（岩土工程专业论文）有机质对水泥土力学性能影响的试验研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所 知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证 5 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 婆 磊 日期 兰丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图j 辂馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或 部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 叁幺磊 导师签名 摘要 摘要 水泥土搅拌法是软土地基处理的一种方法 具有施工方便 费用低廉 加同软土厚度大的优点 被广泛应用于我国铁路 公路 市政j r 程 港口码头和 亡业与民h j 建筑等行业中的软基处理加同工 程 但是由于软 十的成冈多种多样 物质组成千差万别 导致软士的性质以及软土与水泥之间的相 互作用受到不同程度的影响 在一些加固j r 程中发现 即使采用的水泥掺入比和施j 工艺完全一致 水泥加同软士的效果也可能会有很人的著异 甚至在一些 程中出现了加同失败的情况 通过分析 这些失败案例后 发现软l 七中高含量的有机化合物是导致水泥土搅拌桩处理技术失败的重要原因之 一 通过在风干的软士中加入腐殖酸的方法 人工配制了不同有机质含量和不同有机质组分 富里 酸和胡敏酸 的有机质士 采用无侧限抗压强度试验 常规三轴试验等宏观试验和电阻率测试 扫 描电镜等微观试验 从宏观和微观两个方面研究了有机质对水泥土性能的影响 建立了水泥土力学 指标和微观结构参数之间的定量关系 本文取得的主要研究成果有 通过无侧限抗压强度试验 分析了有机质含量 f a d 富里 酸含量与胡敏酸含量比值 对水泥土力学性能的影响 得到了有机质总量以及有机化合物组分对单 轴应力状态下水泥土的应力应变关系 无侧限抗压强度 破坏应变和变形模量的影响规律 通过 常规三轴c u 试验 分析了水泥土在三轴应力条件下的应力应变关系和抗剪强度指标随有机质总量 和有机化合物组分的变化规律 应用电阻率测试方法 定量分析了水泥十微观结构变化规律 根 据扫描电镜检测结果 定性分析了有机质总量和有机化合物组分对水泥土结构的影响 基于s e m 图像 利用i p p 软件计算了水泥土孔隙微观参数 得 至u r 孔隙面积率 等效直径以及孔隙分布随有 机质总量和有机化合物组分的变化规律 基于试验数据和计算结果 建立了 程力学指标与微观 结构指标之间的关系 关键词 水泥土性能 富里酸 胡敏酸 抗压强度 抗剪强度 微观结构 a b s t r a c t a b s t r a c t c e m e n tm i x i n gp i l ei so n eo fd e e pm i x i n gm e t h o da n di th a s t h ea d v a n t a g e so fe a s yc o n s t r u c t i o n l o w c o s ld e e ps o rs o i lr e i n f o r c e m e n la tp r e s e n tt h i sm e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h es o f tg r o u n d t r e a t m e n tp r o j e c to fr a i l w a y h i g h w a y m u n i c i p a le n g i n e e r i n g p o r tt e r m i n a l sa n di n d u s t r i a la n dc i v i l c o n s t r u c t i o ni nc h i n a b e c a u s et h eg e n e s i so fs o f ts o i li sv e r yd i f f e r e n ta n dm a t e r i a lc o m p o s i t i o nv a r y w i d e l y s oe v e ni ft h ec e m e n tm i x i n gr a t i oa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya r ee x a c t l yt h es a m e t h ee f f e c to f g r o u n di m p r o v e m e n ti sd i f f e r e n ti ns o m ed e g r e e a n de v e nu s e l e s si ns o m ep r o j e c tc a s e s b ya n a l y z i n g t h e s ef a i l u r ec a s e s i tt u r n so u tt h a th i g hc o n t e n t so fo r g a n i cc o m p o u n d sa r eo n eo fm a j o rc a u s e sf o rt h e f a i l u r eo fc e m e n tm i x i n gp i l e s o i ls a m p l e sw i t hd i f f e r e n to r g a n i cc o n t e n ta n do r g a n i cc o m p o u n d s h u m i l i ca c i da n df u l v i ca c i d a r e p r e p a r e db ya d d i n gh u m i l i ca c i da n df u l v i ca c i di n t od r ys o i l u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t c o n s o l i d a t i o n u n d r a i n e dt e s t r e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n ta n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yh a v eb e e nc a r r i e do u t t h e i n f l u e n c eo fo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta n df a h a t h em a s sr a t i oo ff u l v i ca c i dt oh u m i l i ca c i d o n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a sb e e ns t u d i e di nm a c r o s c o p i cw a y t h ei n f l u e n c eo fo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta n d f a h ao np o r es t r u c t u r eo fc e m e n t e ds o i lh a sa l s ob e e ns t u d i e di nm i c r o s c o p i cw a y a n dr e l a t i o n s h i po f m e c h a n i c a li n d i c e sa n dp o r ep a r a m e t e r sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h em a i nr e s u l t so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s t h ei n f l u e n c el a wo fo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta n d f a h ao nu n i a x i a ls t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h f a i l u r es t r a i n a n d d e f o r m a t i o nm o d u l u si so b t a i n e db yu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t t h ei n f l u e n c el a wo fo r g a n i cm a t t e r c o n t e n ta n df a h ao nr e s i s t i v i t yc h a r a c t e r i s t i co fc e m e n t e ds o i li so b t a i n e db a s e do nt e s td a t ao fr e s i s t i v i t y t h ei n f l u e n c el a wo fo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta n df a h a0 nt d a x i a ls t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p s h e a r i n g s t r e n g t hp a r a m e t e r si so b t a i n e db yc u t e s t a c c o r d i n gt or e s u l t so fs e m aq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h e i n f l u e n c eo fo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ta n df a h ao ns t r u c t u r eo fc e m e n t e ds o i li sp r e s e n t e d a n dm i c r o s c o p i c p o r es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r em e a s u r e du s i n gl p et h e nt h el a wo fc h a n g eo fp o r es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d r e l a t i o n s h i po fm a c r om e c h a n i c a li n d i c e sa n dm i c r o s c o p i cp o r es t r u c t u r ep a r a m e t e r sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s p r o p e r t yo fc e m e n t e ds o i l f u l v i ca c i d h u m i l i ca c i d c o m p r e s s i v es t r e n g t h s h e a rs t r e n g t h m i c r o s t r u c t u r e h 目录 录 i 膏 要 j l 一 一 i a b s t r a c t 目录 i l i i i 第一章绪论 l 1 1 研究背景 t 1 1 3 有机质影响水泥土体系物理化学反应的机理研究 2 1 4 水泥土微观结构的研究现状 3 1 5 有机质对水泥土工程性质的影响研究现状 6 1 5 1 有机质对水泥土工程物理性质影响的研究 6 1 5 2 有机质对水泥土强度的影响研究 6 1 6 存在问题以及研究内容 8 1 6 1 存在的问题 8 1 6 2 本文研究内容 8 1 7 研究技术路线 9 第二章试验内容及方法 1 0 2 1 试验材料 10 2 2 试验内容 l l 2 2 1 无侧限抗压强度试验 二 1 1 2 2 2 常规三轴剪切试验 1 2 2 2 3 电阻率试验 1 2 2 2 4 扫描电子显微镜分析实验 1 3 2 3 本文的试验方案 1 4 第三章有机质对单向应力下水泥土强度和变形的影响1 6 3 1 有机质含量对水泥土特性的影响 1 6 3 1 1 不同有机质含量水泥土的应力应变关系 1 6 3 1 2 有机质含量对无侧限抗压强度的影响 1 8 3 1 3 有机质含量对变形特性的影响 2 0 3 2f a h a 值对水泥土特性的影响 2 2 3 2 1 不同f a h a 水泥土的应力应变关系 2 2 3 2 2f a h a 值对水泥土强度的影响 2 3 3 2 3f a h a 值对变形特性的影响 一2 5 3 3 本章小结 薯 2 7 第四章有机质对三向应力下水泥土强度和变形的影响 2 9 4 1 柯 j 睦 2 9 4 2 有机质含量对水泥土抗剪特性的影响 2 9 4 2 1 试样剪切破坏形态 2 9 4 2 2 有机质对水泥土三轴剪切应力应变特征的影响 3 0 4 2 3 不同有机质含量水泥土的抗剪强度指标特征 3 2 4 2 4 不同有机质含量水泥土韵三轴剪切峰值强度特征 3 5 4 3l e a h a 对水泥土抗剪特性的影响 3 6 i 目录 4 3 1 不同f a h a 时水泥土的应力应变关系 3 6 4 3 2 不同f a h a 时水泥土的抗剪强度指标 3 7 4 3 3 不同f a h a 时水泥土的三轴剪切峰值强度特征 3 9 4 4 本章小结 4 0 第五章有机质对水泥土影响的微观机理研究 一一 一 4 l 5 1 前言 4l 5 2 基于s e m 图像的微观结构定性分析 4 1 5 3 基于s e m 图像的微观结构定量分析 4 7 5 3 1 基于s e m 图像的微观分析注意事项 4 8 5 3 2 孔隙面积率 4 8 5 3 3 等效直径 4 9 5 3 4 孔隙分布 一5l 5 4 基于电阻率理论的水泥土结构分析 5 3 5 4 1 有机质含量与电阻率的关系 5 3 5 4 2 融 h a 值对电阻率的影响 5 5 5 4 3 无侧限抗压强度与电阻率的关系 5 6 5 4 4 电阻率结构参数的变化规律 5 6 5 4 5 初始电阻率与孔隙特征参数的关系 6 0 5 5 宏观力学指标与微观特征参数的关系 6 l 5 5 1 无侧限抗压强度与图像微观参数的关系 6 l 5 5 2 抗剪强度指标与图像微观参数的关系 6 2 5 5 3 强度与电阻率结构参数的定量关系 6 3 5 6 本章小结 6 4 第六章结论与展望 6 6 6 1 结论 6 6 6 2j i i 望 6 6 参考文献 致谢 6 8 i v 7 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 深层搅拌法 d e e pm i x i n gm e t h o d s 是利用水泥 石灰等材料作为尉化剂的主剂 通过特制的深层 搅拌机械 在地基深处就地将软 十和固化剂 浆液或粉体 强制搅拌 利用同化剂和软十之间所产生的 一系列物理一化学反应 使软土硬结成具有整体性 水稳定性和一定强度的优质地基 该方法是瑞 典岩土工程研究所 s w e d i s hg e o t e c h n i c a li n s t i t u t e 和日本运输省港湾技术研究所 p o r ta n dh a r b o r r e s e a r c hi n s t i t u t e 分别独自于上世纪六十年代中期首先提出的 并分别在1 9 6 7 年 1 9 7 4 年进行了室 内试验和现场试验研究 上世纪七十年代中期以来 这一软十地基处理技术在世界各地均得到了广 泛的应用 我国软十分布十分广泛 滨海平原 河口三角洲 湖盆地周围 山问谷地均有分布 近年来 随着我国经济建设的发展和对外开放的需要 软十的开发和利用不断发展 但是由于软土的特殊性 质 高孔隙比 高含水率 低强度 高压缩性及低渗透性等 使得其必须经过严格的处理后采用使 用 十五 期间是江苏省高速公路飞速发展的时期 到2 0 1 0 年要形成以 四纵四横四联 主骨架 为主的4 0 0 0 公里大容量 高效率的汽车专用公路网络 由于江苏省内软土覆盖区域广泛 使得软基 处理成为江苏省高速公路建设中遇到的一个突出问题 针对不同类型的软十以及 l 程要求 建设者 引进 研发了各种不同的地基处理技术 均取得了较好的加同效果 特别是江苏省近年来在高速公 路 亡程中 泛采用的水泥十搅拌桩方法 成功地处理了大量的软土地基 取得了良好社会效益和经 济效益 水泥十搅拌桩是深层搅拌法的一种 我国在上世纪八十年代初引入水泥士搅拌桩技术 目前该 方法已被广泛地用于我国铁路 公路 市政上程 港口码头和工业与民用建筑等行业中的软基处理 加固工程 国内很多学者对于水泥土加固效果及性能做了大量的研究 推动了该方法在理论上和实 践上的发展及改善 但是由于各地软土的成因多种多样 物质组成千差万别 导致水泥十搅拌桩的 加i 司效果出现差别 在一些加固 r 程中发现 即使水泥掺入比和施j i e 艺完全一致 水泥加固软土 效果也会有所差异 甚至在一些 r 程实例中出现了加同失败的情况 在对这些失败的案例进行分析 后 发现软七中的有机质在加同过程中起剑一定的作用 有机质能阻碍水泥的水化反应 从而影响 水泥十强度的形成 例如 1 9 8 5 年冬 在我国两南地区有一个沼泽相泥炭土的加固i l 程 工程采用 深层搅拌法加同泥炭士 该泥炭土单用水泥加同 即使掺入比达3 0 加同十的强度也很难达到 3 0 0 k p a 致使水泥加同泥炭十丧失经济技术效制1 i 另外 宁波某中学宿舍的地基设计为水泥搅拌 桩复合地基 设计地基承载力为1 3 0 k p a 但由于地表下4 5 m 范围内的淤泥中夹有泥炭 有机质含 量在局部高达1 5 经复合地基静载荷试验 其试验标准值仅为7 5 k p a 远小于设计取值1 2 i 而在江 门滨江大道的施 亡过程中 在部分地段更是出现了水泥搅拌桩无法成硝 无法达到设计标准的情况 1 3 j 因此 有机质在水泥加同软士地基中所起的作用以及相麻的处理方法越来越受到人们的重视 目前 对于水泥十搅拌桩处理高有机质软十主要是通过加入添加剂来抵制有机质的负面影响 改良 l 东南大学硕士学位论文 水泥土的性能 1 2 沉积软土中有机质的成分和存在形式 沉积物中的有机质是动植物的残骸经微生物的分解而成的 这些动植物残骸一部分来自江河湖 泊及海洋中枯萎的植物和死亡的动物 一部分是由地表径流带入的动植物的残骸 有机质分为非腐殖质和腐殖质两类 非腐殖质物质占有机质总量的5 1 5 左右 包括一些具 有可以的辨认化学特征的化合物 属于这类化合物的有 碳水化合物 蛋白质 肽类 氨基酸 脂 肪 腊 树脂 色素以及其他低分子量有机物质 这类化合物容易为土壤中微生物所侵蚀 其残余 率相当低 对土的性质影响不大 沉积物中的有机物质大部分是由腐殖物质组成 占总有机质的 8 5 9 5 它们是分子量范围从几百剑几万的 无定形的 褐色或黑色的 酸性的 高分散的物质 按照它们在酸和碱中的溶解度 可以分为 胡敏酸 富里酸以及胡敏素 其中 胡敏酸溶于碱不溶 于酸 具有多价酸根 是无肽的胶体物质 它与钙 镁 铝形成的二价盐类则难溶于水或不溶于水 因此当用水泥进行固化时 由于水泥水化产生大量的钙离子 胡敏酸的存在会消耗部分同化淤泥孔 隙水溶液中的钙离子 从而会影响固化效果 富里酸溶于酸也溶于碱 其分子量小于胡敏酸 具有 多价酸根 是无定形胶体物质 与胡敏酸相比 富里酸含碳量低 含氮量高 它的一 二 三价盐 类均溶于水 其还原能力和络合能力都较强 能与多价阳离子形成络合物 具有高度的吸附性 富 里酸与粘士矿物接触开始后 便被矿物颗粒吸收形成吸附薄膜层 会对水泥的水化反应造成不利影 响 其次 富里酸特别容易与含铝多的矿物颗粒进行结合 由于含铝相矿物品格的层次排列 故此 种反应造成品格层状排列的重新分布而分解 胡敏素是胡敏酸与粘十矿物形成的惰性物质 对土的 性质的影响较前述两种物质要小 目前对它的相关研究较少1 4 j 1 3 有机质影响水泥土体系物理化学反应的机理研究 沉积软十中的有机质具有一定物理化学活性 当其介入到水泥土体系中 能够与水泥颗粒 土 颗粒以及孔隙水溶液发生一系列的物理化学反应 从而延缓或阻碍了原水泥土体系的形成 国内外 很多学者通过物理学及化学方面的理论 从有机质的化学性质及物理性质的角度出发 开展了人量 的研究 并取得了一定的成果 k a m o n 1 9 8 9 i 纠和1 r e m b l a y 1 9 9 8 6 针对水泥加同的有机质土 采用扫描电镜 x 衍射 差热分 析等微观的方法对加同十中的生成物进行了研究 得出土中的有机质减缓了水泥水化产物的生成 因而对水泥加固 十的强度造成了影响 研究发现1 7 l 从有机酸对水化反应的抑制和水化产物的分解这一角度来看 富里酸的影响体现 在两个方面 首先 在富里酸 水 水泥土体系中 一般来说 富里酸先以水溶液形式存在 其与 水泥矿物吸附所形成的吸附层延缓了水泥水化的进程 其次 在已经生成的水化铝酸钙等晶体中 由于寓里酸对含铝矿物特殊的分解作用使这些水化产物解体 破坏了水泥十结构的形成 阻碍了水 泥的水化反应 一些学者进一步地指出 富里酸与矿物的接触开始后 便被矿物颗粒所吸收形成一 个吸附膜层 并且由于功能团分子键作用而使吸附过程具有明显的化学性质 其次 富里酸特别容 易与含铝多的矿物质颗粒进行结合 由于含铝矿物品格的层次排列 故此种反应造成品格层状排列 的重分布而分解 矿物分解的程度取决于它所含有的铝的多少 在水泥水化体系中 硅酸盐水泥的 2 第一章绪论 水化产物为氢氧化钙 水化硅酸钙 水化铝酸钙 水化与结晶可形成特有的晶格网状结构的水泥石 但在富里酸 水 水泥体系中 在水泥与富里酸水溶液接触后 水泥土体系中发生了一些变化 一 方面水泥的水化反应开始 另一方面富里酸与水泥矿物的吸附作用所形成的吸附层义延缓了水泥水 化的进程 其次在已生成的水化铝酸钙 水化硫铝酸钙及水化铁铝酸钙晶体中 富里酸的分解作用 使这些水化产物解体 破坏了水泥十结构的形成 呈现出一种化学风化的特征 徐建民等 1 9 9 5 1 8 i 通过试验研究认为 腐殖质结合态排序为 胡敏素 钙键结合腐殖质 铁铝键结 合腐殖质 钙键结合腐殖质中 脂碳含量相对较高 而铁铝键结合腐殖质中则芳碳含量相对较高 在同样条件 f 前者较后者更难被氧化剂氧化 金鹏康等 2 0 0 4 1 9 1 提出腐殖酸与金属盐的共聚络合作用主要发生在梭基和酚基上 而梭基和羟 基在腐殖酸分子上的部位 溶液中的h p 值 对腐殖酸混凝的影响很大 m o d m o l t i nc h i r d e h a n i n 等 2 0 0 4 1 1 0 i 提取了a r i a k e 粘土中的有机质 并成功确定了胡敏酸和 富啡酸精确数量 通过试验得出 胡敏酸直接影响a r i a k e 粘土的固化效果 而寓里酸对石灰同化土 强度发展的影响较小 盐类浓度提高 胡敏酸对同化土的强度影响变小 张树彬 2 0 0 5 l l 等结合软十加固工程实例 探讨了腐殖质对水泥士作用的规律性 试验结果表 明 水泥士环境中的腐殖质可分为3 种存在形态 即松结态 稳结态及紧结态腐殖酸 在稳结态 中腐殖酸有机碳含量高于松结态中腐殖酸有机碳的含量 且腐殖酸e 4 6 5 e 5 值变人 表明水泥土中 腐殖酸分子结构趋向简单化 水泥十与原十相比 松结态w c f w c 队变大 稳结态w c f a w c h a 减小 与e 舶s e 鲫所描述的规律性一致 在骨料充分且紧密接触时 水泥土才会形成优良骨架结 构 水泥胶结性能才能发挥作用 在土体有机质存在时 水泥水化产物钙 铝等离子可与 十体腐殖 酸络合成为钙键 铝键复合体 影响水泥水化反应进程 改变水泥土的微观结构 达不到加固之效 果 b e r t r o n 2 0 0 5 1 1 2 1 等指出 有机酸物质能对水泥产生化学侵蚀作用 有机酸与水泥接触的同时便 与水泥水化产物相反应 长期作用的结果是使水泥试件的孔隙增加 力学性质降低 同时 从试件 的侵蚀速率及物质组成变化的角度 在室内进行了不同p h 值的有机酸对水泥试件侵蚀作用强弱的 对比研究 结果表明p h 值为4 的有机酸的侵蚀速率要远远大于p h 值为6 的有机酸的侵蚀速率 从 试件的质量损失以及侵蚀深度米计算 前者的侵蚀速率将近为后者的9 倍 而扫描电镜和x 射线衍 射结果则说明即使有机酸的p h 值不同 但不同试验方案中试件化学成份的转变机理是基本一致的 在试件中均出现了完全的钙质退化及结品或非定形水化产物消失的现象 且伴有包含铝或铁的硅胶 的生成 这一转变止是导致水泥试件强度降低的原因 曾科林 2 0 0 5 h l 在室内试验的基础上 对有机质的主要成分 腐殖酸对淤泥同化效果的影响机 理进行了初步的探索 研究认为 有机质对凝胶态水化物生成量的影响跟对f i 化淤泥强度的影响有 着相同的规律 软士中的有机质存在一个影响的极限含量值q c 在极限含量值之内 随有机质含量 的增趣凝聚态水化生成物的量早递减趋势 超过值q c 后 随有机质含鼍的变化凝聚态水化产物鼍几 乎不变 因此 可以认为腐殖酸是影响了凝聚态水化生成物的量从而影响了淤泥的l i l i i 化效果 1 4 水泥土微观结构的研究现状 3 东南大学硕士学位论文 图1 1 土体微观性质基本构成要素图 随着人们对土的性质的研究 土的微观结构研究也日益深入 目前根据土的不同物质组成和不 同的形态特征 针对土颗粒微观联接及排列方式 提出了骨架状结构 絮凝状结构 团聚状结构 团粒状结构 叠片状结构 凝块状结构 蜂窝状结构 海绵状结构 磁畴状结构及基质状结构等土 的结构类型1 1 3 i 1 9 2 5 年t e r z a g h i 首次提出微观结构的概念 他提出的著名的 蜂窝状结构 至今仍具有普遍的指 导意义和研究价值 其后 g o l d s c h m i d t 和c a d a g r a n d e 也注意到了微观结构的士力学价值 并发展 了 t e r z a g h i 的结构模式 但真正对微观结构形态展开系统研究的第一位学者是奥地利十壤学家 土 壤学形态创始人w l k u b i e n a 他的 微观土壤学 一书为微观结构理论的形成和发展奠定了重要基 础 由于早期缺乏有效的观测手段 对十微观结构的研究多局限于定性研究 从一般化学原理和士 的t 程性质不同表现来间接推断 随着光电量测技术如扫描电镜 s e m 透射电镜 t e m 电子 探针 m i c r o p r o b e 的发展和计算机图像处理技术出现 土微观结构研究发生了质的飞跃 m i t c h e l l 1 9 7 6 1 1 3 1 对土的结构及结构要素的定义以及土体结构与其各性质之间的关系做出了阐 述 在国内 谭罗荣 1 9 8 1 1 1 4 i 通过对枯性土微观结构定向性的x 射线衍射研究 在片状颗粒定向排 列测定基本原理的基础上 提出一种新的片状颗粒定向度表述形式 刘莹 2 0 0 6 1 1 s l 等人从微观结构 角度 对连云港地区吹填土的颗粒 孔隙特征做了定性和定量的分析 为研究吹填士j r 程性质的评 价和改善提供了依据 近几年来 借助扫描电镜和计算机图像处理系统 土体微观结构方面的研究有了新一步的进展 施斌 1 9 9 5 1 1 6 等介绍了v l d c o h b 图象处理系统的一i 作原理和特点 粘性士微结构单元体定向性 的测定方法 并运用该系统对我国某些典型粘性土微结构s e m 图象进行定量分析 得到了 些有益 的结论 齐吉琳 2 0 0 0 1 1 7 i 在利用电子显微镜进行孔隙分布定量分析的基础上 总结了减小随机性影响的 方法 得到了规律稳定 具有较高灵敏性的孔隙分布曲线 认为孔隙分布曲线是定量描述黄十微结 构特征的有效方法 将孔隙分布曲线与颗粒人小分布曲线进行综合比较 可以揭示黄十的结构性 王清 2 0 0 3 i 埔i 等利用图像处理技术对十体进行微观结构定量分析 讨论了表征结构单元体和孔 4 第一章绪论 隙大小 形态及定向性等结构要素的定量评价指标 通过对加入水泥固化后软士的微观结构图像分 析 论证了水泥 十的微观结构特征定量分析方法 得出了以此来分析评价土体微观结构特征的方法 t 宝军 2 0 0 4 1 1 9 i 等利用图像处理技术并结合地理信息系统 g i s 软件的数据提取技术来计算土 体中颗粒形态的分形维数 讨论了图像处理过程中阙值的确定方法 通过对郧县膨胀士 十样微结构 图像分析 论证了粘性土微观结构的分形特征 并分析了分形维数与士体微观结构类型间的关系 李振 2 0 0 4 1 3 0 l 等x 寸l 古l 化土的微观结构应用计算机图像处理技术进行了定量分析 得出了表征结 构单元体和孔隙人小 形态以及定向性等结构要素的定量评价指标 熊承 1 z 2 0 0 7 1 2 0 等以土工实验和计算机图像处理技术为基础 利用s e m 照片获取士的孔隙结构参 数 并将其与三相图法计算数据对比分析 证实了利用s e m 照片提取土的结构信息时可行的 唐朝生 2 0 0 8 1 2 1 i 等通过对一系列s e m 照片计算其表观孔隙率和土颗粒形态分维数 研究了阈值 大小 分析区域大小 扫描点位置 放大倍率等因素对十体微观结构定量研究的影响 探讨了各冈 素的影响机理 研究发现在相对较小的阑值条件下得到的孔隙结构参数较接近真实情况 在相对较 大的阈值条件下分析十颗粒的形态特征更具有代表性 陈慧娥 2 0 0 8 1 3 1 i 等利用扫描电子显微镜采集含有机质水泥土试样的微观结构照片 并采用w i 5 图像处理系统对士样的微观结构图像进行定量分析 提取各试样中土颗粒形态的分维数值 用颗粒 分布的计盒维数来表征各试样的分形特征结果表明 有机质含量越高 颗粒分布的分维数值越大 试样的团粒化程度越低 水泥加同土的强度越若 土中有机质对水泥加同软十的效果具有一定的影 响 颗粒分布分形的计盒维数与水泥加尉士的强度呈负相关性 这也证明了有机质含量越高 试样 结晶程度越低 颗粒越细小结构越松散 从侧面验证了强度随有机质含量升高而降低 土的电阻率是土的固有物性参数之一 电阻率测试法具有快速 经济 便捷 无损 连续的显 著优势 故其在土结构性研究中的应用日趋增多 近年来 诸多学者采用电阻率法来定量描述十的 结构性大小及其变化情况 2 2 1 t h e v a n a n y a g a m i 矧通过测得结构变化中土的竖向 水平向电阻率 找 出反映土内部结构特征的3 个基本的电阻率结构特性参数f 彳的变化规律 以此来分析土扰动结 构的定量变化情况 其中 肋平均结构因子 反映土的孔隙率和孔隙结构 为平均形状因子 描 述颗粒形状 彳为各向异性系数 反映颗粒的定向排列 1 a b b a g h 等 2 4 应用电阻率测试法对 十的结构 变化及其特性进行了描述 s a m o u e l i a n 拶2 5 l 通过测试黄土块在干湿循环产生裂隙的过程中不同方向 和深度上电阻率变化 成功监测出土块的裂隙发展和发育情况 于小军 刘松 k 2 0 0 4 1 2 6 1 通过电阻 率测试技术 获取膨胀十样在膨胀过程中电阻率结构特性指标的变化规律 建立描述膨胀士 膨胀改 良十在膨胀过程中结构变化的电阻率评价方法 顾明芬 2 0 0 5 2 7 1 等采用电阻率测试技术 通过测试 水泥十在强度增长以及压缩过程中的竖向 水平向电阻 探求水泥土在强度增长过程和压缩过程中 电阻率特性参数 平均结构因子f 平均形状因子厂以及各向异性系数彳变化的基本规律 分析了f a 与水泥土物理力学特性之间的关系 证实了这3 个参数能对 十的结构性进行定量分析 席培胜 2 0 0 7 t 2 8 1 等通过对电阻率以及表征水泥十微观结构的结构因子 形状因子和各向异性指数的定量分 析 阐述了水泥十搅拌桩在水平方向和沿桩身方向的均匀性 通过与搅拌桩桩身标贯击数和无侧限 抗压强度等宏观力学指标对比 验证了利用电阻指标评价水泥十搅拌桩搅拌均匀性的科学性与可行 性 东南大学硕 l 二学位论文 曾卫东 2 0 0 2 1 2 9 l 等对有机质的结构特点在水泥土体系中的影响进行了研究 从微观结构来看 有机质颗粒比大多数枯十矿物颗粒还要小 呈圆粒状 分子结构不紧密 具有絮凝状结构且微孔隙 发育 颗粒问呈链状连结而成集粒 有机质的结构特征在相当程度上决定了其持水性和吸附性都很 强 有机质颗粒吸附于水泥颗粒及粘十颗粒表面 阻碍和延缓了水泥水化产物的生成及水泥水化产 物与粘土颗粒之间的作用 而且有机质为酸性体 颗粒带负电 且具有比粘土矿物颗粒更发育的双 电层 这些因素阻碍了水泥土的加同作用 导致水泥土的强度较低 水泥加同软r 七的效果较差 1 5 有机质对水泥土工程性质的影响研究现状 1 5 1 有机质对水泥土工程物理性质影响的研究 b u s h 和k e i l e r 1 9 8 1 1 3 2 j 通过对不同有机质含量土的基本性质进行试验 发现土的液 塑限随着土 中有机质含量的增加会增大 b o o t h 和d a h l 1 9 8 6 i 弱i 等人通过进一步研究发现 只有当土中的有机质 含量到达一定量时 土的液 塑限才会随着有机质含量的增加而增大 根据b o o t h 和d a h l 的研究 对液 塑限有者显著影响的最小有机质含虽为3 4 李生林 1 9 9 4 i 删等人的研究认为影响软土 性质的有机质除了腐殖酸之外 微生物也是土中的有机质重要组成部分 并把它们总称为蛋白质 在此基础上通过试验得出随着十中蛋白质总量的增加十的液 塑限会增大 压缩性也会随着蛋白质 总量的增高而明显增大 而i 十的抗剪强度随着蛋白质的增加而迅速下降 刘增永 2 0 0 5 1 3 s i 通过室内 试验 将有机质与杭州某j r 地的粘土配制成不同有机质含量的土 进行液塑限试验 讨论了有机质 含量与土的液塑限 塑性指数之间的关系 以及有机质含量与十的干密度之间的关系 得剑以下结 论 塑限随有机质含量的增加而增加 塑限与有机质含量成线性关系 液限随有机质含量的增 加而增加 并且增长幅度越来越大 液限与有机质含最的关系可用指数型函数表示 有机质的增 加 塑性指数也随之增大 当有机质含量相同时 土的干密度随含水量的增加而减少 当含水量相 同时 土的干密度随有机质含量的增加而减少 1 5 2 有机质对水泥土强度的影响研究 林琼 1 9 9 3 1 3 6 j 等研究发现 有机质组成中影响水泥土无侧限抗压强度的主要成分为富里酸 研 究发现 软土中有机质含量大于1 时 单用水泥加同效果较差 当有机质淤泥中富里酸含量接近 2 时应慎用 k k u j a l a 9 9 6 1 3 7 i 等研究了土中腐殖质对士体固化效果的影响 天然土的腐殖质含量越高 特别 是当选用水硬性胶凝材料为同化剂的时候 固化土所能达到的强度就越低 他们提出 可以把士中 腐殖质的含量作为一个判断依据 当腐殖质的含量大于1 5 2 时 使用水硬性胶凝材料作为固化 剂的效果近于无 m a s a a k ig o t o h 1 9 9 6 3 8 研究了含水量 p h 值 烧失鼍 粘粒含量等十性对有机质水泥十强度的 影响 并得到了水泥用量随着不同的含水量 p h 值 烧失量 粘粒含量变化的修正公式 该公式为 i 程上获得较均匀的有机质加同十强度提供了计算公式 m i u r a 1 9 9 8 等i 四疑过大茸的试验 得剑有机质含最小于6 时 用年i 灰加同效果优于水泥加同 但当有机质含量超过8 时 水泥加f i i i i 比刚彳i 灰加岗效果好的结论 k p o u s e t t e 1 9 9 9 1 4 0 i 等通过室内试验 得到了泥炭十水泥加固强度随养护龄期增人而增人的结论 6 第一章绪论 并探讨了试块尺寸效应对水泥土加固强度的影响 并提出养护过程中通过加载预压试块提高水泥土 强度的方法 h a h n b e r g g h o l m 1 9 9 9 1 4 1 1 通过大量的室内试验研究了不同加固料的种类对有机质土加同强 度的影响 并得剑了泥炭十加同强度不仅受加同料的种类和数鼍的显著影响 而且还受养护温度及 养护条件的影响的结论 h 6 1 6 n et r e m b l a y 2 0 0 2 1 4 2 1 等认为 除了 七中有机质的含量这一因素 有机质成分的性质也对固化 土的强度产生重要影响 他们将1 3 种不同的有机质成分单一地加入到两种士中 并掺入1 0 的水泥 对其进行固化 测定固化土的不排水剪强度和孔隙溶液成分 试验结果表明 有机质中的有机酸成 分使得孔隙水溶液的p h 小于9 这严重影响了水泥水化产物的产生 导致固化强度极低 而有机质 中不溶于水的油类和碳氢化合物 o i l sa n dh y d r o c a r b o n s 只是延迟了水泥的水化反应 却并没有影响剑 水泥土的最终强度 他们提出 水泥土孔隙溶液的p 值和s 0 4 2 1 撇度能够很好的反应其闹化效果 当p h f 2 5 5 表5 1 5 不同f a h a 水泥十的孔隙面积率测量结果 表5 1 5 显示 随着f a h a 增加 孔隙面积率逐渐增加 这表明了随着富里酸含黄越高 水化产 物生成量越少 水泥十的孔隙率越大 结构越疏松 同样 在水泥土的搅拌过程中 随着f a h a 增 大 搅拌过程中产生的气泡越多 图5 8 孔隙面积率与富胡比的变化关系图 图5 8 是孔隙面积率与富胡比的变化关系图 从图中可以看出 孔隙面积率随富胡比增加呈指 数关系增加 通过数据拟合可以得到它们之间的定量关系 如式 5 2 所示 相关性系数为0 9 13 6 a 3 9 0 8 6 7 4 9 2 x0 7 7 r 5 2 式中 a f 为孔隙面积率 为富明比 5 3 3 等效直径 等效直径 e q u i v a l e n td i a m e t e r d l f 指与孔隙面积相等的等效圆的直径 表5 1 6 和表5 1 7 是通过 z p p 软件测量得到的不同有机质含鼍和不同f a h a 的水泥十的等效盥径 4 9 l 第五章有机质对水泥 影响的微观机理研究 表5 1 6 不同有机质含昔水泥 十的等效直径测鼍结果 等效直径范围 u m 8 9 1 2 5 41 3 4 9 7 61 1 1 1 4 2 8 1 0 6 1 8 9 5 i i 4 1 7 6 38 9 1 8 9 71 3 4 2 0 1 6 平均等效直径 u m 2 3 0 42 5 0 22 7 4 12 8 8 12 9 9 0 31 5 63 2 5 3 从表5 1 6 和表5 1 7 可以看出 随着有机质含量和富里酸在有机质中所占比例的增加 水泥土的 平均等效直径均呈增加的趋势 其中 随着有机质含量从2 5 5 增加至3 0 平均等效直径增加了 i 7 2 8 随着f a h a 0 增加至无穷 平均等效直径增加了4 1 2 图5 9 平均等效直径与有机质含量的关系图 图5 9 为平均等效直径与有机质含量的关系图 从图中可以看出 平均等效直径与有机质含量 呈指数关系 通过数据拟合可以得到它们的定量关系 如式 5 3 所示 相关性系数为0 9 6 9 0 眈 3 1 6 5 1 8 9 3 x 0 8 4 2 5 3 式中 p f 为孔隙面积率 口口为富胡比 0柚柏 1 0 0 v h 图5 1 0 平均等效直径与富胡比的关系图 图5 1 0 是平均等效直径与富胡比的变化关系图 从图中可以看出 平均等效直径随富胡比的增 5 0 m 忿 勰 眚 妇 售1 强硼荣筘嚣 东南大学硕 学位论文 加早指数关系增加 通过数据拟合可以得到它们之间的定量关系 如式 5 4 所示 相关性系数为 0 9 9 4 0 d l 4 8 7 5 1 一e x p 一7 2 7 6 6 4 9 1 一e x p 7 o 4 0 9 2 2 7 8 5 4 式中 玖为孔隙面积率 为富胡比 5 3 4 孔隙分布 孔隙分布指各孔径级别的孔隙所对虑的孔隙面积率 利用i p p 软件计算各个孔隙的直径以及相 应孔隙的面积率 根据计算结构可以得剑不同有机质含量和不同f a h a 的水泥土的孔隙分布曲线 图 5 1 1 5 1 2 a a o 2 5 5 e a o 1 5 5 l b a o 3 5 d a o 1 0 f a o 2 0 f 第五章有机质对水泥十影响的微观机理研究 术 v 筮 求 i 毯 g 搿 品 i 株 h 七 01 0 2 03 0 柏 8 07 0 a o9 01 1 1 0 1 1 1 伽1 m 1 2 孔隙等效直径 岫 g a o 3 0 图5 1 1 不同有机质含量的水泥土孔隙分布曲线 以d 菇表示小于某孔径的孔隙数量累计百分含量为9 5 对应的孔径 则通过图5 一1 1 和图5 1 2 可 以得到不同有机质含量和不同f a h a 水泥 十的西 如表5 1 8 和表5 1 9 所示 表5 1 8 不同有机质含量水泥士的咖 术 v 墨 求 髓 遴 露 g 堪 露 1 碟 m 出 v 筮 求 i 皿 殛 露 g 堪 砖 i 垛 h 孔隙等效直径 硼 孔隙等效亢径 恤 5 2 毋 v 筮 求 l 叮 遴 晶 g 蟪l 碚 1 椿 h 艺 筮 求 l 锤 鬲 g 艇 矗 1 球 抖 孔隙等效直径 唧 01 02 0 3 0 4 05 0 7 0 d 01 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 8 0 1 7 0 柚 孔隙等效文径c u a l 东南大学硕上学位论文 e e 蝴 彳f 刚悦4 o 图5 1 2 不同f a h a 的水泥土孔隙分布曲线 表5 1 9 不同f a h a 水泥十的d 9 5 根据图5 1 1 和图5 1 2 以及表5 1 8 和表5 1 9 可以发现 d 9 5 随着有机质含量和f a h a 的增加而呈 增大的趋势 这说明了水泥土