辽宁阜朝高速公路路基黄土的工程地质性质

对辽宁阜新-朝阳段高速公路路基黄土进行的物理力学试验及物质组成和结构的分析测试结果表明: 辽西黄土在粒度组成和化学成分上与其他地区有较大差异, 如SiO₂、Al₂O₃含量明显高于其他地区。微结构以支架大孔微胶结结构、支架大孔-镶嵌微孔半胶结结构、絮凝状胶结结构和凝块状胶结结构4种类型为主, 并具有较好的物理力学性质: 干密度为1.15～1.76 g/ cm3 , 天然含水率平均值为18.31% , c值为7.5～86.3 kPa, φ值为14.0～29.9°, 湿陷性黄土段以中等湿陷性为主。     

黄土含水介质特征与地下水类型

我国西北地区广泛分布着黄土,许多黄土塬区的地下水已被大量地开采利用。本文根据笔者在洛川塬从事黄土地下水研究工作,提出一点看法,以资讨论。一、黄土结构的基本特征黄土由骨架颗粒和胶结物组成。骨架颗粒通常占50—70％,包括租碎屑矿物(大于0.01mm)和微粒集合体。其中,粗碎屑矿物主要为石英(占30—40％)、长石(约占20％)和方解石(约占5％)。微粒集合体大多由细碎屑矿物(小于0.01mm)被粘土矿物和碳酸盐胶结而成,亦有由较大的碎屑矿物(主要为石英)表面吸附许多成分复杂的微细颗粒组成。它们的形状不一、大小不等(图版Ⅰ—1)。黄土胶结物主要是以伊利石为主的粘土矿物及碳酸盐矿物,呈针状、纤维状或网格状存在于骨架颗粒之间(图版Ⅰ—2)。按骨架颗粒接触状     

戈壁碎石土胶结作用机制及其微观力学模型研究

戈壁是广泛分布于我国西北地区的一类特殊土地基,由粗粒、细粒、细粒-粗粒间的相互接触与胶结作用而形成骨架颗粒结构,粒间胶结效应明显,工程性质也不同于一般"土石混合体"。以新疆和甘肃典型戈壁碎石土为对象,完成了戈壁碎石土p H值及可溶盐含量测试,并采用X射线衍射、扫描电子显微镜镜下观察和能谱分析等方法,测试获得了戈壁碎石土胶结矿物成分及其微观结构特征与元素组成,揭示了戈壁碎石土粒间胶结作用力类型与形成机制。根据戈壁碎石土胶结物组分及微细观结构测试结果,分析了戈壁碎石土中黏土矿物晶胞吸附其他胶结物或土颗粒中的阳离子所形成胶结的可能化学结构,建立了戈壁碎石土胶结力作用微观力学模型。以胶结黏土矿物含量为变量,得到了戈壁碎石土抗剪黏聚强度与颗粒胶结力间的关系式,并与现场试验结果对比。结果表明,戈壁碎石土宏观强度来源多样,是盐分胶结及土体胶结物微观晶面上离子键作用的综合结果;戈壁碎石土粒间黏土矿物胶结作用实质是黏土矿物或碳酸钙中非金属原子(如O原子)与土体中金属阳离子相结合而形成离子键,胶结力大小由连接胶结物微观晶面间的多个离子键综合贡献确定。     

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。     

碎石土湿陷性试验研究

采用不同工况的载荷试验、室内常规土工试验和易溶盐试验,分析了碎石土的荷载-沉降曲线特征,探讨了碎石土的湿陷性与湿陷机理。结果表明：碎石土在200 kPa稳定后浸水,再加荷到400 kPa,载荷试验荷载-沉降曲线呈折线型,明显分为三个阶段：压缩变形阶段,湿陷变形阶段,复合变形阶段。场地中4 m厚碎石土具有湿陷性,且湿陷性不均匀。 碎石土湿陷的机理在于其结构是疏松的单粒架空结构。骨架颗粒间存在架空孔隙,且部分架空孔隙由砂质颗粒集合体充填;骨架颗粒间呈点与点接触,或者主要通过黏粒、黏土矿物、易溶盐组成的胶结物而联结在一起;在浸水加荷过程中,黏粒周围薄膜水增厚、粘土矿物自身产生膨胀、易溶盐溶解,导致胶结物的胶结强度丧失,结构失稳,发生湿陷。     

基于SEM-EDS的湿陷性黄土黏土矿物定量分析

黄土在压力作用下受水浸湿后,其特有的孔隙体系内颗粒间胶结作用的丧失而导致颗粒发生相对滑动所产生的变形是黄土发生湿陷的根本原因,而黄土中的胶结物以附于碎屑颗粒或团聚体等骨架颗粒表面的黏土矿物为主。黄土中有多种黏土矿物,由于各种黏土矿物的水理性质不同,对黄土湿陷性的影响亦各有不同,因此在某种程度上黏土矿物成分及其所占比例能够反映黄土的湿陷性。本文通过对延安地区不同深度黄土中的主要矿物元素进行能谱分析,建立了质量守恒方程组。把该方程组问题转化为最优化问题——线性规划标准形问题,采用数学规划问题中的单纯形法来计算矿物构成,分析了延安地区黄土中主要黏土矿物的含量,结合化学分析测试结果对该方法的可行性进行了探讨。结果表明:本方法计算精度满足要求,是一种行之有效的测定黄土中黏土矿物含量的途径,该方法最大的优势在于数据获取便捷,可实现SEM环境下的即时定点定量分析。     

陕北晋西砂黄土的胶结物与胶结作用研究

在野外调查的基础上,采用SEM、XRD、土壤物理和土壤化学等方法,对陕北晋西12个县市的48个马兰黄土样品进 行了全分散法粒度组成测定、聚集体分析以及黄土胶结物组成的测试分析。结果表明,砂黄土中的粘土矿物和超细碳酸盐、 游离氧化物和有机质等胶结物质主要是以聚集体包膜的形式存在于碎屑颗粒表面,并构成砂黄土骨架间的结构联结,具有弱 胶结特性。砂黄土中粘土矿物和有机质为非水稳性胶结物质,仅在干燥状态具有较弱的胶结作用;黄土中的CaCO3呈粗颗粒 骨架和细分散超细碳酸钙两种形式存在,并分别起着骨架作用和胶结作用,超细碳酸钙为不可逆的胶结材料,在聚集体形成、 保存以及聚集体与碎屑颗粒之间的联结方面发挥着重要作用;非晶质游离氧化物(SiO2、Fe2O3、Al2O3)含量虽低,但由于他们 是以薄膜形式分布在颗粒表面,在黄土胶结作用中也是不可忽视的,并与上述各种胶结物共同起作用。通过统计分析认为, 凝聚系数可以较好地反映黄土的胶结程度,成为联系黄土胶结特性与黄土物理力学性质之间的桥梁。黄土胶结物组成及其 胶结机理的研究不仅有助于深化砂黄土工程特性的认识,而且对揭示黄土高原表生地球化学环境具有重要意义。     

黄土微结构区域变化规律及与湿陷性相关性研究

黄土中的微结构是影响黄土湿陷的重要因素。本文运用扫描电子显微镜对黄土微结构进行观察并对统计数据进行了分析，结果表明黄土微结构在区域上存在一定的变化规律。即，由西北的粒状、支架接触式结构，逐渐过渡到东南的凝块、镶嵌胶结式结构。通过对黄土矿物颗粒接触关系和孔隙与湿陷性的关系的分析，并根据非饱和土粒间吸力理论分析，认为支架结构孔隙为黄土湿陷变形提供了空间条件，而黄土微结构吸力空间分布的不均匀性是引起黄土湿陷的根本原因。     

黄土边坡盐蚀剥落病害特征调查及其水盐迁移规律研究

通过现场调查及室内含水量和易溶盐分析试验开展了黄土边坡盐蚀剥落病害特征的研究。结果表明:盐蚀剥落病害按剥落形态可分为条带状、片块状及凹腔状盐蚀剥落;按地层岩性可分为马兰黄土、离石黄土、古土壤层及人工夯实黄土盐蚀剥落。试样含水量随着距边坡表层垂直深度增加而增大,含盐量随着距边坡表层垂直深度增加迅速降低且很快趋于稳定;阴离子CO₃2-和HCO₃-含量随距边坡表层垂直深度增加无明显变化规律,Cl-和SO₄2-含量随距边坡表层垂直深度增加迅速减小且很快趋于稳定;阳离子K+、Mg2+、Ca2+含量随距边坡表层垂直深度增加无明显变化规律,Na+随距边坡表层垂直深度增加迅速减小且趋于稳定;阴离子以SO₄2-和Cl-为主,阳离子以Na+为主,边坡表层易溶盐主要成分为Na₂SO₄和NaCl。边坡表层富集易溶盐Na₂SO₄和NaCl,在气候变化条件下的反复溶解和结晶作用是黄土边坡盐蚀剥落病害的主要诱因。     

敦煌莫高窟玉门组砂砾岩风化特征研究

风化是引起莫高窟围岩（砂砾岩）破坏的一种重要病害,严重影响莫高窟的长期保存。为研究莫高窟玉门组砂砾岩的风化特征,选取莫高窟南侧一处崖体为试验点,采用逐层剥离的方法,分别在距崖体侧表面0cm、3cm、5cm、8cm及10cm深度处进行现场声波测试、回弹测试并取样进行X-射线衍射试验和易溶盐试验。试验结果表明:莫高窟围岩在风化作用下强度降低,现场声波测试和回弹测试结果均随着开挖深度的增加而不断升高;砂砾岩胶结物的主要矿物为石英、方解石、长石、白云石、石膏等,主要黏土矿物是绿泥石;其可溶盐主要包括Na₂SO₄、NaCl、CaSO₄等。同时结合气象数据及试验结果,分析了影响岩体风化的主要因素,初步讨论了岩体的风化机理,包括:（1）温度应力引起岩体结构破坏和裂隙发育;（2）胶结物中的主要矿物方解石易于发生水化作用,转化成易溶的Ca（HCO₃）₂,发生迁移,破坏岩体的胶结结构;（3）盐风化也是岩体风化的一个重要方式,Na₂SO₄、CaSO₄等可溶盐在水汽作用下发生溶解、结晶及水合作用,体积膨胀,对孔隙壁产生较大压力,致使岩体颗粒之间联结减弱,结构破坏,裂隙发育。     

赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究

浸水或增湿过程中,黄土特有的不稳定结构极易发生破坏,约束黄土的力学行为特征.通过粒度分析、扫描电镜和压汞实验对赵家岸滑坡地区黄土的微观结构进行分析,得到由上到下黏土的胶结作用升高,架空孔隙压缩明显,小孔隙几乎没有变化的特征.不同初始含水量条件下三轴压缩实验显示该区的顶部和底部黄土的强度均随初始含水量的增大而减小.由于底部黄土黏土胶结作用较高,黄土的强度减小速率大于顶部黄土.同时发现c值对于水的敏感性明显大于值,强度的降低主要是c值的减小导致.由于地下水位的升高,滑坡底部黄土的含水量增加,颗粒之间主要承担胶结作用的黏土矿物软化,导致附近的黄土微观结构持续破坏,导致赵家岸滑坡发生蠕动.     

复合改性水玻璃加固黄土微观特征研究

进行压汞试验和SEM-EDS试验研究复合改性前后水玻璃加固黄土,分析其孔隙分布特征、颗粒和孔隙形态以及胶结物形态和化学元素含量,探讨宏观力学特性与微观特征的联系。压汞测试结果表明,改性前后加固黄土具有相近的孔隙分布特征,入口孔径主要分布在0.06～8 ?m之间,大、中、小和微孔隙分界值分别为8、2、0.06 ?m,加固时生成的凝胶填充作用不显著。SEM-EDS测试结果表明,改性后黄土仍保持其粒状、架空、接触-胶结结构不变,但加入硅酸钾材料后黄土颗粒表面变得粗糙并吸附有絮状物,EDS数据显示K元素含量随着硅酸钾掺入量的增加而增大,且试样无侧限强度与K元素百分含量正相关。研究还表明,土的颗粒联结强度和结构形态特征是导致黄土宏观力学性质差异的本质原因,在复合改性水玻璃加固黄土时在保持黄土架空孔隙基本不变的前提下,生成的含K凝胶在改变颗粒表面形态的同时强化了骨架颗粒之间的连接强度,从而改善了土体的强度。     

全风化花岗岩孔径分布-颗粒组成-矿物成分变化特征及指标相关性分析

孔径分布、颗粒组成和矿物成分是全风化花岗岩微观和结构特征的3个主要方面,也是决定其工程地质性质的关键因素。理论研究和实际工程中,常用大、中小和微孔隙、角砾、砂粒和粉粘粒、三大矿物（石英、长石和粘土矿物）含量等指标表征这3方面的特征。3方面指标在一定范围上变化幅度多大？数值间相关性及作为土结构模型组份因子,它们相对权重多大？通过对香港九龙两处边坡51件全风化花岗岩试样压汞测试、颗粒分析和X射线衍射（XRD）等微观结构特征分析,结果表明：两处边坡粗粒和细粒结构全风化花岗岩有明显区别,前者主要属于砾石土和砂砾土,部分为含砾土,大孔隙多,石英和粘土矿物多,而后者部分属含砾土,部分为细砂土和亚砂土,微孔隙多,长石多;两者长石和粘土矿物含量变化正好相反。借助于多因素关系矩阵法,对3方面共9个指标作相关分析发现,相关性较好的指标是：角砾和砂粒 (0.948);大孔隙和微孔隙(0.846);石英和长石(0.827);长石和粘土矿物 (0.747)。从土结构因子角度考虑,权重从大到小指标是：微孔隙、长石、粘土矿物、砂粒、角砾、大孔隙、中小孔隙、粉粘粒和石英。其分析结果可为该类土微观结构特征细化及分类提供依据,为其微结构力学研究提供基础材料。     

针对黏性土胶质联结特征的SEM-EDS试验研究

采用 “整区→微区→胶结点”的逐步分区测试方法,对湛江原状黏土与重塑土开展SEM-EDS试验研究,观察土体微观结构的胶质联结特征,确定胶结物质的元素组分及其空间分布状态,建立微观结构-化学物质-宏观力学行为的相互关系与灵敏性分析。结果表明,土的基本性质很大程度上取决于微观层面的颗粒联结特征。湛江黏土的结构单元实际上是以许多黏土矿物薄片堆叠而成的黏土畴,开放式的絮凝结构加上以游离氧化铁为主要成分的胶质联结特征是导致湛江黏土具有高灵敏性、强结构性的根本原因。当应力水平超过土体的结构屈服应力后,力学性能迅速劣化,结构单元体逐步转为联结强度弱,分散性强的凝聚体或叠聚体。研究还表明,土的颗粒联结强度、结构形态特征及其对结构强度的贡献是导致原状土与重塑土性质差异的本质,天然状态下的湛江黏土土性受控于微观结构特征,而重塑土土性受控于黏土矿物颗粒本性。     

黄土高原马兰黄土粘土矿物的定量研究

本文在回顾和总结中国西北黄土粘土矿物研究进展的基础上,提供了采用现代X-射线衍射(XRD)定量测试技术(包括粘土矿物样品处理和全自动数据处理技术)对陕北晋西12个县市马兰黄土粘土矿物定量研究的最新结果。测试结果表明,马兰黄土的主要粘土矿物为伊利石／蒙脱石混层矿物(相对含量为60％～70％),而不是以往所认为的伊利石。伊利石在黄土中主要呈两种形式存在,即单矿物伊利石和伊／蒙混层矿物中的伊利石。研究还发现,各地马兰黄土粘土矿物组成变化不大,但在神木、河曲、偏关一带伊／蒙混层比有局部增高的现象。根据扫描电子显微镜观察,黄土中粘土矿物不是以单粒形式存在,而主要是以集粒粘附物的形式包裹在碎屑颗粒表面。黄土中粘土矿物组成及其存在形式一方面可以充分揭示黄土物源区的表生化学环境特征;另一方面,伊／蒙混层矿物作为一种广泛分布的膨胀性粘土矿物和它在黄土粘土矿物中所占地位,对于认识马兰黄土在水作用下的湿陷变形和强度衰减的本质具有重要意义。     

基于计算机X射线断层术与扫描电镜图像的黄土微结构定量分析

以湿陷性黄土的电镜扫描（SEM）和三轴CT扫描试验为基础,针对CT图像分辨率较低、难以实现土微结构精确量化的缺陷,通过对不同放大倍数的SEM图像进行图像分析,并从其中选择标准训练样本,利用训练样本对CT图像进行监督分类,从而达到定量化分析土的微结构的目的。通过比较CT图像基于自身灰度分级和基于SEM训练样本两种不同方法进行监督分类,结果表明基于SEM训练样本的CT图像监督分类,可以更好地量化监测黄土大孔隙、团粒、黏土集粒和矿物颗粒在固结剪切过程中的变化规律,从而为土的微结构研究提供了新的视角。     

复合改性水玻璃固化黄土机理研究

对复合改性水玻璃溶液固化黄土进行了试验研究,并通过化学组成和矿物成分分析、微观结构分析探讨了复合改性水玻璃固化黄土的机理。试验结果表明:复合改性水玻璃固化黄土的强度有明显提高; X射线衍射图谱中密集低矮的非晶质物相峰群仍存在,但是部分矿物衍射强度比普通水玻璃固化的有所升高; SEM图像显示胶凝材料特有的裂纹减少,黏结比较紧密; MIP数据显示复合改性后孔隙表面积增大,最可几孔径减小。复合改性水玻璃溶液固化黄土的强度增加的机理在于:K+的加入使生成的聚合物增多,胶凝裂纹减少、黏结趋于紧密,促使了最可几孔径的减小和小孔隙的增多,强化了骨架颗粒的连接强度,并将骨架颗粒黏结成为一个空间网状整体,从而改善了土体的强度。     

温度改性水玻璃固化黄土机制研究

硅化法是湿陷性黄土地基处理的主要化学方法之一,为了提高固化效果需要对水玻璃溶液进行改性。对温度改性水玻璃溶液固化黄土进行了试验研究,并通过化学组成和矿物成分分析、微观结构分析探讨了温度改性水玻璃固化黄土的机制。试验结果表明：在20～80 ℃范围内,随着温度的升高,水玻璃固化黄土的强度有明显提高;X射线衍射图谱中部分矿物衍射强度降低并出现密集低矮的非晶质物相峰群;SEM图像显示随着温度的升高凝胶薄膜增多;MIP（压汞试验）数据显示,随着温度的升高,孔隙表面积增大。水玻璃溶液固化黄土的强度随温度增加的机制在于：生成的非晶质物相和凝胶薄膜随着温度的升高而增加,促使最可几孔径的减小和小孔隙的增多,强化了骨架颗粒的连接强度,并将骨架颗粒黏结成为一个空间网状整体,从而改善了土体的强度。     

生石灰改良黄土的微观机制试验研究

为探究石灰掺量对黄土强度的影响规律及其微观机制,采用不同比例的生石灰对黄土进行改良。开展了直剪试验、压汞试验及扫描电镜测试,定性和定量分析素黄土及不同石灰掺量改良黄土的强度特性和微观结构变化规律,并对石灰改良黄土的微观机理进行较为深入的分析。结果表明:石灰改良黄土的抗剪强度参数随着石灰掺量的增大出现先增大再减小的变化规律,在石灰掺量约为8%时,其黏聚力和内摩擦角达到最大值;石灰的掺入使黄土骨架颗粒之间及其表面附着的胶结物逐渐增多,孔隙被胶结物质填充,土体中的不稳定孔隙逐渐减少,整体性增强;但当石灰掺量过大时,多余的石灰会堆积于团粒之间,影响团粒之间的胶结。石灰改良黄土强度提高的原因是石灰水化反应生成的胶结物质增强了土颗粒之间的胶结程度,增大颗粒间的相互摩擦,使土体结构更加稳定,提高土体强度;石灰掺量过高时,改良黄土抗剪强度降低是因为过量的石灰影响了土颗粒之间的胶结作用。研究成果既是对黄土强度特性及微观结构理论研究的丰富与充实,又可以为改良黄土工程设计的相关参数选取提供参考依据。