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固结条件下上海软土微观特征研究

更新时间:2009-03-28

软土具有天然含水量高、压缩率高、剪切强度低、固结系数小等特点,在施工过程中具有较大的安全风险[1]。大量的研究和实践证明,软土的工程性质很大程度上取决于诸如颗粒形状、分布、连接方式、孔隙尺度及孔隙率等微观结构及其变化规律[2-3]。梁仕华等[4]验证了土样在沉降、沉降速率和孔压消散方面与线性固结理论的符合性。Hicher等[5]对土团粒的大小、形状变化、组成土团粒的单元定向分布及土体压缩过程中的各向异性等进行了分析。 张先伟等[6]通过SEM试验观察到土在平行沉降方向表现为絮凝结构,而垂直沉降方向呈堆叠结构。Zhang Jiru等[7]提出一种预测土体微结构固结变形的新模型。孔令荣等[8]认为上海淤泥质粘土孔隙多以团粒内在的孔隙和颗粒间的孔隙为主。但目前缺少考虑软土在高压固结条件下的孔隙微观特征,且SEM试验中扫描放大倍数较低,因此,本文以上海淤泥质软土为研究对象,通过采用多个放大倍数的SEM试验对固结过程中0至3 200 kPa高压水平下的孔隙微观结构特征及变化规律进行定量分析,阐述土体孔隙受力变化的规律,进而揭示土体发生变形的机理。

将不同期数据进行空间叠加分析,获得土地利用的变化数据,生成土地利用转移矩阵;运用单一土地利用类型动态度[14]和综合土地利用动态度[15]分析土地利用的动态变化情况。单一土地利用类型动态度可求出土地利用类型的面积年变化率[16],其公式为:

1 宏微观试验方案

试验土样取自上海市浦东新区某工地第4层土,取土深度10 m。其基本物理力学性能如表1所示。

 

表1 土体基本物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of soil

  

重度γ/(kN·m-3) 孔隙比e 含水率ω/%17.25 1.28 46.63比重Gs 液限ωL/% 塑限ωP/%2.70 49.65 23.47

1.1 宏观固结试验

采用单向压缩高压固结仪,以标准固结试验方案为基准,压力级由小到大设为12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。其中前两级为预压力。为了减小原始土样之间固有的差异性,试验中每一级压力下设定三组平行试验。

1.2 微观SEM试验

微观试验采用FEI.Sirion200高分辨率场发射扫描电镜进行分析。每一压力级下,扫描试样取与固结加压方向平行的断面约4 mm左右薄片(图1)。分别采用×2 000、×5 000、×10 000、×20 000和×50 000的放大倍数进行观测和拍摄。

  

图1 扫描方向示意图Fig.1 Diagram of scan direction

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试样制备需在每一级压力加载结束后,待24 h变形稳定,将土样取出,采用真空冷冻干燥法进行制样[9]。首先用钢丝锯在固结土样的中间部位切取毛坯样,然后用切土钢刀切成2 cm×0.5 cm×0.5 cm的长条,将切取的土条放在-196℃液氮中进行快速冷冻15 min,再将土样放到冷冻真空干燥仪中保持-45℃低温状态真空干燥24 h,使土样既干燥又不变形保持原始结构形态。冻干之后,将土样小心掰断,获得未受扰动的断面,作为电镜扫描的观察面,并用洗耳球吹去试样表面的扰动颗粒。

试样扫描结束后需对得到的SEM 图像进行二值化处理,进行孔隙和颗粒的识别;然后将二值化图像上的信息提取并转化为基础的量度参数,最后对定量化的结构参数进行研究分析。图像经过处理后便可得到表征土样孔隙尺度特征的孔隙比、孔隙个数;表征孔隙形态特征的孔隙形状系数、表征孔隙排列特征的概率熵等统计定量结构参数。

2 宏微观试验结果分析

根据不同固结压力下获取的宏观试验数据及微观结构初始图像,从孔隙的尺度、分布、排列、形态等方面对土体固结过程微观结构特征变化进行分析,并研究微观结构参数与固结压力的相关性。

2.1 不同固结压力下微观结构的变化特征

图2为×10 000放大倍数下,试样在50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa固结压力的SEM图像。由图2可知,原状土呈现片状结构。具有一定的定向排列性,土颗粒形状呈不规则多边形,且颗粒间接触主要如鱼鳞片状通过面面接触,表面有较多小颗粒粘附。根据土颗粒粘结的微观结果组成形式。在50~200 kPa固结压力下,土体结构完整性较好,土颗粒主要为扁平状和团块状,孔隙逐渐发育。400 kPa下,大量小块状或片块状土颗粒粘连,颗粒间通过点面和线面接触,结构遭受损伤。800 kPa下,可以肉眼观察到裂隙发育,土颗粒间粘接性不强,结构空间排列有序性增强,土颗粒排列向水平向集中。1 600 kPa压力后,结构面扭曲变形,出现局部方向一致的褶皱状土粒层结构,孔隙被破碎小颗粒填充,结构损伤较大。上海第四层土不同固结压力下的结构示意图如图3所示。

2.2 孔隙比及孔隙个数的变化特征

图4为所有压力级下平行试验土样的压缩曲线。图5是五个放大倍数下土样扫描面孔隙比随固结压力的变化曲线。两图对比可知,在0~200 kPa固结压力下,宏微观试验下的孔隙比均随着固结压力的增长显著降低,压力大于200 kPa后,孔隙比均逐渐平缓减小,固结压力加载到1 600 kPa后,宏观试验下的孔隙比在0.520左右,微观试验下的孔隙比在0.560左右。宏微观实验得到的e-p曲线变化规律一致,且到达最终固结压力时,孔隙比相差0.04左右。说明微观结构参数能够反映宏观力学性能。

  

图2 不同固结压力下土样的 SEM 图像Fig.2 SEM images of soft soil under different pressures

  

图3 上海第四层软土不同固结压力下的结构示意图Fig.3 Soil structure of shanghai 4th clay under different pressure

  

图4 宏观试验下土的压缩曲线Fig. 4 Soil compression curve in macro test

由图5还可观察到,不同放大倍数下各级固结压力的孔隙比变化规律一致。放大倍数并不改变土的结构,但由于放大倍数增长,扫描范围缩小,土的微观图片的区域差异性越来越突出,所以不同放大倍数下的孔隙比也有相应的微小变化。

  

图5 微观试验下土的压缩曲线Fig.5 Soil compression curve in micro test

土样孔隙个数随固结压力的变化见图 6。随着固结压力的增大,孔隙个数先显著增加后平缓减少。在0~200 kPa 时,孔隙个数显著增加,这是因为孔隙不断破碎,较多大孔隙逐渐破碎成小孔隙;压力大于200 kPa 后,土粒相互靠拢、压紧,部分孔隙逐渐被挤密、消失,孔隙数减少。当压力加载至1 600 kPa时,孔隙个数随压力的增长已无明显变化。

由图6还可观察到,不同放大倍数下的孔隙个数不同。孔隙个数会随着扫描放大倍数的增加而下降,这是因为放大倍数越大,扫描的区域越小,区域中的孔隙个数也相应减小。

该病为一种排除性诊断。首先应排除各种原因所致的创伤、冻伤,这些均可导致局部瘀斑;其它的缺血性疾病也应当排除,如动脉栓塞导致的缺血、静脉血流出受损以及其它高凝状态所致的栓塞。华法林相关的紫趾综合征通常在华法林使用3~8周后发生,但开始治疗后的8h内就可能导致微循环栓塞[3];也有相关报道称,紫趾综合征在使用华法林1~10天后发生,在随后的2周进一步发展[2]。

2.3 形状系数的变化特征

形状系数用来描述孔隙的不规则程度,其公式为

 

1)初始图像的定性分析中,土颗粒在固结初期如鱼鳞片状通过面面接触,表面有较多小颗粒粘附。0~200 kPa固结压力下,孔隙不断发育,土颗粒增多,土颗粒间粘接性减弱;压力到达400 kPa下,结构完整性不断破坏,结构出现损伤。加载后期压力水平为1 600 kPa时,结构已出现较大损伤,颗粒间通过点面和线面接触,裂隙进一步发育,结构空间排列有序性增强,向水平方向集中。

模板、支架自重及施工荷载之和假定为P,根据力矩平衡原理,可得已浇筑节段对架体有反力作用;根据力的平衡原理可得,埋件所受拉力F和已浇筑节段对埋件的支承力相等。由此可对埋件系统抗拉及架体对已浇筑节段混凝土的局部抗压进行验算[1]。对此进行分析的目的在于确定施工荷载,由此对施工技术人员进行交底,主承重架及爬模各施工平台的总施工荷载必须小于安全值,同时在施工过程中要做好监督检查。

 

式中:n为孔隙数量,F值越大代表土样的整体孔隙特征越圆滑,F值越小则孔隙越狭长。

图7为5个放大倍数下土样孔隙平均形状系数随固结压力的变化曲线。由图 7可见:各放大倍数下的孔隙平均形状系数变化具有一定的规律性。当固结压力在0~200 kPa时,平均形状系数随着固结压力的增加显著增长,表明在固结初期,孔隙形状变化较大,对压力的敏感度大,在较小压力范围内孔隙已较为圆滑。当固结压力到达400 ~800 kPa后,平均形状系数增速放缓,曲线到达拐点,当加载至1 600 kPa时曲线逐渐趋于平缓,表明孔隙的形状系数到达一定值后,对压力的敏感度降低,固结压力的作用更多的是使其空间排列越紧密。

  

图6 孔隙个数随固结压力的变化Fig.6 Variation of pore number on pressure

  

图7 孔隙平均形状系数随着固结压力的变化Fig.7 Variation of average form factor on pressure

2.4 概率熵的变化特征

概率熵[10]是用来反映土体微观结构排列有序性的微观参数。其定义为

 

[3]薛 茹,胡瑞林,毛灵涛.软土加固过程中微结构变化的分形研究[J].土木工程学报,2006,39(10):87-91.

在临床上,糖尿病是一种常见的多发病,其中以2型糖尿病最为多见,占比约为95%左右。针对此类患者,临床单独采用胰岛素加以治疗时,无法有效控制其血糖水平[1]。而作为一种噻唑烷二酮类降糖口服药,吡格列酮可保护胰岛β细胞,且可增加胰岛素敏感性,因而可发挥有效的血糖控制效果[2]。因此本文随机抽取我院收治的80例糖尿病患者,随机分为2组,各40例,即对糖尿病采用二甲双胍与吡格列酮联合治疗的临床价值做了探讨,现报道如下。

3 结论

式中:S为孔隙包含的区域面积,C为相应区域的周长。单个孔隙的形状系数没有意义,故需采用平均形状系数统计分析土样的孔隙特征。平均形状系数的计算公式为

参考文献:

  

图 8 孔隙概率熵随着固结压力的变化Fig. 8 Variation of probability entropy on pressure

3)在固结压力的作用下,孔隙的形状逐渐圆滑,空间排列越加紧密。加载初期0~200 kPa下,平均形状系数显著增加;压力大于400 kPa后,平均形状系数上升逐渐缓慢;压力到达1 600 kPa后,其平均形状系数逐渐趋于定值。

3.1.1 “农业+科技创新”:创新多功能模式,打造特色种植产业 农业发展的根本出路在于科技进步,而科技作为当代农业生产的第一要素及重大生产力,发展农业必须规划立足农业科技之根本,优化产业结构,加强产业间的关联性,建立新型农业产业化试验基地,加大先进科技的融入与引用,加快田园综合体的产业融合,更快实现绿色、高效的生产与发展。

4)固结压力对土体的排列特征影响明显。随着固结压力增大,概率熵逐渐减小,孔隙的定向性增强,孔隙的排列更加有序。当固结压力达到1 600 kPa后,概率熵逐渐平缓,表明土样孔隙位置的排列及分布已相对稳定。

图8为各放大倍数下土样孔隙概率熵随着固结压力的变化曲线。当固结压力在0~200 kPa时,概率熵显著降低。压力到达200 kPa后,概率熵均逐渐减小,表明孔隙排列的定向性逐渐增强。因为在固结压力作用下,颗粒不断地移动以调整结构,使其逐渐向新的平衡状态发展。加载后期压力达到1 600 kPa后,孔隙个数概率熵逐渐平缓,表明土样结构已到达新的平衡状态,孔隙位置的排列及分布已相对稳定。

2)固结压力将显著改变土体的孔隙尺度特征。土体在固结压力的作用下孔隙体积减小,土体密实度增大。固结初期0~200 kPa下,孔隙比先急剧降低后缓慢下降,孔隙个数先显著增加后逐渐下降,表明孔隙的尺度特征加载初期对固结压力敏感度较高,加载后期,孔隙个数随压力增长无明显变化。

[1]周翠英,牟春梅.珠江三角洲软土分布及其结构类型划分[J].中山大学学报:自然科学版,2004,3(6): 81-84.

[2]谢晓华,周永章,张澄博,等.珠三角饱和软土固结过程中微观孔隙结构的演化规律[J].桂林理工大学学报,2010,30(3):368-373.

式中,H为概率熵,Pi为孔隙在某一方位区间的定向角分布概率,n为方位区间的总数。概率熵的取值在0到1之间,当H取值为1时,说明孔隙定向角在各方向上的分布概率相同,当H为0时,孔隙只朝某一个方向分布。

2.安全原则,即保护原则,这是企业税收策划的基本原则。会计和会计记录是对税务征税的依据,没有记录,税收策划可能被取消或折扣。

[4]梁仕华,齐 添,谢康和,等.超固结土的一维固结理论及其试验研究[J].应用力学学报,2009,26(2):268-273.

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[9]张先伟,孔令伟,郭爱国,等.基于SEM和MIP试验结构性黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律[J].岩石力学与工程学报,2012,31 (2):406-412.

这里,,,, 考虑ε≪1, 连续性方程和N-S方程将以围绕基本流场线性化, 得到三维线性稳定性方程如下:

[10]施 斌.粘性土击实过程中微观结构的定量评价[J].岩石工程学报,1996,18(4):57-62.

“师严然后道尊,道尊然后民之敬学”“附手、高揖、拜”简单的揖礼三拜将“自强不息、厚德载物、孝亲尊师”的传统经典植根于中和学子的心中。学生行儒家拜师束脩六礼对孩子们来说更是一次意义非凡的体验与荣耀,中和学子会随着阅历的增加,逐渐领悟,体知其中的微言大义。

 
李越,孙红,葛修润
《河北工程大学学报(自然科学版)》2018年第01期文献

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