黄土-古土壤饱和渗透性与孔隙分布特征关系研究

由于沉积环境的差异,古土壤较上覆黄土致密,其饱和渗透系数应低于黄土,但试验结果却显示二者的饱和渗透系数相近。为揭示这一现象的机理,在陕西泾阳南黄土塬开挖33m的探井,沿井壁按1m间距取黄土和古土壤原状试样,进行变水头渗透试验,测定试样的饱和渗透系数。同时用压汞试验(mercury intrusion porosimetry,MIP)及扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测试分别获取试样的孔隙分布曲线和微观结构图像,以分析黄土-古土壤饱和渗透性与孔隙分布特征的关系。结果表明:(1)黄土-古土壤地层的饱和渗透系数整体上沿深度方向规律性减小,但相邻黄土和古土壤层的饱和渗透系数无明显差异;(2)MIP及SEM测试结果表明,黄土结构均匀、孔隙大小较为一致,而古土壤具有不均匀的团块-裂隙结构,虽然团块内部较黄土致密,但团块间存在裂隙;(3)饱和渗透系数的大小取决于透水孔隙的体积分数,其中黄土的透水孔隙主要为较大孔隙(孔径>2μm),而古土壤的透水孔隙主要为团块间的微裂隙,虽然二者渗透系数相近,但渗透机理完全不同。为研究黄土与古土壤的孔隙分布特性和解决黄土区工程建设中的问题提供了理论依据。

Q2黄土湿陷系数试验压力取值的讨论

湿陷系数是评价黄土湿陷性的指标,由室内试验测定,湿陷系数与试验压力有关,一般情况下采用地基实际压力作为试验压力是最合理的,但考虑到实际压力在勘察阶段尚不确定,我国历代湿陷性黄土地区建筑规范或标准制定了试验压力的取值方案,先后有较大的调整。现行《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)对浅层马兰黄土的试验压力取值比较符合实际,而对较深Q_(2)黄土的试验压力取值还需探讨。以甘肃正宁华能电厂湿陷性黄土地基为例,对35.0 m深探井中的Q_(2)-Q4黄土按1.0 m取样做了基本物理指标和双线法高压湿陷性试验,获得了各级压力下的湿陷系数。根据试验结果,给定不同基础宽度和不同基底压力,对比了按现行标准规定的压力和实际压力下的湿陷系数随深度的变化。分析结果表明:(1)湿陷系数随压力的变化存在一个峰值,Q_(2)黄土湿陷起始压力和湿陷系数峰值对应的压力明显高于Q_(3)黄土,Q_(2)黄土的湿陷系数峰值比Q_(3)黄土的小,且随深度有减小趋势;(2)现行标准规定压力下确定的湿陷系数和湿陷沉降在Q_(3)黄土中与实际压力下的比较接近,在Q_(2)黄土中与实际压力下的随深度偏离越来越远;(3)为此提出了一个试验压力的修正方案,用修正的试验压力确定的湿陷系数和湿陷沉降与实际压力下的值较为接近。研究结果对黄土湿陷性评价具有一定的工程意义。

黄土细观界面及其灾害效应研究初探

黄土是第四纪以来形成的具有多孔隙弱胶结的特殊沉积物,受自然环境及人类工程活动影响,黄土体内分布大量不连续面,统称为黄土界面。黄土界面是黄土灾变的本底控制因素。依据界面灾害效应,黄土界面划分为巨观、宏观、细观和微观界面。黄土细观界面是指分割黄土块体的不连续面。本文通过野外调查,归纳出细观界面具有圆形状、对钩状、尖灭状及V形状的几何形态特征,组合特征表现为发散型的爪状、阶梯状、羽列状以及闭合型网格状。按成因分类为物理力学成因、生物活动成因、水土耦合成因、风化成因以及异相成因。黄土细观界面的发育演化是一个动态循环再生过程,具有时空特性、辐射特性,对土体具有分离、松动和软化渗透的灾变效应。本文针对黄土细观界面的初步探讨,旨在完善黄土界面灾变理论体系的科学基础,以期为黄土灾变机理研究提供科学参考依据。

不同冻融循环次数及含水率条件下伊犁地区黄土力学强度损伤特性

新疆伊犁地区融雪季节和雨季黄土滑坡灾害频繁发生,亟需探究伊犁地区黄土在不同冻融循环次数和含水率条件下力学强度的变化特征,本文以伊犁地区新源县某天然黄土斜坡处的黄土作为研究对象,通过室内三轴压缩试验和扫描电子显微镜试验来探究伊犁地区黄土的宏微观特性变化。主要研究成果如下:(1)不同冻融循环次数条件下,室内三轴压缩试验过程中以轴向变形为主,变形破坏机制由挤压-横向拉裂型向弯曲-纵向拉裂型转变。试样黏聚力总体上先减小后增大然后稳定,而内摩擦角总体的变化趋势为先增大后减小。(2)含水率对黄土试样硬化-软化程度影响较大,随着含水率的增加,应变逐渐呈现出弱软化-弱硬化-一般硬化-弱软化的变化趋势。试样的黏聚力、内摩擦角随着含水率的增高均呈现先增大后减小的二次抛物线关系。(3)在不同冻融循环条件下,黄土微结构由粒状、镶嵌、面胶结-微胶结结构转变为凝块、分散、点接触-胶结结构;小颗粒通过凝结作用形成了大颗粒,颗粒形态变得复杂,接近等轴的颗粒在减少,排列变得无序,黄土颗粒不断裂解充填孔隙,凝聚扩大孔隙,孔隙形态趋近于简单。总体上伊犁地区黄土的微观颗粒结构经历了一个稳定-不稳定-稳定的过程。(4)随着含水率的增加,黄土微结构为粒状、镶嵌、面胶结-微胶结结构,伊犁地区黄土含水率存在一个特殊值——最优含水率,在其附近黄土大颗粒最多、接近等轴的颗粒最多、轮廓线最简单、颗粒排列最有序。本研究结果以期为伊犁地区黄土滑坡灾害的预测与防治提供理论依据并奠定基础。

Cu^(2+)对重塑黄土饱和渗透系数的影响研究

渗透系数是评价重金属污染液在重塑黄土中迁移扩散作用的一个重要指标。已有研究表明污染液的p H值、可溶性盐浓度、离子含量和饱和渗透系数的变化存在一定的相关关系,但未明晰渗透过程中的地球化学反应机制。基于此,采集了西安白鹿原地区的更新统(Qp)黄土,选取Cu^(2+)溶液作为渗透溶液,开展了重塑黄土的饱和渗透试验,建立了基于Netpath软件的地球化学反演模型。结果表明:试验过程中饱和渗透系数从第1天开始显著降低,且与去离子试验组相比降低幅度较大,极差为5.57×10^(-5)cm/s;离子来源分析证明了地球化学反应的发生,存在着矿物的溶解、沉淀以及阳离子交换作用;地球化学反演模拟结果显示由于Cu^(2+)的存在,加剧了矿物溶解产生大量的Ca^(2+),促进碳酸盐矿物溶解平衡左移,从第1天开始方解石和白云石持续形成沉淀,沉淀量分别为1.912,0.958 mmol,从而堵塞渗流孔隙,降低土体的渗透系数。研究结果有助于了解重金属离子侵入过程中重塑黄土饱和渗透系数的变化,同时对于进一步明晰影响渗透系数变化的地球化学机制具有重要的理论意义。

高填方压实黄土工程特性研究

以陕北某高填方黄土地基为研究对象,通过对取土场地及振动压实后填方场地开展的室内土工试验和原位测试研究,分析了填筑前后低含水率、强结构性的湿陷性粉土物理力学性质的变化,探讨了振动压实对黄土工程特性的影响及存在的问题,并对参数相关性进行了分析,最后进行了填筑效果评价并提出建议。研究结果显示,振动压实黄土密实度有较大提升,但无法消除场地的湿陷性,且抗变形能力变弱,不建议单独使用振动压实进行黄土回填。黄土特性与土体结构关系密切,振动压实后相关性变差。施工时应严控含水率,高填方黄土地基可以采用振动碾压与强夯相结合的回填方式。

模拟降雨条件下黄土边坡表面破坏试验研究

本文通过室内模型试验对黄土边坡的表面破坏特征进行研究。试验表明连续降雨对黄土边坡的危害较大,连续降雨与单次降雨相比坡面径流的初试时间更早,水分入渗深度更深;但两种类型的降雨条件下水分入渗的速率在降雨结束4小时内均会急剧下降,此后趋缓。试验还表明坡比对黄土边坡冲刷破坏的影响具有双重性,坡比未达临界值时坡比与径流量成正比,超过临界值则反之。此外,本文还提出雨水对黄土边坡的侵蚀作用主要可分为雨水冲击、吸水软化以及流水切割三种机制。

大厚度黄土湿陷性影响因素及评价方法

近些年我国基础设施建设有了非常大的发展,工程建设过程中遭遇大厚度黄土地质是不可避免的,大厚度黄土地质的湿陷性会对工程建设质量、稳定性造成较大影响,需要对其相关影响因素进行分析。影响大厚度黄土湿陷性的因素较多且复杂,例如孔隙比、初始含水率、干密度等等,需要对这些影响因素进行分析,同时建立起黄土湿陷系数和相应影响因子之间的线性回归方程,对于黄土湿陷性等级进行评价。

高温干燥-室温加湿循环作用下压实黄土体变和电阻率特征

工程地质环境中,高温加速土体干燥,降雨浸湿土体。干湿循环导致土体劣化易引起基础设施和建筑物损害。所以,有必要研究干湿循环对压实黄土体变特性的影响以评价地基和路基等的稳定性。本研究制备了初始含水量为11%,不同干密度(1.5 g·cm^(-3)、1.6 g·cm^(-3)和1.7 g·cm^(-3))的3组试样。试样在80℃下干燥,然后室温下浸入去离子水中饱和,直达预定的干湿循环次数。同时,用数字LCR仪测量土样电阻率,以表征土样的结构变化。采集干燥状态试样表面图像,以分析裂隙开展情况。干湿循环结束后,进行饱和土样的恒应变速率(CRS)试验,获取压缩曲线并确定压实黄土的变形参数。结果表明,随着干湿循环次数的增加,土样电阻率逐渐增大,并且裂隙比增大。无竖向压力下,开始从非饱和状态高温干燥引起土样收缩,随后室温饱和使土样膨胀;之后,从饱和状态高温干燥引起土样膨胀,随后室温下饱和土样引起其收缩。另外,随干湿循环次数增加,弹性压缩指数增加,对于较低密度土样塑性压缩指数减小而屈服应力增大,对于较高密度土样塑性压缩指数呈现增大趋势而屈服应力减小。本研究可为工程实践中压实黄土工后沉降分析提供理论基础。

舟曲县地质灾害和道路的空间分布特征分析

黄土高原地区侵蚀严重,灾害频发。如何在黄土高原地区实现乡村更好更快发展的任务艰巨。基于高分辨率遥感影像、DEM、灾害点和路网数据耦合分析了地质灾害和道路因素的空间分布特征对人口分布的影响关系,为乡镇建设发展提供指导。研究结果:(1)研究区地形走势呈NW-SE走向,研究区北部和中部坡度相对较小,南部地区坡度起伏较大。(2)舟曲县地质灾害总体上是沿着NW-SE走向的两条沟谷呈条带状分布,且滑坡灾害主要分布在白龙江流域。(3)中东部和东北部乡镇已经实现道路辐射全覆盖,而东北部、中部以及南部的部分乡镇仍存在道路辐射不到的区域。

长江口晚新生代沉积物的物源研究:REE和Nd同位素制约

长江三角洲地区第四纪以来堆积了200多米厚的碎屑沉积物,主要由河湖相和滨浅海相组成,构成了多个沉积旋回。选择长江口地区一个320m深的PD钻孔,运用多通道等离子体质谱MCICP-MS方法,开展沉积物中的REE和Nd同位素组成分析,研究了上新世以来三角洲地区沉积物物源的变化。沉积物中REE和Nd同位素组成具有明显的变化规律,Ce呈弱的负异常,介于0.83～0.99之间,而Eu呈现中等亏损,在0.53～0.73之间变化。岩芯中上新统沉积物中Ce异常变化大,而Eu亏损相对第四系沉积物更显著。143Nd/144Nd比值在钻孔中变化较小,介于0.511975～0.5122367之间,平均值为0.512062。相关分析揭示粒度和化学风化对Nd同位素组成影响小。REE和Nd同位素判别图解揭示河口地区上新统沉积物主要来自长江流域中、下游的近源物源区,而第四系沉积物的物源虽然存在一定的变化,但是总体上与上新统沉积物来源明显不同,主要来自更广泛的流域物源区,尤其是长江上游的风化物质被大量输运到河口三角洲地区。在第四纪构造和气候因素控制下,古长江水系具有不同的演化阶段,流域源岩经历的风化作用强度也不同,因此河流沉积物的源汇过程也相应地发生变化。

不同粒级黄土-古土壤中碳酸盐碳氧稳定同位素组成及其古环境意义

从黄土高原中部洛川和环县两个剖面选取若干黄土和古土壤样品,分为三种粒级(>45μm、2～45μm、<2μm),挑出>45μm粒级中的根状结核与蜗牛壳化石碎片,分别测定δ13C和δ18O值。结果显示,两个剖面不同粒级组分的δ13C和δ18O值表现出相似的分布规律。洛川剖面的根状结核和蜗牛壳与分粒级样品中的<2μm粒级中碳酸盐的δ13C和δ18O值最为接近,处于相同的区域内;而>45μm粒级中的δ13C和δ18O值与其他样品有明显的差别。因此,可以认为黄土-古土壤中<2μm粒级中所含的碳酸盐可代表成壤碳酸盐,其蕴涵的地球化学信息可用以重建成壤时的古气候和古环境条件。

季节冻土区压实黄土湿陷特性研究进展与展望

随着国家西部大开发的深入发展,国家重点基础工程向西部季节冻土区和湿陷性黄土地区推进,工程面临的黄土湿陷性问题和冻融灾害问题已成为研究和设计人员关注的焦点.基于前期的研究基础,分析和总结了压实黄土湿陷机理、本构模型和强度理论、工程特性、干湿和冻融循环以及盐分对压实黄土工程特性的影响等方面的研究现状,提出季节冻土区黄土工程面临的问题和研究展望,为完善黄土地基湿陷机理解释和深化黄土力学与工程等研究提供新思路和新方法.

四川金川黄土地层

马厂剖面中黄土-古土壤序列共厚15.5m,根据岩性、磁性地层特征、磁化率、CaCO3含量和光释光测年结果,将金川黄土划分为冰后期S0古土壤,末次冰期L1黄土,末次间冰期S1古土壤、倒数第二冰期L2黄土和倒数第二间冰期S2古土壤等5个地层单位;其中,S1复合型古土壤又可细分为S1LL1、S1LL2黄土和S1SS1、S1SS2和S1SS3古土壤等5个次级地层单位。金川黄土沉积始于中更新世晚期,其底界的年龄大致为200kaBP,其磁化率变化反映了最近200ka来的高原季风演化和气候环境变迁,5个磁化率高值段指示了5个夏季风环流增强的时段,4个磁化率低值段则代表了4次夏季风减弱的时期。

中国黄土研究的历史、现状和未来──一次事实与故事相结合的讨论

地质科学研究要以人为本，从可持续发展出发，开拓地质多样性，有所为有所不为．中国黄土研究经历了发现研究、比较研究和目的研究３个层次阶段，今后需要加强目的研究．中国已有条件从黄土所保存的各种信息，以揭示新生代以来全球干旱化的机制、规律和人类活动影响为目的，从区域性走向全球性研究，提出黄土“地质生态系统”研究的概念。基础研究方面，讨论了 １）黄土序列连续性和间断性的间断平衡（ＰＵＮＣＴＵＡＴＥＤ ＥＱＵＩＬＩＢＲＩＵＭ）问题。２）黄土全球分布形成机制一元论问题；３）黄土地貌形态与地壳运动表现问题。应用研究方面，讨论了１）健康与黄土区域地球化学与地质生理学（ＧＥＯＰＨＹＳＩＯＬＯＧＹ）问题；２）建设城乡与黄土地质生态结构问题；３）农业与黄土区域生态系统管理评价（ＲＥＧＩＯＮＡＬ ＥＣＯＳＹＳＴＥＭＡＳＳＥＳＭＥＮＴ）。认为在黄土研究中会遇到社会和技术发展方面的挑战，但关键是科学工作者自己的挑战。

冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。

中国黄土粒度的双峰分布及其古气候意义

中国黄土的粒度分布由分布峰度较高、分选较好的粗粒组分和分布峰度较低、分选较差的细粒组分叠加组成 ;前者代表了冬季风盛行季节近距离低空搬运的粉尘物质 ,其粒度指示了东亚冬季风所主导的近地面气流的强度 ,它在全样中的含量可能反映了冬季风粉尘的沉积通量 ;细粒组分可能主要为常态存在的、由高空气流搬运的远源粉尘 ,代表了黄土高原原始粉尘的本底 ,它的粒度特征与北太平洋西风带粉尘基本一致 ,可能指示了主要由西风带控制的高空气流的强度。黄土的粒度分布函数可用代表这两个组分分布的两个WEIBULL函数的和函数表示。用实测粒度分布数据对分布函数进行拟合可计算出该分布函数的各参数 。

北京城近郊区地下水人为影响和水-岩作用指示性指标研究

城市地区地下水受人类活动和天然水岩相互作用双重影响,特别是人为输入物质使地下水的化学成份与天然水化学场相比发生了较大变化。本文对北京城近郊区地下水中的K++Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-等常规组分利用方差对比分析法和比例系数法进行了物源研究。研究结果显示:NO3-和Cl-主要源于人为输入,而HCO3-则主要源于水-岩相互作用,并根据来源将这七种组分分为四类:NO3-和Cl-主要为人为输入指示性指标,SO42-和K++Na+为次要人为输入指示性指标,HCO3-为主要水-岩作用指示性指标,Ca2+和Mg2+为次要水-岩作用指示性指标。最后利用Cl-浓度的变化对研究区人为污染特征进行了分析。

兰州Q_4黄土各向异性的初步研究

水敏感性和结构性是黄土区别于其他类型土的主要特点,得到了广泛的研究,但大多数试验研究都采用垂直方向制备的试样,仅考虑了黄土垂直方向的力学特性,这对于以承受上部垂直荷载为主的黄土地基基础等工程类型来说是合理和准确的,而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等工程类型,黄土力学性质的各向异性可能更为重要。分别从垂直向和水平向制取兰州Q4黄土的原状土试样,通过三轴剪切试验研究了其抗剪强度和变形参数在不同围压下和不同方向上的差异性,并与直剪试验获得的强度参数进行对比。结果表明:兰州Q4黄土力学性质的各向异性是较为显著的,强度方面的差异主要体现在黏聚力,而内摩擦角的差异性较小;变形特征具有随围压增加而从脆性向塑性转化的特点,垂直方向的变形模量比水平方向的变形模量平均要大2倍左右。用黄土的结构性强度及其形成机制解释了试验结果,认为黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的另一种表现方式,应重视黄土在不同方向上强度和变形特征的差异性,以获得更安全合理的参数。

黄土垂直节理形成机理的试验模拟

通过室内试验模拟自然沉积作用下黄土中水的渗透性,发现黄土垂直节理是地表水入渗过程中形成的。根据室内模型试验,建立一理想颗粒排列模型,利用TEN-15型张力计实测的土-水特征曲线,计算从饱和到非饱和状态的变化过程中土颗粒的相互作用力的变化。结果表明:地表水在下渗过程中,初始沉积的黄土含水量发生变化,基质吸力和表面张力产生的粒间引力也发生变化;粒间引力会随着粒间距的减小而急剧增大,而且其随含水量的变化规律与粒间距的大小有很大关系;由于初始沉积的黄土粉粒结构疏松,粒间有极弱的支撑,改变含水量状态产生的粒间引力在较小的量级便会使土颗粒相互靠近,而颗粒间距减小,则粒间引力急剧增大,土体整体收缩导致局部拉裂形成垂向裂隙,即垂直节理。