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黃土三維微結構(精) 版權信息
- ISBN：9787030714619
- 條形碼：9787030714619 ; 978-7-03-071461-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
黃土三維微結構(精) 本書特色
黃土的宏觀物理力學特性和工程性質受其內部微結構特征的影響，主要有顆粒和孔隙的尺寸、形貌、定向，以及顆粒間排列組合與接觸關系等。
黃土三維微結構(精) 內容簡介
黃土是一種結構性、水敏性和地震易損性很好強烈的巖土類顆粒材料，具有干燥時堅硬、遇水后軟化、擾動下強度急劇降低等特殊的工程性質。黃土的宏觀物理力學特性和工程性質受其內部微結構特征的影響，主要有顆粒和孔隙的尺寸、形貌、定向，以及顆粒間排列組合與接觸關系等。在荷載作用或復雜環境條件下，黃土的物理力學行為與其內部顆粒和孔隙的變化、微結構體系能量耗損和自適應調整能力等息息相關。研究黃土微結構特征及其變化規律有利于更深入地了解黃土的工程性質及其宏觀災變的內在物理機制。本書主要內容包括：黃土微結構研究現狀及進展、研究方法和觀測技術；基于連續切片技術的黃土三維微結構觀測和分析方法；黃土三維微結構指標體系及定量表征；黃土微結構的區域變化規律；剪切荷載作用下黃土微結構特征；水－力作用下黃土微結構演化及微觀濕陷機制。 本書可供巖土工程、地質工程領域的工程技術人員，以及高等院校研究生和科研院所科研人員參考。
黃土三維微結構(精) 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 微結構研究的意義 1
1.2 黃土微結構的探索歷程 2
1.3 研究現狀及進展 3
1.3.1 黃土微結構表征 3
1.3.2 黃土微觀災變機制 6
1.4 現有研究不足 7
第2章 黃土微結構研究方法和觀測技術 9
2.1 黃土微結構的研究方法 9
2.2 主要觀測技術 10
2.2.1 偏光顯微鏡 11
2.2.2 掃描電子顯微鏡 11
2.2.3 壓汞法 14
2.2.4 計算機斷層掃描 15
2.3 小結 16
第3章 基于連續切片技術的黃土三維微結構觀測和分析方法 17
3.1 試樣制備和觀測技術 17
3.1.1 試樣干燥 17
3.1.2 試樣嵌固 19
3.1.3 研磨與拋光 20
3.1.4 連續切片觀測 21
3.2 三維微結構模型建立 22
3.2.1 圖像處理 22
3.2.2 三維微結構建模 25
3.3 小結 29
第4章 黃土三維微結構指標體系及定量表征 31
4.1 黃土三維微結構定量化指標體系 31
4.2 顆粒指標與表征 32
4.3 孔隙指標與表征 36
4.4 排列與接觸 38
4.5 黃土微結構類型 39
4.6 小結 41
第5章 黃土微結構的區域變化規律 42
5.1 馬蘭黃土三維微結構特征及區域變化規律 42
5.1.1 研究方案 42
5.1.2 顆粒特征及區域變化規律 44
5.1.3 孔隙特征及區域變化規律 52
5.1.4 微結構特征及區域變化規律 57
5.1.5 馬蘭黃土微結構特征探討 58
5.2 不同黃土地層三維微結構特征及變化規律 59
5.2.1 白鹿塬黃土微結構特征 59
5.2.2 洛川黃土微結構特征 66
5.3 小結 77
第6章 剪切荷載作用下黃土微結構特征 79
6.1 環剪條件下黃土微結構破壞特征 79
6.1.1 試驗方法 79
6.1.2 試樣剪切破壞模式 82
6.1.3 試樣剪切破壞微觀特征 83
6.2 三軸剪切作用下黃土微結構變化特征 86
6.2.1 試驗方法 86
6.2.2 局部孔隙率空間分布 88
6.2.3 孔隙特征三維定量分析 89
6.2.4 顆粒特征三維定量分析 101
6.2.5 三維微結構參數敏感度分析 105
6.3 小結 107
第7章 水-力作用下黃土微結構演化及微觀濕陷機制 109
7.1 水-力作用下黃土微結構演化 109
7.1.1 微型土樣水-力加載試驗 109
7.1.2 黃土濕陷過程中顆粒的運動學特征 112
7.1.3 黃土濕陷過程中孔隙結構的演化特征 116
7.2 黃土的水化學反應分析 120
7.2.1 黃土物質組成 120
7.2.2 黃土中的可溶鹽 125
7.2.3 不同極性溶劑對黃土濕陷性的影響 126
7.3 黃土濕陷的微觀機理 130
7.4 小結 131
參考文獻 133
前言
第1章 緒論 1
1.1 微結構研究的意義 1
1.2 黃土微結構的探索歷程 2
1.3 研究現狀及進展 3
1.3.1 黃土微結構表征 3
1.3.2 黃土微觀災變機制 6
1.4 現有研究不足 7
第2章 黃土微結構研究方法和觀測技術 9
2.1 黃土微結構的研究方法 9
2.2 主要觀測技術 10
2.2.1 偏光顯微鏡 11
2.2.2 掃描電子顯微鏡 11
2.2.3 壓汞法 14
2.2.4 計算機斷層掃描 15
2.3 小結 16
第3章 基于連續切片技術的黃土三維微結構觀測和分析方法 17
3.1 試樣制備和觀測技術 17
3.1.1 試樣干燥 17
3.1.2 試樣嵌固 19
3.1.3 研磨與拋光 20
3.1.4 連續切片觀測 21
3.2 三維微結構模型建立 22
3.2.1 圖像處理 22
3.2.2 三維微結構建模 25
3.3 小結 29
第4章 黃土三維微結構指標體系及定量表征 31
4.1 黃土三維微結構定量化指標體系 31
4.2 顆粒指標與表征 32
4.3 孔隙指標與表征 36
4.4 排列與接觸 38
4.5 黃土微結構類型 39
4.6 小結 41
第5章 黃土微結構的區域變化規律 42
5.1 馬蘭黃土三維微結構特征及區域變化規律 42
5.1.1 研究方案 42
5.1.2 顆粒特征及區域變化規律 44
5.1.3 孔隙特征及區域變化規律 52
5.1.4 微結構特征及區域變化規律 57
5.1.5 馬蘭黃土微結構特征探討 58
5.2 不同黃土地層三維微結構特征及變化規律 59
5.2.1 白鹿塬黃土微結構特征 59
5.2.2 洛川黃土微結構特征 66
5.3 小結 77
第6章 剪切荷載作用下黃土微結構特征 79
6.1 環剪條件下黃土微結構破壞特征 79
6.1.1 試驗方法 79
6.1.2 試樣剪切破壞模式 82
6.1.3 試樣剪切破壞微觀特征 83
6.2 三軸剪切作用下黃土微結構變化特征 86
6.2.1 試驗方法 86
6.2.2 局部孔隙率空間分布 88
6.2.3 孔隙特征三維定量分析 89
6.2.4 顆粒特征三維定量分析 101
6.2.5 三維微結構參數敏感度分析 105
6.3 小結 107
第7章 水-力作用下黃土微結構演化及微觀濕陷機制 109
7.1 水-力作用下黃土微結構演化 109
7.1.1 微型土樣水-力加載試驗 109
7.1.2 黃土濕陷過程中顆粒的運動學特征 112
7.1.3 黃土濕陷過程中孔隙結構的演化特征 116
7.2 黃土的水化學反應分析 120
7.2.1 黃土物質組成 120
7.2.2 黃土中的可溶鹽 125
7.2.3 不同極性溶劑對黃土濕陷性的影響 126
7.3 黃土濕陷的微觀機理 130
7.4 小結 131
參考文獻 133
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黃土三維微結構(精) 節選
第1章 緒論 1.1 微結構研究的意義 材料在不同尺度下的特征和行為截然不同卻又緊密聯系。以地質體為例，沙丘的變遷伴隨著無數砂粒間的相互碰撞和相對運動；巖體的破壞起源于其內部微小裂紋的萌生和擴展；土體的物理力學特性取決于顆粒的空間排列和接觸模式。對于土體這種天然的碎散顆粒材料，單一尺度的研究往往不足以讓人們對其性能形成全面的認識。早在1925年，“土力學之父”太沙基就探討了黏性土顆粒排列對于其強度的影響，在其后近百年的發展中，無數科學研究不斷證明，微結構的深入認識和準確刻畫對于揭示土體強度、變形、滲流等宏觀性能內在機理的揭示起到至關重要的作用。 土體微結構研究的一個重要特點是對觀測技術的依賴性，微觀研究的階段性進展都得益于觀測和表征技術手段的發展和更迭。早期的一些重要認識主要基于光學顯微鏡的直接觀察，如Lambe (1953)觀察到在海水中沉積形成的黏土具有疏松多孔的“紙牌屋”結構，而淡水中沉積的黏土則具有更加致密的結構。20世紀70年代，掃描電子顯微鏡(SEM)的發展極大地推動了土體的微結構研究，人們對不同類型土體的微結構認識更加精細、系統和全面，也逐步開始了對土顆粒與孔隙大小、形狀、空間定向等微結構要素的定量化研究。此外，X射線衍射(XRD)、壓汞法(MIP)、氮吸附法等技術手段都在特定微結構特征的觀測上發揮了不可替代的作用。進入21世紀以來，計算機斷層掃描(CT)技術發展迅速，目前其觀測精度可以達到微米甚至納米級別，在諸多研究領域都催生出大量的突破性成果。CT技術相比其他技術的特點在于能夠對微觀結構進行三維無損的表征，在刻畫真實的顆粒形貌、空間排列形式以及孔隙拓撲結構等方面表現出顯著的優勢。例如，學者利用微米CT觀測到了荷載作用下砂土顆粒的相對運動以及局部變形(剪切帶)的產生和演化過程(Hall et?al.，2010)。 如果能夠實現在不同外部條件下對微結構的無損、動態和三維觀測，那么我們不僅能夠揭示其宏觀行為的微觀機理，甚至可以基于微結構的演化過程建立模型并對宏觀性能進行預測。在傳統的土力學研究中，我們一般把土體視為連續介質，并基于宏觀力學試驗的結果建立起唯象的理論模型并應用到工程中。而當局部變形出現時，常規試驗測得的應力和應變已經無法準確描述試樣內部的真實物理狀態。有學者提出了一種嶄新的思路，即首先基于CT技術獲得土體顆粒尺度的真實力學行為，在此基礎上利用離散元數值模擬去研究顆粒間的運動和相互作用，進而通過顆粒材料力學理論以及均勻化思想得到宏觀尺度下土體的本構模型(Andrade et al.， 2012)。這種思路避開了連續介質的假設，直接以真實的微結構演化過程為依據，在建立更真實的土體力學行為模型方面具有很好的研究前景，并且在砂土相關研究中已經取得重要進展。 本書的研究對象——黃土，是一種典型的結構性土(陳存禮等，2006；駱亞生和張愛軍，2004；邵生俊等，2004)，天然或干燥狀態下具有很高的剛度和強度，而一旦浸水則其力學性能顯著劣化，因此在黃土地區滑坡、崩塌、濕陷等地質災害極為發育。黃土微結構的觀測在其宏觀行為內在機理揭示方面扮演著不可或缺的角色。例如，高國瑞(1980a，1980b)、雷祥義(1987，1989)、胡再強等(2000)研究了我國不同地區黃土濕陷性與微結構之間的聯系；楊運來(1988)、Jiang等(2014)研究了不同類型孔隙在濕陷過程中的演化特征等。目前雖然我們從微觀已經能夠定性地解釋一些現象，但在基于真實黃土微結構建立其與宏觀力學行為定量聯系甚至建立模型方面仍然任重而道遠(蔣明鏡，2019；李曉軍和張登良，1998；謝定義和齊吉琳，1999)。實現上述目標的前提是能夠對黃土三維微結構進行準確、定量地表征，進而對荷載等因素作用下微結構的演化進行有效觀測，因此，作者團隊近些年針對黃土三維微結構的觀測和表征開展了一系列探索性的工作，研究涉及觀測方法、制樣技術、定量指標體系構建等多個方面，取得了一系列階段性的成果，將在本書中進行詳細介紹和總結。 1.2 黃土微結構的探索歷程 回顧黃土微結構研究的發展歷程可以發現，一些重要的階段性進展無不得益于觀測技術的進步以及新方法的涌現。鑒于此，這里以黃土微結構研究采用的技術方法為主線，將時間軸大致分為三個階段，對黃土微結構探索歷程進行簡要地回顧和總結。 **階段(20世紀50～70年代)，人們主要采用光學顯微鏡對黃土微結構進行觀察。例如，張宗祜(1964)利用偏光顯微鏡對黃土中一些較大的骨架顆粒形貌進行了觀測和簡單地分類；朱海之(1963，1964，1965)通過油浸光片法在偏光顯微鏡下觀測了黃土孔隙形貌。受制于觀測精度以及試樣制備技術的限制，觀測結果僅局限于一些初步的定性認識，距離黃土真實微結構的表征尚有距離，難以準確反映顆粒接觸、孔隙連通性等微結構特征，更難以用定量的手段對微結構參數進行分析，因而在科學研究和工程上的應用極為有限。一些國外學者用假想的規則形狀來描述黃土的顆粒，通過蒙特卡羅方法研究顆粒的排布形式，進而預測其宏觀力學行為(Dibben et al.，1998a)，這與微觀真實的物理過程也相去甚遠。 第二階段(20世紀70～90年代)，掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞法(MIP)等觀測技術開始被廣泛應用于黃土的微結構研究中。相比于光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡可以實現從數十倍到數十萬倍的放大倍數，能夠對黃土中更小尺度的微結構要素(如黏粒、膠粒等)進行觀測，進而能夠對顆粒間的聯結和接觸特征進行識別和分類(高國瑞，1980a，1980b；雷祥義，1989；王永焱和滕志宏，1982；王永焱等，1982)。壓汞法的優勢在于可以獲得有限體積樣品內從幾十納米到幾百微米不同孔徑的孔隙分布，進而可以對不同地區、地層和加載條件下黃土試樣內的孔隙分布變化開展定量的分析(雷祥義，1987，1989；楊運來，1988)。SEM和MIP觀測技術和制樣方法成熟，至今仍大量應用于黃土微結構研究中。 第三階段(20世紀90年代至今)，精度更高、功能更強大的微觀尺度觀測技術手段大量涌現，尤其是計算機斷層掃描(CT)技術，相比于SEM、MIP等手段*大的技術優勢是其具有三維、無損、動態的特點，即可以在不損壞觀測樣品的基礎上進行三維成像，并能夠對同一試樣在不同的變形階段進行微結構的觀測(Hall et al.， 2010；王慧妮和倪萬魁，2012；Fonseca et al.， 2013；Cheng and Wang， 2018)。對于黃土來說，能夠觀測到的結構特征與所采用的空間分辨率(即觀測精度)直接相關。例如，醫用或工業CT的空間分辨率一般為毫米尺度，在該尺度下能夠觀測到較大黃土試樣在荷載作用下內部裂隙產生以及試樣崩解的過程(陳正漢等，2009；雷勝友和唐文棟，2004；蒲毅彬，2000)；若分辨率達到幾十微米，黃土內部的根孔以及微裂隙網絡則能夠被有效觀測到(Li et al.， 2018， 2019a)；采用幾微米及亞微米尺度的空間分辨率，則可觀測到黃土內部的骨架顆粒以及粒間孔隙的空間分布。同時借助相應的圖像處理和數據分析技術能夠對上述結構特征及演化過程進行定量的表征(Deng et al.， 2021；Wei et al.， 2019a， 2019b；Wei et al.， 2020a， 2020b；Yu et al.， 2020， 2021；Zhang et al.， 2020；李漢彬，2019；魏婷婷，2020；魏亞妮，2020；常玉鵬，2021)。這一階段學者對于黃土不同尺度的微結構進行了更深入地分析，人們對黃土微結構的認識得到了極大的拓展，這為揭示黃土力學行為的內在機理和建立黃土微觀力學模型打下重要基礎。 1.3 研究現狀及進展 1.3.1 黃土微結構表征 目前，黃土微結構研究主要涉及對黃土顆粒及孔隙大小、形貌等的觀測分析和表征，進而在此基礎上對黃土微結構的特征和類型進行總結和分類并與宏觀性質建立聯系。本節從黃土微結構的顆粒和孔隙兩個方面針對黃土微結構的觀測和表征研究作簡要的回顧。 1) 顆粒 顆粒是黃土體*基本的構成單元，顆粒的級配分布直接決定了黃土的類型，顆粒的幾何特征、聯結方式直接影響黃土的強度、變形等宏觀物理力學性質。黃土的顆粒按照粒徑來說一般包含粉粒(5～75μm)和黏粒(小于5μm，國際上常作小于2μm)，一些地區的黃土也含有一定的細砂顆粒。黃土中的粉粒通常占比70%以上，而根據不同粒組顆粒的相對含量，黃土可以分為砂質黃土(sandy loess)、粉質黃土(silty loess)和黏質黃土(clayey loess)，這些不同類型的黃土往往表現出基本物理力學特性的差異(Gibbs and Holland， 1960；Pye， 1984)，這可能是*早建立的黃土顆粒與宏觀性質的聯系。黃土顆粒尺寸跨度很大，形貌差異顯著，在黃土微結構的構成上也扮演著截然不同的角色。 粉粒是構成黃土固體骨架的基本單元，有時也稱為骨架顆粒(一些地區的黃土中黏粒構成的集粒亦可作為骨架顆粒存在)。這些粉粒的礦物成分由母巖決定，以石英和長石為主，在復雜的搬運過程中形成了多樣的尺寸和形貌特征，而這些特征又對黃土沉積過程中所形成的顆粒排布具有重要影響，進而影響著黃土在荷載以及水等因素作用下的力學行為(Krinsley and Smalley， 1973；Smalley and Cabrera， 1970；Dijkstra et al.， 1994；高國瑞，1980a， 1980b；王永焱和林在貫，1990；徐張建等，2007)。對于黃土骨架顆粒形狀的研究由來已久，一般來說，尺寸較大的粉粒和少量的砂粒會呈渾圓狀和塊狀，隨著尺寸的減小則更多地表現出棱角狀的特點。很多學者對于黃土骨架顆粒的不同形狀進行了分類和命名，但是不同的形狀類別之間往往沒有清晰的界限，因而顆粒形狀種類的數目和名稱往往具有一定的主觀性。例如，我國學者張宗祜(1964)通過對0.01mm以上粒徑黃土顆粒的光學觀測將顆粒形狀分為四種：棱角狀、半棱角狀、半圓磨狀和圓磨狀；英國學者Smalley(1966)利用Zingg分類法(Zingg， 1935)根據顆粒三個正交方向的特征長度，將顆粒分為片狀(disc)、球狀(sphere)、刃狀(blade)和柱狀(rod)，并指出黃土中骨架顆粒以刃狀為主并給出了典型的特征長度比(Rogers and Smalley， 1993)。上述分類和表征方法能夠對黃土顆粒形狀進行定性或者簡單的定量描述，但對于精確地構建黃土三維微結構定量模型是不夠的。事實上，學者針對不規則顆粒形狀提出過一些更系統的定量表征方法。例如，Santamarina和Cho(2004)指出從顆粒形貌的不同尺度層級可以用不同的指標來描述：球度(sphericity)用來描述顆粒整體的形狀，圓度(roundness)用來描述顆粒局部棱角程度，而光滑度(smoothness)則用以描述顆粒表面的粗糙程度；Blott和Pye(2008)對現有顆粒形狀表征方法進行了總結，進而通過考慮顆粒的細長率(elongation)和扁平率(flatness)將顆粒形狀分為25類。需要指出的是，上述研究主要是以對砂土甚至碎石等粒徑較大的顆粒開展大量三維形貌觀測為基礎的，對于黃土的適用性有限。這是因為，一方面目前其骨架顆粒三維形貌的觀測數據還很有限，另一方面黃土顆粒的某些特征(如表面粗糙度)受到觀測手段限制很難獲得。因此，如何在現有的顆粒形狀定量表征方法基礎上，針對黃土骨架顆粒形狀提出一個客觀、全面的定量指標體系將是下一階段研究的主要任務之一。除了大小和形狀，黃土骨架顆粒的空間定向性也是一個重要的指標，一方面能在一定程度上反映顆粒的搬運過程，另一方面也是一些黃土具有各向異性結構的重要原因，使其在不同的加載方向下表現出差異顯著的力學行為(Matalucci et al.， 196
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