基于微结构参数主成分的黄土湿陷性评价

黄土的湿陷性与其微观结构特征密切相关,它的微结构又受其应力状态和所处的含水状态影响。通过改变含水率与固结压力,对西安原状黄土进行了湿陷性试验,由此分析了不同含水率与固结压力条件下湿陷性的差异与联系,同时通过电镜扫描（SEM）获取了湿陷前、后黄土试样的微结构照片,进而获取了相应条件下的SEM照片的简单微结构参数。分析了湿陷前、后微结构参数的变化,探讨了简单微结构参数间相关关系,基于主成分分析法构建了合成微结构参数。研究表明：随着固结压力的增大,颗粒体所占比重越来越大,第1主成分近似线性增大,黄土湿陷系数与其累积主成分呈线性关系。根据这一重要认识,建立了主成分得分的湿陷系数计算方法,进而建立了黄土湿陷性评价方法。该研究对定量研究黄土湿陷性的微结构效应做了有益的探索。     

灰度阈值对粘土合成微结构参数的影响

为了评估和描述阈值对SEM照片反映的微结构特性的影响,本文基于多维分析方法,研究了随阈值变化,来自同一粘土样品不同观测点颗粒体域微结构之间的差别和联系。研究表明:颗粒体面积和周长可以表示为阈值的三角函数;不同观测点颗粒体域微结构参数各主成分随阈值的变化趋势是一致的,且在最大方差阈值附近,第一主成分取值达到最大;不同阈值对应的颗粒体微结构具有非常明显的聚类特征,其中三类法和四类法与实际完全相符;SEM照片之间的距离随阈值的增大有逐步增大的趋势,但在最大方差阈值处取得极小值。     

固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

固结条件与荷载条件对吹填土的力学特性具有明显的影响,且土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素,为了研究吹填软土力学特性在不同固结条件和荷载条件下的变化规律及与微结构参数的关联性,对天津滨海新区重塑吹填软土进行不同初始固结条件与荷载效应综合作用下的蠕变试验和微观结构测试,研究此条件下吹填土力学特性的变化规律,并通过灰色关联度理论建立宏观力学参数与微结构参数之间的关联性。试验结果表明:稳定性蠕变对吹填软土强度的增长起到积极作用,有偏压固结较无偏压固结强度增长更快,且初始固结越充分,强度增长越快;随蠕变时间的增加,颗粒的等效直径、形态比和圆度呈增大的趋势,而颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度则呈减小的趋势;抗剪强度指标C,φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大,但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。关联度分析表明,颗粒（孔隙）等效直径和圆度是影响吹填土力学性质演化的重要微结构参数,固结与蠕变越充分,土体微结构参数调整越稳定,强度越高。     

一种土颗粒体微结构特征的描述方法

在前期工作基础上,采用相关分析和主成分分析方法,对三种土的SEM照片特征块原始微结构参数进行了相关分析和主成分分析。研究表明,与域微结构参数一样,特征块微结构参数间也存在“严重”的“信息重复”现象,可以用较少主成分反映全部原始特征块微结构参数的主要信息,从而达到降维目的。     

海积软土固结过程中微观结构变化特征分析

本文通过不同固结压力下海积软土所得的SEM照片，采用结构单元体和孔隙的大小、形态及定向性参数，分析了海积软土在固结过程中微结构的变化特征。发现随着固结压力的增大，不同类型的孔隙反映不同，含水类型也随之改变，孔隙形状变得细长，但定向性变化不大；结构单元体在固结过程中不断变大，平面形状以扁椭圆形为主，定向排列越来越明显。     

不同先期固结压力下的错动带力学特性研究

针对白鹤滩大型水电站揭露的错动带,探索了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法,采用替代法对错动带进行超粒径处理,同时控制先期固结压力和稳压时间进行静载固结,并基于不同先期固结压力、不同高围压下的不固结、不排水三轴试验,结合矿物成分分析试验和扫描电镜试验,分析了不同先期固结压力下错动带的力学和变形特性。试验结果表明,不同高围压、不同固结压力下错动带应力-应变关系曲线基本表现为有剪胀行为的应变硬化型力学行为,且多为腰鼓型塑性破坏;在相同固结压力条件下,随着围压升高,错动带试样破坏应力、变形模量和泊松比均呈增大趋势,扩容效应更明显;相同围压条件下,随着先期固结压力的增大,错动带破坏应力逐步提高,弹性模量逐渐增大,而泊松比略有减小,敏感性不大;同时黏聚力和内摩擦角随固结压力的增加而分别减小和增大,呈劣化趋势。错动带微观结构的定性和定量分析进一步揭示了错动带作为一种夹杂错动后残留有岩石碎屑(块)软弱物质的颗粒类材料,在高应力下其塑性变形主要来源于颗粒破碎和颗粒的定向排列。因此,先期固结压力是影响错动带性质的重要因素。     

两种滨海相软土固结特性的试验研究

为了探讨软土固结变形特性,对两种海相沉积的漳州淤泥质土和东莞淤泥质土两类软土样进行了室内固结试验。试验结果表明,蠕变曲线ε-t呈现出衰减特征;压力与应变p-ε等时曲线的非线性特性明显,具有较好的指数关系;两类软土的主、次固结系数受加荷比的影响随固结压力变化而变化,表现为阶段性变化特征。基于Singh-Mitchell模型和采用p-ε指数函数与ε-t双曲线函数关系的组合模型,建议了应力-应变-时间关系的分段表达式,该分段模型与试验结果有更好的一致性,能较好地预测两类软土固结变形特性,并具有简单方便的优点。     

不同固结状态下黏土抗剪强度与剪切速率的关系

利用直剪仪针对不同固结状态下的饱和黏性土,在不同剪切速率条件下进行了系统的试验研究,探讨了剪切速率与剪应力-剪切位移曲线变化规律,分析了剪切速率对强度参数的影响及原因。试验结果表明:对于正常固结土,剪切速率越大,峰值剪应力越小,内摩擦角越小。不同的固结状态下,剪切速率对抗剪强度参数影响不同。超固结比为2时,内摩擦角随着剪切速率的增大而减小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大;超固结比为3时,内摩擦角随剪切速率的影响较小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大。另外,从黏聚力和内摩擦力的角度,分析了不同剪切速率条件下土体抗剪强度变化的主要控制因素。最后,从孔隙水压力的角度分析了不同剪切速率对抗剪强度的影响。在相同的法向应力下,对于正常固结土,不同剪切速率引起的剪切带周围孔隙水压力变化量与破坏剪应力变化量成正比关系;对于超固结土,黏聚力变化量减去破坏剪应力变化量的差值与孔隙水压力的增量成正比。     

宁波土层的流变固结试验及流变模型参数研究

固结与流变特性及其参数取值研究是软基上结构物长期沉降课题的重要组成部分。针对宁波轨道交通工程的两个典型土层,开展了基于GDS固结仪的流变固结试验,获得了土样的主固结与次固结性状参数。采用Gibson三元件流变模型结合Matlab软件的拟合功能,得到了土样的三元件流变模型参数。通过对试验结果进行分析总结,发现宁波软土的次固结过程表现出较明显的非线性。次固结系数Ca与压缩指数Cc近似符合 Ca/Cc=0.02±0.01。宁波软土的一维流变过程符合Gibson三元件流变模型规律,且其模量参数和黏滞系数均随固结压力的增大而增大。     

平面应变下原状黄土的剪切带研究

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,使用改进的西安理工大学真三轴仪进行了不同侧向固结压力、不同含水率下原状黄土的平面应变剪切试验,得出了剪切破坏时剪切带倾角试验值,根据应力-应变关系曲线求出了剪切带倾角的Mohr-Coulomb、Roscoe理论解,分析了相应控制因素下原状黄土强度、剪切带破坏模式与倾角的变化。结果表明：应力-应变曲线随含水率、侧向固结压力的增大从原生软化型向次生硬化型转变;剪切带破坏模式随侧向固结压力的增大依次呈现单一剪切带、锥型剪切带和X型剪切带;随着含水率的增大,黏聚力、内摩擦角减小导致Mohr-Coulomb剪切带倾角减小,剪胀作用增强导致Roscoe剪切带倾角增大;随侧向固结压力增大,动内摩擦角增大及剪胀作用增强,导致Mohr-Coulomb、Roscoe剪切带倾角增大。     

洞庭湖砂纹淤泥质土固结过程微观结构变化

砂纹淤泥质土是一种特殊的夹有微薄层粉细砂的洞庭湖湖相沉积软土,具有独特的薄砂层构造。该软土固结过程中的微观结构变化,对解释宏观的工程现象、揭示土体变形的本质和采取合理的地基处理措施具有重要意义。本文利用X射线微区衍射试验和扫描电子显微镜试验,研究洞庭湖砂纹淤泥质土的矿物成分和微观结构,同时结合固结试验探讨砂纹淤泥质土微观孔隙与结构单元体参数变化特征。研究结果表明:洞庭湖砂纹淤泥质土主要矿物成分为绿泥石、白云母和石英,微观结构为片状或板状聚体结构;随着固结压力增加,等效粒径增长呈先快速后放缓的规律,结构单元体形态参数则先增大后减小;砂纹淤泥质土压缩系数与竖直切面结构单元体定向概率熵呈明显负相关关系。     

赤泥的变形-强度特性与结构性关系的研究

制铝工业排出的大量固体废料?--赤泥具有较强的结构性,笔者对其结构性及变形–强度特性进行了研究。根据饱和原状赤泥样及扰动样固结排水三轴剪切试验资料,用土力学方法分析了变形–强度特性与结构性之间的关系,探讨了结构性参数随轴应变及固结压力变化的规律。研究表明：（1）对浸水反应比较迟钝的饱和赤泥,用三轴试验条件下各应变水平原状样与扰动样的主应力差之比所表示的结构性定量化参数,来研究结构性对变形强度的影响可以得到良好的规律性。（2）结构性参数对固结周围应力反应敏感,不同固结周围压力和剪切应力对结构性的影响,主要发生在低应变区段内。(3)赤泥的变形–强度特性与其在形成过程中的固结应力大小及龄期长短没有直接的规律性关系,而与其在物理化学作用下结构性的强弱相关。     

人工制备湿陷性黄土微观结构分析

天然黄土具有很强的结构性,在采样、运输、制样过程中,都会对试样产生不可避免的扰动。本文基于Monte Carlo原理,选用无黏性材料石英粉、砂和黏结性材料膨润土、石膏和工业盐,采用空中自由下落法制备人工湿陷性黄土,并分别施加5kPa、10kPa、15kPa竖向固结压力,固结9个月后取样进行土工试验和电镜扫描测试。土工试验结果表明:随着固结压力的增大,抗剪强度指标得到一定提升,湿陷峰值系数减小。通过扫描电镜微观结构分析表明:架空孔隙受固结压力作用影响较大,粒间孔隙对固结压力作用反应相对迟钝;随着固结压力的增大,颗粒的各向异性、面积比和等效直径增大,而扁圆度和充填比减小。土的内摩擦角、黏聚力和湿陷系数等力学参数与面积比、充填比、等效直径、各向异性、扁圆度等微结构性参数存在着良好的相关关系。从微观角度证明该人工制备湿陷性黄土是一种较为理想的湿陷性黄土模型试验相似材料。     

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

川东北深井剖面碳酸盐岩力学参数分布特征研究

研究深部碳酸盐岩力学特性参数分布规律,对于预防碳酸盐岩地层钻井事故的发生具有十分重要的意义。采集对应地层埋深从3 568～5 983 m的20组不同层系的碳酸盐岩露头岩芯,借助MTS815.03和RMT150C岩石力学试验系统、RSM-SYS5非金属声波测试仪等,完成显微电镜分析、单轴压缩、三轴压缩和围压声波测试等试验。试验结果表明,（1）南方海相碳酸盐岩主要以生物碎屑白云岩、泥晶灰岩为主,粒径范围在0.01～0.20 mm之间,孔隙类型以粒内溶蚀孔隙、粒间孔隙、晶间溶孔为主,孔隙率范围为2%～12%;（2）单轴抗压强度在空间分布上有一定的规律性,三轴抗压强度在空间上为无序分布,表现出某种混沌的特征;（3）碳酸盐岩纵波速度随围压的增加而增大,在低围压下纵波速度增加明显;高围压下纵波速度变化相对较小,围压下纵波速度增幅,白云岩大于灰岩,获得白云岩、灰岩的抗压强度与其纵波波速不同的相关关系。其结论可为深部碳酸盐岩地层安全钻进提供技术参数。     

初始固结应力对平面应变黄土剪切破坏特性影响

针对黄土工程中大量存在的平面应变问题,在均压固结条件下研究的较多,但与土实际的应力状态不符,利用平面应变改造后的真三轴仪,模拟土体的实际应力状态,通过原状黄土在不同初始固结应力比、含水率和围压条件下的竖向加载平面应变试验,揭示不同初始固结应力比、含水率和围压对原状黄土强度特性影响及破坏时中主应力变化规律。研究结果表明:偏压固结原状黄土的强度随着初始固结应力比的增大而增大,且明显大于均压固结;抗剪强度及破坏时p、q随着初始固结应力比的减小或含水率的增大而减小;土体原生结构损伤程度随着初始固结应力比的增大而增大使得黏聚力减小;当次生结构形成土颗粒间挤密使得内摩擦角增大;破坏时刻的中主应力随初始固结应力比增大而增大;破坏时刻的中主应力系数范围在0.15~0.45之间;平面应变条件下原状黄土破坏时的固结围压及含水率对中主应力系数的影响较明显。研究结果对进一步完善原状黄土的平面应变试验研究,进而解决平面应变条件下的黄土工程建设问题,提供试验依据和理论基础。