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。     

灌溉引起的黄土工程地质性质变化

引水灌溉改变了黄土的原生环境,使黄土在增湿乃至饱和的过程中,微结构、物理、力学及水理性质都不同程度地发生了变化,成为诱发黄土灾害的重要条件.以甘肃省黑方台灌区为研究区,开展从原位试验到室内测试、从传统土力学到非饱和土力学、从微观到宏观的多角度系统研究,揭示灌溉引起的黄土工程地质性质变化.研究结果表明,灌溉造成黄土原生结构破坏,孔隙总量和孔隙度普遍减小,造成天然含水量、天然密度、干密度等物理性质指标增高,天然孔隙比降低,黄土压缩性和湿陷性趋低,抗剪强度降幅尤为明显;从非饱和土力学角度看,灌溉使得黄土含水量增加,基质吸力降低,非饱和黄土强度参数也随之呈递减趋势;从黄土时效变形分析看,灌溉使得黄土更易发生蠕变变形和破坏.     

西宁地区黄土增湿变形特性及微观结构分析

针对西宁地区湿陷性黄土,通过侧限压缩试验,分析埋藏深度和增湿含水率对黄土在增湿条件下湿陷变形和压缩变形变化规律,并结合电镜扫描对不同增湿含水率黄土试样的微观结构进行定性定量分析,宏微观结合分析黄土试样微观结构与湿陷变形之间的相互关系。结果表明:（1）随着含水率的增大,同一压力下的增湿湿陷变形量和压缩量逐渐变小,且当含水率增加到一定程度时,土体被挤密、强度提高,压缩性减弱、湿陷性减弱或无湿陷性;（2）由于黄土应力历史影响其结构性和湿陷性,随着埋藏深度和含水量增加,5 m的黄土较于3 m的黄土所表现出的增湿湿陷变形量和压缩变形量相对较小;（3）浸水前后随着含水率的增加,孔隙的排列方式逐渐趋于稳定,颗粒分布逐渐集中且团粒化程度变高、孔隙面积比例逐渐减小、孔隙形态逐渐变得狭长与浸水前后黄土宏观增湿变形表现一致。     

影响黄土湿陷性因素的微观试验研究

借助扫描电子显微镜和光学数码显微镜, 分析了不同含水率黄土试样表面微区结构变化与黄土湿陷性的关系和不同埋深土样在水与外力共同作用下湿陷前后微观结构的变化特征。利用图像处理软件对所获取的微结构图像进行研究, 分析了黄土湿陷前后土样中大、中、小孔隙和微孔隙数量的变化。结果表明:湿陷后比湿陷前土样微孔隙增多31.18%, 小孔隙增多54.07%, 中孔隙减少30.49%, 大孔隙减少90.14%。这说明随着压力的不断增大, 黄土中的孔隙被逐渐压缩, 大孔隙和中孔隙的数量逐渐减少, 小孔隙和微孔隙的数量逐渐增加, 为黄土的湿陷变形提供了充分的空间。讨论了土样中4类孔隙对黄土湿陷的贡献量, 从微观角度综合分析了黄土湿陷的成因机理。     

浸湿对原状Q2黄土微观结构与力学性质的影响研究

改进了非饱和三轴浸水试验系统,通过调整吸力控制土样的浸湿程度;进行了环境电镜扫描和非饱和三轴压缩试验,研究了浸湿引起的Q2黄土微观结构变化和力学性质变化。微观结构测试表明,Q2黄土集粒间孔隙以引起中等或弱湿陷的中等孔隙为主;围压不变,随着浸湿程度的加深,孔径较大的集粒间孔隙相对含量逐渐减少,而孔径为10～20 ?m的孔隙相对含量逐渐增大。三轴压缩试验结果显示,不同浸湿程度的Q2黄土应力-应变关系均呈弱软化型,可分为偏应力随轴向应变快速上升、缓慢上升和缓慢下降至平稳3个阶段。分析了浸湿后Q2黄土的力学性质与微观结构特征之间的关系。引入微观结构参数,将微观结构特征与宏观力学性质联系起来,初步建立了考虑微观结构影响的Q2黄土本构模型。     

黄土沉积过程及微结构模型的非连续变形分析

黄土是一种具有特殊结构的多孔隙、弱胶结的松散沉积物,存在典型的微观架空结构,其力学行为是微观结构变形与破坏的宏观体现。从本质上揭示黄土的力学行为,需从黄土微结构出发,而黄土的物质组成和微结构特征受其特殊的风积成因所控制,基于此本文提出了一种模拟黄土沉积过程并构建其初始结构模型的方法。为了生成黄土沉积后所形成的微结构模型,并对其进行变形模拟,首先在确定黄土颗粒形态的基础上利用Monte Carlo法生成沉积前的黄土颗粒群,然后引入非连续变形分析方法(DDA)模拟颗粒的下落,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,由此建立与实际比较接近的黄土初始结构模型。从模型中可以识别出大、中、小3类孔隙结构和台阶(staircase)、重叠(stack)、点接触(point contact)、T型4种接触形式。对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的压缩试验,选择不同部位的颗粒作出了径向分布函数,从微观角度说明了黄土在压缩过程中大孔隙和架空结构会首先被破坏。设计了与数值模拟相同条件下的物理模型试验,将两者试验结果进行对比,结果表明数值模拟与物理模型试验的e-lgp压缩曲线的趋势大致相同,表明所提出方法是可行的。该方法为进一步开展黄土力学行为的微观分析提供了基础。     

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.     

黄土微结构区域变化规律及与湿陷性相关性研究

黄土中的微结构是影响黄土湿陷的重要因素。本文运用扫描电子显微镜对黄土微结构进行观察并对统计数据进行了分析，结果表明黄土微结构在区域上存在一定的变化规律。即，由西北的粒状、支架接触式结构，逐渐过渡到东南的凝块、镶嵌胶结式结构。通过对黄土矿物颗粒接触关系和孔隙与湿陷性的关系的分析，并根据非饱和土粒间吸力理论分析，认为支架结构孔隙为黄土湿陷变形提供了空间条件，而黄土微结构吸力空间分布的不均匀性是引起黄土湿陷的根本原因。     

毛细水作用下非饱和土压缩过程的微观非连续变形数值分析

研究非饱和土微结构的动态演化规律对认识非饱和土宏观物理力学行为的本质有重要意义。然而目前岩土学界对此尚不清楚。文章提出利用毛细水算法进行非饱和土压缩数值试验,研究其宏观变形过程中土水作用与孔隙的演变规律。首先参考黄土骨架颗粒的形态和优势颗粒的大小,建立了540 μm×400 μm理想的非饱和土微观结构模型;其次利用毛细...     

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。     

辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化

初始含水率对黄土湿陷性具有重要的影响。利用人工制备不同含水率的试样对辽西黄土的湿陷变形特性进行了试验研究,并采用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微观结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形几何方法分析了黄土试样微观孔隙的变化特征。结果表明：1)初始含水率对辽西黄土的湿陷变形具有显著的影响,随着试样初始含水率的增大,同一压力下的湿陷变形量越来越小;2)不同初始含水率试样的压力-变形关系曲线可以统一用双曲线形式表达;3)湿陷后黄土试样的结构变得较为致密,孔隙总数显著增加,而孔隙面积减小。湿陷过程主要是小孔隙数量增加、孔隙形状分维数减小、孔隙复杂程度显著增加的过程。     

压实黄土强度特性与微观结构变化关系研究

利用Quanta环境扫描电子显微镜(ESEM)对延安某填方场地的压实黄土(Q_3和Q_2黄土混合)进行微观结构测试,得到最优含水量下不同干密度黄土微观结构图片。采用Image-Pro Plus图像处理软件对压实黄土孔隙微观结构进行了定量评价,并运用多元线性回归分析法建立了孔隙微观结构量化参数与压实黄土侧限压缩、直剪强度的关系。研究结果表明:随着干密度的增大,孔隙面积比、平均孔径、平均平面形状系数、平均分形维数逐渐减小,概率熵逐渐增大,孔隙分布越趋于均匀,整体力学性质越稳定;tanφ主要受孔隙的平面形状系数影响,黏聚力、压缩模量(E_(s0.05-0.1)、E_(s 0.1-0.2)、E_(s 0.2-0.4))和压缩系数主要与孔隙面积比有关,而E_(s 0.4-0.8)则与孔隙的概率熵密切相关。通过关联性分析,可知400 k Pa是孔隙面积比变化幅度明显减小时的特征压力值,而孔隙面积比变化直接关系沉降变形,400 k Pa也是压实黄土在最优含水量下沉降变形幅度明显减小时的特征压力值。     

灌溉作用下黄土宏观力学响应及微观结构特性研究

从黄土特有的水敏性和微结构角度出发,开展灌溉作用下,水体入渗过程中黄土宏观力学响应与微观结构特性之间变化规律的研究。设定了不同含水量下的黄土宏观力学与微观结构试验,旨在得到水对黄土的应力应变响应规律及试验前后剪裂面上黄土微观结构的变化特征。结果表明:研究区Q3黄土的应力-应变曲线随着围压的增大呈现出由应变软化型向应变硬化型转变,随着含水量的增大呈现出由应变硬化型向应变软化型转变的规律;并以此确定了研究区黄土结构屈服应力σk所对应的应变值一般小于2%;结合饱和Q3黄土三轴固结不排水剪切试验获得了研究区黄土的稳态线参数及状态边界面参数,并在假设不同围压条件下稳定状态收敛的前提下,得到近似状态临界面公式;分析了Q3黄土在不同围压和含水量下的破坏模式,其特征表现在黄土试样剪切前后的微观结构变化主要表现在微结构类型的转变、孔隙含量减小及微裂隙的发育程度上。     

基于微结构失稳假说及广义吸力理论的黄土体变模型

针对原状非饱和及饱和黄土的体积变形问题,提出了一个复合体计算模型。该模型将黄土看作由各自均匀分布于土中的原状部分和扰动部分组成的,这两部分土体的体积比率,可由黄土结构的微观几何模型、孔隙率密度曲线及考虑广义吸力的微结构失稳条件计算得出。假设原状部分仅发生弹性变形,扰动部分符合重塑土的变形规律。复合体的应变增量包括原状部分的弹性、重塑土的塑性及结构崩塌3部分;其中：结构崩塌变形特指微结构失稳时原状土体的孔隙率突然变为重塑土的孔隙率;重塑土的体积应变形采用广义吸力理论计算。采用不同的初始饱和度的黄土结构强度计算出非饱和土微观结构刚度与饱和度的函数,从而获得非饱和土黄土微观结构失稳的判别条件。分别计算了低含水天然非饱和及饱和黄土的压缩曲线,并与试验结果对比说明了模型的合理性。     

原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析

基于原状黄土的显微结构扫描电镜及室内湿陷性试验,分析了黄土的微结构特性和不同压力不同含水量下黄土的湿陷性状及其之间的内在联系,结果表明:随着埋藏深度的增加,由支架大孔微胶结结构逐渐变为镶嵌微孔半胶结结构,支架大孔孔隙发育逐渐变为粒间孔隙发育,再为微孔孔隙发育;黄土在增湿情况下其湿陷系数-压力关系曲线由三部分组成,初始压缩变形阶段,是结构强度发挥阶段,变形较小,黄土微结构没有遭到破坏;曲线第一转折点s=0.015后,原有结构破坏,微结构发生变化,颗粒重新排列,湿陷速率增大,是湿陷变形主要阶段;达到峰值后,颗粒间形成了新的结构,湿陷变形幅度减小;随着骨架颗粒连接逐渐变为非架空的镶嵌排列,湿陷起始压力及峰值湿陷压力值随着埋藏深度的增加而增加,而峰值湿陷系数和湿陷变形量的压力范围随着埋藏深度的增加而变小;骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素,而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。     

基于显微CT图像的黄土微结构研究

黄土的工程性质与黄土的微结构特性密切相关。为了研究马兰黄土的二维孔隙特征和三维结构表征,实验土样用显微CT进行扫描,并重建三维图像。首先利用高斯滤波对切片图像进行降噪处理,接着用二值法对灰度图像进行统计得到二维孔隙特征,在此基础上重建三维图像,分别提取切块、团聚体和土颗粒的三维图像,得到它们的三维结构表征。研究结果如下:（1）对二维孔隙面积进行计数分析,土样的孔隙面积集中在0~2 000 μm2范围内;通过比较孔隙面积与总数的关系,可知中孔隙对土体的性质影响最大;对不同层面的孔隙比对比后,发现土体的孔隙分布在宏观上可视为均一的,微观上在土体的不同部位分布是不同的。（2）通过对三维图像进行分析,得到团聚体中土颗粒间有4种组合关系,分别为接触、连接、穿插和融合关系;土颗粒形态可分为4类,分别是椭球形、锥形、片形和条形。     

基于微结构失稳假说的湿陷性黄土体积应变计算

针对黄土的湿陷变形问题,提出了一个微观结构模型,并由微观孔隙体积分布函数和黄土微结构的失稳判别条件,计算出土样中原状部分与扰动部分的体积比率;按复合体串联的力学模式推导出原状黄土的崩塌性体积-应变关系;计算实例与试验结果比较符合。尽管黄土的结构强度随含水量的不同而剧烈变化,但一些压缩试验表明：结构破坏阶段的压力范围在对数坐标中基本保持不变, 且压缩曲线相互平行,这一现象用孔隙失稳的必要条件得到了证明。     

基于孔隙特征的黄土微观结构分析

利用扫描电子显微镜对湿陷前后黄土的微观结构进行观察和拍照,并对微观图像进行定量化分析。对比分析表明,湿陷后黄土骨架颗粒由支架接触为主要变为镶嵌接触为主;大、中孔隙明显减少,孔隙个数明显增多;湿陷后孔隙分形维数略有增大,孔隙的复杂程度有所增加。     

黄土湿陷性的微结构不平衡吸力成因论

分析了黄土粒间吸力的基本特性及其湿陷的微观过程,探讨了黄土在应力状态作用下由于浸水增湿而产生的微结构单元体滑移动力和阻力随饱和度、上覆土压力的变化规律,提出了微结构与广义吸力综合效应的湿陷性控制机理---微结构不平衡吸力成因论及其定量模型,从理论上分析了湿陷性与增湿水量、压力及深度的关系,揭示了土湿陷效应的内在规律。文中认为,湿陷过程就是水的楔入导致小孔隙广义吸力的逐渐丧失和大孔隙湿吸力的逐渐增大引起的微结构重建动力与重建阻力间的动态对抗过程。最后,讨论了湿陷的基本条件及影响因素。     

流态破坏型黄土滑坡滑带土临界特征

泾阳南塬黄土滑坡运动形式具流态特征,以泾阳南塬西段L5致滑层黄土和东段L9致滑层黄土为研究对象,从非饱和黄土角度出发,开展了控制不同初始含水率的增湿常剪试验,在获取黄土增湿变形过程曲线的基础上,讨论了黄土流态破坏过程中的水土边界特征;并进一步从细微观角度揭示了黄土流态破坏前后的结构孔隙差异与含水率的关系,提出了黄土流态破坏临界条件和力学机制。研究表明,黄土具流态变形特征,其增湿变形曲线中存在发生流态破坏的临界含水率,提出了"自适应第一稳定场"和"被适应第二稳定场"的概念,微细观尺度下在临界点前后的土体孔隙突变结果揭示了该变形模式的合理性;流态变形的基本条件是与土体孔隙的分布及其颗粒大小相关的,非饱和高含水率状态下,含水率(吸应力)的微小改变可引起土体较大的应变增量;基于水力特征曲线模型闭型方程,提出了流态变形的力学机制,以期为流态破坏型黄土滑坡防控提供科学依据和理论基础。