膨脹土在動(dòng)靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化.pdf

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1、鐵道建筑2013年第1期RailwayEngineering65文章編號(hào)：1003—1995(2013)Ol-0065—04膨脹土在動(dòng)靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化劉瑩瑩，李明霞，黃志全(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011)摘要：以南水北調(diào)中線禹州段膨脹土為研究對(duì)象，對(duì)原狀樣和試驗(yàn)后的土樣進(jìn)行了動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面分析其微觀結(jié)構(gòu)變化。定量分析時(shí)，首先利用Matlab軟件對(duì)二值化處理后的SEM圖片進(jìn)行參數(shù)提取，提取的參數(shù)主要有顆?；蚩紫兜拿娣e及周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度及短軸長(zhǎng)度、長(zhǎng)軸方向的傾角等，然后利用雷達(dá)圖對(duì)顆粒的定向頻率進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：膨

2、脹土原狀土樣的顆粒棱角比較明顯，大顆粒中間夾雜著許多小顆粒，土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)；動(dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后的顆粒棱角變得圓滑，大顆粒消失不見，顆粒大小比較均勻，土體結(jié)構(gòu)性變?nèi)?；?dòng)靜力學(xué)試驗(yàn)后土樣的孔隙比都減小了，說(shuō)明在剪切過(guò)程中土體被擠密；動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)后顆粒排列無(wú)定向性，靜力學(xué)試驗(yàn)后顆粒排列有明顯的定向性。關(guān)鍵詞：膨脹土微觀結(jié)構(gòu)二值化處理SEM圖片定向頻率中圖分類號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10．3969／j．issn．1003—1995．2013．01．21膨脹土主要由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，是具膨脹結(jié)構(gòu)、多裂隙、強(qiáng)脹縮和強(qiáng)衰減的高塑1試樣制備方法、試

3、驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方案性黏性土?。膨脹土特殊的工程性質(zhì)和復(fù)雜的內(nèi)部1．1試樣制備方法結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物的破壞常常具有多次反復(fù)和長(zhǎng)期潛在的試驗(yàn)所用膨脹土取自南水北調(diào)中線禹州段新開挖危險(xiǎn)性，給人類造成巨大的災(zāi)害。要從本質(zhì)上研究膨的同一土坑內(nèi)，取樣位置埋深約4m，呈紅褐色，偶見脹土就必須從微觀方面著手，因?yàn)榕蛎浲梁暧^物理力少量鈣質(zhì)結(jié)核。土樣自由膨脹率為42％，屬于弱膨脹學(xué)性質(zhì)的變化在根本上取決于其微觀結(jié)構(gòu)。土。膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。1925年，Terzaghi首次提出了土的微觀結(jié)構(gòu)，但當(dāng)表1膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)時(shí)由于測(cè)試手段和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的限制，過(guò)去對(duì)微觀

4、結(jié)構(gòu)的研究大多以定性分析為主。周宇泉利用微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)黏性土壓縮過(guò)程中微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化進(jìn)行了定量分析。電子顯微鏡，尤其是掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，在膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)研究中，SEM試樣能否如實(shí)簡(jiǎn)稱SEM)的出現(xiàn)，大大加速了土的微觀結(jié)構(gòu)的研究反映土的原始結(jié)構(gòu)特征非常關(guān)鍵，這就要靠SEM試樣進(jìn)程。70年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提的制備技術(shù)來(lái)保證。SEM試樣制備方法如下：高，計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)被引入土的微觀結(jié)構(gòu)研究中，1)切樣：在每個(gè)大樣的中間部位或剪切破壞部位使土的微觀結(jié)構(gòu)定量化分析水平大大提高

5、。本文取2個(gè)SEM試樣，SEM試樣的上表面要保留土的原來(lái)主要從定性和定量?jī)煞矫鎸?duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行特性，其它5個(gè)表面可以用小刀刮平，并使下表面與上分析。表面平行，然后對(duì)每個(gè)SEM試樣進(jìn)行編號(hào)。切樣時(shí)最好選在典型破壞面上。2)烘干：將制好的樣品放在真空干燥箱中進(jìn)行烘收稿日期：2012-06．29；修回日期：2012．08．31干，時(shí)間為24h?；痦?xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41140030)；鄭州市創(chuàng)新型科技人才培育計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(10LJRC185)及華北水利水電學(xué)3)鍍金：將烘干后的樣品每3個(gè)或4個(gè)放在一起，院研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金(YK20

6、1l-01)用導(dǎo)電膠帶將其粘到圓形托盤上，并在試樣上表面的作者簡(jiǎn)介：劉瑩瑩(1986一)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生。邊緣部分也粘上導(dǎo)電膠帶(導(dǎo)電膠帶不宜太寬)，目的鐵道建筑是增加其導(dǎo)電性，另外還要在圓形托盤的底部標(biāo)上試動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要是動(dòng)單剪試驗(yàn)，靜力學(xué)試驗(yàn)包括三軸樣編號(hào)，編號(hào)位置要與試樣一一對(duì)應(yīng)。然后將其放在試驗(yàn)和殘余剪試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)從3D方面反映土體的E．1010離子濺射儀中抽真空及鍍金，真空度達(dá)到1～微觀結(jié)構(gòu)變化，動(dòng)單剪試驗(yàn)和殘余剪試驗(yàn)從2D方面1O時(shí)滿足要求，時(shí)間大約3～4h。反映土體的微觀結(jié)構(gòu)變化。為了使試驗(yàn)的結(jié)果具有可1．2試驗(yàn)儀器比性，以上

7、3種試驗(yàn)采用的土樣均為同一位置同一深為揭示膨脹土在動(dòng)靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)改度的膨脹土，試驗(yàn)過(guò)程的垂直壓力均設(shè)置為100kPa。變，本試驗(yàn)采用日本生產(chǎn)的s一3000N型微觀掃描電子微觀試驗(yàn)主要是運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)原狀膨脹顯微鏡和E一1010離子濺射儀。土以及進(jìn)行上述試驗(yàn)后的膨脹土的微觀試樣進(jìn)行掃S一3000N型微觀掃描電子顯微鏡的工作原理是描，獲得SEM圖片。在對(duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量通過(guò)利用一定能量的電子束轟擊經(jīng)過(guò)處理的樣品表分析時(shí)，首先利用Matlab圖像處理軟件對(duì)SEM圖片進(jìn)面，使其產(chǎn)生隨樣品表面形態(tài)起伏而變化的信號(hào)，這些行二值化處理。二值化處

8、理的目的是使圖片中孔隙和信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)、放大、處理后輸送到顯示系統(tǒng)，形成樣顆粒便于