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《岩土力学》2020,(6)
研究结构性黏土在不同应力路径下的微观结构变化可深入了解K_0固结下结构性黏土结构性特性变化的内在机制。在对衡水地区天然黏土进行不同应力路径条件下三轴剪切试验的基础上,利用微观定量化技术,对比不同应力路径条件下土样的微观结构,从微观角度对结构性黏土的微观结构特征变化机制进行了解释。结果表明:在不同应力路径下土体的孔隙直径、颗粒和孔隙的定向排列变化较大,而颗粒和孔隙的形状特征变化较小。增大球应力使土颗粒变得密实,使孔隙压缩,土体体积减小;减小球应力使土颗粒变得松散,孔隙直径增大,土体体积膨胀。增大或减小偏应力对土体微观结构的影响相似,在土体结构破坏前使土骨架变形产生一定压缩,在土体结构破坏后使颗粒错动、翻滚并相互搭接,扩大了粒间孔隙,使土体出现剪胀。土颗粒形状的不规则性导致球应力和偏应力对体应变和剪应变的交叉影响。研究结果揭示了不同应力路径下结构性黏土应力-应变特性的微观机制。 相似文献
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为明确不同含水率古土壤在冻融循环作用下其微观结构特性及古土壤损伤机制,采用核磁共振扫描仪对不同含水率冻融循环后的古土壤试样进行测试,研究冻融循环和含水率共同作用对古土壤微观结构的影响及土体内部损伤变化。结果表明:冻融循环下不同含水率使土体内部产生不同程度的损伤,损伤程度为含水率大的土体大于含水率小的土体。随着冻融循环次数增加,T2谱曲线信号幅度增加,孔隙结构改变,大孔隙、最大孔隙含量增加,中孔隙含量减小; 同时含水率较大的土体孔隙体积增大幅度大于含水率较小的土体,说明在季节冻土区建设工程中含水率越大土体越易发生破坏,因此在工程中应注意防排水问题。依据损伤力学原理,得出土体颗粒连续性与孔隙率关系,进而得出有效应力与孔隙率关系; 根据核磁扫描结果,建立孔隙率与冻融循环次数关系,最终推导出古土壤有效应力与冻融循环次数关系表达式。研究成果为季节冻土区古土壤地层建设工程提供理论指导。 相似文献
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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。 相似文献
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近年来,土体冲击液化引起的工程地质问题已经广泛地出现在人们的视野中,但目前对于土体冲击液化机理的研究尚不够完善。本文通过冲击液化试验及相关微观试验,揭示了不同冲击能下砂质粉土的孔压发育与微观结构变化情况,在此基础上,从微观角度对砂质粉土冲击液化机理进行了讨论。结果表明:砂质粉土受冲击液化会出现明显的孔压激增现象,且单位冲击能下激发的孔压随落距增大而减小,并伴随明显的微结构变化;冲击液化作用主要从土体颗粒接触关系、颗粒形态,孔隙大小、形态及方向等方面改变了土体的微观结构;颗粒骨架破坏与孔隙收缩是土体冲击液化的主要微观机理,不同冲击能下土体的液化机理也由于骨架破损和孔隙收缩程度不同而产生出相应的差异。 相似文献
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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。 相似文献
6.
干湿变化是自然界中土体必然经历的过程,对土体工程性质有重要影响。系统掌握干/湿过程中土结构演化特征,对深入认识土体宏观力学性质有重要意义。基于国内外大量文献资料,着重总结了黏性土在干燥过程、湿化过程和干湿循环过程中微观结构的演化特征,得到了以下几点主要认识:（1）含水率是影响土体微观结构的关键因素之一,在最优含水率干侧制备的土样呈典型的团聚体结构,孔隙分布曲线具有双峰特征,而在湿侧则呈相对均匀的基质结构,孔隙分布曲线呈现单峰特征;（2）在干燥过程中（吸力增加）,到达缩限之前,土体积的减小主要由大的宏观孔隙收缩所致。在不同的吸力区间内,主要受影响的孔隙尺寸是不同的;（3）在湿化过程中（吸力减小）,团聚体内的小孔隙和团聚体间的大孔隙都逐渐增大,且以团聚体内的孔隙增大为主,孔隙结构的演化特征与侧限条件密切相关;（4）在干湿循环过程中,土结构变化并不是完全可逆的,土体产生的累积收缩/膨胀形变量主要来自于宏观孔隙,随着干湿循环次数的增加,土体的体变特性会达到一个平衡状态,可用弹性孔隙比进行描述。除此以外,还总结了土结构观测的常规技术方法,包括SEM、ESEM、MIP和CT技术等。最后针对土结构研究现状,提出了今后的研究重点和方向,主要包括制样新方法、观测新技术、湿化过程的微观结构以及微观结构参数与宏观力学模型相结合等。 相似文献
7.
孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。 相似文献
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先进行常规真空预压法（CVP）和增压式真空预压法（AVP）两组模型试验,分别对吹填超软土进行加固处理,对比分析其加固效果。再利用电镜扫描试验（SEM）和压汞试验（MIP）分别对两种方式加固后的吹填超软土进行微观结构测试,分析在两种加固方式下吹填超软土微观结构特征的变化,并通过Image-Pro Plus图像处理技术进行定量分析,模型试验结果分析表明增压式真空预压的加固效果优于常规真空预压,从土体骨架颗粒形态、骨架颗粒接触形式和骨架颗粒间孔隙3个角度说明了增压式与常规真空预压加固后土体的微观结构特征变化,微观结构定量分析表明,与常规真空预压相比,增压式真空预压加固后土体的孔隙数量、扁平度K、形状系数ff更大;土体的孔隙率、分形维数D更小;定向概率熵Hm没有明显的变化规律;孔径分布增量的峰值位置在左侧,说明增压式真空预压加固后土体的小孔隙数量更多。从微观角度证明了增压式真空预压法的加固效果优于常规真空预压法。 相似文献
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软土一般具有蠕变特性,蠕变在微观上表现为土颗粒与孔隙的变化。为了解长期变形内在机制,对天津滨海吹填软土原状土与重塑土进行了固结不排水三轴蠕变试验。在围压为75 kPa、偏应力为10 kPa情况下开展多组平行试验,选取蠕变过程中多个时间点的试样进行微观结构测试,提取了颗粒与孔隙变化参数,研究蠕变过程中微结构变化规律。研究结果表明：在文中所受荷载条件长期作用下,颗粒与孔隙定向性明显;平均孔径及平均孔隙体积呈逐渐减小趋势;结构性原状土比表面积逐渐增大,重塑土则呈减小趋势;结构性原状土颗粒与孔隙分数维呈减小趋势,但重塑土呈相反趋势。 相似文献
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冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析 总被引：1，自引：0，他引：1
冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。 相似文献
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风化是中国西北地区土遗址最常见的病害之一。土遗址防风化方法主要是表面喷洒和钻孔注浆。通过对不同干密度重塑土样的钻孔注浆试验,来寻找改性聚乙烯醇（SH）固土剂扩散规律,建立了SH固土剂渗透范围模型——旋转抛物体,解释了产生该渗透现象的原因,并通过计算得到了SH固土剂渗透加固土体体积以及渗透范围内SH的固含量,确定了土遗址中含该固含量的SH固土剂足以对其产生防风化的作用。利用Image J图像分析软件对SEM照片进行处理,获得了不同干密度条件下孔隙分布、孔隙分形维数和平均Feret直径。研究发现,随着干密度增大,土体渗透性减弱,其主要原因是中、大孔隙被压缩成微、小孔隙,并建议将SH固土剂渗透注浆应用于平均Feret直径大于4.98 ?m的土体。最后通过多元线性回归的方法发现,注浆量对渗透半径影响最大,其次是平均Feret直径,孔径的影响最小。 相似文献
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在最优含水率干侧压实的黏土一般具有明显的双孔结构,其集聚体间孔隙（又称宏观孔隙）和集聚体内孔隙（又称微观孔隙）对土体宏观水力和力学特性影响差异显著,同时,水-力耦合作用下两种孔隙的演化规律也存在明显不同。双孔结构非饱和土对应的孔径分布函数为双峰孔径分布形式,该分布函数可通过叠加宏观孔隙和微观孔隙的单峰孔径分布曲线得到,并通过平移量、缩放量和分散度3个演化参数对双孔结构土的孔隙演化规律进行描述。通过构建在力学及水力加、卸载过程中演化参数与孔隙比之间的关系,提出了适用于描述变吸力下非饱和压实土的微观结构演化模型。分别基于所开展的桂林红黏土压汞试验数据和文献中的米尼亚卢博瓦膨胀土试验数据,对所建立的微观结构演化模型进行参数标定,并通过模型预测结果与试验结果的对比,验证了所建立模型的适用性。 相似文献
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Weathering of volcanic tuff rocks caused by moisture expansion 总被引：1，自引：1，他引：0
Wanja Wedekind Rubén López-Doncel Reiner Dohrmann Mathias Kocher Siegfried Siegesmund 《Environmental Earth Sciences》2013,69(4):1203-1224
Moisture expansion in natural building stones is considered one of the most important factors affecting their weathering and deterioration. The processes that may be responsible for the expansion under determinate relative humidity (hygric dilatation) and water-saturated conditions (hydric dilatation) are generally attributed to the presence of swellable clay minerals. In contrast to this assumption, our investigations show that moisture expansion also takes place in volcanic tuff building stones almost free from clay minerals. To provide a deeper understanding of the processes, swelling and deterioration were performed on 14 volcanic tuffs used as important building stones of different ages, compositions and weathering stages from Mexico, Germany and Hungary. The investigations undertaken include extensive chemical, petrophysical and fabric analyses. The samples show a wide range of effective porosity, microporosity, capillary water absorption, moisture expansion, and CEC values. High moisture expansion does not seem to depend on clay mineral content alone. We also observed that there is no significant effect on dilatation if clay minerals are present but only form a thin coat on the outer shell of bigger pores. Moreover, we identified a correlation between microporosity, average pore radius and moisture expansion. The investigations highlight the fact that moisture expansion cannot only be attributed to swellable clay minerals, and suggest that the presence and accumulation of micropores and their average radius and distribution play an important role for non-clay associated swelling intensity, which can most probably be attributed to the disjoining pressure. 相似文献
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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... 相似文献
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A review of the literature suggests that large variations in pore-water chemistry exist within soils. The heterogeneity indicates that in soil microchemical environments, the chemistry of pore water evolves independently from one pore to another due to differences in surface area/volume ratios and water residence time. A plug-flow reactor model was developed to examine which size classes of pores contribute the most solute to water draining out of the soil profile, and to explore how temperature might affect a soil’s ability to generate solute. The model is based on the simplification that soil pores can be approximated as a suite of capillaries of varying diameter. The model simulates each size class of pores as a plug-flow reactor with an unique water residence time and surface area.In the model, the pores which drain at the highest water contents have low surface area to water volume ratios and contribute relatively little to the overall solute flux from a soil. The smallest pores that drain at the lowest water contents were found to have the highest surface area to volume ratios and contribute the most solute. The calculations also suggest that activation energy and water viscosity have competing effects on the temperature dependence of weathering. As the temperature increases, the dissolution rate constant increases and smaller pores drain; however, water residence time decreases. This decrease in the water residence time is due to decreasing water viscosity, which can be incorporated into the dissolution rate law for quartz with an activation energy of approximately −15 kJ/mole. Studies that parameterize the temperature dependence of weathering using the Arrhenius approach can account for this effect by reducing the predicted activation energy by an appropriate value. 相似文献
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干湿循环下滑带土强度特性与微观结构试验研究 总被引：1，自引：0，他引：1
库区水位周期性波动,巨大的水位变幅使库岸滑坡滑带土处于干湿循环变化之中,而干湿循环作用影响土体的强度特性。基于此,以三峡库区某典型库岸滑坡滑带土体作为研究对象,对经历不同干湿循环次数的土样进行环剪试验、扫描电子显微镜（SEM）试验和核磁共振（NMR）试验,分析干湿循环作用下滑带土强度特性和微观结构变化规律,并初步探讨干湿循环对滑带土强度影响的微观机制。试验结果表明：干湿循环作用下,滑带土残余强度的劣化特性十分明显,且前3次干湿循环导致土体强度衰减幅度较大,之后衰减趋势减弱,土体强度逐渐趋于稳定,同时,黏聚力的劣化效应大于内摩擦角;随干湿循环次数的增加,以叠聚状、凝块状为主的团粒逐渐分散、解体,颗粒间连接由面?面接触逐渐向面?边、面?角接触演化,表现为土体内孔隙数量增多,土颗粒形态变化,粒间距离增加,微小孔隙逐渐向大孔隙演变;干湿循环作用下,滑带土内亲水性黏土矿物吸水膨胀、失水收缩而引发土颗粒、孔隙及胶结物等微结构变化是导致滑带土残余强度劣化的内在原因。 相似文献
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土建筑遗址表面结皮形成与剥离机制研究 总被引：6，自引：1，他引：5
以交河故城土遗址为原型,通过现场调查、取样和室内试验,研究了土建筑表面结皮的物理化学性质,提出了土质墙体表面结皮的形成与剥离机制。粒度分析、粉晶X射线衍射分析、易溶盐离子色谱分析表明,与下伏母墙相比,结皮层粒度偏细,易溶盐含量偏低;红外摄像测温显示,结皮层升温、降温幅度更大。研究认为,土建筑遗址结皮层的形成是墙面土体局部饱和崩解、泥浆蠕移干燥的结果,其形成初期对抵抗土遗址风化起到一定的保护作用,但随后在剧烈的热胀冷缩作用及风蚀作用影响下发生剥离和脱落,反而加速土遗址的劣化进程。 相似文献
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The fabric plays an important role in the mechanical behavior of granular material. The aim of this paper is to investigate the evolution of fabric in a soil-structure interface (SSI) to a large shearing in an effort to clarify whether and how this form of fabric evolution can lead to a common microstructure. Using the discrete element method (DEM), two-dimensional (2D) numerical interface shear tests were carried out, and certain macromechanical and micromechanical properties were exploited. All samples exhibited prominently localized strain in a zone covering the structure's surface (named the localized zone), and much lower density and higher soil fabric anisotropy levels were found inside this zone than outside it. Disregarding different initial void ratios, a common critical state microstructure was observed in large shear deformations of soil samples, with essentially the same fabric arrangement in terms of contact orientation and internal force transmission. Due to the systematic forming, buckling, and collapsing of force chains, an angular zone (called an α -zone), in which contact density was sluggish to varying degrees, appeared and extended around the main direction of the distribution of contact orientation inside the localized zone. The gradual deterioration of the force chains' stability, as a result of an increasing void ratio, seemed to drive the α -zone's extension and lead to the rare variation of microstructures in the critical state. 相似文献
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Wanja Wedekind Joerg Ruedrich Siegfried Siegesmund 《Environmental Earth Sciences》2011,63(7-8):1787-1798
In the Aztec period and in colonial times different natural stones originating in the Valley of Mexico were used for building construction. Stone weathering was investigated onsite at various historical buildings within the old quarter of Mexico City. In this study, different aspects of weathering and deterioration at three significant historical buildings will be presented, the Aztec excavation site Templo Mayor, the Metropolitan Cathedral, and the colonial palace of the dukes of Heras Soto. Petrophysical properties of the main building stones of these structures were investigated like density, porosity, pore radii distribution, water uptake rate and coefficient, thermal and hygric expansion, and the mechanical properties of uniaxial compressive strength. A relationship between single critical property values, according to anisotropy fabric characteristics, and specific weathering forms could be deduced. 相似文献