华南红层风化土崩解特性及其改性研究*(4)
3.3 改性红层风化土崩解试验分形研究
3.3.1 红层风化土细观孔隙形态特征
通过土体颗粒的扫描电镜图像进行细观孔隙形态分析时,首先要将图像进行二值化处理。经过处理后的图像上的信息,可以用来分析土体颗粒的孔隙率、颗粒大小形态、分布特征等结构参数。本文选用平面孔隙率和颗粒结构的分形维数作为细观结构研究的定量化参数。图13即为不同高性能酯类材料掺量重塑土样SEM图像二值化处理后的结果图。
图13 二值化处理后SEM图像Fig. 13 SEM image after two value processinga. 掺量0; b. 掺量2%; c. 掺量4%; d. 掺量6%
表4试样平面孔隙率Table 4 Sample plane porosity水性粘合剂掺量/%阈值颗粒面积/μm2孔隙面积/μm2总面积/μm平面孔隙率/%
平面孔隙率是细观结构观测研究中的一个概念,即为孔隙面积/(颗粒面积+孔隙面积)。表4即为由软件image-Pro-plus得出的不同高性能酯类材料掺量的重塑土样细观结构观测的平面孔隙率。从表4中可得,土体中掺入高性能酯类材料,可以增大土体颗粒的表面积,而相应减少土体中孔隙所占的面积,使得土体结构更加紧密。产生这种结果的原因是土体中掺入高性能酯类材料,会填充颗粒间的孔隙,使得其紧密,并且还能增强颗粒间的黏结性,因而增强了土体结构的团聚性,使得大颗粒增多,而孔隙减小。这与扫描电镜图像的分析结果一致。
3.3.2 红层风化土颗粒形态的分形研究
红层风化土的颗粒形态采用分维数进行定量研究,其原理如下式:
式中,Li为图像中多边形(土体颗粒)的等效周长;Ai为图像中多边形(土体颗粒)的等效面积;C为常数;D表示土体颗粒形态的分维数。
通过图像信息可以得出所有土体颗粒的等效周长和等效面积,将其统计于如下的双对数坐标系中(图14),再绘制出每组数据的趋势线(直线),则此直线的斜率K即为表示土体颗粒形态的分维数:
图14 试样土颗粒等效周长与等效面积统计关系Fig. 14 Statistical relationship between equivalent circumference and equivalent area of soil samples
表5ln(L)-ln(A)线性关系及分维数Table 5 The linear relation and fractal dimension of Ln(L)-ln(A)高性能酯类材料掺量线性关系式相关系数R2斜率K分维数D0y=0.574x+2.1550..=0.521x+1...=0.513x+1.4090..=0.507x+1...5071.014
表5为土体颗粒等效周长与等效面积的线性关系及分维数。可看出,分维数在1~2之间的土体试样,掺入高性能酯类材料会减小试样的分维数。原因是土体中掺入高性能酯类材料后,会填充颗粒间的孔隙,且使细小的土颗粒黏结在一起成为较大的颗粒,而其水化膜也变薄,最终使得土颗粒边缘变得更加规整、圆润,因此反映颗粒形态的分维数变小。
4 结 论
通过对典型华南红层风化土进行崩解试验及改性控制试验,得到以下结论:
(1)红层风化土的初始含水率、压实度显著影响其崩解特性,其崩解量、崩解速率及最大崩解速率峰值均随初始含水率及压实度的增大而减小,而崩解时间则相对变长。
(2)红层风化土的崩解破坏机理分别由土体的矿物成分及其物理化学性质、结构特性、胶结物特性等3个方面构成,三者共同作用使得红层风化土具有显著的遇水崩解特性。
(3)红层风化土崩解控制可以通过利用高性能酯类材料进行土体改性来实现,其作用为增强颗粒间的胶结作用及团聚程度,从而提高土体的强度及水稳定性。该方法为工程建设上解决红层风化土遇水崩解破坏提供了治理思路,具有一定的参考意义。
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文章来源:《华南国防医学杂志》 网址: http://www.hngfyxzz.cn/qikandaodu/2021/0112/396.html
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