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。     

黏性土次固结行为的盐分和矿物效应研究

我国江苏北部连云港地区海相软土蒙脱石族矿物含量相对较高,且在海陆交互环境中沉积形成,沉积过程中具有孔隙水盐分较高的特点,但在后沉积过程中由于地表和地下淡水入侵,会使孔隙水盐分发生变化,而相应的次固结行为的变化规律尚不明晰,因此需要深入了解矿物成分、孔隙水盐分在软黏土次固结行为中的作用机制。由于天然软黏土的矿物成分、孔隙水成分差异较大,试验材料采用矿物成分均一的商用高岭土与膨润土组成的人工黏土作为研究对象,配制不同浓度的NaCl溶液作为孔隙水,模拟孔隙水盐分变化。通过常规固结试验,发现对于含蒙脱石矿物的人工黏土,压缩指数C_c随着盐分浓度的增加而减小,主固结完成时间随盐分的增加而提前,且同一应力水平下和孔隙比下,次固结系数随着盐分的增加而减小。在同样的上部荷载下,次固结系数与压缩指数的比值C_α/C_c不再保持为经验常数,而是随着孔隙水盐分的增加而偏离经验值,主要原因为盐分对水膜蠕变的影响。但是,对于主要由高岭石矿物构成的人工黏土,孔隙水盐分浓度则未对其次固结参数产生明显的影响。因此,如果场地的黏性土蒙脱石含量较高且孔隙水含盐量较高,则需要考虑孔隙水盐分的变迁对地基长期变形的影响。     

高有机质软土固结特性与机制分析

有机质中的纤维素和腐殖质会影响软土的力学性质,有机质含量越高,软土的力学特性就会越差。为研究高有机质软土的固结特性,通过对不同深度高有机质软土的渗透性、固结以及微、细观结构特征进行试验,并利用分解程度试验结果,分析高有机质软土的特殊渗透、固结和结构特征的形成机制。研究结果表明,不同埋深的高有机质软土渗透系数差别较大,且渗透固结速度较快,基本处于粉砂到粉质黏土数量级;0.5～1.8 m埋深的土层垂直渗透系数小于水平渗透系数,其余深度垂直渗透系数均大于水平渗透系数;分解程度的研究表明,分解程度直接影响高有机质软土的压缩固结特性,低分解程度的土层更容易发生塑性变形。由埋藏从浅到深,结构由絮凝结构逐渐向叠片结构转化,最后转变为集块结构。结合土体的分解程度分析,得出高有机质软土的分解程度高低直接影响高有机质软土的渗透、固结以及结构特性。     

海相、海陆过渡相页岩矿物组成对页岩孔隙分形特征的影响

贵州地区海相和海陆过渡相富有机质页岩普遍发育,但页岩矿物组成差异大,页岩孔隙结构复杂,为定量研究矿物组成对页岩孔隙结构的影响,以低温氮气吸附和X衍射实验为基础,利用FHH模型计算孔隙分形维数并研究矿物组成对其影响。结果表明,海相页岩的分形维数D1为2.322～2.756,D2为2.756～2.914;海陆过渡相页岩的D1为2.538～2.814,D2为2.751～2.922,说明海相和海陆过渡相页岩的孔隙结构较复杂,海陆过渡相页岩的储集性较好,而海相页岩的储集性能变化较大,影响因素复杂。海相页岩孔隙的D2与有机质丰度呈"先正后负"的关系,与黏土矿物含量、石英含量呈"先负后正"的关系,与黄铁矿含量呈正相关;D1的影响因素复杂,与矿物组成不具有明显的相关性。海陆过渡相页岩孔隙分形维数与有机质丰度、黏土矿物含量、黄铁矿含量呈正相关关系,与石英含量呈负相关。有机质丰度和黏土矿物含量是影响页岩孔隙结构的最主要的因素。     

黏土矿物对软土结合水特征及力学性质影响的定量分析

黏土矿物对软土结合水特征及力学性质的影响尤为重要,但国内研究多侧重于宏观物理力学性质层面。在微观层面探讨黏土矿物对软土工程性质的影响为此研究重点,利用X射线衍射仪(XRD)测得各地软土的矿物成分,并用同步热分析仪对各地软土进行热重分析(TG)和微商热重法分析(DTG)。试验结果显示,软土的黏土矿物含量与其吸附水含量正相关,其中蒙脱石含量对软土吸水性影响巨大;软土的TG与DTG曲线与其所含黏土矿物类型、含量有关,失重曲线在一定程度上可以体现软土中黏土矿物类型,DTG曲线中的失重谷对软土中的矿物类型起到一定的指示作用。     

有机质含量对软土力学性质影响效应分析

通过对软土中有机质含量及物理力学指标的分析和研究,阐明了软土中有机质含量与物理力学参数之间的关系,从力学角度探讨了有机质含量对软土力学效应的影响。研究结果表明:随着有机质含量的增加,软土中的含水量,孔隙比等呈线性增加,而软土的原状土与重塑土的十字板剪切强度、静力触探比贯入阻力、渗透系数、固结系数都是减小的。当有机质含量为1.74%时,软土的物理力学性质发生变化,力学软化效应尤为显著,且此时软土的渗透能力达到最大。     

黔西北地区龙马溪组页岩气储层孔隙特征及其储气意义

中国南方下志留统龙马溪组海相页岩有机质含量高且热成熟度高,是重要的页岩气储集层位。本文以黔西北地区习页1井与桐页1井的岩心样品为研究对象,研究龙马溪组页岩的孔隙特征及孔隙发育的影响因素,并对其储气性能进行综合的分析与评价。通过扫描电镜的大量观察可知,该区龙马溪组页岩内发育的孔隙多为纳米(nm)量级,包含矿物基质孔(可分为粒间孔和粒内孔)、有机质孔以及微裂缝等多种类型的孔隙,其中有机质孔最为发育。通过测试可知,该区页岩的总有机碳(TOC)含量平均为3.80%,热成熟度(Ro)平均为2.73%,有效孔隙度平均为1.56%;主要组成矿物为黏土矿物与碎屑矿物(石英、长石等),黏土矿物含量平均为32.42%,碎屑矿物含量平均为43.97%;BET比表面积平均为16.98m2/g,BJH总孔体积平均为0.013 7mL/g,孔隙的平均孔径为33.75nm。通过分析可知,TOC含量为孔隙发育的主要影响因素,样品的有效孔隙度与TOC、碎屑矿物含量呈线性正相关关系,与黏土矿物含量呈线性负相关关系。另测得样品对甲烷气体的饱和吸附量平均为2.42m3/t,饱和吸附量与TOC含量呈强烈的正相关性,TOC含量为吸附性能的主控因素;饱和吸附量与有效孔隙度、碎屑矿物含量、BET比表面积以及BJH总孔体积均呈明显的正相关性,而与黏土矿物含量的相关性不显著。     

冷端温度及解冻条件对原状海相软土冻融前后物理特性影响研究

海相软土冻融前后物理特性差异是研究人工冻结法工后融沉的关键,本文以宁波典型海相软黏土为研究对象,冷端温度（?5 ℃、?10 ℃、?15 ℃）和解冻条件（强制解冻、自然解冻）为影响因素,在室内模拟软黏土人工冻融过程,定量分析冻融前后物理性质差异,并揭示产生差异的原因。研究表明:冻融作用导致海相软黏土的含水率、干密度、孔隙比、渗透性等物理参数沿冻结梯度方向发生重新分布;随冷端温度每降低1 ℃,含水率、干密度、孔隙比变化程度减小4%～8%;采用强制解冻方式,土体含水率变化程度减小约23%,干密度和孔隙比的变化程度减小约50%;但究其本质,不同冻融条件影响物理参数变化各异的实质为不同条件下水分迁移与相变量不同,探究水分迁移并揭示对物理参数值的影响值得进一步深入研究。海相软土冻融前后物理参数变化与冷端温度及解冻方式密切相关,其变化程度易直接影响工后融沉,在进行海相软土冻结法设计与施工时,应选择合理的冻融方式,减小物理特性的差异性。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

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。     

Toluene sorption behavior on soil organic matter and its composition using three typical soils in China

The effect of soil organic matter (SOM) content and composition on sorption behavior of toluene for fluvo-aquic, red and black soils in China was investigated in batch experiments. Tested SOM was fractionated into two primary sorptive domains (‘soft’ and ‘hard’) to explain the dependence of sorption behavior on SOM composition. All the tested soils exhibited similar sorption kinetics and nonlinear sorption isotherms. Soils with high SOM content possessed a high sorptive capacity. Clay minerals also contributed to the sorptive capacity, especially for fluvo-aquic and red soils with low SOM content. In comparison, after removing most ‘soft’ SOM fraction from soils through hydrogen peroxide treatment, the residual ‘hard’ SOM fraction of three soil samples exhibited a slower sorption rate and a less sorption capacity compared to the untreated soil samples. The nonlinear degree of sorption was positively correlated with the content of ‘hard’ SOM for all soil samples. This is explained by the combined effect of SOM content and the composition on toluene sorption rates, sorption capacity and nonlinear degree of sorption of three typical soils in China.     

冻结负温对海相淤泥质黏土变形特性影响的研究

冻融后土体的渗透性、压缩性和固结特性是影响其冻结法施工工后变形速率和变形量的重要因素。本论文采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5～-25℃冻结负温下制备融土试样,通过含水率、密度、渗透和固结等一系列试验系统地揭示了冻结负温对沿海软黏土变形特性的影响;且结合不同冻结负温下冻融前后土体含水率、密度的差异,对软黏土竖向渗透系数、压缩系数等影响机理进行了探讨。结果表明：在封闭系统中经历一次冻融循环后,融土含水率、密度减小,渗透性、压缩性增大。随着冻结负温的降低,冻融作用对含水率的影响减弱,而对密度的影响增强。冻融作用引起的土体内部水分重分布和自由水相变是造成土体结构改变的根本原因,其结果导致土体冻融前后渗透性和压缩性的差异。融土压缩系数与初始孔隙比符合指数关系,故可通过室内试验结合拟合公式为变形量预测提供参数取值依据。融土垂向固结系数随冻结负温的降低呈线性减小,因此在变形量计算时应对冻结范围内土体进行温度分区。以上试验结果有助于推进冻结负温对软黏土变形特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法应用提供依据。     

冲击荷载作用下海积软土的动力释水规律研究

通过真三轴试验,研究冲击荷载作用下海积软土的孔隙水压力、轴向变形等动力响应特征。利用热失重法和理论计算法,分析试验前后软土中结合水含量。研究表明,冲击荷载作用前后含水率变幅为15.6%～23.5%,结合水含量变幅为17.6%～29.4%,体积增大系数为2.1%～9.5%,冲击荷载作用下饱和软土的排水固结作用明显;试验前后软土中结合水含量变化较大,冲击荷载作用下软土的动力释水不同于静力作用下的释水规律;影响软土动力释水的主要因素有初始含水率、结合水含量、孔隙比、土的状态、动荷载大小和加载方式等。最后,总结出冲击荷载作用下海积软土动力释水规律和对工程设计的启示,该研究可为动力排水固结法的设计提供参考。     

爆炸挤淤作用对海相软黏土压缩特性的影响

浙江漩门三期围垦项目中采用爆炸挤淤置换法进行筑堤工程,为了对爆炸置换后海堤的固结沉降预测及稳定性评价提供可靠的试验参数,取爆炸前后地基范围内的海相软黏土,进行一维压缩和各向等压固结试验,并对该地区软土的压缩变形与结构特性进行初步研究。试验结果表明,海相软黏土存在一定的结构特性,表现出与其重塑土不同的性质;通过引入孔隙指数的概念,研究该地区软黏土的结构性,证实土体结构性的存在是其压缩特性不同于重塑样压缩曲线的内在原因,在高压力范围内其压缩曲线趋近于固有压缩曲线。爆炸挤淤作用对海相软黏土产生较强的扰动效应,也对其基本物理性质与压缩特性均产生重要影响;扰动效应造成软黏土的结构屈服应力降低,结构强度下降,采用新定义的结构破坏比来定量评估爆炸挤淤作用对海相软黏土结构性的破坏程度,可为爆炸挤淤置换法处理软基的海堤工程提供一定的理论基础。     

Laplace变换解双层地基固结问题

连云港地区的软土是海相淤泥和淤泥质土.在连云港软土地区修筑高速公路时,通常采用水泥土搅拌桩地基处理方法使路基强度和变形满足工程的要求.该类软土压缩沉降量大,排水固结缓慢,地基稳定性差,造成高速公路建设中及建成后工程问题频繁出现.从江苏海相软土的工程实例出发,将经水泥土搅拌桩处理后的高速公路路基简化为双层地基,借助Laplace变换求解了二级加荷下的双层地基一维固结问题,为克服对固结方程进行Laplace逆变换的困难,在Laplace逆变换中运用Stehfest算法进行数值求解,该双层地基固结沉降计算结果与实际观测数据基本一致.     

饱和土体一维固结三参数概率特性研究

在考虑岩土参数空间变异性的情况下,对软粘土地基一维固结平均固结度的概率特征进行了研究,分析了平均固结度的概率特征对渗透系数、孔隙比和压缩系数三参数变异性的敏感性,进行了岩土参数分布类型对平均固结度影响的正交试验,并根据试验结果进行了方差分析,为进一步开展多层地基固结的可靠性分析打下了基础.     

江苏海相灵敏性软土特征研究

从近代海相地貌特征分析了江苏海相软土的形成。通过室内外试验数据的分析研究发现,该海相软土属于高含水率、高压缩性、高孔隙比、高液限、低承载力的淤泥质海相灵敏性软土。根据工程实践提出了有关海相软土加固处理的设计方法、施工技术的建议。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

宁波地区典型淤泥质粘土工程特性

总结宁波地区120个软土地基工程的试验成果,采用数理统计和室内土工试验方法,系统分析研究了宁波地区典型淤泥质粘土的物理力学指标特征、各指标间的相互关系以及固结主要参数,并与我国其他地区软土相关工程特性进行比较,揭示了宁波地区典型软粘土工程特性,即:天然含水率与孔隙比、重度与孔隙比、液限与塑性比相关性非常好;建立的宁波地区软土经验公式不同于其他软土地区。此外,结构性对该地区软土工程性状影响较大,固结系数和次固结系数都受其影响,且影响程度异于其他地区。