基于Matlab和IPP的黄土孔隙微观结构研究

黄土的孔隙结构是区别于其他土类的重要特点之一,黄土的湿陷、震陷等宏观力学表现与其孔隙结构密切相关。本文开发了利用Matlab和IPP(Image-Pro Plus)软件相结合的方法对黄土微结构图像进行处理,提出了一种基于灰度计算土的三维孔隙率方法,并对青海西宁、甘肃永登、甘肃兰州、宁夏西吉和山西芮城五处场地的原状黄土微观结构进行了定性与定量分析。结果表明:不同地区的Q3黄土微结构往往与地域、深度以及气候条件密切相关。在定性方面,六盘山附近及以东的地区降雨量较为丰富,颗粒以集粒和凝块为主;而六盘山以西的地区气候较为干旱,颗粒之间接触面较小,易形成架空孔隙。在定量方面,在空间上自西北向东南,黄土大孔隙含量增加;在深度上自上至下,黄土颗粒相互靠拢,粒间距离减小,大孔隙含量减小;随着深度的增加,地应力逐渐增大,黄土颗粒和孔隙受到挤压发生转动和变形,中孔隙和大孔隙的椭圆率变小,其中大孔隙变化显著;土体发生重塑,孔隙排列变得有序,孔隙大小以及孔隙面积在各个区域分布相对均匀,分维数和概率熵减小,玫瑰图曲线变得圆滑。     

黄土震陷时微观结构随动应力变化分析

通过黄土微观结构图像的处理可以很好地提取黄土微观结构要素。本文取通渭老地震区的黄土做震陷实验,应用土体微观结构定量分析系统对不同正弦荷载下震陷土样的微结构图片作定量化结构效应分析,探讨了其不同动应力荷载下的微观结构参数变化规律,并建立了各参数与动应力的对应关系。结果表明,黄土震陷由其微观结构及外部荷载共同决定,各微观要素在震陷过程中有不同变化,孔隙的有效直径、孔径分维、连通率和颗粒定向度的微结构参数变化与残余变形变化基本保持一致。     

基于细观结构的原状黄土动弹性模量和阻尼比试验研究

黄土的细观结构对其非线性动力参数具有重要影响。选取不同地区的典型原状黄土进行室内动三轴试验和扫描电镜(SEM)试验,利用PCAS孔隙图像识别与分析系统统计分析SEM图像,获取了黄土的孔隙细观结构参数,分析了孔隙细观结构参数与初始动弹性模量和阻尼比的关系。结果表明:初始动弹性模量随着土体平均孔隙直径、表观孔隙率、分形维数和概率熵的增大而减小,其中平均孔隙直径和分形维数对初始动弹性模量的影响较为显著,表明土体内孔隙的大小及其排列对土体的动弹性模量具有明显的影响;而阻尼比均随着土体平均孔隙直径、表观孔隙率、分形维数和概率熵的增大呈非线性增大,其与表观孔隙率和分形维数具有明显的相关性,表明孔隙数量及其排列形态对土的阻尼比影响较为明显。     

永登5.8级地震极震区黄土微结构孔隙性的定量研究

通过电镜扫描手段和计算机图像处理,对1995年永登5．8级地震极震区遭受地震影响和未遭受地震影响的黄土微结构变化的各项指标进行了对比试验和分析,并将分析结果绘成受震与未受震两种孔隙分布曲线。从这些曲线可以看出,不同地点的黄土孔隙分布特征不同;同一深度不同地点的孔隙分布亦有明显差异。对未受震(粒状架空孔隙结构)与受震(粒状镶嵌孔隙结构)黄土的微观结构进行了定量处理,其分析结果较好地解释了土体的工程性质。同时介绍了黄土微结构研究的方法和要求,通过对黄土微观结构的定量处理,揭示了黄土震陷性与黄土孔隙含量所占比例大小的内在关系,达到了确定黄土场地震陷量的目的,验证了利用微结构研究黄土结构变化的可行性。     

非饱和黄土微观结构与黄土滑坡

原状黄土属于非饱和黄土,对非饱和黄土的微观结构研究对于研究黄土地区边坡的稳定性具有重要意义。通过研究区黄土的SEM图像的微观结构分析和利用Janbu法对典型黄土滑坡进行边坡稳定性的计算分析,认为该地区黄土的内部微观结构以架空结构和镶嵌结构为主,在大颗粒上附着的胶结物较少;随着深度的增加,土体上覆压力增大,土体具有明显的挤压变形现象;黄土体在天然状态下处于极限稳定状态,随着含水量增加,边坡稳定性下降,达到饱和状态时,处于不稳定状态;随着黄土地区经济的快速发展,人类水事活动和工程性经济活动广泛开展,人为因素逐渐成为诱发滑坡发生的主导因素。     

基于三轴试验压实黄土微观结构变化机制研究

采用电镜扫描仪（SEM）对三轴剪切前后压实黄土样在水平面和竖直面进行微观结构观察,从剪切前后孔隙排列、孔隙形态、孔隙尺度变化特征3方面分析宏观强度试验的微观本质。试验结果表明：剪切前后概率嫡均在1附近,不同围压下剪切后土颗粒间孔隙排列无序,对宏观强度影响很小。不同围压下剪切后土样的平均形状系数和周长面积分维值均呈下降趋势,孔隙形态的变化对压实黄土强度不同的贡献较大,且土颗粒的团粒化程度与土样强度正相关;孔隙比的变化趋势与压实黄土强度的变化趋势相反,孔隙尺度的变化是压实黄土强度变化的控制因素。因此剪切前后微观结构的变化能较好地解释宏观试验现象。     

基于三轴试验压实黄土微观结构变化机制研究

采用电镜扫描仪（SEM）对三轴剪切前后压实黄土样在水平面和竖直面进行微观结构观察，从剪切前后孔隙排列、孔隙形态、孔隙尺度变化特征3方面分析宏观强度试验的微观本质。试验结果表明：剪切前后概率嫡均在1附近，不同围压下剪切后土颗粒间孔隙排列无序，对宏观强度影响很小。不同围压下剪切后土样的平均形状系数和周长面积分维值均呈下降趋势，孔隙形态的变化对压实黄土强度不同的贡献较大，且土颗粒的团粒化程度与土样强度正相关；孔隙比的变化趋势与压实黄土强度的变化趋势相反，孔隙尺度的变化是压实黄土强度变化的控制因素。因此剪切前后微观结构的变化能较好地解释宏观试验现象。     

极震区黄土微结构的试验研究

本文以1995年甘肃省境内5．8级地震引起的黄土地区震陷灾害实例，对黄土微结构孔隙性进行了定量研究。通过电镜扫描手段和SEM图像处理技术，对极震区震陷性黄土微观结构的各项指标进行了比较分析，得出不同地点的黄土孔隙分布曲线；对极震区受地震破坏和未受破坏典型架空孔隙结构的黄土进行了定量处理，较好地解释了土体的工程性质，结合激光粒度分析仪对极震区黄土进行了测量和统计分析。同时对无震区与强震区黄土孔隙分布曲线进行了对比研究。结果表明：不同极震区的孔隙分布特征不同，同一深度不同区域孔隙分布曲线亦有明显的差异。     

黄土的震陷性与其微结构特征的关系研究

借助电镜扫描分析手段，对Q3震陷性黄土的微结构特征、颗粒形态等进行了分析。结果表明黄土的显微结构对震陷系数有较大影响，并与震陷的临界动应力关系密切。通过孔隙含量的定量测试分析，探讨了中大孔隙对黄土震陷影响，并对土样的微结构某些指标进行了比较和分析。     

黄土湿陷系数与其物性指标的定量关系分析

湿陷性是黄土特殊且重要的工程性质。以黄土微观角度探讨湿陷性与物性指标之间的关系,再依据《中原城市群环境地质调查》统计得到的洛阳地区湿陷性黄土土性参数,运用MATLAB定量分析黄土湿陷性与其物性指标的相关性,得到如下结果：(1)在众多与湿陷性相关的物性参数中,洛阳地区黄土湿陷系数与孔隙比、干密度、塑性指数等物性指标关系密切,且相关性程度依次为孔隙比、干密度和塑性指数;(2)运用MATLAB分析湿陷系数与物性指标的定量关系,得到了该地区湿陷系数与物性指标之间函数关系的拟合公式;(3)通过实测值与预测值的比较,结合黄土的湿陷机理,论证拟合公式的合理性。研究方法对其他地区黄土湿陷系数的预测也具有启发意义。     

Influence of pore size and geometry on peat unsaturated hydraulic conductivity computed from 3D computed tomography image analysis

In organic soils, hydraulic conductivity is related to the degree of decomposition and soil compression, which reduce the effective pore diameter and consequently restrict water flow. This study investigates how the size distribution and geometry of air‐filled pores control the unsaturated hydraulic conductivity of peat soils using high‐resolution (45 µm) three‐dimensional (3D) X‐ray computed tomography (CT) and digital image processing of four peat sub‐samples from varying depths under a constant soil water pressure head. Pore structure and configuration in peat were found to be irregular, with volume and cross‐sectional area showing fractal behaviour that suggests pores having smaller values of the fractal dimension in deeper, more decomposed peat, have higher tortuosity and lower connectivity, which influences hydraulic conductivity. The image analysis showed that the large reduction of unsaturated hydraulic conductivity with depth is essentially controlled by air‐filled pore hydraulic radius, tortuosity, air‐filled pore density and the fractal dimension due to degree of decomposition and compression of the organic matter. The comparisons between unsaturated hydraulic conductivity computed from the air‐filled pore size and geometric distribution showed satisfactory agreement with direct measurements using the permeameter method. This understanding is important in characterizing peat properties and its heterogeneity for monitoring the progress of complex flow processes at the field scale in peatlands. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

非饱和黄土动力液化研究——以党家岔滑坡为例

黄土具有极强的水敏性和动力易损性，黄土地区多次强震都引起过液化、滑坡等地质灾害，造成了严重的人员伤亡和财产损失，因此振动作用下高含水率黄土的液化问题不容忽视。在大量已有研究的基础上，以宁夏党家岔滑坡为例，研究振动作用下高含水率黄土的液化问题。现场调查发现高含水率滑带土并未达到完全饱和状态（饱和度达95%左右），在新鲜的芯样断面发现有明显的"流态化"液化破坏特征。借助室内试验和数值模拟技术，对党家岔滑坡非饱和黄土层的液化性能及液化发生机理进行分析。结果表明：（1）非饱和黄土层液化发生机理可概括为：地震作用下饱和黄土层孔隙水压力激增，高含水率非饱和黄土层孔压增长响应滞后，随着孔隙水压朝上部消散，地下水向上渗流，当平均有效应力接近0时，高含水率非饱和黄土层发生液化；（2）振动过程中不同饱和度黄土孔隙水压力增长响应具有滞后性，借鉴饱和黄土液化时孔压比的判别标准和Seed简化判别法，初步证实党家岔滑坡高含水率非饱和黄土层可发生振动液化，斜坡前缘和中部土体发生液化的初始饱和度范围分别为68.3%~100%和73.8%~100%，斜坡后缘土体不发生液化。     

土工格栅加筋粉煤灰改良黄土力学特性研究

随着西部黄土地区城镇化进程的加快,填挖结合的新增用地方式要求地基处理技术需要重点解决填方区的强度与变形问题。论文将粉煤灰作为改性填料对黄土进行改良,通过直剪试验、三轴试验、湿陷试验与扫描电镜试验,分析不同粉煤灰掺入比条件下加筋与未加筋黄土试样的强度变化规律、宏观破坏特征和微结构特征。结果表明:采用粉煤灰改良和土工格栅加筋后,黄土的最优含水率增大,最大干密度降低。当粉煤灰掺入比λ=20%时,加筋改良效果最好,黄土的峰值强度、残余强度和等效内摩擦角均有大幅提高,侧向变形显著减小,且能有效降低其湿陷性。微结构分析表明:粉煤灰对黄土的改良主要体现在颗粒直接填充和化学结晶体交织成的网状填充两种类型的强化作用,改良后黄土的孔隙率与孔隙尺寸均有所下降。研究结果可为黄土地区填方边坡与填方路基的改良加固提供参考。     

Stochastic analysis of unsaturated transport in soils with fractal log-conductivity distribution

Within the framework of stochastic theory and the spectral perturbation techniques, three-dimensional dispersion in partially saturated soils with fractal log hydraulic conductivity distribution is analyzed. Our analysis is focused on the impact of fractal dimension of log hydraulic conductivity distribution, local dispersivity, and unsaturated flow parameters, such as the soil poresize distribution parameter and the moisture distribution parameter, on the spreading behavior of solute plume and the concentration variance. Approximate analytical solutions to the stochastic partial differential equations are derived for the variance of asymptotic solute concentration and asymptotic macrodispersivities.     

场地黄土扰动前后的湿陷性与其物性指标的关系

黄土物性指标可以近似但较为简便快速地评价其湿陷性。原状黄土在不同荷载和浸水的扰动下,随着其物性指标的改变,湿陷性也随之变化,故为了更好地评价这类扰动性黄土的湿陷性,在兰州东岗某场地上进行的两次相隔四十多年室内试验的基础上,采用相关分析的方法,研究扰动前后湿陷性系数与干密度、含水率、孔隙比、饱和度和塑性指数之间的关系。结果表明:(1)扰动前后湿陷性系数和干密度、含水率、饱和度和塑性均呈负相关,和孔隙比呈正相关,且扰动后湿陷性系数整体上低于扰动前,各指标对湿陷性系数的影响减弱。(2)以干密度、含水率、孔隙比、饱和度和塑性指数作为反映扰动前后黄土湿陷性的因子进行多元线性回归和因子权重分析,得出用以评价扰动前后黄土湿陷性的回归公式和影响湿陷性的因子排序。研究结果对于研判扰动黄土的湿陷性并选择合适的地基处理方法具有一定参考价值。     

陕西渭北晚更新世黄土-古土壤结合水膜厚度的试验研究

为深入剖析黄土与古土壤工程性质的影响因素,以陕西渭北晚更新世黄土与古土壤为研究对象,基于核磁共振、比表面积测试并结合理论分析对结合水膜厚度进行研究。试验结果显示：黄土与古土壤的结合水膜厚度存在明显差异,黄土的结合水膜厚度明显大于古土壤,原因在于古土壤孔隙体积及孔径小于黄土,而古土壤中高价阳离子含量大于黄土,同时古土壤颗粒表面分布铁锰质薄膜,其亲水性较弱。分析结合水膜与黄土湿陷性、回弹变形等工程特性间的关系,发现黄土-古土壤的湿陷性随结合水膜厚度的增大而增强,随结合水膜厚度的减小而减弱,结合水膜厚度与卸荷变形系数呈正相关关系。综合分析说明,高价阳离子含量、颗粒表面特性,及孔隙性的不同造成了黄土与古土壤结合水膜厚度的差异,从而导致黄土与古土壤的湿陷性等工程性质有显著区别。     

试样厚度对室内测定黄土湿陷性指标的影响

湿陷性是黄土的特殊工程性质,为研究试样厚度对室内测定黄土湿陷性指标的影响,对西安某地深1~20 m内不同深度采取的黄土,利用常规高压固结仪及改造的固结仪,进行了厚度分别为2 cm与8 cm试样的湿陷试验。对比分析各深度土层2 cm试样和8 cm试样的室内湿陷试验的结果,表明：土层湿陷性较弱或压力较小时,不同厚度试样所得的湿陷系数相差不大;土层湿陷性较强时,随着压力的增大,两者的差异越来越大,同一压力下8 cm试样所得的湿陷系数大于2 cm试样所得的值。黄土的湿陷性越强,试样厚度对试验所得湿陷性指标（湿陷系数、自重湿陷系数、湿陷起始压力）的影响越大,此结论为室内湿陷试验适当调整试样厚度提供了依据。     

考虑孔隙特性的压实黄土抗剪强度试验研究

以甘肃省临夏某机场场址黄土为研究对象,基于室内三轴剪切试验,研究了初始含水率和压实度对重塑黄土抗剪强度指标、应力路径、破坏强度的影响规律;结合室内电镜扫描试验得到的重塑黄土细观结构图像,定量分析了不同压实度下重塑黄土孔隙特性,并建立了孔隙特性与破坏强度之间的关系.研究结果表明:(1)不同初始含水率和压实度条件下重塑黄土应力G应变关系曲线形式为软化型、弱硬化型和强硬化型:7%含水率以下、90%压实度以上条件下为软化型,7%含水率、 85%压实度以下及9%含水率、90%压实度以上条件下为弱硬化型,其余条件下则为强硬化型; (2)重塑压实黄土应力路径曲线呈斜直线形式,曲线形式基本不受压实度和含水率影响;(3)重塑压实黄土抗剪强度指标、破坏强度随初始含水率的增加而减小,随压实度的增加而增大;(4)重塑压实黄土破坏强度与微、小孔隙含量成正比例关系,与中、大、特大孔隙含量及孔隙平均周长和面积成反比例关系.