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鹽分環(huán)境人工軟黏土工程性質與宏微觀行為 版權信息
- ISBN：9787030690814
- 條形碼：9787030690814 ; 978-7-03-069081-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
鹽分環(huán)境人工軟黏土工程性質與宏微觀行為 內容簡介
本書著眼于近岸環(huán)境中，孔隙水鹽分對不同礦物構成的軟黏土工程性質的影響機制尚不明晰這一問題，開展孔隙水鹽分對人工軟黏土物理-力學性質的影響規(guī)律和宏微觀機制研究，是作者團隊近年來在該方面**研究成果的總結。全書包括5章，在介紹黏土礦物的物理化學性質和海相黏土形成過程的基礎上，重點展現(xiàn)鹽分環(huán)境中人工軟黏土的水理性質、固結特性、強度特性和本構模型4個方面的研究進展。
鹽分環(huán)境人工軟黏土工程性質與宏微觀行為 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及必要性 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究的必要性 6
1.2 黏土礦物學概述 8
1.2.1 黏土與黏土礦物 8
1.2.2 黏土礦物的晶體構造 9
1.2.3 黏土礦物的成因與分類 11
1.3 黏土礦物的物理化學性質 17
1.3.1 黏土的表面特性 17
1.3.2 黏土的膠體特性 26
1.3.3 黏土顆粒與水的相互作用 30
1.4 鹽分與軟黏土工程特性 34
1.4.1 鹽分與黏性土物理指標 34
1.4.2 鹽分與黏性土力學指標 36
1.4.3 鹽分影響?zhàn)ば酝亮W行為的機理 40
1.5 本書的主要內容 43
第2章 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的水理性質 45
2.1 典型黏土礦物與人工軟黏土 45
2.1.1 高嶺土與膨潤土 45
2.1.2 人工軟黏土礦物成分分析 46
2.2 粒徑分布 49
2.2.1 黏性土粒徑分布的分析方法 49
2.2.2 不同鹽分環(huán)境的粒徑分布 52
2.3 界限含水率 55
2.3.1 界限含水率與土-水相互作用 55
2.3.2 鹽分影響下的界限含水率 58
2.4 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的沉積特性 63
2.4.1 人工軟黏土的沉積試驗 63
2.4.2 人工軟黏土沉積速率和沉積類型 63
2.5 界限含水率與土的小應變剪切模量相關性 71
2.5.1 壓實土的小應變剪切模量測試 71
2.5.2 壓實土的總吸力測試 73
2.5.3 小應變剪切模量、總吸力與*優(yōu)含水率 75
2.6 鹽分對人工軟黏土膨脹力的影響 78
2.6.1 膨脹力測試方法 78
2.6.2 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的膨脹力與膨脹變形 80
2.7 鹽分環(huán)境中人工軟黏土干縮行為 85
2.7.1 土的干縮開裂 85
2.7.2 蒸發(fā)過程與裂縫特征 86
2.7.3 干濕循環(huán)后裂縫特征 91
2.8 鹽分環(huán)境中人工軟黏土表面電位 94
2.8.1 顆粒的表面電位與測試 94
2.8.2 Zeta 電位與黏粒絮凝 96
2.9 本章小結 98
第3章 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的固結特性 100
3.1 常規(guī)固結和滲濾固結 100
3.2 鹽分對常規(guī)固結參數的影響 101
3.2.1 人工軟黏土的壓縮指數 101
3.2.2 鹽分環(huán)境中人工軟黏土固結行為的歸一化特征 107
3.2.3 人工軟黏土的次固結過程 112
3.2.4 人工軟黏土的滲透系數 119
3.2.5 固結行為的鹽分效應機理 121
3.3 鹽分與滲濾固結耦合過程 124
3.3.1 滲濾固結過程模擬 124
3.3.2 鹽分淡化與鹽分積聚過程對比 126
3.3.3 滲濾-固結過程的土體結構演化 128
3.4 鹽分對固結過程中土體結構的影響 133
3.4.1 土體微觀結構分析方法 133
3.4.2 SEM 和MIP 試驗結果 136
3.5 本章小結 143
第4章 鹽分環(huán)境中人工軟黏土強度特性 145
4.1 固結不排水剪切試驗 145
4.1.1 三軸剪切試驗 145
4.1.2 試樣制備方法 146
4.1.3 試驗操作過程 152
4.2 鹽分環(huán)境中等向壓縮過程 153
4.2.1 超靜孔壓消散時間 153
4.2.2 等向壓縮的特征參數 157
4.3 鹽分環(huán)境中人工軟黏土抗剪強度 158
4.3.1 鹽分與抗剪強度 158
4.3.2 人工軟黏土的臨界狀態(tài) 166
4.4 本章小結 170
第5章 考慮鹽分效應的軟黏土本構模型 172
5.1 土的本構關系 172
5.1.1 彈塑性模型 172
5.1.2 修正劍橋模型 174
5.1.3 非飽和土本構模型 177
5.1.4 鹽分相關力學模型研究進展 181
5.2 考慮鹽分作用的人工軟黏土本構模型 190
5.2.1 基本假定 190
5.2.2 屈服函數與硬化參數 196
5.2.3 彈塑性本構方程 197
5.2.4 模型驗證與參數影響 199
5.3 數值模擬算例 206
5.3.1 建模方法 206
5.3.2 算例概況 207
5.3.3 基本計算原理 209
5.3.4 計算結果 212
5.4 本章小結 219
參考文獻 220
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及必要性 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究的必要性 6
1.2 黏土礦物學概述 8
1.2.1 黏土與黏土礦物 8
1.2.2 黏土礦物的晶體構造 9
1.2.3 黏土礦物的成因與分類 11
1.3 黏土礦物的物理化學性質 17
1.3.1 黏土的表面特性 17
1.3.2 黏土的膠體特性 26
1.3.3 黏土顆粒與水的相互作用 30
1.4 鹽分與軟黏土工程特性 34
1.4.1 鹽分與黏性土物理指標 34
1.4.2 鹽分與黏性土力學指標 36
1.4.3 鹽分影響?zhàn)ば酝亮W行為的機理 40
1.5 本書的主要內容 43
第2章 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的水理性質 45
2.1 典型黏土礦物與人工軟黏土 45
2.1.1 高嶺土與膨潤土 45
2.1.2 人工軟黏土礦物成分分析 46
2.2 粒徑分布 49
2.2.1 黏性土粒徑分布的分析方法 49
2.2.2 不同鹽分環(huán)境的粒徑分布 52
2.3 界限含水率 55
2.3.1 界限含水率與土-水相互作用 55
2.3.2 鹽分影響下的界限含水率 58
2.4 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的沉積特性 63
2.4.1 人工軟黏土的沉積試驗 63
2.4.2 人工軟黏土沉積速率和沉積類型 63
2.5 界限含水率與土的小應變剪切模量相關性 71
2.5.1 壓實土的小應變剪切模量測試 71
2.5.2 壓實土的總吸力測試 73
2.5.3 小應變剪切模量、總吸力與*優(yōu)含水率 75
2.6 鹽分對人工軟黏土膨脹力的影響 78
2.6.1 膨脹力測試方法 78
2.6.2 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的膨脹力與膨脹變形 80
2.7 鹽分環(huán)境中人工軟黏土干縮行為 85
2.7.1 土的干縮開裂 85
2.7.2 蒸發(fā)過程與裂縫特征 86
2.7.3 干濕循環(huán)后裂縫特征 91
2.8 鹽分環(huán)境中人工軟黏土表面電位 94
2.8.1 顆粒的表面電位與測試 94
2.8.2 Zeta 電位與黏粒絮凝 96
2.9 本章小結 98
第3章 鹽分環(huán)境中人工軟黏土的固結特性 100
3.1 常規(guī)固結和滲濾固結 100
3.2 鹽分對常規(guī)固結參數的影響 101
3.2.1 人工軟黏土的壓縮指數 101
3.2.2 鹽分環(huán)境中人工軟黏土固結行為的歸一化特征 107
3.2.3 人工軟黏土的次固結過程 112
3.2.4 人工軟黏土的滲透系數 119
3.2.5 固結行為的鹽分效應機理 121
3.3 鹽分與滲濾固結耦合過程 124
3.3.1 滲濾固結過程模擬 124
3.3.2 鹽分淡化與鹽分積聚過程對比 126
3.3.3 滲濾-固結過程的土體結構演化 128
3.4 鹽分對固結過程中土體結構的影響 133
3.4.1 土體微觀結構分析方法 133
3.4.2 SEM 和MIP 試驗結果 136
3.5 本章小結 143
第4章 鹽分環(huán)境中人工軟黏土強度特性 145
4.1 固結不排水剪切試驗 145
4.1.1 三軸剪切試驗 145
4.1.2 試樣制備方法 146
4.1.3 試驗操作過程 152
4.2 鹽分環(huán)境中等向壓縮過程 153
4.2.1 超靜孔壓消散時間 153
4.2.2 等向壓縮的特征參數 157
4.3 鹽分環(huán)境中人工軟黏土抗剪強度 158
4.3.1 鹽分與抗剪強度 158
4.3.2 人工軟黏土的臨界狀態(tài) 166
4.4 本章小結 170
第5章 考慮鹽分效應的軟黏土本構模型 172
5.1 土的本構關系 172
5.1.1 彈塑性模型 172
5.1.2 修正劍橋模型 174
5.1.3 非飽和土本構模型 177
5.1.4 鹽分相關力學模型研究進展 181
5.2 考慮鹽分作用的人工軟黏土本構模型 190
5.2.1 基本假定 190
5.2.2 屈服函數與硬化參數 196
5.2.3 彈塑性本構方程 197
5.2.4 模型驗證與參數影響 199
5.3 數值模擬算例 206
5.3.1 建模方法 206
5.3.2 算例概況 207
5.3.3 基本計算原理 209
5.3.4 計算結果 212
5.4 本章小結 219
參考文獻 220
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鹽分環(huán)境人工軟黏土工程性質與宏微觀行為 節(jié)選
第1章緒論 1.1 研究背景及必要性 1.1.1 研究背景 江蘇沿海地區(qū)處于我國沿海、長江和隴海蘭新線三大生產力布局主軸線的交會區(qū)域，包括連云港、鹽城和南通三市所轄全部行政區(qū)域，陸域面積3.25 萬km2 ，海岸線長954 km，地區(qū)生產總值和人均地區(qū)生產總值高于全國平均水平。根據《江蘇省國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，江蘇沿海區(qū)域再次進入開發(fā)高潮，江蘇北部地區(qū)的高速公路及各種類型的工業(yè)民用建筑的建設日趨增多，而這些構筑物常常不得不建于不良軟黏土地基上。在這一地區(qū)修建的鐵路和高速公路，都曾出現(xiàn)過路基沉降過大、橋頭錯臺、路基開裂、路基滑移等問題[1-3]。因此，該地區(qū)海相軟黏土的研究對我國沿海地區(qū)的工程建設具有重要的意義。 海相軟黏土廣泛分布于世界各地，北美大陸海相黏土以加拿大尚普蘭湖軟黏土（Champlain clay ）為代表[4]，挪威和瑞典高靈敏度黏土（quick clay ）是北歐大陸頗具代表性的軟黏土[5]，亞洲地區(qū)較為常見的有日本左賀地區(qū)的有明黏土（Ariake clay）[6]、新加坡軟黏土、泰國曼谷軟黏土[7]及中國東南沿海地區(qū)海相黏土等[8]。易敏和章定文[9]調查了江蘇北部海相軟黏土的基本物理力學指標分布特征、抗剪強度特性、固結變形特性及蠕變特性，研究發(fā)現(xiàn)以連云港為代表的海相軟黏土具有高含水率、高液限、低強度、高壓縮性、高靈敏度、低滲透性等特點，含水率（w =37.1%～87.4%）、孔隙比（e =1.041～2.173）、液限（wL=28.4%～66.7%）、壓縮系數（a1-2=0.4～2.88 MPa-1）都比大部分沿海軟黏土高，因此江蘇北部海相軟黏土的壓縮沉降量大，排水固結緩慢，地基穩(wěn)定性差。江蘇北部海相軟黏土，以連云港地區(qū)為代表，具有蒙脫石族礦物含量高、孔隙水鹽分濃度高的特點，可能是其工程性質與一般黏性土具有一定差異的原因。 我國海相軟黏土大多數形成于第四紀全新世以后，受多次海侵、海退的影響，形成以濱海相沉積為主的淤泥、淤泥質地層[8]。江蘇連云港位于魯中南丘陵與淮北平原的結合部，整個地勢自西北向東南傾斜，平均海拔1～4 m，密布大中小河流和渠道，在地質歷史中廣泛沉積了一層灰-灰綠色流塑淤泥及淤泥質黏土的軟黏土[9]。距今6 000 年前，海岸線位置基本與現(xiàn)在一致，此后的海侵使海岸線向內陸推進，距今5000 年前達到灌云、阜寧、鹽城一線，開始了海相黏土層的底部沉積。隨著海岸線向內陸推進，沉積環(huán)境由陸相沉積轉變?yōu)楹┏练e后，繼而轉變?yōu)闇\海沉積。海灘沉積以砂為主，石英、長石等大顆粒原生礦物為主要代表。隨著海水逐漸變深，陸源碎屑物搬運到此處的距離加大，沉積顆粒逐漸變細，且黏土礦物含量逐步增加，*后形成以黏土沉積為主的海相軟黏土層，沉積過程如圖1.1 所示。*終，隨著第四紀新構造運動、河流作用、海侵地質作用形成了一層廣泛分布的典型的以海積作用為主，以沖海積、殘坡積為輔的軟黏土層，其典型地質縱斷面如圖1.2 所示，包括硬殼層、軟土層和下臥層（亞黏土夾粉砂）。 圖1.1 連云港海相軟黏土沉積過程示意圖[8] 圖1.2 連云港軟黏土典型工程地質縱斷面示意圖[9] 李國剛[10]使用X 射線衍射的方法分析了中國近海表層沉積物中黏土礦物的組成和分布，其中蒙脫石含量如圖1.3（a）所示。從圖1.3（a）可以分析得出，距離海岸線越遠，蒙脫石含量越低，江蘇地區(qū)近海表層沉積物中蒙脫石族含量在18%以上。許多學者對江蘇沿海黏土的礦物構成和來源進行了研究，結果一致認為蘇北沿海主要黏土礦物為伊利石、蒙脫石、高嶺石和綠泥石，與海區(qū)黏土礦物相似，并得到相似的變化趨勢[11-16]。根據黏土礦物的變化趨勢，我國東部沿海可劃分為北、中、南三個沉積區(qū)：北部古黃河口外區(qū)伊利石和蒙脫石含量相對高，蒙脫石含量為21%～22%；中部為輻射狀沙脊群區(qū)，沉積物多是粗粒徑的細砂和粉砂，蒙脫石含量為8%～18%；南部為長江北口至輻射狀沙脊群以南，高嶺石含量較高，蒙脫石含量*低，為5.18%，整體蒙脫石礦物含量由北向南逐漸減少。根據我國沿海地區(qū)礦物成分的變化特征，有必要對不同礦物構成的黏性土進行研究，以探究其工程性質的差異及礦物成分在其中所起到的作用。 圖1.3 黏土礦物和地下水礦化度分布 根據《江蘇省水文地質圖》獲得的礦化度等值曲線[圖1.3（b）]顯示，距離海岸線越近，礦化度越高，孔隙水中的可溶鹽中以NaCl 為主。鄧永鋒等[18]對距海岸線不同距離處的兩條公路（連臨高速公路與臨海高等級公路）進行多孔原位勘察和測試，并選取離海岸線50 m 處和離海岸線30 km 處兩個取樣點，分析兩個場地5 m 深度處土體的離子濃度等主要參數。表1.1 是取樣點的土體物理性質對比，結果表明兩者基本物理性質相近，孔隙比大于1.5，且含水率基本大于液限。 表1.2 是兩個取樣點土體礦物成分X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）的半定量分析結果，從總礦物和黏土成分分析，取樣點土體的次生礦物以伊蒙混層為主，分別占20%和30% 。對兩個取樣點的土樣孔隙水進行取樣分析，見表1.3 。結果表明孔隙水化學成分以Na+和Cl-兩種離子為主，1#點位孔隙水的總含鹽量為4.9%，而2#點位孔隙水的總含鹽量約為0.09%，二者含鹽量差值接近50 倍。 表1.1 取樣點的土體物理性質[18] 表1.2 取樣點的土體礦物成分[18] 表1.3 取樣點的孔隙水化學成分[18] 通過孔壓靜力觸探試驗（piezocone penetration test，CPTU）將兩個點位的1.5～10.5 m 對應深度的凈錐尖阻力（qt）、側壁摩阻力（fs）、孔壓（u2）、摩阻比（fs/qt）和孔壓系數（Bq）進行對比，如圖1.4 和圖1.5 所示。結果表明1#點位的凈錐尖阻力、孔壓和孔壓系數較2#點位的大，側壁摩阻力與摩阻比則正好相反。根據任美鍔[13]和葉青超[19]對該地區(qū)沉積歷史的研究，臨海高等級公路所在區(qū)域成陸較晚，但試驗結果卻表明后成陸處軟黏土的強度較先成陸的地區(qū)大，且天然含水率、液限與含水率的比值、礦物成分（伊蒙混層為主）含量等都較為接近。經過多種因素比對，推測孔隙水鹽分變遷是導致土體工程性質差異的原因，因而鹽分引起的黏性土力學性質的改變也越來越受到學術界的關注。 圖1.4 連云港地區(qū)現(xiàn)場CPTU 試驗結果[18] 圖1.5 連云港地區(qū)現(xiàn)場CPTU 試驗參數對比[18] 1.1.2 研究的必要性 目前，孔隙水的化學成分和力的耦合作用在巖土工程研究中日益引起重視，如使用黏土隔離墻或防滲層對污染土隔離和核廢料深埋處置時均需考慮孔隙水鹽分效應[20]。在地基基礎的建設過程中，鹽分變化對一些特殊土的工程性質的影響越來越引起關注，以濕陷性黃土為例，黃土中存在大量可溶鹽，當黃土的含水率較小時，易溶鹽處于微晶體狀態(tài)，附著在土顆粒表面，起到一定的膠結作用，受水浸濕后，易溶鹽溶解，這部分結構強度消失，土體產生濕陷[21]。對于由工礦業(yè)的污染和海水入滲形成的鹽漬土，土中含鹽量增加，則液塑限降低，工程性質發(fā)生改變；同時鹽漬土在鹽分較高時，具有較高的強度，但鹽分溶脫后，強度降低[22]。工程設計一般依據現(xiàn)有鹽分狀態(tài)下土樣指標或原位測試指標，并未考慮鹽分變化使土體工程性質產生變異有可能為工程帶來潛在的危害，如邊坡失穩(wěn)、地基承載力降低、變形或差異變形加大等。加拿大和瑞典等地學者通過現(xiàn)場調研，報道了鹽分變化后軟黏土地基上的公路變形加大、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象[6，22]。海水具有較高的鹽分，在高鹽分環(huán)境下細顆粒的沉積呈絮凝結構[23]，同時沉積的速度較快，形成了高壓縮性和高靈敏度的特點。Bjerrum[24]提出由于人類活動和降雨，高鹽分的黏土在緩慢的淋濾作用下，孔隙水鹽分逐漸變淡，從而引起抗剪強度的降低和靈敏度的升高，形成了北歐大陸的高靈敏度黏土，主要過程如圖1.6 所示。 圖1.6 海相黏土淋濾過程示意圖[24] 要解決江蘇北部地區(qū)基礎設施建設中出現(xiàn)的相關問題，就必須對礦物成分、孔隙水鹽分在軟黏土物理力學特性中所起的作用有一個全面系統(tǒng)的認識，而目前國內關于鹽分對不同礦物構成的黏性土的物理力學行為和本構關系的系統(tǒng)研究較少。因此，開展孔隙水鹽分對黏土與黏土礦物的化學作用機理的研究，明晰鹽分濃度、礦物成分與土體物理性質、固結壓縮特性和抗剪切強度的關系，具有重大的意義。
鹽分環(huán)境人工軟黏土工程性質與宏微觀行為 作者簡介
鄧永鋒，男，1978年出生，福建清流人，博士，東南大學教授、博士生導師。1999年7月畢業(yè)于重慶交通大學港口與航道工程專業(yè)，獲工學學士學位。2002年3月畢業(yè)于東南大學巖土工程專業(yè)，獲工學碩士學位。2005年6月畢業(yè)于東南大學道路與鐵道工程專業(yè)，獲工學博士學位，并獲得2007年度江蘇省很好博士學位論文。圍繞“軟土工程學”這個主題，重點開展地質環(huán)境變遷過程中土體工程特性演化、特殊土改性與地基處理和土工測試技術與地下結構工程三個方向的研究。目前主持科技部重點研發(fā)計劃項目課題1項，國家自然科學基金項目4項、其他省部級以上項目10余項。在Canadian Geotechnical Journal, Soils and Foundations, Engineering Geology等期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，EI論文80余篇，授權國家發(fā)明10余項。
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