NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

淋洗剂乙二胺四乙酸对重金属污染土工程特性的影响

以重金属铅（Pb2+）污染土和淋洗剂乙二胺四乙酸（EDTA）为研究对象,通过批次试验研究了不同浓度EDTA的淋洗对Pb2+污染土的渗透特性、持水特性、压缩特性、抗剪强度等工程特性的影响,为淋洗修复后土壤的二次利用提供参数支持。基于矿物成分、孔隙结构等微观试验,揭示了土壤工程特性变化的内在机制。研究结果表明,当淋洗剂EDTA浓度从0增加到0.15 mol/L,经淋洗修复后的污染土壤pH值从7.94下降到5.12,渗透系数降低超过一个数量级,黏聚力降低50%以上,而内摩擦角增大,持水性能提高,孔隙比从0.81下降到了0.76。微观试验的结果表明,随着淋洗剂浓度的增大,土壤中的蒙脱石、钠长石和伊利石矿物含量减少,石英矿物含量增加,其中蒙脱石含量从7.87%下降到了0.07%,而石英矿物含量增加了11.09%;淋洗后土壤单位质量进汞量由0.22 ml/g降低到0.15 ml/g,土壤总孔隙体积减少。重金属污染土淋洗修复工程在考虑重金属去除率及经济性指标的同时,还应考虑淋洗剂对土壤工程特性的弱化。     

冻融循环对固化铅污染土强度与孔隙特征影响的试验研究

水泥基固化剂封闭是近年来重金属污染修复治理的主要技术手段之一。冻融循环作用是影响水泥固化重金属污染土力学特性的重要外营力。本文以人工制备的铅污染土为研究对象,结合冻融实验和室内土工试验,研究冻融循环作用对铅污染土无侧限抗压强度的影响。结果表明:随着水泥掺量的增大,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度增大,破坏应变减小;随着铅离子掺量的增大（污染程度升高）,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u降低,应力-应变曲线变化趋势更加相似;水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u随冻融频次的增大而降低;相同冻融频次条件下,随着水泥掺量的增加,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u损失率降低。基于SEM图像对固化铅污染土进行微观结构定量分析,表明随着冻融次数的增加,试样中细颗粒（< 1 μm）和细孔隙（< 2 μm）所占比例均提高。冻融作用对土体结构的破坏可能是导致土样无侧限抗压强度q_u降低的主要原因。     

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。     

黑方台地区黄土强度弱化的浸水时效特征与机制分析

黑方台地区因灌溉水下渗,导致地下水位上升,深部土体长期处于饱水状态。地下水溶滤作用带走大量盐分,同时改变了孔隙水溶液中的化学成分,影响着黄土的抗剪强度。采用环剪仪、激光粒度分析仪、Zeta电位仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、离子色谱仪等装置从强度和物理化学作用等方面对其进行研究。试验结果显示,黄土抗剪强度及其参数(内摩擦角)-浸水时间曲线呈"勺形"。结合相应的物理化学测试结果,分析了黄土强度弱化的浸水时效机制:浸水初期,胶结物(易溶盐)迅速溶解,黄土微结构破坏,内摩擦角显著降低;同时孔隙水离子浓度增大,与黏粒反离子层发生离子交换作用,黏粒结合水膜厚度变小,致使内摩擦角稍有增大;随着浸水时间的增加,中溶盐石膏逐渐溶解于氯化钠溶液中,导致黄土中粗颗粒进一步分散解体,黏粒含量增加,双电层总厚度有所增大,内摩擦角稍有降低。     

黑方台地区黄土强度弱化的浸水时效特征与机制分析EI北大核心CSCD

黑方台地区因灌溉水下渗,导致地下水位上升,深部土体长期处于饱水状态。地下水溶滤作用带走大量盐分,同时改变了孔隙水溶液中的化学成分,影响着黄土的抗剪强度。采用环剪仪、激光粒度分析仪、Zeta电位仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、离子色谱仪等装置从强度和物理化学作用等方面对其进行研究。试验结果显示,黄土抗剪强度及其参数(内摩擦角)-浸水时间曲线呈"勺形"。结合相应的物理化学测试结果,分析了黄土强度弱化的浸水时效机制:浸水初期,胶结物(易溶盐)迅速溶解,黄土微结构破坏,内摩擦角显著降低;同时孔隙水离子浓度增大,与黏粒反离子层发生离子交换作用,黏粒结合水膜厚度变小,致使内摩擦角稍有增大;随着浸水时间的增加,中溶盐石膏逐渐溶解于氯化钠溶液中,导致黄土中粗颗粒进一步分散解体,黏粒含量增加,双电层总厚度有所增大,内摩擦角稍有降低。     

浸水作用下湿陷性黄土微观结构及分形特征研究

针对延安新区湿陷性黄土，开展浸水试验，利用扫描电子显微镜获得不同浸水时长的黄土微观结构图像。运用Image Pro Plus（IPP）图像处理软件提取黄土的微观结构参数，结合分形理论对黄土的微观结构进行定量分析。结果表明：在浸水过程中，土体宏观表现为湿陷性减弱。土体颗粒排列、形态分布呈规律性变化；孔隙面积概率分布指数和颗粒分形维数均出现减小趋势，颗粒圆形度先减小后增大，排列发生定向改变；浸水作用对黄土微观结构的影响具有时效性，初始阶段土体受黏土矿物软化、可溶盐流失的影响，天然结构在水体扰动下逐渐失稳；随浸水时间的增加，骨架结构产生破坏，颗粒发生偏转、滑移、重组；平衡阶段颗粒形成新的结构，排列密集化，大、中孔隙减少，土体结构逐渐稳定。研究从宏观、微观两个角度研究了浸水作用下的黄土结构特征，为湿陷性黄土地区的工程问题提供了试验基础和科学依据。     

酸碱污染黄土抗剪强度演化规律及微观机制

为探索酸碱污染对天然黄土抗剪强度的影响,首先对原状黄土试样浸泡不同浓度的HCl和NaOH溶液,而后展开三轴强度试验、扫描电镜测试、压汞试验以及土体化学组成和液塑限的测定,研究酸碱污染作用对黄土抗剪强度、微观结构、化学成分和塑性的影响规律。结果表明：酸污染浓度增加,土体应力-应变曲线峰值衰减,抗剪强度劣化,黏聚力近指数趋势折减,内摩擦角相对稳定;碱污染浓度增加,土体应力-应变曲线峰值提升,抗剪强度增大,黏聚力增幅显著,内摩擦角略增;酸污染后,土体颗粒形态破碎,胶结物质溶解,颗粒与孔隙间界限模糊,骨架颗粒间孔隙、黏粒间孔隙含量及尺寸均增大;碱污染后,土体支架孔隙塌落,次生胶结均衡了局部损伤,补强了结构联结度,骨架颗粒间孔隙含量及尺寸均减小,黏粒间孔隙尺寸减小而含量增加;浸泡酸液后,土体内阳离子含量显著增加,碳酸钙含量急剧减少,液塑限均减小;浸泡碱液后,土体内Al³⁺略有增加,其余阳离子平缓减少,碳酸钙含量小幅增加,液塑限均增大。分析试验结果,归纳了酸碱污染黄土抗剪强度演化的微观机制：酸碱污染效应下,土体内矿物溶解、离子交换、颗粒及孔隙结构调整,驱动土体初始结构损伤,新...     

水-土作用对土体渗透系数的影响研究

随着环境的改变,水质成分日趋复杂,水-土作用对土体性能的影响越来越明显。针对这一情况,考察了不同种类、不同浓度及不同pH值溶液对土体渗透系数的影响。结果表明,水-土作用对土体渗透系数存在正负两个方向的影响,且影响显著,对土体SEM照片分析后发现,水土之间通过阳离子交替吸附作用和溶蚀及结晶沉淀作用,使土体微观形貌及孔隙特征发生变化,最终导致其渗透性发生改变。     

黏性土干/湿过程中土结构演化特征研究进展

干湿变化是自然界中土体必然经历的过程,对土体工程性质有重要影响。系统掌握干/湿过程中土结构演化特征,对深入认识土体宏观力学性质有重要意义。基于国内外大量文献资料,着重总结了黏性土在干燥过程、湿化过程和干湿循环过程中微观结构的演化特征,得到了以下几点主要认识:（1）含水率是影响土体微观结构的关键因素之一,在最优含水率干侧制备的土样呈典型的团聚体结构,孔隙分布曲线具有双峰特征,而在湿侧则呈相对均匀的基质结构,孔隙分布曲线呈现单峰特征;（2）在干燥过程中（吸力增加）,到达缩限之前,土体积的减小主要由大的宏观孔隙收缩所致。在不同的吸力区间内,主要受影响的孔隙尺寸是不同的;（3）在湿化过程中（吸力减小）,团聚体内的小孔隙和团聚体间的大孔隙都逐渐增大,且以团聚体内的孔隙增大为主,孔隙结构的演化特征与侧限条件密切相关;（4）在干湿循环过程中,土结构变化并不是完全可逆的,土体产生的累积收缩/膨胀形变量主要来自于宏观孔隙,随着干湿循环次数的增加,土体的体变特性会达到一个平衡状态,可用弹性孔隙比进行描述。除此以外,还总结了土结构观测的常规技术方法,包括SEM、ESEM、MIP和CT技术等。最后针对土结构研究现状,提出了今后的研究重点和方向,主要包括制样新方法、观测新技术、湿化过程的微观结构以及微观结构参数与宏观力学模型相结合等。     

水泥-粉煤灰固化/稳定重金属污染土的电阻率特性试验研究

固化/稳定法修复重金属污染土固化机制的研究方法多基于力学测试和化学分析,因而提出无损、快捷方便且经济有效的物理评价方法是目前亟待解决的关键问题。通过系统的室内试验,利用电阻率法研究了水泥-粉煤灰固化重金属污染土的微观作用机制,并建立了基于电阻率的固化铅污染土无侧限抗压强度预测模型。试验结果表明,随着养护龄期的增加,试样电阻率、孔隙水电阻率、结构因子、形状因子均显著增大,而各向异性系数则随之减小。而增加重金属离子浓度,电阻率、孔隙水电阻率以及平均形状因子明显减小,各向异性系数A则逐渐增大。扫描电镜分析结果与电阻率参数变化规律吻合,进一步验证了电阻率法揭示水泥-粉煤灰固化重金属污染土微观作用机制的可行性。此外,电阻率与无侧限抗压强度之间存在良好的线性关系,可作为评价固化土体力学性能的指标。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液,采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律,并从微观结构的变化进行机理分析。试验结果表明：相同固结应力条件下,不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低;随着酸液浓度增大,污染土骨架连接方式由点-点接触向点-面接触、面-面接触转变,土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少,导致污染土渗透系数降低;相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为：硫酸硝酸盐酸水,即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液，采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律，并从微观结构的变化进行机制分析。试验结果表明：相同固结应力条件下，不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低；随着酸液浓度增大，污染土骨架连接方式由点?点接触向点?面接触、面?面接触转变，土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少，导致污染土渗透系数降低；相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为：硫酸<硝酸<盐酸<水，即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。     

深层振动密实对湿陷性黄土层水平应力变化的影响

深层垂直振动不仅会增加土体刚度,还会增加其水平有效应力。结合深层振动密实技术在我国西北地区处理湿陷性黄土地基的首次实践,探讨了深层振动密实对湿陷性黄土地基土层水平应力变化的影响,同时揭示了湿陷性黄土振动密实的机制。现场试验结果表明,处理深度范围内（–8 m）土层的锥尖阻力和侧壁阻力平均提高了2倍以上,摩阻比增加了20%～50%。–3 m以上范围内土层的侧壁阻力比值较大,且对应较高的水平应力变化值（ ）,土层水平应力增加显著。深度–3～–7 m范围内土层的侧壁阻力比保持在4左右,对应 值在3～4之间。–7 m以下土层的 值逐渐减小并趋于1。水平应力变化受土层侧壁阻力比的影响较大,受有效内摩擦角的影响小。分析认为,水平应力的增加,导致土层产生“预固结”效应,在微观上表现为黄土由疏松多孔的粒状结构趋向于镶嵌结构,以架空孔隙为主导的大孔隙或消失或演变为镶嵌孔隙等小孔隙,土体逐渐变得密实。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

重金属作用下改性水泥系隔离墙化学相容性研究

水泥系隔离墙被广泛应用于工业污染场地修复工程,但其防渗性能有待改善,且在高浓度、毒理性重金属污染作用下的化学相容性有待研究。通过室内试验研究了不同粒化高炉矿渣（GGBS）掺量、膨润土掺量和固化剂总掺量对水泥系隔离墙的强度和渗透特性的影响;综合考虑成墙效果和成本,选出固化剂掺量为20%（水泥、粒化高炉矿渣和膨润土掺量分别为8%、8%和4%）作为改性水泥系竖向隔离墙的最优配比。通过柔性壁渗透试验研究了重金属锌、铅污染作用下改性水泥系隔离墙试样的化学相容性。结果表明,重金属溶液作用下试样防渗性能的下降由重金属种类、重金属浓度以及试样孔隙液pH值三者共同决定。重金属种类对防渗性能的不利影响为：硝酸锌-硝酸铅>硝酸锌>硝酸铅。锌、铅溶液作用下试样的渗透系数为自来水作用下渗透系数的1.49～10.10倍,且重金属溶液的浓度越高渗透系数越大。在满足防渗要求前提下,该配比墙体材料能阻挡50 mmol/L的硝酸锌污染液、100 mmol/L的硝酸铅污染液和10 mmol/L硝酸锌-硝酸铅污染液。     

工程切坡诱发黄土滑坡成因机制研究

伴随着城镇化进程的提速,黄土地区由于工程切坡诱发了大量的工程滑坡。为了研究典型工程黄土滑坡的成因机制,以宝鸡市扶风县飞凤山滑坡为例,开展了野外地质灾害详细调查,同时进行原位渗水试验和原状黄土、古土壤试样土-水特征曲线测试。试验结果表明：当黄土存在小孔洞等结构性问题时,渗透系数可达10-4 cm/s量级,为中等渗透性等级;土-水特征曲线试验求得古土壤的进气值为11.5 kPa,大于黄土的9.0 kPa,同时曲线也显示了古土壤和黄土干湿交替过程中,强度和变形的演化出现分化。在试验结果分析基础上,指出工程切坡是滑坡发生的主要诱发因素,由此触发了土体一系列物理化学链锁反应,尤其是强化了土-水耦合作用的影响,催化了滑坡的发生。最后,提出了飞凤山滑坡的破坏模式为滑带双向发展、兼具滑塌灾害部分典型地质特征的渐进式破坏。     

盐分影响重塑黄土渗透性的微观机制试验研究

“治沟造地”修建水库,导致土地盐渍化,而盐渍土的渗透性是影响工程设计、施工安全的重要因素,因此阐明不同盐分含量及类型条件下的重塑黄土渗透性至关重要。通过制备不同盐分含量的钠、钙盐重塑黄土试样,开展一系列室内变水头饱和渗透试验,探析重塑黄土渗透系数随盐分含量的变化规律。结果表明：随盐分含量增加,重塑黄土饱和渗透系数逐渐减小,两者呈负指数相关,含盐重塑黄土渗透系数与不含盐重塑黄土相比均有不同程度减小;同一盐分含量条件下,钙盐黄土的渗透系数小于钠盐黄土的渗透系数。采用核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）技术,测取重塑黄土的孔隙水赋存状态与孔隙结构随盐分含量与类型的变化;当盐分含量小于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态与孔隙结构的变化使重塑黄土渗透系数迅速减小;当盐分含量大于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态变化使重塑黄土渗透性增加,而孔隙结构变化使重塑黄土渗透性减小且对渗透性的影响占主导,因此重塑黄土的渗透系数缓慢减小;同一盐分含量条件下,钙盐重塑黄土的孔隙水赋存状态和孔隙结构的变化比钠盐重塑黄土更显著。     

非饱和土土水特征曲线(SWCC)测试与预测

非饱和土土水特征曲线(SWCC)表示了土中含水量与吸力之间的关系。文章介绍了6种常用方法,各有其适用范围。体积压力板仪可量测最大基质吸力值为1500kPa的干燥曲线和浸湿曲线;超过1500kPa时,可用盐溶液法进行量测;Tem-ple仪可量测基质吸力达100kPa的干燥曲线;滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力;Dew-point电位计可用于量测土样总吸力变化,尤其适合渗透吸力的量测;TDR探头适合于量测小于300kPa的基质吸力。用GDS非饱和土三轴仪可以进行SWCC测试,测试范围主要取决于陶土板的进气值。用准确的数学模型对测得的含水量、吸力数据进行拟合,对于预测非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度及分析边坡稳定性有重要意义。由于准确测试SWCC难度较大,并且测试影响因素较多,所以根据土体孔隙大小分布和颗粒大小分布情况预测SWCC,也是一种较好的方法。     

CaO对钙矾石固化/稳定化重金属铅污染土的影响

为研究CaO的赋存形态及含量对钙矾石固化/稳定化重金属铅污染土效果的影响,采用高铝水泥提供AlO2-,纯石膏或磷石膏提供SO42-,高铝水泥、石膏、普通硅酸盐水泥或生石灰提供CaO,制备不同组分固化剂配比的固化土,测试试样强度和孔隙溶液pH值等宏观物理力学指标,通过醋酸缓冲溶液法测试试样的铅溶出量,对比分析不同固化剂固化土的矿物成分与微观结构特征。结果表明,钙矾石固化/稳定化重金属铅污染土效果显著;钙矾石对孔隙的填充作用带来的增强效果不能代替水化硅酸钙胶结土颗粒的胶结作用,普通硅酸盐水泥对试样的强度更有利,但其后期强度增幅不大,而生石灰有利于固化土强度的持续增长;生石灰较普通硅酸盐水泥对钙矾石的形成、稳定和重金属Pb2+的固化/稳定化更有利;磷石膏和纯石膏对试样的pH值、无侧限抗压强度及钙矾石固化/稳定化重金属Pb2+的效果影响较小;固化土体微观结构特征表明,CaO含量对钙矾石生成形态及作用效果影响显著。当CaO含量较低时,早期生成的钙矾石将向单硫型硫铝酸钙转化。研究成果可丰富重金属污染场地原位处理技术,具有重要的理论意义和工程应用价值。