土体微观结构研究进展

马兰黄土变形性及微观结构特征研究王冠民;刘沛林;王蓬;姜振泉;钱自卫【摘要】简要介绍了马兰黄土力学强度、变形性及微观结构特征。

采用单轴压缩试验及电镜扫描方法，对原状及重塑黄土样的物理力学性质及微观结构特征进行了研究。

结果表明，马兰黄土原状土样和重塑土样均表现出很强的塑性变形特点，且其塑性变形性随含水量的增大而更加明显；相近稠度状态条件下，重塑土样较原状土样产生的变形量更大，表明原状土样具有一定的结构强度；单轴压缩试验前，原状马兰黄土呈支架大孔微胶结结构，颗粒之间多为点-点、点-棱接触；试验后，微观结构转为镶嵌微孔微胶结结构，支架架空结构发生破坏，土体变得致密。

【期刊名称】《建井技术》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】3页(P30-32)【关键词】马兰黄土;单轴压缩;变形性;微观结构【作者】王冠民;刘沛林;王蓬;姜振泉;钱自卫【作者单位】陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116; 徐州中矿井巷注浆防治水新技术有限公司，江苏徐州，221008;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116; 徐州中矿井巷注浆防治水新技术有限公司，江苏徐州，221008【正文语种】中文【中图分类】TD163+.1陕西彬长矿区位于黄陇侏罗系煤田中部，是全国13个特大型煤炭基地之一。

目前矿区尚处于开发初期，一些矿井正在建设和规划中。

彬长矿区矿井建设的制约因素之一，是深厚的新生界松散土层［1］。

马兰黄土是该地区典型的新生界松散土层，呈厚层状，褐黄色含砂粘土和浅黄色粉质粘土间隔分布，单层厚度3～8m。

含砂粘土较致密，块状结构，具少量裂隙；粉质粘土呈半固态，土质疏松，具大孔隙，垂直节理发育，遇水易水解破坏。

井筒掘进揭露的围岩，存在垂向离层崩裂的潜在威胁，变形控制难度较大。

土体微观结构研究进展土体是指由矿物、有机质、水和空气等组成的自然界中的岩屑、矿物和生物体等杂质混合物。

土体微观结构是指在土体内部的细微结构，对于了解土体的物理和力学特性，以及对土壤的工程应用具有重要意义。

本篇文章将对土体微观结构研究进展进行简要介绍。

1. 组成部分土体的微观结构组成部分主要有：固体粒子、水分、空气、有机质等。

其中，固体粒子是土体的主体，它们之间的排列和排列方式会影响土体的力学和物理特性，例如密实度、孔隙率、渗透率等。

水分和空气在土体中的分布会影响土体的可压缩性和渗透性。

有机质的分解和转化对土体的化学性质和生物特性也会产生影响，例如土体的肥力和农业应用等。

2. 细观结构细观结构是指土体中最小可分辨的结构的构成和排列方式。

最近的研究表明，如图1所示，土粒子的结构不仅仅是简单的球形，而是更复杂和多样化的结构。

如Clay Mineralogy的研究表明，土粒子的形状和粒径是由其晶体结构决定的。

高分辨率的花岗岩显微镜也显示了土粒子内部的结构纹理等。

3. 渗透特性渗透性是指流体在土体中传递的速度和方向。

土体微观结构中的一些因素影响渗透性，最明显的是孔隙空间和连接方式。

因此，研究土体内孔隙水的渗透性，对于建立土体力学模型和设计流体结构具有重要意义。

Schneider等人在过去的研究中利用CT扫描技术对岩石和土体进行了三维渗透特性研究。

4. 限制性特性限制性特性是指土体内部粒子之间的限制作用。

土体砂粒子的间隙性连通结构能够限制一些粒径更大的粒子，从而影响土体流体的渗透性。

此外，地球物理学家们发现，土体的压缩强度直接与其限制性特性有关。

这一现象的解释是，当土体受到压缩时，其内部的孔隙空间会缩小，使得土粒子之间的限制性作用增加，从而实现更高的压缩强度。

总之，土体微观结构的研究已成为解决土地和水资源管理等工程和环境问题的重要方向。

未来，随着科技的发展，应用更先进的技术和手段，包括分子动力学、计算机模拟等，预计将加速我们对土体微观结构的认识和研究。

压汞试验技术研究黏性土微观孔隙分布特性庄心善;张立波;陶高梁;杨琳【摘要】土体的微观结构对士的物理力学特性具有决定性影响,研究土体微观结构有重要的科学意义.取武汉市汉街地区一处建筑工地基坑底部的非饱和粘土,风干后制得干密度为1.4 g/cm3的重塑土试样,运用压汞试验方法研究试样微观孔隙结构的孔径分布变化规律.研究表明,该地区非饱和粘土孔隙丰要以大孔为主,大多分布在8.75～62.5 μm之间.通过试验还发现进汞曲线和出汞曲线的不一致性,并分析了产生此结果的原因.【期刊名称】《湖北工业大学学报》【年(卷),期】2013(028)001【总页数】3页(P22-24)【关键词】压汞试验;重塑粘土;微观孔隙结构【作者】庄心善;张立波;陶高梁;杨琳【作者单位】武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TU411.92王思敬院士认为，对土体微观结构的研究将是21世纪工程地质研究的新趋势，在岩土多孔介质的变形、强度、稳定性以及水利特性等方面，会获得比传统研究思路更为可喜的成果，解决岩土领域悬而未决的难题，可见，对黏性土微观孔隙结构的研究至关重要［1］.目前，多用电镜扫描和CT等技术研究物体的微观孔隙结构，如邓津［2］等人对甘肃永登的湿陷性堆积黄土微观孔隙结构的研究，单红仙［3］等人对水动力作用下的黄河水下三角洲粉土微观结构改造进行的研究，陈嘉鸥、周翠英［4－6］等人对软土微结构的研究，唐益群等对上海地区地铁行车荷载作用下的饱和土微观结构的研究［7］，但是这些常规的研究方法都很难做到定量的分析孔径分布，不足以准确分析该工程环境中的土质特性.随着压汞试验技术的逐渐成熟，越来越多地被运用于各种领域的试验研究，本文基于压汞试验技术研究黏性土的孔隙孔径分布特性，得出了一些有益的结论，为进一步深入研究土体的宏观物理特性奠定了基础.1 压汞试验的基本原理汞对大多数的固体都是非润湿的，故假定汞对所制试样非润湿，且接触角为定值，本次试验将接触角定为140°；表面张力不变，本次试验中设定为0.48N／m；所切取的试样强度足够大，不会被压缩式中：p为进汞压力，MPa，γ为汞表面张力，此试验中为0.48N／m，θ为汞接触角，此试验中为140°，d为孔径，μm，由公式（1）可以看出，进汞压力和孔径是一一对应的关系，假定表面张力和接触角都不变时，进汞压力和孔径成反比，可以通过控制进汞压力来确定孔径的大小和孔隙的分布.施加一定的进汞压力，汞就只能进入对应孔径的孔隙中，在本次试验中，进汞压力范围为6.556 9～199 190.558 6kPa，根据公式（1）可以得出该试样孔径范围为224 426.12nm～7.38nm.变形.由于表面张力的影响，汞在进入小孔径时，必须施加一定的外部压力，进汞压力和孔径大小遵循Washburn公式2 试验研究本文配备试样土取自武汉汉街的一处工地基坑底部，埋深9m，为非饱和粘土，土体的物理特性如下：埋深9，m；天然密度2.027，g／cm；天然含水率21.9，%；液限38.946；塑限20.4314.2.1 试验方法及步骤2.1.1 制样方法将所取土样风干后，过2mm筛，测出土样的各种物理特性，多次试验证明：含水率15%左右时，制样效果最好，测出土的风干含水率ω0之后，经计算，称取一定质量的风干土样和蒸馏水，按照《土工试验规程》［8］将其制成含水率为15%的试样土，密封静置24h，复测含水率，得出实际含水率为15.13%；本次试验制样采用液压千斤顶静压试验方法制备重塑试样，环刀采用核磁共振专用环刀（体积为32cm3），控制干密度为1.4g／cm3，经计算称取一定质量试样土（含水率为15.13%），制备3组相同平行试样，再将所制备试样进行抽气真空饱和，抽气时间为4h，放入水中静置24h，使饱和度达到95%以上，达不到，继续进行饱和.2.1.2 试样预处理饱和度达到要求后，将试样进行液氮极速冷冻，使土中的液体成为不具有膨胀性的非结晶态冰，然后利用冷干机抽真空，使土中非结晶态冰冷升华.2.1.3 压汞试验用推土器将预处理过的试样从环刀里小心的取出，使用细钢丝锯将试样切取1cm3的小方块，进行压汞试验.实际操作过程应尽量避免对试样的破坏扰动，保证试验结果的可靠性.控制进汞压力和进汞速度，将汞压入试样孔隙中，使汞充斥孔隙，记录每一级进汞压力时的进汞体积，利用Washburn公式将进汞压力换算成孔隙孔径，得到试样的孔隙孔径分布结果.2.2 试验仪器测试仪器为美国康塔公司生产的PoreMaster33压汞仪（图1）.该仪器的孔径分布测定范围为950～0.0064μm.图1 PoreMaster33压汞仪3 试验结果与分析压汞试验是通过施加一定的进汞压力，克服汞的表面张力，从而使汞被压入试样孔隙中，所压进汞的体积即是孔隙体积.笔者将孔径范围划分为若干区间，得出各个孔径区间的进汞体积与区间内最小孔径之间的关系（图2），随着区间最小孔径的增大，累计进汞体积减小，这也就从侧面印证了 Washburn公式，说明在进汞压力相对较小的时候，汞是先进入大孔隙，在大孔隙充满汞后，要使汞充斥到小孔隙，必须加大进汞压力，达到足以使汞克服表面张力，进入小孔隙.在8.75～62.5μm区间范围内的累计进汞体积下降斜率最大，说明此区间的孔隙含量最多；当孔隙孔径大于100μm时，累计进汞体积基本上不再变化，说明此种孔隙含量微乎其微；在孔隙孔径小于8.75μm时，累计进汞体积与区间最小孔径的关系图呈现近似直线关系，也就是说，此范围的孔隙分布比较均匀，含量成线性增加.孔隙孔径各划分区间总进汞体积与区间内最小孔径的关系曲线见图3，在试样孔隙孔径为8.75～62.5μm的范围内，区间总进汞体积波动变化幅度比较大，其余区间段，虽然有波动，但是幅度很均匀，这再次印证了该试样的孔隙孔径大多数为8.75～62.5μm，在孔隙孔径为17.5～27.5μm时达到峰值，是含量最多的孔径范围.进出汞压力与累计进汞体积的关系曲线见图4，在进汞压力小于1 000psi时，进汞体积增长速度很快，之后，进汞压力虽然不断增加，但是累计进汞体积基本无大变化，根据进汞压力与孔隙孔径成反比的关系，可知该试样孔隙主要是大孔隙；随着进汞压力的增加，累计进汞体积不断增加，当出汞时，随着压力的减小，汞慢慢克服不了表面张力，而从孔隙中退出，但是进汞曲线和出汞曲线并不闭合，说明有部分汞无法从孔隙中退出，这主要是由于在进汞过程中，在大的进汞压力下，有部分孔隙喉道被压力破坏，导致形成部分小的封闭区域，退汞时，这部分汞就退不出来，根据试验结果知，本次所取试样残留汞的体积为0.263cm3／g；在图4中，还可以看出，进汞曲线和出汞曲线路径并不重合，在给出一个压力时，出汞曲线要比进汞曲线高，给定一个进汞体积时，进汞时的压力要比出汞时的压力大.图4 压力与VHg的关系图另外，压汞试验中，有学者把孔径大于50nm的孔隙叫做大孔，2～50nm的为中孔，小于2nm的为微孔.根据进汞曲线图，可以求出该试样的孔隙对应于50nm 的孔隙体积百分比为86.68%，其余均为中、微孔隙，如图5所示，中、微孔隙只占到孔隙总体积的13.32%.图5 孔隙累计分布曲线4 结论通过在中科院武汉分院采用压汞实验方法对武汉汉街地区土质的微观孔隙结构进行研究，得出如下结论：压汞试验中，将孔径半径大于50nm的叫做大孔，试验结果表明该黏性土试样的孔隙以大孔为主，大孔所占的比例达到86.68%；该黏性土试样的孔径主要分布在8.75～62.5μm范围内，占孔隙总体积的36.824%；从压汞试验的进汞曲线和出汞曲线的路径不一致可以看出，汞不能按着原来的路径退出，会残留大部分在试样孔隙中，本试验有90.6%的汞残留在孔隙中.［参考文献］［1］陶高梁.岩土多孔介质孔隙结构的分形研究及其应用［D］.武汉：武汉理工大学图书馆，2010.［2］邓津，王兰民，张振中，等.甘肃永登湿陷性新近堆积黄土的微观结构分析［J］.西北地震学报，2005，27（3）：267－271.［3］单红仙，刘媛媛，贾永刚，等.水动力作用对黄河水下三角洲粉质土微结构改造研究［J］.岩土工程学报，2004，26（5）：654－658.［4］陈嘉鸥，叶斌，郭素杰.珠江三角洲黏性土微结构与工程性质初探［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（5）：674－678.［5］吕海波，赵艳林，孔令伟.软土结构性破损的孔隙分布试验研究［J］.岩土力学，2003，24（4）：573－578.［6］许勇，张季超，李伍平.饱和软土微结构分形特征的试验研究［J］.岩土力学，2007，28（增）：49－52.［7］陶高梁，张季如，黄丽，等.多孔材料孔隙特性的分形描述［J］.建筑材料学报，2010，13（5）：678－681.［8］南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册［M］.北京：人民交通出版社，2003.。

土壤微结构影响因素研究综述摘要：土壤微结构从20世纪30年代被提出并发展至今已取得了很大的进展，土壤微结构作为土壤学的一个分支，其研究成果也广泛的应用于其他的土壤学的领域。

通过显微镜对土壤内部微结构的变化进行观察和描绘从而找出其变化规律来推测土壤的生成、发育、演变规律，进而解决更多土壤学的问题。

越来越多的学者秉承这个思路将土壤微结构的研究方法应用在其他学科领域的研究，都取得了很好的成果。

本文对众多学者提出的土壤微结构影响因素的研究进行一个小结和报道，以期对土壤微结构研究的发展提供一定的参考借鉴。

1.土壤微结构的研究内容土壤微结构的研究从1938年Kubiena提出了“微土壤学”正式创立开始，发展至今已有了70多年的历史，是土壤学最年轻的分支学科之一，但在土壤微结构方面我国研究相比国外研究起步较晚，近30年我国研究成果有了很大进展。

土壤微结构的研究主要是从不同的土层取得土样制成薄片然后利用光学显微镜和电子扫描显微镜研究土壤内部的微观形态，主要通过对土壤的基本成分，土壤粗粒质，土壤细粒质，土壤垒结，土壤形成物等方面的观察来研究土壤微结构的差异。

土壤微结构学虽然主要研究的是土壤内部组分差异，但它却几乎涉及到土壤学里的所有分支，如土壤生物学，土壤物理学，土壤化学，土壤动物学，土壤矿物等等。

通过对这些学科的总结研究，进而在农业，畜牧业，考古学，土地退化，环境变化，山地灾害等学科领域中发挥其作用。

2.土壤微结构的影响因素2.1冻融作用对土壤微结构的影响冻融作用对黄土的影响主要表现在随着冻融循环次数的增多，土体原有胶质结构逐渐被破坏，颗粒重新排列，土体颗粒排列越加疏松，土体孔隙增多，土颗粒大小间距和孔隙也更均匀。

土体的黏聚力持续下降，内摩擦角增大。

试验采取通过人工探井取自洛川黄土塬，取土深度为1.65～1.9m原状土取样之后，密封送到试验室．原状样品根据GB/T50123－1999《土工试验方法标准》的要求制样，制备的样品测量其原状未冻融的密度、含水率、孔隙比以及液塑限等。