利用扫描电镜、压汞法、氮气吸附法评价近海黏土孔隙特征

近海地区黏土的微观结构单元--黏土畴中含有大量的粒内孔隙,其孔径小至纳米级,这部分孔隙对黏土的物理指标、水稳性、膨胀性、收缩性等具有重要影响,一般方法很难准确地描述其孔隙特征。试验利用扫描电镜、压汞法、氮气吸附法对湛江黏土的微观孔隙特征及其孔隙发育的控制因素分析,建立微观结构与物理指标、力学行为的相互关系与灵敏性分析。结果表明,湛江黏土具有不良物理性质和良好力学特性指标的异常组合,是一种高灵敏性的强胶结结构性黏性土,其机制主要是：湛江黏土的微观结构为带有胶质联结特性的、定向性无序的开放式絮凝结构,孔隙结构为具有较高的强度和空间稳定性的边－面－角联结的空间网架系统。由于特殊的孔隙网架结构以及“墨水瓶”型孔隙的存在,导致退汞过程出现滞留现象及产生吸附回线。研究表明,联合扫描电镜、压汞法、氮气吸附法能够准确、完整地对近海地区黏土孔隙体系特征进行定性与定量的评价。     

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。     

工业副产品木质素改良路基粉土的微观机制研究

为揭示工业副产品木质素与土体间的相互作用机制,将木质素应用于路基粉土改良,通过对木质素及其改良土进行无侧限抗压强度、pH值、微观结构、化学元素、矿物成分和官能团等试验分析,研究不同掺量下木质素改良土的力学性能和pH值变化,对比分析改良前后粉土的微观结构变化,并基于化学分析结果探讨木质素的分子结构及与土体间的相互作用,提出木质素改良土体的机制。试验结果表明,改良土强度随木质素掺量增加而增加,掺量超过一定范围时,土体强度降低,木质素改良粉土的最优掺量为12%,且龄期对土体强度有着重要影响;强度与pH值基本呈线性相关关系;改良土微观结构更为致密、稳定,胶结物质将土颗粒相互联结,且未生成新的矿物;木质素通过水解、离子交换、质子化和静电引力等作用,导致双电层厚度减小,带正电荷的木质素高分子聚合物联结土颗粒并填充孔隙,改良土工程性质得以改善。提出的木质素改良土体机制可为工业副产品木质素的工程应用提供理论参考。     

衡水湖地区湿地湖泊相黏土工程地质特性研究

为了揭示湿地湖泊相黏土的工程地质特性,以衡水湖地区的湿地湖泊相黏土为研究对象,分别对湿地湖泊相黏土的沉积环境、沉积历史、分布特征及地层结构进行讨论,并将由室内和现场试验得到的物理力学指标、颗粒分布、矿物组成和微观结构特征等结果同其他地区的软土进行对比分析。结果表明:湿地湖泊相黏土的物理指标接近或达到软土标准,但力学指标好于软土。由于湿地湖泊相黏土具有明显的结构性,当应力水平超过土的结构屈服应力后,土体的强度和变形会发生突变。湿地湖泊相黏土的胶粒含量达到39%,明显高于其他软土,同时磁铁矿含量较高,易形成氧化铁胶结物,增强土体的胶结特性,形成更为稳定的结构骨架。研究可知湿地湖泊相黏土物理指标与力学指标不匹配的问题,主要是由于其特殊的矿物组成和结构形式导致的。土颗粒形态、颗粒接触方式与微观结构形式的不同,是湿地湖泊相黏土与其他软土工程性质差异的主要原因。     

饱和细粒土固结过程中矿物组分与有机质的三维表征

饱和细粒土颗粒细小, 比表面积大, 易与土体中的孔隙水、有机质相互结合形成团聚体, 这种结合形式对土体的物理力学性质有着重要影响。本文从三维微观结构角度探讨饱和细粒土的多物质结构特征对其固结演化性质的作用。土样分成4种组分:孔隙, 有机质, 多矿物组分和伊利石为主的矿物组分。通过同步辐射显微CT技术联合数据约束模型, 获取多物质三维结构表征。伊利石为主的矿物组分, 与孔隙呈共存结构, 即使在1600kPa高压作用下仍不易排出孔隙水。有机质与伊利石为主的矿物组分易结合形成有机黏土颗粒, 有机质不仅吸附在组分表面, 而且嵌入组分结构内部; 在土体固结过程中, 有机质存在富集特征, 40~400μm直径的有机质总体积逐渐增大, 削弱土颗粒间的连结强度。本研究采用定性与定量分析相结合, 获取了固结过程中矿物组分与有机质的结构表征, 为特殊土体的微宏观性质分析提供一种可行性研究方法。     

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。     

湛江强结构性黏土的物理力学性质指标及相关性分析

湛江黏土具有较强的结构性,结构性对土的力学特性影响不容忽视.对湛江黏土的物理力学指标的相关性和变异性进行统计分析,建立重要指标间的关系经验公式,这可为湛江地区地基基础可靠性设计的参数选取提供依据.结果表明,湛江黏土富含黏粒、黏土矿物含量高、含胶凝状的有机质成分、强胶结特性以及片状颗粒为主的絮凝结构是导致其具有不良物理性...     

百色重塑膨胀土抗剪强度的试验研究

通过对不同初始含水率、不同干密度下百色重塑膨胀土直剪试验,研究了百色击实重塑膨胀土在不同垂直压力下的峰值强度和残余强度,分析了其抗剪强度的作用机制。研究表明：随着干密度的增加,土体的峰值强度增大,残余强度变化不大;随着上覆荷载的增加,土体的抗剪强度明显增加,表明物理处治技术填筑膨胀土路堤能保证其强度和稳定性;干密度对重塑膨胀土的峰值强度影响较大,而对残余强度影响很小;重塑膨胀土的残余强度与它的结构、应力历史、起始含水率没有关系,而只取决于黏土颗粒的形态、大小、含量和矿物成分等因素。     

循环荷载下人工结构性土变形与强度特性试验研究

针对长期动载作用下天然沉积结构性黏土地基强度和刚度循环软化问题,分别以水泥和食糖为模拟粒间胶结和大孔隙的材料,制备了不同胶结强度和初始孔隙比的人工结构性土,开展了人工结构性土与相应重塑土的动三轴试验,分析了土体胶结强度、初始孔隙比、围压和动应力幅值对累积变形和动强度的影响规律。试验结果表明：累积应变-振动次数曲线以临界循环应力为界分为：塑性安定型、临界型和破坏型;临界循环应力随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;土体胶结强度越高,脆性破坏越明显,累积应变曲线转折点对应的应变越小。动强度的应变破坏标准采用转折点应变值更符合土性变化规律;动强度随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;动黏聚力cd随破坏振次增大而降低,而动内摩擦角?d基本不变。试验结果可为软弱土地基动力灾变控制提供有益参考。     

津巴布韦泥岩残积土的工程地质特性及其微观机制

津巴布韦泥岩残积土是一种性质特殊的风化土,系统地评价这类问题土的工程地质特性对于推动我国海外的工程建设具有重要指导意义。通过室内物理与力学试验,评价泥岩残积土的工程特性,并通过矿物组成、化学成分和微观结构论述其特殊性质的机理。结果表明,该土可定义为坚硬的非饱和黏性土,具有较弱膨胀性和较差的压实性;天然状态下,由于含有母岩残留的结构强度,表现出偏高的强度特征,但泡水后土的黏聚力明显减低,干湿循环作用也会导致内摩擦角的降低,但浸水过程不会出现明显的湿陷沉降;强烈的水敏性也导致该土浸水后产生强烈的泥化崩解,因此,雨季施工中应重点关注降雨引发的工程灾害。研究还表明,津巴布韦泥岩残积土的工程特性受控于土的物化成分与结构特性,该土的黏土矿物主要是伊利石-高岭石型,微观结构主要是含有高定向性的高岭石团与大裂隙的团粒结构,团粒间的铁质胶结是导致土的较高强度的根本原因。     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

基于综合结构势概念的海口原状红黏土K-G模型修正

土的结构性是引起天然土和重塑土各项性质差异的最主要原因。基于考虑土体结构性影响的岩土工程方法和手段应代表岩土工程实践发展方向的这一认识,本文以建立海口原状红黏土的结构性本构模式为研究目标。在结构性定量化指标上,引入综合结构势的概念,建立岩土微结构、胶结作用与宏观力学效应之间的定量表达关系。通过对海口地区所取原状红黏土和相应重塑土进行等向固结排水试验和p=常数的三轴压缩排水试验,分别定义应力型结构性参数和应变型结构性参数。同时发现两者相对于平均主应力存在着归一性化特性,能较好地描述海口原状红黏土的结构性。在此基础上对K-G模型进行了结构性的修正,并进行了数值模拟。结果显示,修正K-G模型能够定量描述海口红黏土的结构性,较好地反映原状红黏土的结构性及预测原状红黏土的应力应变关系。     

湛江地区结构性软土的赋存规律及其工程特性

立足于土体演化的地质背景,以湛江地区第四系下更新统湛江组强结构性软土地层为依托,开展了宏观与微观土工试验研究,探求该区软土赋存规律与其强结构性的内在联系。研究表明,湛江软土是以陆相沉积为主的河控三角洲相(即海陆交互相)沉积层,由于受该区构造运动的强烈影响,该土集多种地质营力的复杂耦合作用而呈现出特殊的沉积特征;胶结作用是该土具有较高的结构强度的根本原因,其强结构性形成机理与当地广泛发育的红土极为相似。     

湛江组结构性黏土区域微观结构特性研究

形成于早更新世的湛江组地层广泛分布于雷州半岛地区,其最为典型的灰色黏土因具有强结构性,在实际工程中出现了一系列岩土工程问题,为众多学者所关注。根据地层学研究结果,雷州半岛各区域的湛江组灰色黏土具有不同沉积环境。由于地质成因的差异,灰色黏土在不同区域表现出不同的工程特性。工程实际中,灰色黏土工程特性的区域性,使得工程界及研究者对于该土层的工程力学效益更是难以掌握。利用X射线衍射试验及电镜扫描试验,研究了不同区域灰色黏土的矿物成分及含量、微结构等微观结构特性。结果表明：不同沉积环境灰色黏土矿物成分及含量存在区域性差异,各矿物成分按照不同比例组合,形成的土体微结构区域特性明显。灰色黏土具有强结构性微观机制的揭示及区域差异性的分析,有利于对该层黏土的全面认知和利用。     

含水率及干密度对桂林红黏土抗剪强度的影响

为研究含水率及干密度对桂林红黏土抗剪强度的影响机理,进行了一系列控制含水率、干密度的直剪试验,建立含水率及干密度与抗剪强度的函数关系式。试验结果表明:同一干密度条件下,粘聚力、内摩擦角随含水率的增大整体呈下降趋势;在含水率相同时,随干密度增大,粘聚力减小,内摩擦角增大。分析表明:随含水率增大,具有“水稳定”性的胶结作用减弱,引起粘聚力降低;土中结晶态氧化铁含量高于胶结态时,内摩擦角增大,反之则降低。干密度增大时,重塑土因胶结键断裂后短时间无法恢复,使土颗粒的有效胶结面积的减少程度大于其增多的程度,引起粘聚力下降;干密度的增大会改变红黏土的微观结构模型,土中封闭孔隙的增多会导致粘聚力下降;土样微观结构性随干密度的增大而增强,使内摩擦角增大。      

一种考虑黏聚强度的改良土弹塑性本构模型

改良土中土颗粒和水化物形成具有一定结构的聚合体而表现出较强的结构性。与重塑正常固结土相比,改良土的结构性更强且具有一定的超固结比。在变形发展过程中,由于聚合体结构逐渐破坏,黏聚强度逐渐损失,土体表现出应变软化的力学特性。基于适用于超固结重塑黏土的统一硬化模型,引入改良土黏聚强度及其随塑性变形的演化规律,对统一硬化参数进行了修正,并采用更适用于改良土的非关联的流动法则,建立了一个可以较好地描述改良土力学特性的弹塑性本构模型。通过与水泥改良土和石灰改良土的三轴剪切排水试验的结果进行对比,该模型能够较为合理地描述改良土加载过程中黏聚强度损失对其力学特性的影响。黏聚强度的存在导致土体表现出超固结土的特性,当黏聚强度损失时会加剧土体的软化速度。     

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.     

海相沉积软黏土的弹塑性本构模型研究

在深入探讨海相沉积原状软黏土压缩、变形等力学特性和详细分析加载屈服面随荷载情况变化的基础上,确认了海相沉积原状软黏土的强度、变形特性与结构屈服应力密切相关。即当固结压力小于结构屈服应力时,其力学特性与超固结重塑土的力学特性类似;当固结压力大于结构屈服应力时,其力学特性与正常固结重塑土的力学特性类似。为描述海相沉积原状软黏土的上述力学特性,将姚仰平等提出的超固结重塑土本构模型引入到海相沉积软黏土弹塑性本构模型的构建中。在本构模型构建过程中,考虑了海相沉积原状软黏土具有的抗拉强度及其演化规律,软黏土强度包线的特点及其进一步修正的表达式,使模型更符合海相原状软黏土的强度、变形特性。最后,将3种不同海相沉积软黏土固结排水剪切试验得到的应力-应变-体变曲线与模型预测结果进行对比。比较结果显示,本文提出的弹塑性本构模型能很好地描述海相沉积原状软黏土的剪缩硬化、剪胀软化以及变形的应力水平依存性等力学特性。