重金属Cu2+驱动下红黏土土体压缩变形机制

采用浓度为0、2.5、5.0、10.0g/L的CuSO₄溶液配制污染土,开展固结试验、热分析试验和扫描电镜(scanningelectronmicroscopy,简称SEM)试验,分析红黏土受重金属Cu²⁺污染后的压缩变形特性机制。结果表明：红黏土的压缩系数和总压缩变形量的变化与土中孔隙水(自由水、弱结合水、强结合水)含量的变化趋势相同,都随着Cu²⁺浓度的增加呈现先降低后升高的趋势。黏土中土颗粒之间的结构连结主要以吸附水膜接触为主,Cu²⁺改变了土中孔隙水的水膜厚度,导致孔隙水的含量发生变化;水膜变薄,土颗粒间的距离缩短,土体的结构强度越高,土体抵抗压缩变形的能力就越大。随着Cu²⁺浓度的增加,土体微观结构由松散的块状、片状单元体逐渐演化为面-面接触的叠聚体;当Cu²⁺浓度增至10.0g/L,开始出现鳞片状的单元体,单元体间的接触方式以点-点接触和边-面接触为主,土颗粒间的凝聚力变差,土体结构稳定性降低。     

上海浅部黏土渗透系数及其各向异性

为研究上海浅部黏土的渗透系数及其各向异性,沿水平及竖直方向对上海浅部主要黏土层进行了不同压力下的固结试验,联合使用时间平方根法和时间对数法获取了试样的渗透系数,探讨了渗透系数与孔隙比及渗流方向之间的关系,并通过电镜扫描,从微观角度分析了水平和竖直方向渗透系数存在差异的原因。研究结果表明：上海浅部主要黏土层的渗透系数均随着孔隙比的增加而增大。对于单组试验来说,渗透系数k与孔隙比e在e lgk坐标系中呈现很好的线性关系,且渗透变化指数Ck大致呈现Ck = 0.5e0的规律;但对于整体试验而言,渗透系数与孔隙比在e lgk坐标系中大致呈现出曲线关系。通过扫描电镜观察,揭示了沉积形成的絮状微观结构是竖直和水平渗透系数差异较小的主要原因。     

黏土掺入生物炭后的持水特性及其影响机制

生物炭具有疏松多孔、高比表面积和强吸附等特性,在土体改良以及修复受污染土体方面展现出应用潜力。添加生物炭可改善土体结构,进而增强土体持水特性等,其中,生物炭掺量和粒径对改良效果有较大的影响。为了研究生物炭掺量和粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响,通过蒸汽平衡法控制土样的吸力,确定吸力平衡后土样的含水率和体积等,得到吸湿过程中不同生物炭掺量（0%、5%、10%和15%）、不同粒径范围（＞74、40～74、20～40 μm和＜74 μm）生物炭?黏土混合土在高吸力（3.29～286.7 MPa）范围的土?水特征曲线,并结合扫描电镜（SEM）和压汞（MIP）试验结果分析其微观孔隙结构。试验结果表明：（1）当掺入生物炭的粒径较小时,随着生物炭掺量的增加,土样的持水特性有较明显的提高,随着掺入生物炭粒径的增大,生物炭掺量对土样的持水特性影响不大。（2）当生物炭的掺量较少时,不同粒径生物炭?黏土混合土的土?水特征曲线基本相同,随着生物炭掺量提高,小粒径生物炭对混合土持水特性的影响逐渐显现。（3）由生物炭?黏土混合土微观孔隙结构的演变规律进一步阐释生物炭掺量、粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响机制。     

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。     

活性氧化镁碳化固化粉质黏土微观机制

以活性氧化镁碳化固化粉质黏土为研究对象,通过无侧限抗压强度试验、酸碱度测试、X射线衍射试验、压汞试验和扫描电镜试验,研究了不同初始含水率和碳化时间影响下活性氧化镁碳化加固粉质黏土的强度、pH值、碳化产物和微观结构等变化。根据碳化固化土强度与碳化产物含量及累积孔隙体积间的内在联系,提出了粉质黏土的碳化反应微观模型。结果表明：随碳化时间增加和初始含水率减小,碳化固化土的碳化产物含量增加、累积孔隙体积减小,同时氧化镁碳化加固土的强度提高;碳化固化土的pH值随碳化时间不断减小,而随初始含水率变化不大;最后提出了粉质黏土的碳化反应微观模型,确定了活性氧化镁固化粉质黏土在碳化约6.0 h时可获得最高强度。     

崇明东滩吹填区黏性土层抗剪强度随时间变化特征及机理

为了对上海市崇明东滩等吹填造陆区域进行工程地质评价,针对崇明东滩吹填区下伏黏性土抗剪强度的变化特点,考虑不同吹填时间,选取由西向东的5个不同吹填区(1949围堰内、1949—1964、1964—1976、1976—1990、1990—1998)内钻孔的黏性土进行剪切试验,分析了不同时期及不同层位黏性土抗剪强度的变化,并对土样进行扫描电镜试验,观察土样的微观结构,从微观结构的角度定性及定量地分析了抗剪强度的变化规律。结果表明：1)黏土在1949—1964吹填区内的抗剪强度最高,在50、100、200、300 kPa竖向压力下的峰值剪应力分别为33.31、46.68、102.10、147.15 kPa,粉质黏土在各级竖向压力的作用下,各吹填区内的抗剪强度差距不大;自西向东,黏土层的抗剪强度指标与粉质黏土层呈现相反的变化趋势,与天然含水率的变化趋势有关。2)自西向东,各吹填区内土样的微观结构有显著变化,黏土层的微观结构从絮凝-团聚状结构向基质状结构变化,粉质黏土层的微观结构呈现骨架-团聚状—基质状—絮凝-团聚状结构的变化趋势。3)结构单元体的平均直径与土样的黏聚力负相关,与内摩擦角正相关,结...     

针对黏性土胶质联结特征的SEM-EDS试验研究

采用 “整区→微区→胶结点”的逐步分区测试方法,对湛江原状黏土与重塑土开展SEM-EDS试验研究,观察土体微观结构的胶质联结特征,确定胶结物质的元素组分及其空间分布状态,建立微观结构-化学物质-宏观力学行为的相互关系与灵敏性分析。结果表明,土的基本性质很大程度上取决于微观层面的颗粒联结特征。湛江黏土的结构单元实际上是以许多黏土矿物薄片堆叠而成的黏土畴,开放式的絮凝结构加上以游离氧化铁为主要成分的胶质联结特征是导致湛江黏土具有高灵敏性、强结构性的根本原因。当应力水平超过土体的结构屈服应力后,力学性能迅速劣化,结构单元体逐步转为联结强度弱,分散性强的凝聚体或叠聚体。研究还表明,土的颗粒联结强度、结构形态特征及其对结构强度的贡献是导致原状土与重塑土性质差异的本质,天然状态下的湛江黏土土性受控于微观结构特征,而重塑土土性受控于黏土矿物颗粒本性。     

安宁地热田浅部热储水化学特征及补给通道位置

碳酸盐岩淡水热储层在我国西南地区广泛分布,安宁地热田毗邻昆明地热田西侧约40 km,是具有垂向双层热储结构的低温地热田.在深部地层缺乏钻探资料时,为了探究地热田成因,寻找深部热储向浅部热储的补给通道,使用了以下研究方法:（1）通过类比昆明地热田确定灯影组深部热储的水化学特征,（2）从水岩作用、水化学类型和主要离子相关性分析方面入手,阐述深部热储与浅部栖霞茅口组热储水化学特征的区别与联系,发现可用钠离子作为热水通道的指示因子,（3）以包括开采现状、实测温度和通道位置的数值反演模型验证通道的合理性.分析显示,浅部地热水为混合水,水化学类型（HCO₃-Ca·Mg型）明显受同层冷水控制,与深部地热水离子浓度差别大.浅部热储水各点的地热水化学特征差异小,仅钠离子浓度分布可与地热田温度分区和开发利用情况相呼应.对于补给通道的水化学数据分析结果和数值模拟结果嵌合较好,说明采用以钠离子分布为主的综合分析方法所推断的补给通道位置较为合理.      

基于微观结构的砂土液化动三轴试验研究

通过动三轴及SEM扫描电镜等试验研究安庆地区特殊砂土（淤泥质砂土、黏土质砂土及粉土质砂土）抗液化性能的影响因素,分析粒径及级配、细粒含量及微观结构对砂土液化影响。研究表明：骨架颗粒越大,抗液化能力越强;砂土所含颗粒越均匀,即土的级配越优良,砂土抗液化能力越强;砂土的抗液化能力随着其细粒质量百分含量的增加先减小后增加,且不同类砂土抗液化能力最弱时所对应的细粒质量百分含量不同。     

全吸力范围生物炭−黏土混合土的土−水特性

土−水特征曲线在研究非饱和土的水力与力学特性中发挥着重要的作用。生物炭具有多孔结构、高比表面积和强吸附的特性。将生物炭改性土应用于垃圾填埋场上覆盖层,因受自然环境因素的影响会使其水力特性发生改变。为了研究全吸力范围内生物炭掺量对生物炭−黏土混合土保水特性的影响,利用蒸汽平衡法（吸力范围 3～368 MPa）、滤纸法（吸力范围 0 ～40 MPa）和压力板法（吸力范围 0～1.5 MPa）控制土样的吸力,测定吸力平衡后土样的含水率和饱和度,得到全吸力范围内生物炭−黏土混合土的土−水特征曲线。试验结果表明：（1）3种吸力测试方法很好地表达了生物炭−黏土混合土全吸力范围内的土−水特征曲线。（2）生物炭能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,生物炭−黏土混合土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关。（3）通过压力板法测得,试样的进气值随着生物炭掺量的增加而减小。当吸力值小于进气值时,曲线出现水平段,土样始终处于饱和状态,生物炭掺量越大,试样的保水性越好。（4）由生物炭−黏土混合土微观孔隙结构以及生物炭在黏土中的分布形态来解释生物炭改性黏土的保水能力随生物炭掺量的变化关系。     

淮南刘庄煤矿地基人工冻融土工程性质与中微观结构之间关系研究

以淮南刘庄煤矿主井地基的人工冻融土为研究对象,以偏光显微镜,扫描电镜（SEM）为主要研究手段,研究分析了人工冻融土与原状土的中微观结构、冻融前后的中微观结构的变化规律及内在原因。此外,还研究分析了人工冻融土冻融前后的中微观结构及其变化与人工冻融土的物理、力学、工程性质之间的关系。研究显示中微观结构对人工冻融土的物理、力学、工程性质有很大的影响,冻融前后中微观结构的变化受到土的种类、埋深、原状土的中微观结构等因素的影响,且冻融前后的中微观结构的变化在一定程度上主导了冻融前后的物理、力学、工程性质的改变。     

基于SEM图像处理红层砂岩孔隙度及分维数计算分析

获得了深部红层砂岩的扫描电镜（SEM）图像,介绍了基于微观图像计算岩石孔隙度的方法。运用Image-Pro Plus（IPP）图像处理技术提取了不同放大倍数SEM图像的岩石表面孔隙面积、周长、形态特征等信息,进行了岩石微观孔隙结构分形研究与孔隙度计算。结果表明：深部红层砂岩微观孔隙结构具有分形特征,分维数在1.8312～1.3302之间,随SEM图像放大倍数增加孔隙分形维数呈减小趋势,与扫描电镜视域范围内孔隙数量形态和分布均匀程度有关; 基于微观图像计算岩石孔隙度不同放大倍数SEM图像的结果有一定差异,选取300～600倍SEM图像计算岩石孔隙度与实测孔隙度值符合度较高,验证了该方法的实际可行性。提出的方法和分析成果为研究红层砂岩及类似岩体崩解宏观破坏提供了依据。     

黏土微观孔隙结构对可溶性污染物运移的影响

多孔介质的微观结构对可溶性污染物的运移具有重要影响。文章利用随机生长四参数生成法(Quartet Structure Generation Set, QSGS),构造具有各向异性孔隙结构的黏土多孔介质,且其固相颗粒具有随机性的粗糙表面。通过Stokes方程与对流扩散方程（ADE）耦合计算得到微观孔隙结构的非均匀水流场与浓度场。对黏土微观结构的非均匀水流场和浓度场进行分析,研究不同截面位置上水流分布情况,在脉冲注入的条件下讨论黏土微观结构对于可溶性污染物运移的影响。结果表明:具有随机性的黏土微观孔隙结构是导致水流场水流速度分布不均匀的主要因素;黏土中微小空隙或死端孔隙往往容易残留高浓度污染物,造成污染穿透曲线的“托尾”现象,也是污染后期的主要污染残留位置。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

开展了湿干循环作用下压实黏土的开裂试验和微观结构特性研究,分析了湿干循环作用对黏土开裂和孔隙结构的影响,将压汞试验(MIP)和扫描电镜(SEM)的结果与宏观开裂进行比较。结果表明:湿干循环作用显著影响了压实黏土的开裂,用开裂因子表征黏土的开裂程度,开裂因子随含水率减小而增大并明显大于湿干循环作用前; 随湿干循环次数的增加,黏土孔隙的总体积、中间孔径、平均孔径、平均孔隙率和团粒内孔隙均在增加,而黏土的颗粒内孔隙、颗粒间孔隙和团粒间孔隙却在减小。湿干循环作用使黏土体从大团粒逐渐转化为小颗粒,并增大了土颗粒的凸凹性,分析SEM二值化图像得知土体孔隙率均在增加; 用压汞法和扫描电镜法分析和解释土体开裂是可行的,所得的微观孔隙特征与宏观开裂规律基本相符。     

济宁、兖州地区灰黑色-黑色黏土工程特性研究

为进一步明确济宁、兖州地区地层浅部分布的灰黑色一黑色黏土的工程特性,采用放射性14C法测定了该土层的形成年代,用扫描电镜采集了土样的微观结构照片,对土层的工程地质性质进行了分析,并提出了适用于本层土的地基处理方法.结果表明:这层灰黑色一黑色黏土层形成于全新世,具有孔隙比大(平均值为1.096)、压缩性高(压缩系数平均值为0.52 MPa-1)、强度较低(黏聚力平均值为36.0 kPa、地基承载力特征平均值为100 kPa)、透水性低(渗透系数平均值＜1.0×10-6 cm/s),具有絮凝状结构等工程特性.该层土是一种特殊土,在本区进行工程建设时可根据具体情况选择挖除、换填垫层法、砂石桩法、水泥搅拌法、强夯法和桩基等基础处理方案.     

薄层灰岩浅部岩溶发育特征及分布模型

碳酸盐岩往往含有较多泥质夹层,多发育浅部岩溶裂隙,影响工程基础稳定性。文章依托广西合山市溯河矿区某道路浅部岩溶调查成果,分析了薄层灰岩岩溶宏观形态和垂直分布特征,按照溶蚀程度将其分为碎屑残留带、表层岩溶带和下部包气带;通过室内溶蚀试验,分析了矿物组成、CO2及水动力条件影响下的溶蚀规律;对比分析了薄层和厚层岩溶发育特征。结果表明:（1）薄层灰岩浅部岩溶发育程度与微地貌有关,通常在山谷和地下水强径流带溶蚀作用更为强烈;（2）薄层灰岩溶蚀优先开始于方解石,在岩石表面形成溶孔、粗糙程度增加,提供了侵蚀性溶液流动通道;（3）薄层灰岩岩溶较厚层灰岩岩溶规模小,分布较为均匀,由地表土体渗入地下岩体的地下水含有较多侵蚀性CO2水溶液,会促进岩溶作用的进行;（4）薄层灰岩浅部岩溶发育分布模型为:发育均匀的微小溶蚀裂隙在溶蚀下渗过程中遇到软弱夹层时会沿水平向扩展并随进一步溶蚀作用被充填,垂向深部发展时溶蚀作用逐步消散。     

一种微结构颗粒体分布特征的分析方法

在扫描电镜法（SEM）图像二值化基础上,建立了以颗粒体面积为变量的面积累计曲线表示方法,进而建立了该曲线的曲率系数和颗粒体面积分布特点的不均匀系数。基于瓜州砂质粉土和天津黏土的SEM图像,分析了不同面积比对应的颗粒体特征。研究表明,砂质粉土和黏土的颗粒体面积累计曲线、曲率系数和不均匀系数具有明显的差异性。砂质粉土的颗粒体面积累计曲线是一条平滑的曲线,表现为不良级配土的粒径分布特点;而黏土的颗粒体面积累计曲线具有明显的台阶,表现为某粒组缺失的粒径分布特点。另外,砂质粉土的颗粒体面积累计曲线曲率系数和不均匀系数均明显大于黏土的对应系数。该分析方法可以用来量化不同土的SEM照片之间的差异,从而为岩土微结构的定量化研究提供了一条新的思路。     

深部地热资源开采对浅层地下水的影响分析

为了获取北京市西集地区深部地热资源和浅部含水层间是否存在水力联系,选取研究区内的两眼地热井(西集-1井和京通-2井)进行抽水试验,并同时选取两眼地热井周边的14眼凉水井进行水位监测。试验结果表明,在对两眼地热井进行抽水试验时,周边14眼凉水井的水位未发生明显降低,暗示了深部地热水与浅部含水层并不存在水力联系。区内发育了巨厚的古近系和新近系,其岩性以泥岩和粉-细砂岩为主,是有效的隔水层,隔绝了深部地热水与浅部第四系凉水的水力联系。     

无锡地面沉降区弱透水层SEM分析

已有监测结果表明,当前无锡地区地面沉降中土体压缩变形主要来自于弱透水层,对弱透水层压缩性评价有助于对该地区地面沉降发展趋势的判断。本文以无锡光明村一钻孔中第四纪土层为研究对象,采用扫描电镜（SEM）,从微观尺度对位于不同深度弱透水层中的粉质黏土的孔隙分布特征进行了研究,并与固结试验数据进行了对比。研究发现,弱透水层的SEM微观结构图像定量分析结果,与土层的压缩性有很好的相关性,它可以定量反映土中可压缩孔隙的数量以及孔隙的复杂程度;土的孔隙率与概率分布指数可反映土中可压缩孔隙的密度和土的压缩性。概率分布指数越小,土体中可压缩孔隙的数量越多。研究成果从微观上为苏锡常地区地面沉降预测提供依据。     

孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

针对桂林地区的粉质黏土,运用液、塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率,并利用扫描电镜（SEM）技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学-力学耦合作用对结构特性造成的影响。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度的增大,粉质黏土的界限含水率均减小,且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显,随着阳离子价位的增高,其下降的幅度更大;该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大,使得扩散双电层的厚度减小,而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。除此以外,通过探测土体的微观结构发现,水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用,致使土粒形成粒团,土颗粒间孔隙增大,架空孔隙变多。