀强磁场作用下磁性湿颗粒的运动。数学模型上,采用离散元法(DEM)模拟颗粒运动,同时考虑磁场和液桥的双作用力模型。仅针对二维溃坝问题进行数值模拟,分别研究磁场和液桥对颗粒行为的影响。数值模拟结果发现:无磁场作用时,液体体积分数增加,颗粒运动剧烈程度相对减弱,颗粒聚集行为增强;有磁场作用时,颗粒形成平行于磁感线方向的链,显著降低了颗粒的平均速度和平均位移。     

基于隐失场的基底纳米微粒的力学分析

针对光纤探针复合原子力显微镜(AFM)作用于纳米量级物体分析的操作,对纳米微粒、探针、基底之间作用力规律进行初步分析.指出纳米微粒所受的主要作用力为范德华力、毛细作用力、微观接触斥力、微观摩擦力和静电力等,通过纳米微粒受力分析并确定出微粒和探针之间距离的关系曲线,达到有利于控制纳米微粒精确操作的目的.     

级配和含水量对赣南红土抗剪强度特性影响的试验研究

以赣南红土为研究对象,运用直剪试验和库伦强度理论,试验研究了含水量、粒径和颗粒级配对红土强度特性的影响.研究结果表明:粒径为0～0.5 mm时,随着粒径增大,颗粒形成的团聚体稳定性增强,红土液限和塑限快速减小;粒径为0.5～2 mm时,随着粒径增大,团聚体稳定性略有减弱,红土液限和塑限缓慢减小并趋于稳定;当含水率为18...     

不同类型降雨条件下含裂隙土质边坡渗流特性分析

裂隙破坏了土体完整性,使得土体的渗流特性差异较大.为研究含裂隙土体在不同类型降雨条件下的渗流特性,利用Geo-slope软件中的Seep/w模块进行了模拟分析,就不同裂隙方位角α,不同的渗透系数比值μ以及不同裂隙深度h在不同类型降雨条件下的体积含水量与孔压变化规律进行了探讨,结果表明:不同裂隙深度土体内部含水量与孔压均存在一个最大影响深度,裂隙深度越大,影响深度越大;土体渗透比越大,土体表层含水量消散速度越快,但土体渗透比大于10后渗流要素差异较小;裂隙角度越小,土体内部含水量与孔压上升越快;不同类型降雨影响了含裂隙土体内部孔压与体积含水量的瞬时数值变化大小,对于孔压以及体积含水量的变化规律影响较小.研究成果为认识裂隙边坡在不同类型降雨条件下的渗流规律提供了相应的参考.     

土体类型、干密度和初始含水量对土体入渗率影响的试验研究

基于室内一维积水入渗试验结果,分析了土体类型、干密度和初始含水量对土体入渗率的影响.试验结果表明:土体的入渗率随土样中粘性颗粒含量的增加同样逐渐减小;随干密度的增加逐渐减小;当干密度较小时,随初始含水量的增加逐渐增加,当干密度较大时,随初始含水量的增加逐渐减小.