西宁地区黄土增湿变形特性及微观结构分析

针对西宁地区湿陷性黄土,通过侧限压缩试验,分析埋藏深度和增湿含水率对黄土在增湿条件下湿陷变形和压缩变形变化规律,并结合电镜扫描对不同增湿含水率黄土试样的微观结构进行定性定量分析,宏微观结合分析黄土试样微观结构与湿陷变形之间的相互关系。结果表明:（1）随着含水率的增大,同一压力下的增湿湿陷变形量和压缩量逐渐变小,且当含水率增加到一定程度时,土体被挤密、强度提高,压缩性减弱、湿陷性减弱或无湿陷性;（2）由于黄土应力历史影响其结构性和湿陷性,随着埋藏深度和含水量增加,5 m的黄土较于3 m的黄土所表现出的增湿湿陷变形量和压缩变形量相对较小;（3）浸水前后随着含水率的增加,孔隙的排列方式逐渐趋于稳定,颗粒分布逐渐集中且团粒化程度变高、孔隙面积比例逐渐减小、孔隙形态逐渐变得狭长与浸水前后黄土宏观增湿变形表现一致。     

水泥窑灰改性黄土的湿陷性和强度特性研究

对水泥窑灰改性黄土进行压缩、湿陷和无侧限抗压强度试验,研究水泥窑灰对黄土压缩性、湿陷性和强度特性的影响。同时进行压汞试验和扫描电镜试验,分析改性前后黄土的孔隙分布特征、颗粒接触形态和结构的变化,探索微观特征与宏观性质之间的关系。结果表明,向黄土中添加水泥窑灰能够显著降低其压缩性和湿陷性,使黄土由中压缩性降低为低压缩性,由中等湿陷降低到轻微湿陷乃至湿陷性消失,同时抗剪强度得到显著提高。微观试验结果表明,水泥窑灰改性后的团聚体间的孔隙消失,转化成为团聚体内的孔隙,且总孔隙比降低,土体更加密实;颗粒间连接作用增强,土体结构更加稳定。     

Q2黄土浸水前后微观结构变化研究

对陕西蒲城电厂Q2黄土浸水前后的试样进行微观结构对比测试,得到了大量珍贵的微观结构图片。浸水前后Q2黄土的微观结构定性、定量分析表明：架空孔隙受力作用影响较大,对水的作用敏感;粒间孔隙对压力和水的作用相对较迟钝;Q2黄土的湿陷峰值压力大于200 kPa。随着压力的增大,Q2黄土的灰度熵、欧拉数和孔隙的面积比例、圆形度、定向度、分布分维减小;而颗粒的面积比例、圆形度、定向度、分布分维将增大;随着水的浸入,各量将继续减小或增大;浸水后孔径大于20 ?m的孔隙含量减少,孔径小于20 ?m的孔隙含量增加,湿陷的过程中大部分孔隙都在发生变化,大孔隙变成中、小孔隙,中、小孔隙则变为更小的孔隙。浸水前后微观结构的变化能较好地解释Q2黄土特殊的湿陷性。     

冻融循环作用下富平黄土微观结构几何类型变化研究

冻融循环作用可通过影响寒区土体结构致使基础设施发生破坏,而导致工程失稳宏观现象的根源来自于冻融作用改变了土体的微观结构。为探索冻融作用下土体微观结构变化规律,将富平黄土作为研究对象,分别对其进行0、4、6、8、10、50、100次冻融循环下的电镜扫描观测试验,得到对应次数下的微观照片,对其从颗粒形态、连结方式、排列形式对孔隙的影响三方面进行分析,并且将微观照片中出现的颗粒接触方式以几何模型的方式进行归类,研究几何模型随冻融循环次数增加后的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,土颗粒大小朝着均一性的方向发展,平均粒径呈先减小后增大趋势;颗粒的连结形式从面胶结为主逐渐演变为点接触为主最终再回归为面胶结为主;土体在0~6次冻融循环时孔隙率呈下降趋势,6~8次冻融循环时孔隙率快速上升,之后随着冻融循环次数的增加孔隙率逐渐减小;粒状粒子几何模型变化规律从棱边接触逐渐过渡为粒面接触,扁平状粒子几何模型变化规律从初始粒面接触为主逐渐演变为棱边接触为主,最终再演变为粒面接触。     

原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析

基于原状黄土的显微结构扫描电镜及室内湿陷性试验,分析了黄土的微结构特性和不同压力不同含水量下黄土的湿陷性状及其之间的内在联系,结果表明:随着埋藏深度的增加,由支架大孔微胶结结构逐渐变为镶嵌微孔半胶结结构,支架大孔孔隙发育逐渐变为粒间孔隙发育,再为微孔孔隙发育;黄土在增湿情况下其湿陷系数-压力关系曲线由三部分组成,初始压缩变形阶段,是结构强度发挥阶段,变形较小,黄土微结构没有遭到破坏;曲线第一转折点s=0.015后,原有结构破坏,微结构发生变化,颗粒重新排列,湿陷速率增大,是湿陷变形主要阶段;达到峰值后,颗粒间形成了新的结构,湿陷变形幅度减小;随着骨架颗粒连接逐渐变为非架空的镶嵌排列,湿陷起始压力及峰值湿陷压力值随着埋藏深度的增加而增加,而峰值湿陷系数和湿陷变形量的压力范围随着埋藏深度的增加而变小;骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素,而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。     

基于IPP图像处理的膨胀土微观结构定量研究

利用环境扫描电镜（ESEM）获取不同浸水时间下合肥膨胀土的微观结构扫描图像,基于专业图像处理软件Image-Pro Plus（IPP）对膨胀土的ESEM图像进行处理和分析,研究了不同浸水时间下合肥膨胀土的表观孔隙比、分形维数和大小组成情况。研究表明,膨胀土的表观孔隙比随着浸水时间的增大逐渐增大,其增长速率逐渐减小。运用小岛法对土样的颗粒和孔隙的分形维数进行研究,结果表明,膨胀土的颗粒和孔隙均具有明显的分形特征,分形维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的逐渐增大,颗粒的分形维数在减小,孔隙的分形维数在增大,二者呈现相反的变化趋势。对土样的颗粒和孔隙按照大（>5 μm）、中（2～5 μm）、小（1～2 μm）、微（<1 μm）4组进行分类,分析了不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比的演变趋势。     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

遗址土劣化进程中微观结构变化的类比研究

长期的风化会使遗址土体劣化,进而威胁到遗址本体的安全,但在自然条件下这一演化过程尚不明确。遗址土体微观结构的变化是该过程的重要体现,研究选取风化条件近似而暴露时间不同的黄土质边坡作为类比对象,采用扫描电镜法（SEM）和压汞法（MIP）分别对表部以及内部土样的微观孔隙结构进行观察和量测。试验结果表明,表部土体微观结构的变化程度大于内部土体,并呈现一定的规律性;与内部土体相比,表部土体的土颗粒排列为致密的叠片状;其孔径分布为双峰模式,团聚体内孔隙占比较大;随着风化时间的增长,表部土体的孔隙总体积和表面分形维数逐渐减小,导致孔壁粗糙程度降低,减小了颗粒间的摩擦,在宏观上容易诱发土体表层的剥离损耗或其他病害。     

高速铁路地基黄土微结构的分形研究

基于分形理论,结合Photoshop等图像分析处理软件,在图像处理过程中选择适当的阈值,本文对郑州—西安客运专线地基黄土在动荷载作用下变形前后的孔隙微观结构进行分形研究。研究表明,黄土孔隙微观结构具有分形特征,揭示了黄土孔隙分形分维同孔隙比之间有近似直线的关系,且孔隙微结构分形分维越大,土体强度越大,反之越小。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

开展了湿干循环作用下压实黏土的开裂试验和微观结构特性研究,分析了湿干循环作用对黏土开裂和孔隙结构的影响,将压汞试验(MIP)和扫描电镜(SEM)的结果与宏观开裂进行比较。结果表明:湿干循环作用显著影响了压实黏土的开裂,用开裂因子表征黏土的开裂程度,开裂因子随含水率减小而增大并明显大于湿干循环作用前; 随湿干循环次数的增加,黏土孔隙的总体积、中间孔径、平均孔径、平均孔隙率和团粒内孔隙均在增加,而黏土的颗粒内孔隙、颗粒间孔隙和团粒间孔隙却在减小。湿干循环作用使黏土体从大团粒逐渐转化为小颗粒,并增大了土颗粒的凸凹性,分析SEM二值化图像得知土体孔隙率均在增加; 用压汞法和扫描电镜法分析和解释土体开裂是可行的,所得的微观孔隙特征与宏观开裂规律基本相符。     

强夯对黄土粒度组成及湿陷性的影响研究

在电镜扫描和高精度的粒度分析试验的基础上,讨论了西安至禹门口高速公路路基黄土采用强夯处理前后的粒度组成变化,并分析了这种变化及其对黄土湿陷性的影响。得出了“强夯的冲击能破坏了黄土的初始颗粒骨架,黄土中集粒、团块表面的胶结物剥落,颗粒变细,并填充到孔隙中,使得孔隙减小,土体结构变密,黄土湿陷性减弱甚至消失”的重要结论。揭示了强夯处理黄土湿陷性的机理。     

石碑塬滑坡黄土液化特征及其影响因素研究

石碑塬滑坡是1920年海原地震触发的大型黄土流滑,认识其破坏特征与发生机制对于黄土边坡长距离液化失稳机制的研究非常重要。对石碑塬黄土滑坡的调查和研究表明,饱和黄土或高含水率黄土具有很高的液化势和流态破坏势,在强震作用下,饱和黄土易发生液化或流滑。对石碑塬滑坡的7组原状黄土样品进行振动三轴剪切试验,并结合其微观特征分析,探讨了循环振动荷载作用下的饱和黄土孔隙水压力-应变增长模型,分析了振动液化过程中液化应力比与黄土粒度组成、土体微观结构参数及饱和度之间的关系。结果表明：黏粒含量越低,振动作用下饱和黄土孔隙水压力响应越快,液化应力比越低;黄土孔隙比越大,孔隙结构分形维数越大,液化应力比越低,振动液化后黄土孔隙分形维数降低,结构较液化之前更为致密;饱和度对黄土粒间胶结物质的赋存状态及黄土结构强度影响很大,同一土体饱和度越高,溶滤于孔隙水中的离子浓度越高,土体粒间接触点（或胶结点）越容易发生断裂,使得黄土结构强度降低,液化应力比降低。     

辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化

初始含水率对黄土湿陷性具有重要的影响。利用人工制备不同含水率的试样对辽西黄土的湿陷变形特性进行了试验研究,并采用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微观结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形几何方法分析了黄土试样微观孔隙的变化特征。结果表明：1)初始含水率对辽西黄土的湿陷变形具有显著的影响,随着试样初始含水率的增大,同一压力下的湿陷变形量越来越小;2)不同初始含水率试样的压力-变形关系曲线可以统一用双曲线形式表达;3)湿陷后黄土试样的结构变得较为致密,孔隙总数显著增加,而孔隙面积减小。湿陷过程主要是小孔隙数量增加、孔隙形状分维数减小、孔隙复杂程度显著增加的过程。     

不同应力路径下K_0固结结构性黏土微观结构特征试验研究

研究结构性黏土在不同应力路径下的微观结构变化可深入了解K_0固结下结构性黏土结构性特性变化的内在机制。在对衡水地区天然黏土进行不同应力路径条件下三轴剪切试验的基础上,利用微观定量化技术,对比不同应力路径条件下土样的微观结构,从微观角度对结构性黏土的微观结构特征变化机制进行了解释。结果表明:在不同应力路径下土体的孔隙直径、颗粒和孔隙的定向排列变化较大,而颗粒和孔隙的形状特征变化较小。增大球应力使土颗粒变得密实,使孔隙压缩,土体体积减小;减小球应力使土颗粒变得松散,孔隙直径增大,土体体积膨胀。增大或减小偏应力对土体微观结构的影响相似,在土体结构破坏前使土骨架变形产生一定压缩,在土体结构破坏后使颗粒错动、翻滚并相互搭接,扩大了粒间孔隙,使土体出现剪胀。土颗粒形状的不规则性导致球应力和偏应力对体应变和剪应变的交叉影响。研究结果揭示了不同应力路径下结构性黏土应力-应变特性的微观机制。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

西安地铁四号线南段大厚度湿陷性黄土浸水试验研究

结合西安地铁工程国家重点建设项目,在西安地铁四号线南段塬区进行了试坑浸水试验,揭示出该区域大厚度自重湿陷性黄土具有独特特点,室内试验上部Q3黄土不具自重湿陷性,而下部Q2黄土自重湿陷性较为强烈,现场试坑浸水试验结果各沉降标点均未发生明显沉降变形,反而略有抬升;根据TDR土壤水分计监测结果发现古土壤层具有明显的隔水作用,水分入渗至该层有径向扩大的趋势,浸水影响范围是以试坑直径为圆台顶面,浸水影响范围形状类似一个倒置的漏斗;当水体自上而下入渗时,垂直向渗透较快,但随深度及土层性质的变化,渗透速率随即减缓;土体中由于基质吸力存在,开始孔隙水压力为负值,随着注水量增加孔隙水压力也随之变化,孔隙水压力变化与坑内水头变化一致。     

冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应

尺度效应在水土科学定义中原是指土壤特征(水分和盐分)的变化对采样网格尺度大小的依赖,某一种采样尺度只能揭示相应的变化规律,某一种空间结构特征只能在一定采样尺度下才能表现出来。指的是在不同的观测尺度(微观、细观、宏观)下黄土体结构损伤的演化规律。冻融循环作用是季节性冻土地区工程发生病害的关键因素,为探究冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率及冻融循环次数为变量,通过扫描电镜、CT扫描、表观结构试验,探究黄土体在不同初始含水率、不同冻融循环次数下结构损伤微观、细观及宏观表现特征。基于Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分形维数、彩虹码伪彩色增强技术、显著性理论对试验结果进行分析,试验表明:随着冻融循环次数的增加试样微结构单元发生了明显变化,具体表现为颗粒尺寸均一化,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触,粒间连接减弱,细观表现为试样高密度区不断减小、中低密度区不断增多,冻胀力、迁移力不断显现,使得黄土体完整性降低,迁移通道不断发育,造成宏观析冰量不断增大;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;伪彩色增强技术显著提升了CT图像辨识率;造成黄土体结构损伤的因素不只有初始含水率、冻融循环次数,它们之间的交互(耦合)作用也会对土体损伤产生显著性影响。     

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究

木质素磺酸钙作为一种绿色环保的改良材料,近年来被应用于土体加固领域。为探究木质素磺酸钙对黄土的固化效果,通过开展侧限浸水压缩试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验,分析冻融循环次数、掺量和围压对木质素磺酸钙改良黄土力学性质和微观机理的影响规律。研究结果表明：掺入木质素磺酸钙,可有效消除黄土的湿陷性。此外,改良黄土的应力-应变曲线随木质素磺酸钙掺量的增加向一般硬化型转变,而随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线向弱硬化型转变。改良黄土的破坏强度随木质素磺酸钙掺量的增加呈先增大后减小的趋势,木质素磺酸钙掺量为1%时破坏强度最高,各掺量改良黄土随冻融循环次数的增加先减小后趋于稳定,同时抗剪强度指标呈现下降的趋势。通过扫描电镜试验和X射线衍射试验,发现改良黄土内部有胶结物生成并填充了土颗粒间的孔隙,使土体密实度提高,进而提高土体强度;而冻融作用导致土颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。此外,木质素磺酸钙改良黄土中未发现有新的矿物成分生成,且冻融作用未造成土体矿物成分的消解。     

冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。