靖边Q_(3)砂质黄土湿陷特征及其微观机制研究

沙漠-黄土高原过渡带的砂质黄土遇水后会产生明显的湿陷变形,广泛分布于陕北靖边的长庆油田工程遭受砂质黄土湿陷危害严重,揭示砂质黄土湿陷特性及湿陷机制是长庆油田工程建设迫切需求。为此,以陕北靖边沙漠-黄土高原过渡区Q_3砂质黄土为研究对象,通过室内基本物理性质、X射线衍射和湿陷试验,研究砂质黄土基本物理特性和物质组成,厘清湿陷特性、影响因素及其规律。在此基础上,通过扫描电子显微镜试验和孔隙及裂隙图像识别分析手段,探究砂质黄土湿陷前后的微观结构,孔隙大小分布、方向频率及丰度变化,从微观角度揭示砂质黄土湿陷机制。研究表明:靖边Q_(3)砂质黄土具有湿陷性,且湿陷系数随着轴向压力的增加先增加后减小,随着干密度、含水率的增加而逐渐减小,轴向压力为150 kPa时湿陷系数达到峰值;靖边Q_(3)砂质黄土以石英、钠长石、白云母以及方解石为主,颗粒形态多以棱角状亦或次棱角状为主,具有架空排列结构和架空孔隙,以点-点接触为主,黏粒胶结物多分布在骨架颗粒接触处。靖边Q_(3)砂质黄土的架空孔隙结构崩塌是砂质黄土湿陷变形的本质,为湿陷提供主要空间,黏粒胶结物包裹少量碎屑颗粒形成的凝块结构产生的沉降变形为砂质黄土湿陷变形提供了增量。研究成果为长庆油气田工程建设区砂质黄土湿陷性评价提供了数据依据。

基于室内试验的Q_(3)黄土回填电阻率影响因素研究

Q_(3)黄土是内蒙中部地区的一种重要的土壤类型,使用控制变量法设计试验,对内蒙中部Q_(3)黄土的电阻率随压实度、含水率的变化进行了测量,并从理论模型和原位测试两方面对研究方法和结果准确性进行了验证。结果表明,样品电阻率在最优含水率时与压实度关系为ρ=23991D^(-2799),在工况压实度下与含水率关系为ρ=11662ω^(-0601)。试验结果对以Q_(3)黄土为回填土的工程勘察有一定参考意义,研究方法对研究特定土壤的电阻率随压实度和含水率的变化规律有借鉴意义。

考虑降雨条件陕北Q_(2)黄土斜坡稳定性的非线性劣化研究

降雨致灾是陕北黄土斜坡最常见的灾害之一,揭示降雨对黄土斜坡稳定性影响特征有利于预防滑坡灾害的发生。通过一系列室内试验研究了降雨条件下陕北Q_(2)黄土的力学特性变化特征,并结合数值模拟分析了其对陕北黄土斜坡稳定性的影响。首先设计干湿循环试验(循环路径和次数)以模拟降雨条件(如强度、频次等);其次通过三轴剪切试验获取陕北Q_(2)黄土的力学性质的变化规律;最后以陕北地区某黄土斜坡为例,利用有限元计算并分析不同降雨条件下斜坡安全系数和塑性区的变化特征。结果表明:(1)干湿循环作用后Q_(2)黄土的抗剪强度存在非线性劣化特征。当干湿循环次数超过一定范围后,黄土物理力学性质参数劣化的边际效应减弱,并趋于稳定。(2)降雨作用下黄土斜坡的稳定性呈现出随着降雨频次或降雨强度的增加而降低的趋势。(3)Q_(2)黄土斜坡的塑性区范围随着Q_(2)黄土力学性能的不断劣化而增大,体现了降雨条件对黄土斜坡稳定性影响的非线性特征。研究结果为降雨型滑坡预防提供参考。

基于分数阶导数理论的Q_(3)黄土流变本构模型研究

荷载的时间效应诱发的黄土蠕变和渐进破坏会显著影响其工程构筑物的长期服役性能。特别是在我国西北地区黄土广泛分布,在荷载的长期作用下一些典型工程建构筑物(如西安地铁开挖的黄土隧道工程)可能因黄土蠕变和渐进破坏而失稳,进而对工程建设的顺利实施以及工程建设完成后其安全运营维护产生极为不利影响。可见,对黄土流变特性进行分析并揭示其流变机理进而建立其本构模型具有重要的理论和实际意义。为此,以Q_(3)黄土为研究对象,基于分数阶导数理论,通过对典型蠕变变形过程进行分析,提出了一种可模拟加速蠕变阶段非线性变化特征的分数阶元件模型,对其进行理论分析进而建立了分数阶改进西原模型并推导出本构方程。在此基础上对Q_(3)黄土的原状与重塑样开展了三轴分级循环加-卸载流变试验,以验证分数阶改进西原模型的有效性。相应的理论计算结果表明:分数阶改进西原模型既能实现对Q_(3)黄土减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个流变阶段的模拟,又可弥补整数阶改进西原模型无法描述加速蠕变阶段的不足,而且相比于整数阶改进西原模型,其在减速蠕变及卸载阶段的预测效果更佳。研究结果为考虑黄土流变问题的建构筑物安全运营维护设计与施工方案提供了重要的理论依据。

平面应变条件下原状Q_(3)黄土的结构性演化特性研究

针对黄土工程中经常遇到的平面应变问题,通过扰动、加载和浸水充分释放土的结构势,开展Q_(3)原状、重塑和饱和原状黄土的无侧限压缩试验和平面应变剪切试验,依据初始结构性参数(构度)和剪切过程结构性参数(应力比结构性参数)定义了可综合描述从土的初始结构状态到平面应变剪切破坏状态的全过程结构性参数,分析了平面应变条件下,全过程结构性参数随轴向应变的衰减演化规律及结构性强度特性。研究结果表明,黄土的不同初始状态(原状、重塑和饱和)对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土应力-应变曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低。随着含水率增大,构度指标不断减小,含水率小于土的塑限时,水的浸入对黄土结构的损伤较大。固结围压和含水率变化均对结构性参数及其演化规律有明显影响。建立的全过程结构性参数,可以很好的描述土的初始结构性及平面应变剪切全过程的结构损伤演化规律,亦可以反映出含水率和固结围压对于土结构性损伤演化全过程的影响规律。不同初始状态对土的强度影响显著,黏聚力随构度呈非线性增长,内摩擦角随着构度增大近似呈线性增长,但变化幅度较小。

基于微结构量化的含渐变带天然黄土渗透各向异性研究——以延安新区Q_(1)黄土为例

为研究含渐变带天然黄土的渗透各向异性特征,以含黄土层(L19)、古土壤层(S18)以及两者之间渐变带(S18Z)的早更新世(Q_(1))黄土为例,获取了各土层在0°,45°,90°方向的饱和渗透系数,并计算了相应的孔隙度n_(m)、形状系数F、形态分维数D、概率熵H_(m)等微观结构参数,分析了微观结构参数对渗透系数的影响。结果表明:①除概率熵外,孔隙和颗粒的微观结构参数均具有各向异性特征,渐变带土层的微观结构特征与相邻土层存在显著差异;②各土层沿沉积方向渗透系数均最大、渗透能力随渗流时间衰减最快,沿垂直沉积方向渗透系数均最小、渗透能力衰减最慢;③微观结构参数对各土层渗透系数的影响程度均表现为n_(m)>F(孔隙)>F(颗粒)>D(孔隙)>D(颗粒)>H_(m)(孔隙)≈H_(m)(颗粒),其中孔隙度对渗透性能的贡献约可达到30%;④渐变带土层的渗透性能最差,水分易在渐变带发生累积,导致含水率提高,弱化土体力学性质,需要重点关注。

Q_(3)黄土结构密实度对土水特征曲线的影响分析

为了研究不同干密度原状黄土样土水特征曲线之间的差异,在甘肃黑方台开挖探井取不同埋深的Q3原状黄土样,进行基本物理力学性质和土水特征曲线的测试,并用Gardner模型、Van Genuchten模型、Fredlund&Xing模型对所测土水特征曲线进行拟合。基于此提出了考虑土体干密度的土水特征曲线模型,并利用此模型预测另一干密度Q_(3)黄土样的土水特征曲线,且同实测值进行了比较。结果表明干密度对土水特征曲线有一定影响。接近饱和区,相同基质吸力下,干密度越大的土样体积含水率越小;在过渡区,相同基质吸力下,干密度越大的土样体积含水率越大;在残余区,不同干密度土样的土水特征曲线近似重合。各模型的拟合参数也随干密度的变化呈现规律性变化,提出的考虑干密度的土水特征曲线模型预测曲线同实测值基本接近。

常含水率下Q_(3)原状黄土的应力-应变、吸力变化及临界状态特性

黄土高原地区存在恒定含水率加载的工况,为了模拟这种排水条件下土体的受力变形情况,采用GDS非饱和三轴仪对兰州不同初始吸力的Q_(3)原状黄土在常含水率条件下进行了三轴等向压缩和常规剪切试验,研究其应力—应变、吸力变化及临界状态特性。等向压缩试验结果表明:初始吸力愈大,压缩变形愈小,吸力减小程度愈大;等向应力愈大,饱和度增大程度愈大。三轴剪切试验结果表明:应力—应变曲线呈硬化型,偏应力对吸力的减小程度影响不大,主要影响饱和度的增大程度;初始吸力10~100kPa范围内,q-p临界状态线相互平行,用饱和土的临界状态线统一描述;e-lnp′临界状态线随初始吸力增大平行上移,其截距与初始吸力呈双曲线关系,饱和土的e-lnp′临界状态线斜率偏小,不同初始吸力非饱和土与饱和土的临界孔隙比之比,与临界饱和度(气体饱和度)的关系可归一。研究成果为排水条件差的黄土材料测试及工程应用提供参考。

考虑主应力方向的Q_(2)原状黄土定向剪切试验研究

为了研究在定向剪切下主应力偏转角对Q_(2)原状黄土强度与变形特性的影响,探讨了在定向剪切荷载作用下Q_(2)原状黄土的变形与强度特性,对比分析了重塑黄土与原状黄土结构性对剪切特性和非共轴特性的影响。结果表明:由于原状黄土内部结构性差异,当主应力偏转角α在0°和15°时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐增加,非共轴性增强;当主应力偏转角α在30°~90°之间时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐减小,非共轴性减弱,整体上呈先增强后减弱的趋势。该原状黄土达到破坏时的总广义应变值较小,通常为2%左右达到峰值强度,然后迅速发生较大变形而破坏。

西安某湿陷性Q_(2)黄土场地建筑地基沉降分析

为研究湿陷性Q_(2)黄土场地建筑地基在降雨入渗影响下的沉降变形规律,首先通过压力板试验和直剪试验研究了Q_(2)黄土的水力—力学特性,拟合了黄土的非饱和渗流参数和随含水量变化的力学参数表达式;其次,基于试验结果提出了一种考虑土体湿陷性的地基沉降数值模拟方法,并以西安某Q_(2)黄土场地上临近雨水入渗点的建筑地基为依托,分析了降雨入渗下的建筑地基的沉降变形特征。结果表明Q_(2)黄土具有显著的湿陷性,粘聚力、内摩擦角、变形模量随含水量的增加而近似线性劣化,文中提出的数值模拟方法可以较好地模拟出Q_(2)黄土的这一特性;Q_(2)黄土场地建筑地基在雨水入渗工况下,考虑地基土体湿陷性的沉降变形分析结果相对于不考虑湿陷性的分析结果而言,地基沉降变形最大可增加2倍左右,考虑湿陷性的地基沉降分析结果更符合工程实际。

中国北方四剖面CaCO_3含量变化及其反映的古降水量

中国北方自西向东的4个剖面,各地层CaCO3的含量呈现逐渐减少的规律。科尔沁剖面和延长剖面、西宁盘子山剖面CaCO3含量曲线表现出的特征为:在每一个古土壤单元的下部一定深度内CaCO3曲线都表现为一个明显的峰;新疆塔勒德剖面的各古土壤的CaCO3含量表现为表层比中、下部要高。利用CaCO3淀积深度恢复出来的部分区域的古降水量显示,末次间冰期期间盘子山剖面的古降水量大为352mm,延长剖面和科尔沁剖面的古降水量大约为500～550mm;末次冰期的间冰阶阶段科尔沁剖面的古降水量大致为320～360mm;延长剖面古降水量大约为443mm;全新世以来盘子山剖面的古降水量大约为306mm,延长剖面和科尔沁剖面的古降水量大约为320～380mm。这些数据可为半定量恢复地质历史时期古环境状况提供依据。

黄土高原马兰黄土记录的MIS3温湿气候

对位于关中盆地的大荔地区甜水沟和垣雷两个剖面末次冰期 -间冰期旋回的碳酸盐和有机质碳同位素组成、磁化率和频率磁化率进行了系统研究 ,初步讨论了MIS 3后期 (即MIS 3a)的“高温大降水事件”对黄土高原南部气候和植被的影响。在 40～ 30kaB .P .的MIS 3a时期 ,大荔地区气候总体表现为湿润、温暖 ,植被覆盖程度高 ,植被中C4植物的相对含量增加 ,土壤发育较好。中国大陆黄土 -古土壤序列在MIS 3的磁化率较之末次冰期的其他时段均有所增加 ,但不同地区的增幅各不相同。

陇西民和黄土CaCO_3和有机碳总量的含量变化及其气候指标的局限性

民和黄土地处黄土高原与青藏高原东北缘的交接部位,对气候反应较敏感.对该黄土1.87～0.70Ma BP段进行了CaCO3和有机碳总量(TOC)的采样分析.民和黄土CaCO3含量在5.89%～18.63%之间变化,平均11.41%;有机碳含量较低,在0.007%～0.452%之间,平均0.088%.民和黄土中的CaCO3含量明显高于兰州、洛川和西安等地,而有机碳含量则远低于上述地区.黄土中CaCO3和有机碳含量变化反映了该区1 87 Ma BP以来气候变干冷的趋向.分别受复杂的CaCO3来源与类型、困难的采样、地区上的差异对比等和有机碳保存条件、沉积速率以及'埋藏效应'的影响,黄土中的CaCO3和有机碳的波动变化作为气候变化的替代性指标存在一定的局限性.文章最后指出,在实际应用中,黄土(特别是黄土高原西北部)中CaCO3和有机碳气候指标应结合其他环境指标共同使用,才能从中提取正确的古气候信息.

长期施肥条件下黄土旱塬土壤NO_3^-N的淋溶分布规律

在黄土旱塬区 ,长期施肥对土壤剖面NO3- N含量和分布有显著影响 .施用化学氮肥 ,土壤剖面中出现NO3- N的淋溶与深层累积 ,而施用磷肥和有机肥有减弱NO3- N向更深层淋溶的作用 .单施氮肥处理 (N) ,NO3- N的累积峰深度最大 ,为 1 2 0～ 2 0 0cm ;N、P有机肥配施处理 (NPM ) ,NO3- N的累积峰值最高 ,但峰深度降低至 60～ 1 2 0cm ;N、P配施 (NP)累积深度为 80～ 1 4 0cm .不施氮肥 ,分布在土壤剖面中NO3- N含量显著降低 .氮肥用量愈大 ,NO3- N的累积量愈大 .N、P配施可以有效降低NO3- N累积 .在同一氮肥用量下 ,NO3-

深海氧同位素第3阶段时期东亚季风区大气湍流特征

深海氧同位素第 3阶段是末次冰期中的一段特殊时期 ,与全新世存在一定的相似性。为了深入分析深海氧同位素第 3阶段时期的大气环境特征 ,本文利用黄土粒度的多组分特征 ,根据流体力学原理 ,指出其动力学原因是粉尘在搬运过程中风力、湍流和颗粒重力共同作用下形成的分选结果 ;黄土 -古土壤粒度分布中的粗、中粒组分中值粒径近似反映了源区起尘时和沉降区降尘时近地表大气湍流强度的变化。对渭南地区黄土剖面的分析发现 ,末次冰期深海氧同位素第 3阶段以来在中国黄土区存在大致以 4千年为周期交替出现的强湍流期与弱湍流期 ,强湍流期对应于降温事件 ,如Heinrich事件 ,并存在着 3种源区环境控制的不同大气湍流类型 ;在深海氧同位素第 3阶段粉尘源区和沉降区都存在两种不同大气环境类型在时间上的频繁同步交替 ,具有高度的不稳定性和周期性波动特点 ,与末次冰盛期的大气环流模式可能相似 ,而与全新世不同 ;同时在该时期的强湍流降温期源区进退较明显、沉降区环境稳定 ,而弱湍流期源区较稳定、沉降区大气环境变化较大。

郑州织机洞遗址MIS3阶段古人类活动的环境背景

MIS3阶段,即深海氧同位素第3阶段,是末次冰期中气候比较温暖湿润的时期。大量的考古调查资料表明,这个阶段也是末次冰期中人类活动最活跃的时期,当时不仅人类遗址的数量明显增多,而且石制品也较前也有较大的进步和发展。人类活动与气候环境之间的耦合关系似乎暗示着两者之间存在着某种内在的联系,适宜的气候环境可能是导致人类活动活跃的重要原因。河南郑州织机洞遗址是我国北方重要的旧石器文化中-晚期洞穴遗址,包括上、中、下3个文化层,其中,下文化层距今5.0～3.5万年,属MIS3阶段。本文试以织机洞遗址下文化层为主要研究对象,结合洞外黄土-古土壤剖面的研究,就我国中原地区MIS3阶段人类活动的环境背景做一初步的分析。分析结果表明,在这一阶段,中原地区属于暖温带草原-森林草原环境,气候比较温暖湿润,适宜于人类生活。其中,距今5.0万年前后的MIS3阶段早期,是MIS3阶段中气候最为适宜的时期,也是人类活动最为活跃的时期,当时生长有落叶阔叶树的暖温带森林草原环境,为MIS3阶段旧石器文化的繁荣和发展提供了重要的环境背景。

黄土高原MIS 3时期蜗牛化石记录的温湿气候及其成因机制探讨

通过对黄土高原西峰和洛川黄土剖面末次冰期较高分辨率的蜗牛化石组合研究发现,深海氧同位素第3期(MIS3)(59～29kaB.P.)黄土高原的气候变化可分为3个阶段:MIS3c时期,气候总体相对温暖湿润,但暖湿程度远不及全新世时期,这一阶段出现两次比较温湿的气候波动,西峰最温湿的时期发生在约48～46kaB.P.,其次在约54kaB.P.,洛川较温湿的时期出现在约57kaB.P.;MIS3b时期,西峰气候比较寒冷,但具有一定的湿度,洛川总体上气候比较冷湿,但较之于西峰无论是温度还是湿度都要高一些;MIS3a时期,西峰的气候从温凉变得冷干,洛川出现频繁的气候波动。研究认为黄土高原MIS3c时期较温湿气候状况可能是受控于这一时期地轴倾角控制的太阳辐射梯度的变化,地轴倾角增大,中纬度夏季太阳辐射强度高于低纬度的辐射强度,使得中低纬度之间夏季太阳辐射梯度增加,低纬度海洋向中纬度大陆传输的热量和湿度增加,夏季风加强,从而改善了黄土高原的温湿度状况,喜暖湿的蜗牛种类得以在冰期的环境中生长发育。蜗牛化石的研究结果显示MIS3时期黄土高原不同地区存在明显的区域性差异,与现今气候格局不同的是这一时期黄土高原存在更大的气候环境梯度。

近70年来黄土高原典型植物δ^(13)C值变化研究

对黄土高原地区 4种典型C3 植物狼牙刺 (Sophoraviciifolia)、辽东栎 (Quercusliaotungensis)、虎榛子 (Os tryopsisdavidiana)和酸枣 (Zizyphusjujubavar.spinosa)样品稳定性碳同位素组分 (δ13 C)进行分析 ,研究了从 2 0世纪 30年代至今近 70年中不同年代植物δ13 C值的变化。结果表明 ,在近 70年中 ,4种植物δ13 C值变化范围为- 2 5 .0 5‰～ - 2 9.75‰ ,平均值为 - 2 7.0 4‰。 4种植物叶片δ13 C值均呈下降趋势 ,表明随气候环境变化 ,近 70年4种植物的水分利用效率 (WUE)均呈降低趋势。但不同植物叶片δ13 C值下降幅度不同 :狼牙刺和辽东栎叶片δ13 C值下降非常明显 ,虎榛子叶片δ13 C值下降也较明显 ,而酸枣叶片δ13 C值下降不明显。 4种植物δ13 C值的降低率分别为 14 .6 5 %、14 .4 6 %、11.99%和 2 .4 4 % ,说明不同植物对气候环境因子的敏感性不同 ,具有不同的适应环境变化的策略 ,酸枣是 4种植物中耐旱能力较强 ,WUE较高的物种。

黄土高原西部地区末次冰期和全新世有机碳同位素变化与C_3/C_4植被类型转换研究

文章利用黄土高原西缘代表性的塬堡剖面有机碳同位素数据,估算了末次冰期以来地表植被中C3/C4植 物的相对丰度,指示出研究区域末次冰期几乎为纯粹的C3植物,而全新世为C3植物占优势的C3和C4混合植被类 型。温度是控制中国黄土高原C4植物是否发生的关键性气候因素,末次冰期向全新世转化过程中存在的某“阈值 温度”控制了两种植被类型的存在。全新世土壤有机碳同位素偏正于末次冰期,符合前人研究得到的认识。末次 冰期间冰段(MIS3)至盛冰期,土壤有机碳同位素为偏正变化趋势,符合现代C3植物本身随气候条件改变的碳同位 素组成变化。研究表明,利用黄土-古土壤有机碳同位素进行古气候变化研究,不能只将有机碳同位素简单的解 释为C3/C4植物相对丰度的变化,在单一植被类型下,还需要考虑植物本身碳同位素组成随气候条件的变化;另外, 研究还说明,我国黄土高原不同地区同时段土壤有机碳同位素值可以不同,其变化可以不具有相同的趋势,因此, 简单将有机碳同位素偏正归因于夏季风增强是值得商榷的。

6-(3-甲基-2-羟基-3-烯-1-丁基)-3,4-二甲氧基-2,5-二苄氧基甲苯的合成

以辅酶Q0为原料,通过三步主要反应,合成了辅酶Q10的重要中间体6 (3 甲基 2 羟基 3 烯 1 丁基) 3,4 二甲氧基 2,5 二苄氧基甲苯。第1步Friedel Crafts烷基化反应以三氟化硼乙醚络合物为催化剂,收率69 9%。环氧化反应用过氧乙酸〔w(CH3CO3H)=40%〕作氧化剂,得到95 3%的收率。最后采用异丙醇铝进行选择性开环得目标产物(Ⅲ),收率89 9%。总收率达到60%(以辅酶Q0计)。