土体微观结构的研究现况评述

本文回顾了土体微观结构的研究历史,介绍并评述了微观结构研究中各个方面的研究技术和方法,指出了微观结构研究的最新进展和发展趋势。     

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。     

一种测定松散土体给水度和毛细负压值的仪器

介绍了一种新研制的可以测定松散土体真实给水度和毛细负压值的实验仪器,它能测定天然状况下原状土体的给水度和毛细负压值,并能很好的反映出给二者随地下水位埋深变化的特点。选做的均质土体的给水度和毛细负压值测定实验,验证实验仪器的可靠性和实用性。     

咸淡水驱替过程中含水介质渗透性变化的试验研究

在野外水文地质调查的基础上,采集青岛市大沽河下游咸水入侵区砂样,首先对含水介质的粒度和矿物组成进行了分析,然后通过室内砂槽模拟试验,对咸淡水驱替过程中含水介质的渗透性变化规律进行了研究。结果表明,当咸淡水相互驱替时,含水介质的渗透性会发生显著变化,这种变化主要是由于驱替液盐浓度的变化,使得伊利石、高岭石和绿泥石等非膨胀性粘土矿物经释放、迁移、絮凝和沉积,从而重新分布所引起的。含水介质渗透性的变化具有明显的非均质性,即位于距入水处不同水平距离以及不同高度处的含水介质,其渗透性变化规律有所不同。     

水劈裂过程中岩体渗透性规律及机理分析

岩体的结构及其透水性直接关系到建筑物围岩的稳定及安全。通过水力劈裂试验,可以真实地反映高水压作用下岩体的结构和渗透性的变化规律。以某水电站工程坝址区岩体所作的水力劈裂试验资料为基础,分析了在水力劈裂过程中,岩体的结构和渗透性发生的变化及其规律以及在该过程中岩体裂隙形成的机理。     

土体微观结构定量分析系统及应用

土体微观结构图像的计算机处理是土体微观结构定量化研究的关键技术之一.在分析我国土体微观结构定量研究的进展的基础上,针对土体微观结构图像计算机处理软件对土体微观结构非确定型参数定量分析功能的不足,设计和开发了新版土体微观结构定量分析系统,以太原高阶地黄土为例,通过各夯击次数对应土样的定量化结构效应分析,探讨了其动力固结的微观结构变化规律.该系统的应用对推动我国土体微观结构的研究具有积极意义.     

松散岩土体在不同浸泡环境中阴离子浸出特征试验研究

三峡库区大型的赵树岭滑坡区滑坡灾害极为发育。三峡工程蓄水后,水位上升导致原先许多非饱水的松散岩土体处于饱水状态,严重破坏了其稳定性。文章针对该滑坡区内广泛分布的松散岩土的基本类型和特点,设计了4种不同的浸泡环境,进行水-松散岩土相互作用的室内控制试验,通过监测阴离子浸出特征来揭示其化学变化规律。试验结果表明:在不同的pH值、不同的搅拌速度、不同的流速、以及同时改变pH值和搅拌速度的试验环境中,水岩化学作用所浸出的阴离子特征各异。研究结果可以为松散岩土-水化学作用机理研究提供资料,也对赵树岭滑坡体的工程治理具有重要指导意义。     

南极松散沉积物粒度分形研究

利用分形理论, 研究了南极纳尔逊冰盖前缘发育的沉积物、风成沉积物及湖泊沉积物的粒度分布分形结构特征. 结果表明: 不同沉积环境下的沉积物粒度分形结构具有明显的差异, 冰盖前缘沉积物具有显著的分形结构特征, 而湖泊沉积物和风成沉积物不具有分形结构特征, 这为识别南极地区松散沉积物沉积环境提供了一种新的判别依据. 对纳尔逊冰盖前缘沉积物粒度分维特征的研究结果表明, 其粒度分布主要与冰川搬运的动力学过程有关, 分维值的大小与当时形成沉积物的动力学过程、沉积环境、冰盖进退及古气候环境的演化密切相关.     

冰透镜体形成过程中的土体破裂驱动力研究综述

随着寒区工程高等级化和变形限制要求的进一步严格化,冻胀问题已经成为寒区工程建设考虑的关键问题。造成冻胀的原因在于外界水分迁移冻结并形成冰透镜体,因此,深入认识冰透镜体形成问题对解决实际工程中的冻害问题具有重要的意义。由于冰透镜体的形成受控于土体破裂驱动力,因此,深入开展冻结过程中的土体破裂驱动力研究对阐明冰透镜体的生长机理以及解决工程冻胀问题具有重要的指导意义。通过对国内外在土体冻结过程中的土体破裂驱动力方面的研究进行综合评述,指出各研究结果之间的异同点。基于各研究结果的相同点,分析了目前土体破裂驱动力研究中存在的不足,并提出了今后研究发展的方向。     

天然饱水-失水对三峡库岸边坡土体的影响研究

三峡水库运行后水位周期性涨落,导致边坡土体在天然条件下长期处于被库水饱和-失水-再饱和的交替过程。分析2005－2009年库区水位变化,以及边坡土体在库水涨落被饱水-失水的次数与时间长度,分时段采集三峡库区库岸石榴树包滑坡堆积土样,分析其化学和矿物成分,观察土体微观结构,探索天然饱水-失水过程中水-岩相互作用对库岸边坡土体的影响和力学效应作用规律。研究结果表明,天然饱水-失水过程对库岸不同高程土体的化学组成和物理结构影响显著,其中172 m高程比168 m高程处受饱水-失水过程的影响较大。饱水-失水作用后,土体中SiO2、Al2O3、Na2O成分的含量上升,CaO、烧失量含量下降,土体的结构由致密的斑块状结构逐渐变成散乱的絮凝状结构,对库岸土体的力学效应产生了巨大的影响。     

A study on the permeability and flow behavior of surfactant foam in unconsolidated media

Foaming injected gas is a useful and promising technique for achieving mobility control in porous media. The foam flow is influenced by the foam ability, stability, bubble size and the grain size of the porous media. In this study, the effects of two surfactants, their concentrations, foam quality (gas content) and the additive on the foam ability and stability are evaluated. The results show that the better ability and stability of foam can be obtained through regulating the parameters mentioned above. The permeability test indicates that the foam possesses a lower flow rate than the surfactant solution. Not only that, the conductivity discrepancy among three sands is also reduced when foam is present. The primary mechanism for foam flow in different type of unconsolidated sand is Jamin effect which depends on the foam ability and stability. Experimental determination of the foam distribution and morphology in heterogeneous pores, via two-dimension sand plate by means of stereoscopic microscope is carried out to explain the effect of foam size–bubble size relationship on Jamin effect. The results show that when the bubbles are adequately stable, the flow behavior (transfiguration and fracture) of foam is determined by the relationship between the foam size and the pore size. The resistances arising from transfiguration and fracture lead to different foam conductivity in three sands. The more decrease of discrepancy between medium and fine sand is caused by the fact that transfiguration is able to generate more resistance than fracture.     

松散砂粒孔隙结构、孔隙分形特征及渗透率研究

多孔介质孔隙结构特征是决定流体微观运移机制的重要方面。文章用环氧树脂固结松散石英砂磨制出二维多孔介质薄片,并用孔隙结构图像处理方法提取出孔隙结构参数信息;根据孔隙结构参数,建立描述孔隙结构的分形几何模型,分析松散地层孔隙结构的分形特征;进行多孔介质渗透率的实验测量和分形计算。结果表明:多孔介质的孔隙率和孔径与粒径之间存在线性相关性,拟合度分别达到-0.976 5和0.996 6;在方格边长ε和含有孔隙的格子总数N(ε)的双对数坐标系中,lnε-lnN(ε)数据点近似成直线,且不同样品的孔隙分布分维数值比较接近;而在孔径r与大于该孔径的孔隙总数N(r)的双对数坐标系中,lnr-lnN(r)的数据点必须进行分段回归分析,以便能更好地反映孔隙结构的实际情况;孔隙分布分维数和孔径分维数与粒径也存在较高的对应关系;中砂渗透率的实验测得值是5.19×10-5mm2,孔径分维数分段回归法计算的大孔隙多孔介质渗透率为5.75×10-5mm2,测量值与计算值较为接近,孔径分维数可以计算多孔介质的渗透率。     

高静水压力压实作用下疏松砂岩渗透特性演化及其机制

以江汉盆地水热型地热田疏松砂岩为研究对象,施加静水压力至实测地层应力(12.5MPa),待试样变形稳定后,在恒定渗透流量下研究了疏松砂岩在高静水压力压实作用下渗透特性演化及其机制,为水热型地热田现场尾水回灌过程设备参数的选择提供一些建议。研究结果表明:在高静水压力压实作用下渗透流量(0.5～3.0 mL/min)影响试样达到稳定渗透率的时间,但对最终的稳定渗透率不产生影响,趋于常数4.0×10-3mm²;试样两端压差呈非线性增加,且非线性程度随渗透流速的增加而逐渐增大,但最终趋于稳定。此外,疏松砂岩试样沿渗流方向形成管状潜蚀通道,延伸至试样的约2/3处;基于颗粒运移停止时间及管状潜蚀通道在渗流方向的扩展、延伸长度,定义了不同渗透流速下颗粒平均运移速度,发现颗粒运移速度随渗透流速的增加呈指数形式增大,而且单位时间内通过管状潜蚀通道运移的可移动微小颗粒(小于0.075mm)量随渗透流速的增加而逐渐增多;试样两端压差超过静水压力约1/2时,试样发生潜蚀破坏,上游出现径缩现象。     

不同固结压力下聚苯乙烯轻质混合土渗透特性试验研究

通过室内渗透试验,对聚苯乙烯轻质混合土的渗透特性进行了研究,重点对龄期、水泥掺入比及EPS（聚苯乙烯轻质混合土）含量等主要影响因素进行了分析。采用常规三轴仪,进行了不同固结压力下的渗透试验,模拟土体在真实受力状态下渗透系数的变化。结果表明,渗透系数随水泥掺入比、龄期、固结压力的增大及EPS含量的降低而降低,近似为乘幂函数关系,但其降低的幅度因配比及龄期不同而异。     

水位变化条件下粘性土渗流特征试验研究

开采孔隙承压含水系统,引起含水层水头下降。通常认为相邻含水层一经出现水头差,便会有通过粘性土层的越流渗透。但在粘性土两侧含水层出现水头差初期,粘性土内部水头降低缓慢,并伴随有释水压密过程。笔者采用多用途饱水粘性土固结和渗透试验装置,对不同岩性的粘性土原状样进行了释水、吸水与越流发展过程之间关系的试验。试验表明,含水层水位升、降变化,首先引起相邻粘性土吸水回弹或释水压密,而后出现粘性土吸水或与释水越流并存阶段,越流的出现,明显滞后于含水层水头变化,当吸水或释水过程结束后,越流渗透达到稳定。越流滞后时间与土的固结程度有关,笔者采用一维固结理论提出了计算越流滞后时间的方法。     

南票矿区松散层土体结构性参数试验研究

为了研究采空区影响下地表建(构)筑物的变形与破坏,必须首先全面认识建(构)筑物地基土的结构力学特性。基于综合结构势理论,利用TSW-40型土壤真三轴仪,以南票矿区松散层土体为研究对象,开展一系列不同围压、含水率和中主应力比条件下的真三轴试验,揭示了真三维应力状态下松散层土体应力比结构性参数的变化规律,建立了结构性参数数学模型。研究结果表明:原状土的q-ε_s曲线呈现出应变软化型、理想弹塑性型和应变硬化型3种典型的状态。重塑土和饱和土q-ε_s曲线一般均表现为应变硬化型。应力比结构性参数m_η随剪应变、含水率、固结围压和中主应力比的增加而降低;剪切作用初始阶段,m_η下降较快,当ε_s达到5%左右后,m_η逐渐趋于平稳,至ε_s=15%时,m_η趋近于1;结构性参数数学模型结果表明,固结围压对m_η影响最大,含水率次之,中主应力比对m_η影响最小。利用所建立的数学模型预测不同试验条件下松散层土体结构性参数变化规律,模型验证结果与试验结果吻合,证明了模型的有效性,可以作为进一步研究的理论基础。     

粗粒土渗透性能的试验研究

粗粒土作为土和块石的介质耦合体,具有非均质性、非连续性及试样的难以采集性等内在的独特性质,从而给研究带来极大的困难。粗粒土属于典型的多孔介质,其渗透特性与砾石的百分含量关系密切。利用自制的常水头渗透仪,测定了不同含砾量时粗粒土渗透系数值,研究发现含砾量与粗粒土渗透系数之间存在指数关系。在工程设计中可以通过合理调整粗粒土砾石的含量,达到控制其渗透性能的目的。基于幂平均法,提出了粗粒土复合渗透系数的计算公式,并通过试验结果验证了该式的正确性,为粗粒土渗透系数的理论计算提供了一个简明实用的计算工具。     

紫红色松散土体在不同饱水环境中的化学反应特征试验研究

以特殊的紫红色土为研究对象,采取三峡地区黄腊石滑坡临江松散土进行室内饱水试验,根据能量最低原则建立热力学反应模型,通过线性规划求解,分析不同饱水环境下随时间积累过程中紫红色松散土矿物反应特征及规律。研究表明:松散土在不同溶液浸泡条件下化学反应类型不同,江水和弱碱性溶液中主要发生白云石矿物的溶解,自来水、纯水和弱酸性溶液中主要发生方解石矿物的溶解和Ca2+与K+的交换吸附。另外,不同浸泡环境中不同时间的水-土化学作用活跃程度明显差异,弱酸性溶液与松散土的化学反应在饱水1~7 d最为强烈,其他四种溶液与松散土的化学反应在饱水7~16 d最为强烈。饱水后期,不同溶液浸泡条件下的水-土化学作用都减弱并最终趋向于平衡。     

松散承压含水层渗透系数变化规律与估算模型研究

我国华北隐伏型煤田的煤系普遍被第四系松散层覆盖,其中的松散承压含水层在煤矿生产中常带来矿井突水、地表沉降、井筒变形破坏等水文地质灾害,造成巨大经济损失和人员伤亡。渗透系数是反映松散承压含水层土体介质渗透能力的重要参数,其数值的合理估算,对该类煤矿水文地质灾害的防治具有重要指导意义。目前,华北隐伏型煤田松散承压含水层渗透系数往往仅通过现场抽水试验确定,基于地质勘探钻孔信息与数据估算松散承压含水层渗透系数的模型研究较少。通过收集淮北煤田祁东煤矿松散承压含水层已有抽水试验的钻孔信息与数据,选取承压含水层厚度、泥层砂层比、最厚砂层占比、有效应力与底砾层厚比作为影响指标,分别与渗透系数进行相关性分析。最终确定底砾层厚比、有效应力、泥层砂层比为关键影响指标,并分析其对渗透系数的影响规律。结果表明,松散承压含水层渗透系数随底砾层厚比的增加而增大,随有效应力和泥层砂层比的增加而减小。在此基础上,采用多元线性回归分析,提出了基于底砾层厚比、有效应力、泥层砂层比的渗透系数估算模型。并将该估算模型应用于淮北煤田祁南、朱仙庄、青东煤矿松散承压含水层的渗透系数估算,结果显示估算结果与试验值一致。     

大同盆地孔隙地下水化学场的分带规律性研究

本文通过对大同盆地2004年孔隙地下水水化学资料的分析发现,盆地内孔隙地下水的水化学特征在水平方向上具有以盆地中部为中心,呈环状分布的特点,且与盆地水动力分区具有很好的一致性。由山前冲洪积倾斜平原到中部冲湖积平原,地下水依次经历了补给区、径流区和排泄区,相应的主要水化学类型分别为HCO3型、HCO3.SO4型和HCO3.SO4.Cl型。与中深层孔隙水相比,浅层孔隙水由于水位埋深浅,蒸发浓缩强烈,易受人类活动的影响,各组分的含量较高,变化幅度较大,水化学类型也相对复杂。浅层地下水的水质呈好转趋势,深层地下水水质基本保持稳定。